Zanatta Alan Ferreira

7/21/2019 Zanatta Alan Ferreira

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TrueTime em seu projeto.

Palavra-chave:Controle via rede, Protocolo CAN, Mo tor de corrente contnua


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NDICE

I) RESUMO..................................................................................................................................

II) INTRODUO............................................................................................................................

III) REVISOBIBLIOGRFICA......................................................................................................10

III.1)SISTEMASDECONTROLEVIAREDENCS.........................................................10

III.2)METODOLOGIASDECONTROLEPARANCS........................................................2

IV) REVISOCONCEITUAL..........................................................................................................14

IV.1) MODELOSDINMICOSEFUNOTRANSFERNCIA.............................................

IV.2) SISTEMASDECONTROLE(MALHAABERTAEMALHAFECHADA) .............................

IV.3) ENCODERS..........................................................................................................................

IV.3.1) ENCODERINCREMENTAL..................................................................................15

IV.4) PROTOCOLOCAN...............................................................................................................16

IV.4.1) FORMATODASMENSAGENS...........................................................................18

IV.4.2) FERRAMENTATRUETIME...................................................................................19

V) CONSTRUAODOMDULODEMOTORDC.............................................................23

V.1) MOTORDECORRENTECONTNUA...........................................................................24

V.2) ACIONAMENTODOMOTORDC..................................................................................24

V.3) LEITURADOENCODER....................................................................................................25

V.4) PROGRAMAODOPIC.................................................................................................28

VI) MODELAGEMMATEMTICA...............................................................................................32

VI.1) FUNOTRANSFERNCIA-MOTORDC................................................................32

VI.2) FUNAOTRANSFERNCIA-MOTORMAXON.......................................................5

VII) VERIFICAODOMODELO.................................................................................................36


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CONCLUSES.........................................................................................................................

X) DIFICULDADESENCONTRADAS.......................................................................................49

XI) ANLISEDOSRESULTADOS...............................................................................................51

XII) REFERNCIASBIBLIOGRFICAS.....................................................................................52

LISTA DE FIGURAS

Fi1Esdusdcvr e NCS) .

Figura2.NCScomEstruturaDireta(ModificadodeTipsuwaneChow,2003)..........................................10

Figura3.NCScomEstruturaHierrquica(ModificadodeTipsuwaneChow,2003)................................11

Figura4.EsquemadeumEncoderdeDuasTrilhas...................................................................................

Figura5.SinalproduzidopeloEncodernosCanaisAeB...........................................................................

Figura6.NveisEltricosdoProtocoloCAN...........................................................................................

Figura7.MensagemCAN2.0A.............................................................................................................

Figura8.MensagemCAN2.0B.............................................................................................................

Figura9.BlocosdaBibliotecaTrueTime...............................................................................................

Figura10.BancadadeMotordeCorrenteContnua...................................................................................

Figura11.EspecificaeseDesenhoTcnico-MotorRE-max24..............................................................24

Figura12.EsquemaCILMD18200.........................................................................................................

Figura13.FotodoDriverPWM............................................................................................................Figura14.EsquemaHCTL2017-A00.......................................................................................................

Figura15.EsquemticodoCircuitodaInterfaceCANPadro(BRAZet.al.2004)....................................29

Figura16.ImagemdaInterfaceCANImplementada(Sousa,2002)...........................................................30

Figura17.Diagrama-ProgramaoPIC.................................................................................................

Figura18.EsquemaMotordeCorrenteContnua.......................................................................................

Figura19.DiagramadeBlocos-SistemaemMalhaAberta........................................................................3

Figura20.Respostaaodegraude3V....................................................................................................

Figura21.Respostaaodegraude6V....................................................................................................

Figura22.Respostaaodegraude12V..................................................................................................

Figura23.DiagramadeControledoMotornaPlataformaLabview.............................................................39

Figura24.DiagramadeBlocos-SistemaemMalhaFechadacomControleProporcional........................39


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I) RESUMO

Ap-sorrdTrdCood eCusot Simulao,

Anlise e Controle de Motor de Corrente Contnua via Rede CAN em Sistemas de

Manufatura.

