ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE DE SO PAULO

FABIANO ARMELLINI

Projeto e implementao do controle de posio de uma antena de radar

meteorolgico atravs de servomecanismos

So Paulo 2006

FABIANO ARMELLINI

Projeto e implementao do controle de posio de uma antena de radar

meteorolgico atravs de servomecanismos

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia.

rea de concentrao: Engenharia de Controle e Automao Mecnica Orientador: Prof. Dr. Agenor de Toledo Fleury

So Paulo 2006

FICHA CATALOGRFICA

Armellini, Fabiano

Projeto e implementao do controle de posio de uma antena de radar meteorolgico atravs de servomecanismos / F. Armellini So Paulo, 2006.

123 p.

Dissertao (Mestrado) Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Departamento de Engenharia Mecatrnica e de Sistemas Mecnicos.

1. Sistemas de Controle 2. Servomecanismos 3. Antenas 4. Estruturas Flexveis (Controle) 5. Radares I.Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia Mecatrnica e de Sistemas Mecnicos II.t.

Ad Deum, qui ltficat juventtem meam (Ps XLII, 4)

AGRADECIMENTOS

H tantas pessoas dignas de meno, que temo ser injusto nesta hora, pelos nomes

que forosamente terei que omitir em funo do curto espao que tenho para tal.

Primeiramente eu gostaria de agradecer e prestar homenagem aos meus pais, Laerte

e Neusa, a quem Deus confiou minha educao e formao, que sempre procuraram

corresponder a esta responsabilidade com muito zelo, dedicao e sacrifcio.

Gostaria tambm de agradecer ao Prof. Dr. Orlando Fedeli, sua esposa, a Profa.

MSc. Maria Ivone Pereira de Miranda Fedeli e a todos da Associao Cultural

Montfort que, pelo conhecimento, convvio e bom exemplo, muito contribuem para a

minha formao cultural e religiosa.

No que tange a minha formao acadmica e profissional, agradeo primeiramente a

todos os professores do Departamento de Engenharia Mecnica da Escola Politcnica

da USP, nominal e especialmente ao meu orientador de mestrado, o Prof. Dr. Agenor

de Toledo Fleury (2003-2006), ao orientador de minha dissertao de graduao, o

Prof. Dr. Diolino Jos dos Santos Filho (2002) e ao meu orientador de Iniciao

Cientfica, o Prof. Dr. Paulo Carlos Kaminski (1998-2000).

Devo uma meno especial aos meus grandes amigos e scios da Allagi Engenharia,

Eng. MSc. Bruno Rondani, Eng. Rafael Rocha Levy, Eng. Henri Shinichi de Souza

Okajima e Eng. MSc. Gustavo Ribeiro Alves, pelo contnuo apoio e incentivo.

Agradeo tambm Omnisys Engenharia, nas pessoas de seus scios-diretores: Eng.

MSc. Luiz Manoel Dias Henriques, Eng. Edgard Lima de Meneses e Eng. Jorge

Hidemi Ohashi, no s pela bolsa de estudos oferecida para realizao do presente

trabalho, mas principalmente pela confiana e pela oportunidade.

Finalmente, agradeo Fapesp, na pessoa de seu Presidente, o Prof. Dr. Carlos Vogt,

pelo financiamento do projeto atravs do Programa de Inovao Tecnolgica em

Pequena Empresas (PIPE), fases II e III.

tu, quem quer que sejas, que te sentes longe da terra firme, arrastado pelas ondas deste mundo, no meio das borrascas e tempestades, se no queres soobrar, no tires os olhos da luz desta estrela. Se o vento das tentaes se levanta, se o escolho das tribulaes se interpe em teu caminho, olha a estrela, invoca Maria. Se s balouado pelas vagas do orgulho, da ambio, da maledicncia, da inveja, olha a estrela, invoca Maria. Se a clera, a avareza, os desejos impuros sacodem a frgil embarcao de tua alma, levanta os olhos para Maria. Se, perturbado pela lembrana da enormidade de teus crimes, confuso vista das torpezas de tua conscincia, aterrorizado pelo medo do Juzo, comeas a te deixar arrastar pelo turbilho da tristeza, a despenhar no abismo do desespero, pensa em Maria. Nos perigos, nas angstias, nas dvidas, pensa em Maria, invoca Maria. Que seu nome nunca se afaste de teus lbios, jamais abandone teu corao; e para alcanar o socorro da intercesso dela, no negligencies os exemplos de sua vida. Seguindo-a, no te transviars; rezando a ela, no desesperars; pensando nela, evitars todo erro. Se ela te sustenta, no cairs; se ela te protege, nada ters a temer; se ela te conduz, no te cansars; se ela te favorvel, alcanars o fim. E assim verificars, por tua prpria experincia, com quanta razo foi dito: E o nome da Virgem era Maria."

So Bernardo de Claraval

RESUMO

Uma antena-radar clssica composta basicamente de uma fonte primria justaposta

a um foco refletor parablico. A lei de iluminao estabelecida de maneira a

satisfazer, to precisamente quanto possvel, a forma do feixe desejado. a

movimentao do conjunto que garante a cobertura de explorao desejada.

O presente texto estuda o projeto e desenvolvimento de um servomecanismo capaz

de suportar e posicionar uma antena de radar, dentro de parmetros e restries

definidas. Os objetivos do trabalho so: levantar e estudar os fatores relevantes para

especificao de um projeto de controle de posio de uma antena-radar atravs de

servomecanismos; apresentar uma proposta de projeto de controle de posio atravs

de servomecanismo; propor um modelo estrutural terico consistente do conjunto

antena-radar para fins de simulao dinmica e anlise modal da estrutura, e

apresentar a implantao do sistema de controle proposto num projeto real de

Engenharia, para o servomecanismo de uma antena de radar meteorolgico.

A proposta de controle foi aplicada com xito no Modelo de Engenharia do Radar

Meteorolgico Doppler RMD700S-1M, desenvolvido pelo consrcio Omnisys/Atech,

que foi instalado e opera em Mogi das Cruzes/SP. O texto apresenta, de forma

estruturada, os fatores relevantes que devem ser levados em considerao para o

desenvolvimento de um projeto deste tipo.

Como concluses do texto, so apresentadas consideraes com relao ao projeto,

apontando pontos positivos e negativos do desenvolvimento.

Palavras-chave: Sistemas de Controle; Servomecanismos; Antenas; Controle de

Estruturas Flexveis; Radares

ABSTRACT

A classical radar antenna is basically composed of a primary source mounted at the

focal point of a parabolic reflector. The illumination rule is established so that the

desired beam-shape is attained, as precisely as possible. The physical motion of the

set guarantees the coverage of the desired volume of exploitation.

The actual text studies the design and development of a servomechanism capable of

supporting and positioning a radar antenna, within well-defined parameters and

restrictions. The aims of the dissertation are: determination and study of relevant

factors for the specification of a control system design for the positioning of a servo-

driven radar antenna; presentation of a servo-driven positioning control system

design proposal; proposal of a consistent theoretical structural model of the radar

antenna set for the purpose of dynamic simulation and modal analysis of the

structure and; presentation of the implementation of the proposed control system in

a real Engineering design project: a servo-driven weather radar antenna.

The control propose was successfully employed at the Engineering Model of the

Doppler weather radar RMD700S-1M, developed by the trust Omnisys/Atech,

installed and operant at Mogi das Cruzes/SP. The text presents, in a structured form,

all relevant factor that must be taken into account in the development of such design.

The conclusions drawn at the end of the dissertation are considerations regarding the

design, which point out faults and weak points of the development.

Keywords: Control Systems; Servomechanisms; Antennas; Flexible Structure Control;

Radars

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Sistema esfrico de coordenadas utilizado em radares............................................................18

Figura 2 Diagrama em blocos fundamental de um sistema radar .........................................................19

Figura 3 Volume meteorolgico produzido pelo radar RMD700S-1M ..................................................21

Figura 4 Radar mvel de aquisio de alta potncia (HIPAR) da Nike Air Defence .............................23

Figura 5 Tela de monitoramento de trfego areo .................................................................................23

Figura 6 Tipos de posicionador ..............................................................................................................25

Figura 7 Posicionadores do tipo Elevao sobre Azimute (EL/AZ) ......................................................26

Figura 8 Mecanismo do tipo Azimute sobre Elevao (AZ/EL) ............................................................26

Figura 9 Mecanismo "hexapod"..............................................................................................................27

Figura 10 Antena hexapod Banda X da Zodiac/In-Snec ..........................................................................28

Figura 11 Radar phased-array THAAD (Theater High Altitude Area Defense) ...........................................29

Figura 12 Radar GBR-P da Raytheon com tecnologia phased-array hbrida............................................30

Figura 13 Servomecanismo de acionamento manual .............................................................................35

Figura 14 Malha de controle bsica para servomecanismos ..................................................................35

Figura 15 Malha de rastreamento automtico........................................................................................36

Figura 16 Radome ..................................................................................................................................43

Figura 17 Redundncia da representao angular em radares de trajetografia .....................................46

Figura 18 Funcionamento bsico de um motor brushless........................................................................49

Figura 19 Construo de um motor brushless de 3 fases.........................................................................50

Figura 20 Modulao PWM das fases U, V e W de um motor brushless de 3 fases ................................51

Figura 21 Retificador de entrada do servoconversor .............................................................................51

Figura 22 Modulao na sada do servoconversor por IGBT's ...............................................................52