Este trabalho busca estudar a aplicao de NCS via rede CAN em sistemas de

manufatura e dar suporte ao projeto de pesquisa FAP ESP, Processo n2/0. O

mdulo de motor de corrente contnuo proposto e des envolvido neste trabalho integrar a

bancada de testes de NCS em desenvolvimento no projeto de pesquisa citado.

Para a realizao deste trabalho, diversas ferramentas computacionais foram

estudadas como: programao em Matlab e Matlab Simulink, programao de

microprocessadores em MPLAB, desenvolvimento de sistemas de controle em Labview;e

tambm vrios conceitos como:modelagem matemtica de sistemas mecnicos e eltricos,

protocolo CAN, controles via redes CAN, dentre outros.

A construo do mdulo de motor de corrente contnu a, sua integrao com a rede

CAN, o desenvolvimento, aplicao e estudo de controles via rede e a identificao e

estudo de possveis erros na execuo do controle so os objetivos deste trabalho. O

mdulo construdo tambm ficar disponvel para out ros experimentos e para o aprendizado

desta tecnologia.


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II) INTRODUO

Asatdcoec opapinsdminl tsocpc

c o c o d c d c o a c s e a d

s. Es t d ct e c l n e no f o n

r d d d s d c l c m cdfddseb c(YANG,20).

Nosdmaaiod adri

pmaenafeac fdsrot

eocdioemo(MOYNE TIL BURY20). Est drcsvfra apsand

co e s e e a e ao e c (LIAN,

MOYNE TILBURY201).

Aperdsdcd uddosdu n a p a uo d r i t. Ne a o

c e a p f f s e so c p u r d

co. Es t d io e s i o a m d

csofsurdco cmnFi1,ts

ddSidCovRe(NCS - Networked Control System) (YANG,

2).


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Controller

Area Network), Profibus e Foundation Fieldbus (MONE &TILBURY, 2).

No importando o tipo de protocolo de comunicao utilizado, o desempenho e a

estabilidade de um NCS sempre so afetados pela presena da rede de comunicao e de

fatores degenerativos como a discretizao e os atrasos de comunicao (delay) entre os

sensores, atuadores e controladores do sistema (BAILLIEUL &ANTSAKLIS, 2). Esses

atrasos de comunicao so resultados do compartilhamento do meio de comunicao com

outras malhas de controle como tambm do tempo de p rocessamento requerido para

codificao dos sinais e computao dos dados (LIAN , MONE &TILBURY, 2).

Buscando minimizar esses efeitos causados pela presena da rede de comunicao,

diversas metodologias de controle tm sido desenvol vidas especificamente para NCS, a

partir de tcnicas de controle avanadas, como pode ser visto em Tipsuwan &Chow (2).

No entanto, por causa da variabilidade e da dificuldade de se calcular esses atrasos, os

NCS podem apresentar caractersticas de sistemas variantes no tempo, tornando essas


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I I I) REVISO BIBLIOGRFICAAspaeNCS tmfp edldt. Um

n p r c a al d in d s a d co n

deedsbcod sdfp

sods(CERVIN ea., 20 TOR NGREN e a.,20). E o n

ddmdpec ldNCS pcoe

d a d co m o d e g a e d

s(TIPSUWAN CHOW203;HESPANHA,NAGHSHTAB RIZI XU,20).

III.1) SISTEMAS DE CONTROLE VIA REDE NCS

Um g tn n s d m i u a io d

co e c d vr nv d p s d m. Umsoq

v s a p i a uo d t l d s d c

d d v r d c o( YANG,20), tm c d s d

c v r (NCS). De a c Ti e Ch (203),oNCS ps

c e d g e d e e t hr. Naed

m n Fi 2, o c e a p f m f a e l

s e so c d p u r d co f u

m d c r. O s d c e i p o a as d u

mevreosa oasddpera

iopoctmta ioasdr.