Figura 23 Princpio de funcionamento do encoder ptico absoluto ........................................................54

Figura 24 Protocolo de comunicao serial padro SSI ..........................................................................58

Figura 25 Camadas de proteo contra fim-de-curso.............................................................................62

Figura 26 Rampa de atenuao do batente eletrnico superior .............................................................63

Figura 27 Principais dimenses da antena com radome. .......................................................................64

Figura 28 Grfico do torque de vento de acordo com a posio da antena............................................68

Figura 29 Clculo do torque de vento por meio de anlise FEM ...........................................................68

Figura 30 Diagrama da malha de controle .............................................................................................70

Figura 31 Acoplamento dos eixos em trajetografia ................................................................................70

Figura 32 Modelo mecnico da planta ...................................................................................................71

Figura 33 Modelo eltrico do servomotor ..............................................................................................73

Figura 34 Diagrama em blocos de controle do sistema ..........................................................................74

Figura 35 Lugar das razes para a malha aberta de controle de posio ................................................76

Figura 36 Funo de transferncia..........................................................................................................79

Figura 37 Representao dos bastidores do Modelo de Engenharia ......................................................83

Figura 38 Modelo de Engenharia do Radar RMD700S-1M em Mogi das Cruzes/SP ............................86

Figura 39 Diagrama em blocos geral do sistema de controle .................................................................87

Figura 40 Contexto de software ...............................................................................................................89

Figura 41 Arquitetura de software...........................................................................................................89

Figura 42 Modos de operao do software de controle ...........................................................................91

Figura 43 Funo de filtragem proporcional do erro (com saturao) ...................................................92

Figura 44 Tela principal do software IHM...............................................................................................94

Figura 45 Sub-tela de operao em modo fixo .......................................................................................95

Figura 46 Sub-tela de operao em modo varredura .............................................................................95

Figura 47 Sub-tela de operao em modo manual .................................................................................95

Figura 48 Sub-tela de configurao do controlador ...............................................................................96

Figura 49 Modelo slido CAD do Conjunto Antena-Posicionador AN700S..........................................98

Figura 50 Dimenses gerais Conjunto Antena-Posicionador AN700S ...................................................99

Figura 51 Reduo do mecanismo de azimute .....................................................................................102

Figura 52 Reduo do mecanismo de elevao ....................................................................................103

Figura 53 Diagrama em blocos da interface entre encoders e controlador. ...........................................105

Figura 54 Efeito da variao de Kp nos plos de malha aberta de azimute .........................................107

Figura 55 Lugar das razes de malha (de posio) aberta para azimute baixo Kp .............................108

Figura 56 Lugar das razes de malha (de posio) aberta para azimute alto Kp................................109

Figura 57 Efeito da variao de Kp nos plos de malha aberta de elevao ........................................109

Figura 58 Lugar das razes de malha (de posio) aberta para elevao baixo Kp ............................110

Figura 59 Lugar das razes de malha (de posio) aberta para elevao alto Kp ...............................110

Figura 60 Modelo slido do mecanismo (Modelo de Engenharia) ......................................................112

Figura 61 Superfcie mdia (Modelo de Engenharia) ...........................................................................112

Figura 62 Modelo em elementos finitos e propriedade dos materiais (Modelo de Engenharia)..........113

Figura 63 Modelo do acoplamento do eixo de Elevao ......................................................................113

Figura 64 Resultados da Anlise Modal (Modelo de Engenharia) .......................................................115

Figura 65 Distribuio dos acelermetros para anlise modal experimental.......................................116

Figura 66 Modo de vibrao na direo vertical (elevao) obtido por anlise modal experimental ..117

Figura 67 Modo de vibrao de 1,2Hz na direo horizontal (azimute) obtido por anlise modal experimental .................................................................................................................................117

Figura 68 Modo de vibrao de 1,2Hz na direo norte (acoplamento azimute-elevao) obtido por anlise modal experimental ..........................................................................................................118

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Subsistemas do Radar ..............................................................................................................84

Tabela 2 Caractersticas da Antena ........................................................................................................97

Tabela 3 Principais caractersticas do Conjunto Antena-Posicionador ..................................................97

Tabela 4 Dimenses gerais Conjunto Antena-Posicionador AN700S ....................................................98

Tabela 5 Fatores de reduo no mecanismo de azimute ......................................................................103

Tabela 6 Fatores de reduo no mecanismo de elevao .....................................................................103

Tabela 7 Caractersticas dos encoders pticos........................................................................................105

Tabela 8 Parmetros do modelo simulado ...........................................................................................107

Tabela 9 Freqncias naturais e fatores de participao modal (Modelo de Engenharia) ...................114

LISTAS DE SIGLAS E DEFINIES

AC Alternating current (corrente alternada)

AZ Eixo de azimute

BITE Built-in test equipment (equipamento integrado de testes)

CAD Computer-aided Design (projeto auxiliado por computador)

CAE Computer-aided Engineering (engenharia auxiliada por computador)

CI Circuito integrado

DC Direct current (corrente contnua)

EDO Equao diferencial ordinria

EL Eixo de elevao

FEM Finite-element Method (mtodo dos elementos finitos)

FPGA Field-programmable gate array (vetor de portas programvel em campo)

IGBT Insulated gate bipolar transistor

IHM Interface homem-mquina

Modelo de Engenharia

Modelo completo e representativo do produto quanto a dimenses, materiais e interfaces, para validao da soluo adotada.

PID Controle proporcional-integral-derivativo

PRF Pulse repetition frequency (freqncia de repetio de pulsos)

PWM Pulse width modulation (modulao por largura de pulso)

RX Recepo

TTL Transistor-transistor logic (lgica transistor-transistor)

TX Transmisso

VHDL Very high speed integrated circuits hardware description language (linguagem de descrio de circuitos integrados em hardware de alta velocidade)

NDICE

1

Objetivos e Estruturao do Texto ............................................................................................16

2

Introduo ....................................................................................................................................18

2.1 Problema de Controle ...........................................................................................................20

2.2 Necessidade do Controle de Posio ....................................................................................20

2.3 Estratgias para Resoluo do Problema de Controle ..........................................................24

2.3.1 Controle de posio atravs de servomecanismos ......................................................................... 24

2.3.2 Antenas Hexapod........................................................................................................................... 27

2.3.3 Antenas Phased-array ................................................................................................................... 28

2.4 Definio do Problema de Controle com Servomecanismos................................................31

3 Precedentes...................................................................................................................................33

3.1

Histrico ...............................................................................................................................34

3.2

Consideraes para Especificao de Requisitos de Projeto ................................................37

3.2.1 Caractersticas em relao ao alvo................................................................................................. 37

3.2.2 Peso total do conjunto.................................................................................................................... 38 3.2.3 Tamanho e peso dos componentes................................................................................................. 38

3.2.4 Resoluo angular do sensor de posio........................................................................................ 38

3.2.5 Tolerncias mecnicas ................................................................................................................... 39

3.2.6 Acelerao e Velocidade mximas ................................................................................................ 39

3.2.7 Preciso de Apontamento .............................................................................................................. 40

3.2.8 Caractersticas dinmicas do mecanismo posicionador ................................................................. 41

3.2.9 Consumo........................................................................................................................................ 41

3.2.10 Ambiente de operao .............................................................................................................. 42

3.2.11 Distncia entre o pedestal e a eletrnica de controle ................................................................ 44

3.2.12 Curso angular requerido em azimute e elevao (volume de alcance) ..................................... 44

3.2.13 Condies de contorno de envelope.......................................................................................... 46

3.2.14 Requisitos de operao e interface............................................................................................ 46

3.2.15 Caractersticas RF do radar....................................................................................................... 47

3.2.16 Potncia de transmisso ............................................................................................................ 47

3.3 Consideraes tecnolgicas ..................................................................................................48

3.3.1 Escolha do servomotor .................................................................................................................. 48

3.3.2 Escolha do sensor de posio angular............................................................................................ 53

3.3.3 Definio do controlador ............................................................................................................... 59

3.4 Segurana..............................................................................................................................60

3.4.1 Repouso da antena ......................................................................................................................... 60

3.4.2 Proteo de fim-de-curso da antena............................................................................................... 61

3.4.3 Radome.......................................................................................................................................... 63

4 Projeto de Controle .....................................................................................................................69 4.1 Diagrama da malha de controle ............................................................................................69

4.2 Modelamento do Sistema de Controle..................................................................................71

4.3

Modelo estrutural..................................................................................................................77

4.3.1 Determinao da banda passante da malha de controle ................................................................. 77

5 Estudo de Caso: Desenvolvimento de Servomecanismo para Antena de Radar Meteorolgico Doppler Banda S .........................................................................................................82

5.1

O Projeto Taiti ......................................................................................................................82

5.2 Caractersticas do Radar .......................................................................................................82

5.3 Modelo de Engenharia ..........................................................................................................86

5.3.1 Dispositivo de controle: Controlador digital ................................................................................. 88

5.3.2 Objeto de controle: Antena e mecanismo posicionador................................................................. 96 5.3.3 Dispositivo de atuao: Servomotores e servoconversores ......................................................... 104

5.3.4 Dispositivo de sensoriamento: Encoders pticos e acessrios .................................................... 104

5.4 Simulao do Controle........................................................................................................106

5.5

Validao do modelo estrutural ..........................................................................................111

5.5.1 Anlise modal computacional por elementos finitos ................................................................... 111

5.5.2 Anlise modal experimental por excitao impulsiva ................................................................. 116

6 Concluses ..................................................................................................................................119

7 Referncias Bibliogrficas ........................................................................................................122

16

1 OBJETIVOS E ESTRUTURAO DO TEXTO

A presente dissertao resultado de um estudo direcionado que visa uma aplicao

prtica: o projeto e desenvolvimento de um servomecanismo capaz de suportar e

posicionar uma antena de radar, dentro de parmetros e restries definidas. Mais

especificamente, as restries do projeto so definidas pelas aplicaes particulares

de radar visadas neste estudo: trajetografia e meteorologia, principalmente esta

ltima.

A proposta da dissertao a de propor um modelo de projeto de engenharia para

um servomecanismo controlado por posio, para fins de posicionamento de uma

antena de radar. Dentro deste contexto, a presente dissertao tem como objetivos:

1. Levantar e estudar os fatores relevantes para especificao de um projeto de

controle de posio de uma antena-radar atravs de servomecanismos;

2. Apresentar uma proposta de projeto de controle de posio atravs de

servomecanismo;

3. Propor um modelo estrutural terico consistente do conjunto antena-radar

para fins de simulao dinmica e anlise modal da estrutura;

4. Apresentar a implantao do sistema de controle proposto num projeto real de

Engenharia, para o servomecanismo de uma antena de radar meteorolgico.

O texto estruturado de forma a partir do problema geral, e restringi-lo at a

aplicao especfica de um radar meteorolgico. O que se visa com esta estruturao

aumentar a abrangncia do presente estudo.

Na introduo da dissertao, no Captulo 2, desenvolve-se o conceito de radar, de

forma a apresentar o problema de controle de posio existente do sistema. Tambm

na introduo so apresentadas alternativas para se resolver o referido problema de

controle, dentre as quais introduzida a soluo de controle por servomecanismos

que, em detrimento s demais, aprofundada no restante do texto.

17

Uma vez definido o problema de controle e apresentada a proposta do mecanismo

posicionador, so apresentadas, no Captulo 3, consideraes pertinentes que devem

ser levadas em considerao para especificao e implementao de um projeto de

controle de posio de um Conjunto Antena-radar.

O projeto de controle propriamente dito apresentado no Captulo 4, onde

proposto um diagrama em blocos geral para o projeto, assim como um modelo

matemtico analtico para as malhas de controle. So ainda feitas, neste captulo,

consideraes sobre o Modelo Estrutural do mecanismo posicionador.

Para mostrar a aplicao da proposta, o Captulo 5 dedicado apresentao de um

estudo de caso concreto: a implantao do projeto ao servomecanismo que integra o

Modelo de Engenharia do Radar Meteorolgico Doppler Banda S RMD700S-1M

desenvolvido pelo consrcio Omnisys/Atech, instalado em Mogi das Cruzes/SP.

Por fim, no Captulo 6, so apresentadas algumas concluses com relao ao

desenvolvimento, apontando-se pontos positivos e pontos negativos do projeto

descrito no Captulo 5.

As referncias bibliogrficas utilizadas na dissertao so relacionadas no Captulo 7.

18

2 INTRODUO

Em mbito geral, radares so sensores eletrnicos que empregam ondas

eletromagnticas para detectar e localizar objetos materiais no espao [1] [2].

A localizao de objetos realizada pela determinao da distncia e direo do

objeto em relao ao equipamento radar e requer, em geral, a determinao de trs

coordenadas, que so, usualmente, a distncia em relao ao radar e os ngulos de

azimute (em torno do eixo vertical) e elevao (em torno do eixo horizontal) de

apontamento do equipamento [1]. Este conjunto de coordenadas elevao-azimute-

distncia constitui um sistema de coordenadas esfrico com origem no prprio radar

[3], conforme ilustra a Figura 1.

Figura 1 Sistema esfrico de coordenadas utilizado em radares

Existem quatro mdulos que so fundamentais em qualquer sistema radar [1], e que

so mostrados na Figura 2. O mdulo transmissor o responsvel pela gerao e

modulao do pulso eletromagntico que emitido para o espao. O receptor faz a

deteco, demodulao e amplificao do sinal de retorno (eco-radar). O

processador-radar interpreta o sinal proveniente do receptor, extraindo as

informaes necessrias para a finalidade ltima do radar. E finalmente, o conjunto

antena-radar o elemento que faz a interao do radar com o meio ambiente, que

tem como funo irradiar os pulsos eletromagnticos gerados no transmissor numa

19

determinada direo e detectar os ecos de reflexo da energia emitida, que so

enviados ao mdulo receptor do radar.

Figura 2 Diagrama em blocos fundamental de um sistema radar

A determinao da coordenada de distncia entre o radar e o alvo determinada

pelo princpio de eco-pulso [1], que um princpio utilizado no s em radares, mas

em outros equipamentos de medio de distncia, tais como sonares e telmetros a

laser. Como a velocidade de propagao de ondas eletromagnticas na atmosfera

uma grandeza cujo valor conhecido com preciso (c = 2,998x108 m/s) [1], a

distncia d de um alvo pode ser obtida por meio da medio do intervalo de tempo

t transcorrido entre a transmisso de um pulso e a recepo do retorno deste pulso

aps reflexo sobre alvo (eco-radar). Este intervalo de tempo igual ao tempo

requerido para uma onda eletromagntica viajar do transmissor do radar at o alvo

mais o tempo necessrio para o eco percorrer o trajeto entre o alvo e a antena de

recepo [1]. As demais coordenadas (de azimute e elevao) so determinadas pelo

alinhamento do conjunto antena-radar.

Um sistema radar clssico consiste num equipamento que opera em freqncias na

faixa de microondas, utiliza um sistema pulsado de potncia para transmisso e uma

nica antena, que compartilhada tanto para transmisso quanto para recepo [4].

O duplexador o dispositivo que faz a separao dos sinais de transmisso e

recepo no guia de onda da antena, e que permite ento este compartilhamento.

Isto torna mais simples a determinao da distncia dos alvos em relao ao radar,

por no requerer de clculos de triangulao, pois se o elemento transmissor e o

receptor tm a mesma localizao no espao, a distncia percorrida pela onda

20

eletromagntica simplesmente igual a duas vezes a prpria distncia entre o alvo e

o radar. Logo,

t2cd = (1)

O alcance mximo do radar em distncia determinado por uma srie de fatores, tais

como a potncia do pulso emitido, o fator de ganho da antena, a sensibilidade do

receptor, e a PRF (pulse repetition frequency) do radar. [1]

2.1 Problema de Controle

O apontamento do conjunto-antena fornece as coordenadas angulares (azimute e

elevao) que, junto com a coordenada distncia obtida pelo princpio eco-pulso, so

necessrias para localizao do alvo no espao.

As aplicaes da tecnologia de radares requerem, em geral, no s que este

apontamento deva ser mvel, mas que a sua movimentao e posicionamento sejam

controlveis.

Portanto, o problema em foco o de controle de apontamento do feixe de iluminao

do radar para atender s necessidades de uma determinada aplicao de radar. Mais

especificamente, a aplicao visada neste texto a meteorolgica.

Mas a fim de fundamentar a motivao do trabalho, so apresentadas a seguir

algumas das principais aplicaes de radares, mostrando a necessidade do controle

de posicionamento em foco.

2.2 Necessidade do Controle de Posio

Existem algumas aplicaes mais restritas de radares que no necessitam de um

sistema de controle de posio para o apontamento do radar, e que, portanto, no so

objeto desta dissertao. o caso, por exemplo, de radares de trnsito, que

monitoram um ponto fixo do espao e calculam a velocidade dos automveis que

passam por este ponto por efeito Doppler. No obstante, ainda que haja excees, o

controle de posio da antena exigncia nas principais aplicaes de radares.

21

Um exemplo disto se d em radares meteorolgicos, que devem ser capazes de

varrer, com um feixe estreito de iluminao, todo o espao areo ao redor do radar

segundo certas trajetrias pr-estabelecidas, para deteco de nuvens e outros

fenmenos meteorolgicos de forma a permitir ao processador do radar conseguir

levantar o chamado volume meteorolgico (Figura 3), que corresponde a uma

fotografia 3D das condies meteorolgicas do cu em todo o volume de cobertura

ao redor do radar. Este volume de cobertura compreende uma semi-esfera que tem o

radar como centro.

Figura 3 Volume meteorolgico produzido pelo radar RMD700S-1M

O levantamento convencional de volume meteorolgico feito atravs da aquisio

de camadas (fatias) em posies de elevao fixas pr-estabelecidas. Aps a aquisio

para todo o permetro do radar em azimute, passa-se para o prximo valor fixo de

elevao, at se chegar ao final da varredura. Ao final, o radar volta para a posio

inicial de elevao, onde pode comear uma nova varredura imediatamente ou ficar

algum tempo em modo de espera, at que o processador do radar comande uma

varredura para um novo volume.

Outro tipo de varredura comum em radares meteorolgico o chamado corte em

elevao, queconsiste na contnua varredura em elevao para um ngulo fixo em

azimute.

22

As coordenadas angulares (azimute e elevao), necessrias para a determinao da

localizao espacial dos alvos (no caso, nuvens), so determinadas pelo apontamento

do conjunto antena-radar no instante da iluminao. Estes dados so fundamentais

para que a interpolao realizada pelo processador do radar seja feita corretamente.

Logo, o conjunto-radar deve ser capaz de informar com preciso a direo de

apontamento do feixe em qualquer instante, o que implica, por definio, num

sistema completamente observvel [5].

Outro tipo de radar onde exigido o controle de posio so os chamados radares de

trajetografia [6] [7], que so radares que devem ser capazes de perseguir e rastrear

um alvo em movimento com preciso ao longo de sua trajetria no espao, e fornecer

suas coordenadas em tempo real, de forma que seja possvel ser levantada a trajetria

deste mvel no espao. Como a trajetria dos seus alvos , a princpio, aleatria,

dentro de limitaes de velocidade e acelerao estipulados em projeto, este tipo de

radar deve ter grande flexibilidade de movimentao, e deve tambm ser capaz de

cobrir todo o espao areo ao seu redor, o que implica num volume semi-esfrico

com o radar como centro, como para radares meteorolgicos.

A principal diferena entre o controle de posicionamento de uma antena de radar

meteorolgico e outra de radar de trajetografia que, para esta ltima, o mecanismo

posicionador deve acompanhar um alvo especfico no espao, o que requer, em geral,

uma resposta dinmica do sistema de controle mais rpida e mais precisa. No

entanto, por estes dois tipos de controles serem bastante semelhantes, tanto na forma

construtiva quanto na topologia de controle, so feitas consideraes tambm sobre

esta aplicao ao longo do presente texto.

Um outro caso mais simples de aplicao de controle de posicionamento em radares

se observa nos chamados radares de vigilncia, de aquisio e de controle de

trfego (areo, terrestre ou martimo). Estes so radares que continuamente

monitoram o cu, terra ou mar ao seu redor a fim de mapear e monitorar os alvos

mveis e fixos ao seu redor. Para este tipo de radar, em geral, a informao de

altitude do alvo no levada em considerao. Desta forma, o feixe de iluminao

deste tipo de radar possui grande abertura no sentido vertical. Como o formato do

23

feixe que determina o formato do refletor da antena [4], este tipo radar apresenta um

formato de refletor diferente em relao aos dois tipos de radar mencionados

anteriormente (Figura 4).

Figura 4 Radar mvel de aquisio de alta potncia (HIPAR) da Nike Air Defence

Para efeitos de controle de posicionamento, se o feixe aberto verticalmente, o nico

tipo de movimentao requerida para o feixe o movimento rotativo no sentido

horizontal, em torno de um nico eixo, no caso, o eixo de azimute. O volume obtido

uma fotografia 2D (Figura 5) do espao areo, terreno ou martimo ao redor do

radar.

Figura 5 Tela de monitoramento de trfego areo

24

Haveria ainda a citar outros tipos mais particulares de radar que demandam o

controle de posicionamento, mas estes exemplos mais clssicos de aplicao bastam

para mostrar a necessidade e a importncia do controle de posio na tecnologia de

radares para apontamento do feixe de iluminao.

2.3 Estratgias para Resoluo do Problema de Controle

A questo que deve ser posta ento a de como efetivamente realizar este controle. A

literatura sobre o assunto [1] [2] [4] [6] [7] [9] apresenta, basicamente, trs formas de

se resolver o problema de controle de posio do feixe de iluminao em radares.

Duas delas envolvem a movimentao fsica do conjunto antena-radar: a mais

tradicional, por servomecanismos rotativos, e a outra, mais recente e mais sofisticada,

envolve o uso de suportes comandados por um controlador central. A terceira

alternativa constitui uma soluo totalmente eletrnica de apontamento do feixe,

com as chamadas antenas phased-array.

Os subitens a seguir apresentam cada uma dessas estratgias.

2.3.1 Controle de posio atravs de servomecanismos

Servomecanismo um dispositivo automtico utilizado para controlar grandes

quantidades de fora mediante uma quantidade de fora muito pequena e corrigir a

atividade de um mecanismo de acordo com um padro desejado. [1]

A utilizao de servomecanismos a soluo mais tradicional, e, na maior parte dos

casos, de menor custo para controle de posicionamento de antena em radares. Nesta

soluo, o conjunto antena-radar move-se fisicamente e, junto com ele, o feixe de

iluminao.

A montagem mecnica do servomecanismo deve ser tal que os graus de liberdade do

mecanismo posicionador resultante permitam o posicionamento da antena em

qualquer direo dentro do volume de trabalho especificado para a sua aplicao

especfica.

25

Existem diversos tipos de posicionador que fornecem rotaes nos eixos de azimute e

elevao. Os trs tipos mais comuns de montagem, indicadas na Figura 6 so os

seguintes [10]:

Elevao sobre Azimute (EL/AZ)

Azimute sobre Elevao (AZ/EL)

Azimute sobre Elevao sobre Azimute (AZ/EL/AZ)

Figura 6 Tipos de posicionador

No mecanismo do tipo elevao sobre azimute (EL/AZ), o mecanismo de elevao

gira solidrio ao eixo de sada do mecanismo de azimute, e suporta a antena e o seu

alimentador em seu eixo de sada. pela composio da movimentao dos eixos de

sada de ambos os servomecanismos que se d o movimento resultante da antena. A

Figura 7 mostra duas montagens mecnicas distintas para configurao.

Este tipo de configurao se caracteriza por permitir movimentao em azimute em

360o sem restries, porm com limitao de movimentao em elevao.

recomendado para aplicaes de radares que requerem varreduras contnuas de

volumes, como o caso de radares meteorolgicos. Por este motivo, esta a

configurao adotada no presente trabalho.

26

Figura 7 Posicionadores do tipo Elevao sobre Azimute (EL/AZ)

A configurao AZ/EL/AZ similar montagem EL/AZ, mas com um grau de

liberdade a mais que permite o giro do refletor em torno de seu prprio eixo. Este

recurso utilizado em pedestais de calibrao e medio de antenas de radar, para

permitir o alinhamento da antena do radar com a antena colimadora de testes. [10]

Por sua vez, a configurao AZ/EL construda de forma inversa: o eixo de

azimute que gira solidrio sada do eixo de elevao. Esta construo mais rara

em antenas de radar. A Figura 8 mostra a referida montagem para o mecanismo de

apontamento de uma cmera de vdeo.

Figura 8 Mecanismo do tipo Azimute sobre Elevao (AZ/EL)

A configurao AZ/EL possui limitaes tanto em azimute quanto elevao, mas

dependendo da abertura dos eixos, pode permitir o mesmo volume de cobertura de

um posicionador EL/AZ, porm, no permite varreduras contnuas. A vantagem

27

deste tipo de configurao na varredura de alvos que passem sobre o znite do

radar, que um ponto cego na construo EL/AZ. Este ponto discutido com

mais detalhes no item 4.1.

2.3.2 Antenas Hexapod

A arquitetura hexapod (hexpode), ou plataforma de Stewart, um mecanismo com

grande aplicao em robtica, e em plataformas de simulao de vo, e que tem

encontrado recentemente aplicaes tambm no campo de pedestais para antena de

radares.

O mecanismo hexapod consiste em seis pistes localizados sobre uma base fixa e

dispostos conforme mostrado na Figura 9, que sustentam uma base mvel sobre a

qual colocada a antena-radar, que tem sua inclinao e direo determinadas pela

abertura de cada um dos atuadores lineares. Os seis atuadores tm seu comprimento

regulvel, de forma a conferir para a base mvel todos os seis graus de liberdade

para movimentao [9].

Figura 9 Mecanismo "hexapod"

Os atuadores so comandados por um controlador central que traduz o apontamento

desejado ao feixe em comandos individuais para cada um dos seis atuadores. Com

esta configurao, possvel apontar a antena para qualquer posio dentro do

volume de trabalho usual de radares, isto , uma semi-esfera que tem a prpria

antena como centro. A Figura 10 mostra uma antena hexapod.

28

Figura 10 Antena hexapod Banda X da Zodiac/In-Snec

Este sistema apresenta a vantagem de no requerer a utilizao de slip-rings para se

levar sinais eltricos para a parte superior da estrutura da antena. Esta soluo

tambm confere menor peso do conjunto, mas no aplicvel a radares que

requerem guias de onda para transmisso do sinal da antena.

Alm disso, este tipo de mecanismo requer um controle mais sofisticado em relao

soluo com servomecanismos motorizados.

2.3.3 Antenas Phased-array

Uma alternativa relativamente moderna que vem sendo cada vez mais aplicada em

radares de alta potncia que exigem grande preciso, especialmente no setor militar,

o emprego das chamadas antenas phased-array. Basicamente, estas antenas so

compostas de um grupo de elementos constitudos por um irradiante (TX) mais uma

antena onidirecional (RX), chamados simplesmente de elementos. Estes elementos

so distribudos e orientados numa configurao espacial linear ou bidimensional [4].

A Figura 11 mostra a antena de um radar phased-array militar americano de defesa

area.

Nesta tecnologia, a amplitude e a fase de cada elemento podem ser individualmente

controladas, o que permite a formao de feixes de iluminao em qualquer formato

29

desejado, e em qualquer posio coberta pela disposio destes elementos [4], o que

confere uma grande flexibilidade ao radar.

Figura 11 Radar phased-array THAAD (Theater High Altitude Area Defense)

Esta soluo s possvel graas ao desenvolvimento de componentes de RF (radio-

frequency) de alta potncia em estado-slido, que aumentaram consideravelmente o

ganho em potncia [4], dispensando a necessidade de refletores para aumento de

ganho nos elementos para este tipo de concepo. No fosse por este avano

tecnolgico na rea de RF, seria fisicamente impossvel agrupar uma grande

quantidade de elementos em uma nica antena, por causa dos refletores, ou ento o

alcance deste tipo de radar seria deveras limitado.

Ademais, o fato de se poder tambm eletronicamente controlar o formato e a

polarizao do feixe de iluminao permite agrupar diversas funes em um nico

equipamento, que classicamente seriam realizadas em radares distintos, como por

exemplo, funes de vigilncia e de rastreamento. Por este motivo, estes radares

tambm so chamados radares multifuncionais (multifuncion-array radars) [4]. A

limitao desta multifuncionalidade est no compromisso na escolha da freqncia

de operao do radar, que deve ser feita levando em considerao a freqncia tima

de operao para as funes para as quais o radar projetado [4].

Radares phased-array possuem a tambm a vantagem de apresentar altssima preciso

e qualidade ao feixe, com lbulos secundrios extremamente reduzidos, alm de uma

tima resposta dinmica no controle de posio do feixe, uma vez que este sistema,

por ser totalmente eletrnico, no possui nenhum tipo de inrcia.

30

Outro ganho funcional deste tipo de radar a possibilidade de poder rastrear

diversos alvos simultaneamente.

No entanto, a multiplicao de elementos radiantes e antenas em um nico radar,

combinado com o emprego da mais alta tecnologia de RF disponvel, alm de por si

s aumentar o custo do equipamento, gera uma srie de problemas de sincronismo e

interferncia, alm de um alto custo computacional, que tornam o desenvolvimento

deste tipo de radar extremamente complexo e custoso, de forma que para radares

civis e de curto alcance essa soluo mantm-se economicamente invivel, apesar dos

ganhos funcionais.

So estes fatores, em especial o custo praticamente proibitivo da aplicao civil desta

concepo phased-array de antena-radar, que motivam e justificam o investimento em

novas pesquisas na linha tradicional de controle de posio por servomecanismo.

Existem, porm, alternativas intermedirias, que, medida que as pesquisas

avanam, esto se tornando alternativas cada vez mais prximas de se tornarem

economicamente viveis, embora hoje ainda estejam limitadas a aplicaes militares.

So as chamadas antenas phased-array hbridas. Um exemplo deste tipo de concepo

mostrado na Figura 12, onde se v uma antena composta por um plano de

elementos que se movimenta por meio de servomecanismos.

Figura 12 Radar GBR-P da Raytheon com tecnologia phased-array hbrida

31

Este tipo de soluo agrega alguns dos benefcios de se usar uma antena phased-array,

como flexibilidade e preciso do formato do feixe, mas no elimina a necessidade de

elementos mecnicos para sua movimentao.

2.4 Definio do Problema de Controle com Servomecanismos

Fugiria do objetivo inicial do trabalho tratar das trs estratgias, que ademais

envolvem campos diferentes de conhecimento. O presente trabalho trata do controle

de posicionamento de antenas-radar atravs da utilizao de servomecanismo do

tipo dois eixos com elevao sobre azimute independentes, comandados por

servomotores, controlados digitalmente por uma plataforma processadora. Trata-se,

portanto, da aplicao da soluo clssica de controle de posio de antenas, com o

emprego de tecnologias atuais.

O conjunto antena-pedestal tratado neste texto como uma estrutura flexvel, e o

trabalho versa sobre uma metodologia para um projeto de controle de estruturas

flexveis, aplicada ao desenvolvimento de um conjunto antena para um radar

meteorolgico.

Gawronski [11] define uma estrutura flexvel como um sistema linear, de dimenses

finitas, controlvel, observvel, cujos plos em malha aberta so complexos com

parte real pequena e no-agrupados. Esta definio estreita a gama de sistemas

lineares em considerao e, baseado nesta definio, obtm-se muitas das

propriedades das estruturas e de seus controladores.

A dificuldade envolvida a de garantir um apontamento dinmico de uma estrutura

de grande porte, e portanto, de inrcia e flexibilidade considervel, com preciso e

resposta dinmica rpida.

Com relao preciso, h de se discernir dois fatores distintos que influenciam a

preciso de apontamento de um conjunto antena-radar.

O primeiro est relacionado com a resoluo do sensor de posio do eixo (de

azimute ou elevao), que responsvel pela realimentao da malha de controle.

Este fator est intrinsecamente relacionado observabilidade do sistema.

32

O segundo fator est relacionado com a controlabilidade do sistema, e est associado

a parmetros clssicos de controle como sobressinal, tempo de subida, tempo de

acomodao e erro em estado permanente. [12] E neste segundo fator esto

embutidas todas as demais imprecises do equipamento, sejam estas por fatores

mecnicos (folgas e no-linearidades), ou por atraso de processamento, ou por rudo

eltrico.

Quanto velocidade de resposta dinmica, esta associada banda passante de

freqncia de comando, que vai determinar o quo rapidamente a antena capaz de

responder a mudanas bruscas de trajetria. Este um parmetro de fundamental

importncia em radares de trajetografia, que devem ser capazes de se manterem

sobre um alvo. No entanto, um parmetro de menor importncia em radares

meteorolgicos, que realizam movimentos segundo trajetrias uniformes e

conhecidas.

Em termos estruturais, a mecnica do conjunto antena-radar no deve possuir

nenhum modo de vibrao relevante dentro desta faixa de operao do controle de

posicionamento. Caso contrrio o desempenho do controle seria seriamente afetado,

podendo at mesmo ocorrer falha estrutural no conjunto antena-radar, dependendo

da amplitude do comando na freqncia de ressonncia, por conta deste harmnico

indesejado. Da decorre a importncia de ser feita uma anlise modal da estrutura.

33

3 PRECEDENTES

Uma antena-radar clssica composta basicamente de uma fonte primria justaposta

a um foco refletor parablico. A lei de iluminao estabelecida de maneira a

satisfazer, to precisamente quanto possvel, a forma do feixe desejado. a

movimentao do conjunto que garante a cobertura de explorao desejada.

Os parmetros fundamentais de uma antena-radar so caracterizados pelo ganho,

polarizao, preciso de apontamento e velocidade de movimentao. A qualidade

da informao recebida pela antena depende da sua velocidade de rotao, da

preciso no seu posicionamento, dos parmetros do pulso-radar, e das caractersticas

de ganho, abertura angular, lbulos secundrios e formato do feixe.

As caractersticas de ganho, abertura angular, lbulos secundrios e formato do feixe,

assim como a polarizao da antena, vo definir caractersticas estruturais da antena:

forma do refletor (parablico, semi-parablico, etc), sua geometria (curvatura e

dimetro), e a disposio do alimentador da fonte primria sobre o refletor (distncia

focal e orientao de polarizao: vertical, horizontal, circular).

A dificuldade no projeto de conjuntos antena-radar garantir a preciso da

informao recebida com o aumento do ganho da antena. Esse aumento significa

utilizao de refletores cada vez maiores, o que implica em estruturas mecnicas de

dinmica cada vez mais complexa e com maiores problemas associados

flexibilidade e modos de vibrao no-desprezveis.

Por outro lado, o advento da tecnologia digital e os inmeros recursos

computacionais de simulao e anlise atualmente disponveis justificam que se

continue investindo no desenvolvimento de novas solues eletromecnicas

microprocessadas, que garantam uma alta preciso no movimento da antena, a custo

inferior mudana de conceito de movimentao, como por exemplo, adotando a

soluo dos chamados radares phased-array, j apresentados no texto.

34

3.1 Histrico

Historicamente, o uso de servomecanismos sempre acompanhou o desenvolvimento

de radares, desde seus primrdios, na dcada de 1930 [2].

A tecnologia de servomecanismos j existia na poca, e foi incorporada aos sistemas

radares, para resolver o problema de deslocamento do feixe eletromagntico do

radar, apresentado no Captulo 2.

Inicialmente, os servomecanismos empregados eram mecanismos manuais, operados

por manivelas. O sistema de controle realimentado empregado nestes

servomecanismos tinha por objetivo reproduzir o movimento no eixo de entrada (o

eixo da manivela), no eixo de sada (o eixo da antena, que requer alto torque para

movimentao), mantendo o erro angular (isto , o desvio angular do eixo de sada

em relao ao de entrada) to prximo de zero quanto possvel [1].

Nesta concepo, o sensoriamento realizado por meio de sincro-geradores que

geram uma tenso de referncia proporcional posio angular do sensor, que

comparada a uma tenso de realimentao do sistema, gerada por um sincro-gerador

acoplado ao eixo da antena. Da comparao entre os sinais provenientes desses dois

sensores obtm-se uma tenso de erro, que passa por um filtro controlador (na poca,

analgico), o qual fornece uma tenso de comando para o servomotor

(primordialmente servomotores DC), tenso esta que passa por um amplificador de

potncia antes de ser fornecida ao motor, o qual movimenta o eixo da antena por

meio de um sistema de motorreduo.

O diagrama em blocos da Figura 13 mostra a concepo destes servomecanismos de

acionamento manual.

Este tipo de soluo era relativamente pobre, em termos de preciso de apontamento

angular, em relao preciso que estava sendo obtida para determinao da

coordenada distncia. [4]

35

Figura 13 Servomecanismo de acionamento manual

Desta topologia nasceu o controle de servomecanismos tal como concebida

atualmente. Esta consiste na substituio do comando manual por um comando

eltrico. A Figura 14 mostra, a ttulo de exemplo uma malha de servomecanismo que

utiliza um encoder ptico como sensor de realimentao e um servoconversor que

aciona um motor brushless. Observa-se no diagrama em blocos uma clara diviso

entre as partes eltricas e mecnicas do sistema.

Figura 14 Malha de controle bsica para servomecanismos

Posteriormente, com o desenvolvimentos dos primeiros receptores de ecartometria,

capazes de determinar o desapontamento da antena com relao ao objeto rastreado

atravs da defasagem entre os sinais detectados nos dipolos na antena, surgiu o

modo de rastreamento automtico em radares [6] [7], um modo cuja realimentao

do servomecanismo no informa o estado atual do mecanismo, mas a prpria

36

informao de erro de apontamento angular, sem a necessidade de uma referncia

externa de entrada para a malha de controle, conforme ilustra a Figura 15.

Figura 15 Malha de rastreamento automtico

Este tipo de soluo permitiu a aplicao da tecnologia de radares para o

rastreamento automtico de alvos mveis, surgindo assim os chamados radares de

trajetografia. Nestes radares, o servomecanismo manual foi mantido como recurso

adicional de operao do radar, acoplado a dispositivos de rastreio ptico, pelo qual

um operador poderia visualmente identificar um alvo e realizar manualmente o

apontamento inicial da antena para o alvo, para posterior passagem para rastreio

automtico.

Em outros tipos de radar, diferentes solues foram adotadas. Em radares de

vigilncia, por exemplo, cujo movimento da antena se caracteriza por ter velocidade

constante e num nico eixo, empregou-se por muitos anos motores AC sncronos,

tendo como nico sensor de realimentao uma chave top-norte, que instalada no

eixo da antena e calibrada para indicar quando a antena passa pelo norte geogrfico,

para fins de sincronismo nos indicadores e mostradores do radar.

Em radares meteorolgicos, o acionamento manual permaneceu como uma soluo

satisfatria at o advento de plataformas controladoras microprocessadas, por volta

das dcadas de 1960 e 1970, pois at ento no havia outra soluo economicamente

vivel para realizar de forma automtica os chamados volumes meteorolgicos.

37

Algumas outras solues foram adotadas, como por exemplo a de se utilizar um

motor sncrono AC em azimute, e um quadro de rels para realizao de um controle

em malha aberta temporizado para atualizao da posio em elevao. A

sincronizao destes circuitos feita por meio de chave top-norte acoplada ao eixo de

azimute (como em radares de aquisio). A movimentao em elevao, neste tipo de

soluo, realizada por motores DC que so comandados por rels temporizadores,

e cuja seqncia de disparo, por sua vez, sincronizada por meio dos sinais de top-

norte [8]. O problema deste tipo de soluo a falta de flexibilidade do equipamento,

que s permite o levantamento dos volumes meteorolgicos que forem previstos no

projeto do quadro de rels.

O emprego de plataformas microprocessadas revolucionou os sistemas de controle

de servomecanismo em radares, aumentando consideravelmente a flexibilidade e o

desempenho desses sistemas. Em meteorologia, por exemplo, a aplicao de controle

por computador permitiu maior velocidade na obteno de volumes meteorolgicos,

aumentando a eficincia dos radares, com o conseqente aumento da taxa de

atualizaes de volume na sada do sistema.

O processamento digital tambm permitiu o advento dos motores brushless DC.

3.2 Consideraes para Especificao de Requisitos de Projeto

Os itens a seguir relacionam uma srie de parmetros que devem ser levados em

considerao para se chegar especificao dos requisitos do projeto do

servomecanismo.

3.2.1 Caractersticas em relao ao alvo

Inicialmente, para especificao de um sistema radar como um todo, necessrio se

conhecer as caractersticas gerais do objeto de monitoramento do radar. Estas

caractersticas vo determinar parmetros de ganho do refletor, potncia de

transmisso, sensibilidade de recepo, banda de operao, alcance angular e radial,

resoluo angular, entre outros.

38

No caso do projeto de um radar de vigilncia ou trajetografia, as caractersticas esto

relacionadas ao alvo mvel que deve ser rastreado ou monitorado. Deve-se levar em

considerao:

Tamanho do alvo

Potncia do transponder embarcado no alvo (caso existam)

Alcance do radar

Plano de vo relativo ao stio de rastreamento

Para radares meteorolgicos, o fator-chave o alcance desejado para o radar. O

plano de vo substitudo pelo formato desejado aos volumes meteorolgicos, que

so determinados pelo processador do radar, e da aplicao dos produtos do radar.

3.2.2 Peso total do conjunto

Como regra geral, o projeto deve ser feito de forma a minimizar o peso total do

conjunto, por questes de economia, transportabilidade, performance dinmica e

para facilitar o projeto da torre ou suporte onde o conjunto antena-radar ser

instalado. A robustez do mecanismo deve ser suficiente para garantir que o mesmo

suporte as especificaes dinmicas do conjunto (velocidade e acelerao mximas) e

para suportar a cargas (tal como arraste de vento) s quais o mecanismo ser

submetido.

3.2.3 Tamanho e peso dos componentes

O envelope do pedestal, assim como a necessidade de reforos estruturais est

intimamente ligado s caractersticas mecnicas dos componentes que o compe:

motores, redutores, engrenagens, refletor, contra-peso, etc. Da decorre a importncia

da seleo e especificao criteriosa desses componentes.

3.2.4 Resoluo angular do sensor de posio

A resoluo angular est relacionada preciso desejada para o controle.

Normalmente esta preciso especificada pelo processador do radar, que quem

39

efetivamente gera os produtos do radar. Recomenda-se uma resoluo pelo menos

duas vezes maior que o passo mnimo especificado ao servomecanismo.

3.2.5 Tolerncias mecnicas

Todas as tolerncias de erro de movimentao no mecanismo (planicidade,

paralelismo, perpendicularidade, etc.) devem ser tais que o batimento dos eixos de

azimute e elevao sejam inferiores resoluo angular do sensor de posio.

Levando em considerao que, numa construo EL/AZ (elevao sobre azimute), o

batimento do eixo de azimute vai influenciar no batimento de elevao, uma forma

de garantir o batimento em elevao dentro da especificao fazer que o batimento

permitido isoladamente para cada eixo seja menor que a metade da resoluo

angular do sensor de posio.

Tambm as folgas permitidas para os elementos de transmisso devem ser tais que a

folga mxima no eixo rvore (elevao e azimute) seja menor que a resoluo angular

do sensor de posio, o que vai garantir que no haja problemas de histerese no

controle.

3.2.6 Acelerao e Velocidade mximas

As especificaes de acelerao e velocidade mximas para os eixos de

movimentao do conjunto antena-radar esto subordinadas ao objeto de rastreio do

radar.

Para um radar meteorolgico, as velocidades e aceleraes so determinadas pelo

processador meteorolgico do radar, que determina como so levantados os volumes

meteorolgicos. Para um radar de trfego areo, a velocidade de giro da antena est

ligada taxa de atualizao das telas de vigilncia. J para um radar de trajetografia,

estas especificaes esto relacionadas s velocidades e aceleraes dos objetos de

rastreio (foguetes, satlites, avies, etc), e a visada de vo destes em relao ao radar

(que leva em considerao a distncia do radar ao alvo).

40

Dessas especificaes dependem as especificaes de diversos parmetros de

controle, tais como a banda passante do sistema, os tempos mximos de resposta e os

erros mximos de controle.

3.2.7 Preciso de Apontamento

3.2.7.1 Esttica

A preciso de apontamento esttica consiste no erro em regime permanente do

sistema quando do apontamento para uma posio fixa. Em geral, o que se deseja

garantir que o conjunto antena-radar, quando apontado para uma determinada

direo, estabilize-se exatamente na posio designada, dentro da resoluo angular

do sistema. Isso corresponde, em termos de controle, a um erro nulo em regime

permanente.

Esta especificao uma restrio de controle que no difcil de ser atendida, uma

vez que o sistema em malha aberta do sistema possui uma integrao fsica, dada

pelo fato de se comandar o motor em velocidade e se considerar como sada a

posio angular do eixo. Esta integrao garante a existncia, no diagrama do lugar

das razes, de um plo na origem do sistema (1/s) que vai garantir erro nulo em

regime. [12] [13] [14]

3.2.7.2 Dinmica

A preciso de apontamento dinmica o desvio mximo do conjunto antena-radar

durante uma operao de rastreio. Esta preciso composta pelo erro em regime

permanente e pelo sobressinal da malha. Em radares de ecartometria e rastreio

automtico, este parmetro fundamental para determinao da resposta dinmica

do sistema, de forma a garantir que o alvo no seja perdido durante o rastreio.

A determinao do erro mximo de apontamento est intimamente ligada a

caractersticas da recepo, a saber: a abertura angular do feixe de recepo, e a

abertura da rampa de ecartometria. [6] [7]

41

Dadas as especificaes de velocidade e acelerao mximas do sistema, pode-se

determinar, atravs da anlise da resposta do sistema a degrau (onde a acelerao

ser mxima) e a rampa (onde a velocidade mxima), qual a banda passante

mnima exigida para o sistema que garante que o erro mximo de controle seja

sempre menor que o erro de apontamento mximo permitido. [24]

3.2.8 Caractersticas dinmicas do mecanismo posicionador

Da especificao da banda passante do sistema nasce um requisito importante para o

projeto do mecanismo posicionador do conjunto Antena-radar: o conjunto no pode

possuir harmnicos dentro da banda de atuao do sistema, pois isso implica em

perda de preciso de apontamento e pode levar a malha de controle a instabilidade

ou at, em casos extremos, falha mecnica da estrutura do mecanismo.

Por este motivo, imperativo que o projeto mecnico do pedestal seja submetido a

anlises de vibrao antes de ser aprovado. O projeto mecnico pode ser validado

mediante a anlise de um modelo computacional em elementos finitos do

mecanismo.

O comportamento dinmico normalmente observado em posicionadores do tipo

elevao sobre azimute (EL/AZ) apresenta os dois primeiros harmnicos do

mecanismo como modos de toro em torno dos eixos de elevao e azimute,

respectivamente. Estes modos surgem exatamente nos dois graus de liberdade do

mecanismo. O de elevao tem em geral menor freqncia que o de azimute em

contrapartida utilizao de contrapesos para balancear o eixo. O mecanismo de

azimute, por ser simtrico e mais robusto, apresenta em geral uma resposta dinmica

superior do mecanismo de elevao. A anlise por elementos finitos tem por fim

verificar se ambos os modos de vibrao se encontram fora da banda passante do

sistema.

3.2.9 Consumo

Outra considerao que deve ser levada em considerao na especificao do

conjunto antena-radar o consumo do mesmo. Em caso de restrio de consumo,

42

isso pode limitar a gama de solues tecnolgicas para componentes do sistema,

especialmente os atuadores, que so os componentes de maior consumo no conjunto.

Em geral, para estaes radares fixas este parmetro no limitante, embora no

deixe de ser importante para dimensionamento da autonomia do No-break do

sistema. J em estaes radares mveis, o consumo pode ser um fator limitante, uma

vez que a energia deve ser fornecida por algum sistema gerador dentro da estao

mvel.

3.2.10 Ambiente de operao

3.2.10.1 Limites de Temperatura

Os limites de temperatura do conjunto antena-radar, especialmente no pedestal da

antena, constituem parmetro importante para a escolha dos componentes

eletrnicos que ficam no pedestal: sensores (encoders, chaves de fim-de-curso, etc),

atuadores e slip-ring.

fundamental incluir nos clculos de especificao do projeto um memorial de

clculos de balano trmico, para avaliar a necessidade de se incluir componentes de

refrigerao no pedestal.

3.2.10.2 Velocidade de vento

O parmetro velocidade de vento fundamental para determinao dos esforos

reativos mximos da estrutura, assim como o torque necessrio ao atuador, para que

este garanta que o mecanismo seja capaz de girar velocidade mxima especificada,

dentro da velocidade mxima de vento para a qual o sistema ser projetado. Para fins

de controle, o vento uma perturbao que o sistema deve ser capaz de rejeitar, at o

limite de velocidade estabelecida em projeto.

3.2.10.3 Condies ambientais adversas

Outras condies ambientais adversas, tais como chuva, neve, umidade, salinidade e

resduos em suspenso, podem prejudicar a performance do conjunto antena-radar,

ou danificar componentes do pedestal.

43

Para casos onde as condies climticas restringem sobremaneira a seleo de

componentes, ou prejudicam a performance do sistema, a soluo proteger o

conjunto com um invlucro que o isola das condies ambientais adversas. Este

invlucro deve servir a este propsito, sem no entanto prejudicar a performance da

antena, isto , deve ser o mais transparente possvel em termos eletromagnticos. [4]

Esta tecnologia de invlucro do conjunto antena-radar conhecida por Radome. A

Figura 16 mostra um exemplo de radome para radar meteorolgico.

Figura 16 Radome

Os motivos que podem levar deciso da aplicao de um radome em um projeto

so as mais diversas. Por exemplo, um radome pode ser necessrio caso um radar

precise ser instalado numa regio onde os ventos so muito fortes. Radomes tambm

so em geral aplicados em radares instalados em regies de baixa temperatura, pois a

formao de cristais de gelo sobre a superfcie do refletor podem causar interferncia

eletromagntica na antena. Radomes podem tambm ser necessrios em regies de

condies deveras insalubres, com alta influncia de maresia (alta salinidade do ar),

alta umidade, grandes variaes trmicas, ou tempestades de areia, que podem vir a

prejudicar a performance ou reduzir a vida til do mecanismo.

Este assunto tratado de forma mais detalhada no item 3.4.3.

44

3.2.11 Distncia entre o pedestal e a eletrnica de controle

A distncia entre o conjunto antena-radar e a eletrnica de controle deve ser levada

em considerao na fase de especificao do projeto pois dela vai depender em muito

a escolha dos protocolos de comunicao entre os componentes do projeto de

controle.

3.2.12 Curso angular requerido em azimute e elevao (volume de alcance)

Algumas caractersticas eletromecnicas do conjunto antena-radar dependem do

curso angular requerido pelo radar. Em construes do tipo EL/AZ, o eixo de

elevao possui limitaes de movimentao, enquanto em azimute o movimento

pode ter limites ou no.

Um problema que deve ser abordado como transmitir e receber sinais eltricos de

equipamentos localizados no mecanismo de elevao, que gira solidrio ao eixo de

elevao, ou do alimentador da antena, que gira tanto segundo o eixo de azimute

como segundo o eixo de elevao.

Dependendo das caractersticas de potncia e RF do radar, os pulsos de alta

freqncia transmitidos e recebidos pela antena so transportados por meio de cabos

coaxiais ou por guias de onda, que so condutores em formato tubular revestidos

internamente com material dieltrico, capazes de guiar ondas eletromagnticas de

alta freqncia. Estes guias de onda, no entanto, so rgidos ou semi-rgidos, de

forma que, para que se possa introduzir um guia de onda em uma plataforma onde

h movimento relativo rotacional em relao origem do guia de onda, preciso

utilizar uma junta rotativa para acoplar os guias de onda entre a plataforma fixa e a

plataforma mvel.

Quanto aos sinais oriundos dos demais equipamentos presentes no mecanismo de

elevao, tais como o servomotor de elevao, as chaves de fim-de-curso, e o encoder

do eixo de elevao, caso o movimento em azimute seja sem limitao, estes so

transmitidos para o mecanismo de azimute, que fixo, por meio de slip-rings, que

so contatos rotativos: escovas que se movem sobre anis, garantindo contato

contnuo entre o anel fixo e a escova mvel.

45

Caso o movimento em azimute seja limitado, com um determinado nmero de voltas

permitidas, pode-se dispensar o uso de slip-rings, desde que seja feito um projeto

mecnico de assentamento dos cabos que sobem at elevao, que impea que os

cabos sofram toro axial, o que levaria fadiga dos cabos em curto intervalo de

tempo.

Outra preocupao que deve ser tomada em caso de movimento limitado em

azimute a de se introduzir batentes tambm neste eixo. Isto inclui o projeto de

mecanismos que faam a contagem de voltas do eixo. Esta preocupao no existe

caso o curso seja menor que 360o. Neste ltimo caso, o projeto dos batentes similar

aos batentes de elevao.

Uma ltima preocupao em funo do curso angular adotado a questo de

redundncia da representao angular. Isso ocorre quando os limites so tais que seja

possvel se apontar para uma mesma direo de duas ou mais maneiras. Este tipo de

problema tpico em radares de trajetografia que, para evitar problemas de

compensao de ganho no caso do rastreamento de um alvo que passe sobre o znite

do radar, estes em geral possuem limites em elevao em torno de 0o e 180o. Esta

configurao, associada ao movimento em azimute de 360o sem limitao, implica

numa redundncia, j que qualquer posio angular do feixe pode ser representada

de duas maneiras distintas, como se pode ver na Figura 17, uma vez que as

coordenadas [az,el] e [(az180o),(180oel)] apontam para a mesma direo.

Esta redundncia no necessariamente um problema, apenas uma realidade que o

software de controle deve levar em considerao nos diversos modos de

funcionamento que este pode ter.

Tambm h redundncia em sistemas onde o curso em azimute limitado em

algumas poucas voltas, onde fundamental que o sistema tenha a informao da

volta que o mecanismo se encontra, para evitar que se chegue inesperadamente a um

batente mecnico.

46

Figura 17 Redundncia da representao angular em radares de trajetografia

3.2.13 Condies de contorno de envelope

Nascem da natureza do radar algumas condies de contorno de geometria, peso e

excitao externa. Por exemplo, o projeto de um pedestal para um radar mvel,

embarcado em um navio, tanque ou caminho, certamente ter limitantes de peso e

geometria. Tambm o mecanismo dever ser resistente a excitaes externas,

decorrente da movimentao da base-radar.

Tambm h limitaes geomtricas no caso de um projeto previsto para uso com

radome. Por ser um item de alto custo, em geral os radomes so dimensionados para

o envelope mnimo possvel do curso do conjunto antena-radar. Outra condio de

contorno de projeto que o centro de giro do conjunto antena-radar deve coincidir

com o centro geomtrico da esfera que define o radome. As restries de projeto com

radome so apresentadas no item 3.4.3.

3.2.14 Requisitos de operao e interface

O radar pode ser projetado para diferentes nveis de flexibilidade de operao e

interface homem-mquina. Dos requisitos de interface homem-mquina surgem os

modos de operao que o sistema de controle deve contemplar: modos de operao

manuais, automticos e semi-automticos dos mais diversos tipos podem ser

especificados, dependendo da aplicao e da flexibilidade desejada para o sistema

radar.

47

Pode-se at mesmo chegar a ponto de nem mesmo ser necessria uma malha fechada

de controle para se fazer o controle de posio de um radar meteorolgico. Exemplo

disso o radar descrito na referncia [8], onde um motor sncrono AC utilizado

para fazer o movimento em azimute, a velocidade constante, enquanto que um

quadro de rels realiza um controle em malha aberta temporizado para atualizao

da posio em elevao. A sincronizao dos movimentos de azimute e elevao

feita por meio de chave top-norte acoplada ao eixo de azimute, que detecta a

passagem da antena pelo norte geogrfico, como em radares de aquisio. A

movimentao em elevao, neste tipo de soluo, realizada por motores DC que

so comandados por rels temporizadores, e cuja seqncia de disparo, por sua vez,

sincronizada por meio dos sinais de top-norte.

Esta aplicao, embora de mais baixo custo, no atende a uma srie de outras

aplicaes de meteorologia, pois s capaz de levantar um tipo de volume

meteorolgico.

3.2.15 Caractersticas RF do radar

No que concerne o projeto do conjunto antena-radar, as caractersticas RF do radar,

tais como banda, formato do pulso, sensibilidade e ganhos de recepo vo

basicamente determinar o formato e as dimenses do refletor da antena, e o tipo de

transmisso do sinal emitido e recebido: guias de onda ou cabos coaxiais de RF.

3.2.16 Potncia de transmisso

Em radares de grande porte e alcance, em geral, a potncia do sinal eletromagntico

transmitido em radares elevada (da ordem de megawatts, variando de acordo com

a aplicao, a banda de operao e o alcance). Desta caracterstica decorre a

necessidade de que a central de operao do radar esteja a uma distncia segura do

conjunto antena-radar, para evitar os impactos nocivos que estes pulsos de alta

potncia possam causar aos operadores.

Outra necessidade que nasce desta caracterstica a instalao de circuitos de

intertravamento de segurana na torre, que garantam o desligamento do radar em

caso de presena humana no local.

48

3.3 Consideraes tecnolgicas

No item anterior discorreu-se sobre os parmetros que influenciam na especificao

do conjunto antena-radar e, em ltima instncia, sobre a especificao do prprio

sistema radar como um todo. Uma vez definidas as especificaes gerais, passa-se a

discutir quais tecnologias devem ser adotadas para atender s especificaes de

funcionamento.

Ocorre que a escolha de uma determinada tecnologia em detrimento de outras

apresenta vantagens e desvantagens, cujos impactos no projeto global devem ser

levados em considerao antes da definio das tecnologias a serem efetivamente

adotadas.

Neste item so abordadas trs escolhas especficas, que so as mais relevantes no

projeto do conjunto antena-radar. So elas: a escolha do servomotor, do sensor de

posio angular e do controlador.

3.3.1 Escolha do servomotor

Existem basicamente quatro opes de tecnologias de motores eltricos para serem

escolhidas [15]:

Motor de induo AC

Motor assncrono DC (com escovas)

Motor DC brushless (sem escovas)

Motor de passo

Para aplicao em servomecanismos de controle de posio como o do conjunto

antena-radar, o motor AC no conveniente, por ter sua velocidade sincronizada

com a freqncia da alimentao, e portanto de difcil controle. [16]

Tambm motores de passo no se mostram adequados, pelo baixo torque desta

configurao de motor quando em movimento, inapropriado para controlar cargas

de alta inrcia como as da aplicao em questo. [17]

49

Restam ento como opes viveis os motores DC com ou sem escovas.

Os motores DC com escovas so uma tecnologia mais antiga, por muito tempo

utilizada em radares [1]. Esta a tecnologia adotada por praticamente todos os

radares comerciais que exigem controle de posio at a dcada de 90. Desde ento o

que se nota entre os fabricantes de radar uma progressiva substituio deste tipo de

motor pelos chamados motores brushless.

Figura 18 Funcionamento bsico de um motor brushless

Em um motor brushless, os enrolamentos ficam no estator, enquanto que no rotor so

posicionados ims permanentes [18]. Para reverter a corrente nos enrolamentos,

utiliza-se um amplificador eltrico que recebe a posio do eixo do rotor por meio de

um sensor de posio. A configurao bsica para um motor brushless pode ser

compreendida na Figura 18.

Como nesta configurao o rotor no possui enrolamentos, como o caso em

motores DC, mas apenas ims permanentes, o seu tamanho muito menor

comparado ao rotor do motor DC convencional com escovas, o que implica em

reduo da inrcia do rotor. O fato de no haver escovas aumenta o rendimento

eltrico do motor, reduz o aquecimento e melhora a manutenibilidade do motor, que

no precisa ter suas escovas periodicamente trocadas. [18]

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As figuras acima mostram o funcionamento dos motores com um nico par de plos.

Esta configurao, porm, insatisfatria, pois o torque no rotor variaria muito ao

longo dos 360o do eixo (i.e., alto ripple de torque). De fato, esta variao seria

senoidal, com torque mximo em mdulo para ngulos de 90o, e zero para ngulos

de 0o e 180o. Para manter o torque mais constante, utiliza-se mais pares de plos

igualmente distribudos ao redor do rotor, com comutaes igualmente defasadas.

A ttulo de exemplo, a Figura 19 abaixo mostra a construo de um motor brushless

de 3 fases.

Figura 19 Construo de um motor brushless de 3 fases

O tipo mais comum de motor brushless o chamado sine wave motor, tambm

chamado servomotor AC brushless. Este motor acionado como um motor AC

sncrono, atravs da aplicao de correntes senoidais aos enrolamentos do motor,

com defasagens apropriadas entre elas (120o para o caso de um motor trifsico).

Desta forma, possvel manter o ngulo de torque em 90o com grande preciso, o

que implica em rotao muito suave, mesmo a baixas rotaes, e com ripple de torque

desprezvel.

Uma forma de implementar digitalmente esse controle por PWM (pulse-width

modulation) [18]. Fazendo a largura dos pulsos nas fases variarem segundo senos

defasados, a corrente mdia variaria da mesma forma, e o efeito final seria o mesmo

do que seria se fossem aplicados senos diretamente. A diferena que o controle

digital por PWM mais simples. A Figura 20 abaixo mostra um exemplo de

modulao para um motor trifsico.

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Figura 20 Modulao PWM das fases U, V e W de um motor brushless de 3 fases

Um processador digital dedicado responsvel pelo controle desta modulao nas

trs fases, o qual aciona um circuito de potncia responsvel por fazer o acionamento

do motor. Estas funes so realizadas no servoconversor do motor.

O servoconversor um dispositivo eletrnico que tem por funes principais:

Converter a alimentao de entrada da rede em nvel DC (DCBUS) por meio

de um retificador a diodo e estabilizada por capacitores, conforme mostrado

na Figura 21. A limitao da corrente de carregamento dos capacitores feita

por resistores, controlada por um circuito de soft-start inteligente, que se

adapta aos diferentes nveis de alimentao suportados pelo servoconversor.

Figura 21 Retificador de entrada do servoconversor

Fazer o acionamento do motor, por meio um circuito PWM, com freqncia

de modulao tpica em torno de 10kHz, implementado atravs de IGBT

52

(insulated gate bipolar transistors), que so transistores bipolares isolados de alta

potncia, que nesta aplicao so usadas como chaves inversoras de potncia.

O comando dos IGBTs controlado pelo processador que, com base na

posio do motor obtida pela leitura do resolver, na tenso de entrada do

servoconversor, e no limite mximo de torque, configurvel no painel de

comando do servoconversor, determina em que taxa as fases de sada (U2, V2

e W2), que alimentam os enrolamentos do estator do motor, so alimentadas

positivamente (+AT) e negativamente (-AT), alm de sincronizar a defasagem

entre elas.

A Figura 22 mostra um esquema geral do chaveamento por IGBTs.

Figura 22 Modulao na sada do servoconversor por IGBT's

Interface com o resolver do motor, utilizado pelo servoconversor para saber a

que fase devem ser modulados os plos do motor, a fim de manter um ngulo

de 90o entre o campo magntico do im permanente do rotor e o campo

induzido pelos enrolamentos no estator.

Alm disso, o resolver pode ser utilizado como sensor de realimentao para a

malha de controle da velocidade angular do motor. O servoconversor converte

o sinal de posio fornecido pelo resolver em um sinal de velocidade atravs de

um processamento de derivao numrica realizada dentro do processador.

Implementar malha de controle de velocidade: com a realimentao

disponvel internamente no servoconversor, o controle de velocidade do

motor pode ser realizado internamente.

53

3.3.2 Escolha do sensor de posio angular

A gama de opes tecnolgicas para sensores angulares ainda maior do que para

servomotores. Antes do advento da tecnologia de encoders pticos digitais, o

sensoriamento era realizado por resolvers analgicos, potencimetros ou sincro-

geradores. [1][6][7][8]

Um encoder ptico pode ter diversas configuraes diferentes. Os principais

parmetros de deciso quando da escolha de um encoder so os seguintes [15]:

3.3.2.1 Tipos de encoder

Um encoder ptico pode ser de trs tipos:

Encoder incremental

Este tipo de encoder consiste num disco perfurado que codifica uma seqncia

em dois bits, pela qual possvel detectar e