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deadline


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III.2) METODOLOGIAS DE CONTROLE PARA NCS

Re m t d p tm a s m d

pecpNCSsesdm u. Ummdc

rpmoedad coeuNCS,m

s d e g s e. Um r eo d a m

aeTi Ch(203) eLi Fa( 20). Eneamd

podg(TIPSUWAN,203) uut cdaogdu

c d u NCS p c o e d a d co. Ne

mogsoadac oedsddsc

padr. Ho Ki(20) au mm dpo d

t d a q s c o t e d a d

dduNCS,moeda tndds.

Pa d tc d c c b s e c PID

(POHJOLA, 20), c r (CLOOSTERMAN e a l., 20), c r

l qt (LQR) (ZHANG HUA-JING, 20) e c p b e

m (ALLDREDGE,20) eo e a m u a n d d

m. De f a s l c a i d a d co n


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IV) REVISO CONCEITUAL

A ro c d a m dm s do e dd fo tn d s fs s a d c e m a e

f f d e p CAN e f TrTi d MatLab

Simulink foram essenciais para o desenvolvimento dos trabalhos deste projeto.

IV.1) MODELOS DINMICOS E FUNO TRANSFERNCIA

A dm d s p s e c o e t d c e

fo d t d g q eo r s c p d u q f

i s p e f c o c e d d m

dm. (FELICIO,20).

A fo d tn d u s d ee d i n

t d c a ro d t d La d sd (fo r)

patdLade(foe xo) sahtdqt

aceison. (OGATA,193).

Us u-s d l fs q d e o s p s o o

c d ee l q m s c r o s o m

mt. Po a fo tn p s o a-s a

TrdLaacdee.

irqocdfot nnesaso

rasdeedl eint.

A


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IV.3) ENCODERSEn so t d m c d c o d

aolepdsd.

Es s p i u o m d o (ms) p

f n e e r o. Ta d s e m e u f d l e uf. O d c e s o s e t q p o

b a ro d l p d f p l f. A crod


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IV.4.1) FORMATO DAS MENSAGENS

ExdfdmnpCAN :

CAN 2.0A Me c i d 11 b. pv t a 2048

meurcef. A Fi7 aoqdm

dCAN 2.0A.


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IV.4.2) FERRAMENTA TRUETIME

A fTrTidpDe t dCoAutd

UndLunSuc utdMAT LAB/Siupfa

so d oo e c t d u mNCS o u s dd

c ml c o e t r (CERVIN e a., 203). Es

f cb pub adSics b

s o b d kernel (TrueTime Kernel), dois blocos de rede (com fio TrueTime

Network e sem fio TrueTime Wireless Network), dois blocos de transmisso de

mensagens (envia mensagem ttSendMsg e recebe mensagem ttGetMsg) e um bloco de


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kernel. Entre essas

funes pode-se citar a converso AD/DA, envio e re cebimento de mensagens, criao e

gerenciamento de tarefas, interrupes, temporizado res e monitorao de eventos. Os

blocos e funes da biblioteca da ferramenta TrueTi me se conectam diretamente aos blocos

j existentes nas bibliotecas disponveis no Simuli nk, facilitando sua utilizao.

Figura 9. Blocos da Biblioteca TrueTime

Os blocos de rede e de kernel da biblioteca so baseados em eventos, podendo ser

eventos internos ou externos, os quais determinam a execuo de suas atividades. Eventos

internos so relacionados ao tempo, como por exemplo, o tempo definido terminou, a tarefa

foi executada ou a mensagem foi transmitida. Eventos externos so relacionados com

interrupes ou fatos externos aos blocos como, por exemplo, uma mensagem foi detectada

na rede ou a velocidade do motor ultrapassou a referencia.

Um modelo da ferramenta TrueTime pode conter diversos blocos, como por exemplo

mais de um bloco de rede (simulando um sistema com mais de uma rede) e um mesmo


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Schedule e Monitors) (CERVIN, OLIN &

HENRIKSSON, 2). Internamente no bloco de kernel, estruturas como filas, memrias,

buffers, temporizadores esto implementados e so utilizados nas simulaes. A

comunicao via rede realizada atravs de uma ent rada de recepo de mensagens da

rede (Rcv), uma sada de envio de mensagens para a rede (Snd). Obloco de kernel contm

ainda uma entrada (E) e uma sada (P) que so utilizadas juntamente com o bloco de

bateria (TrueTime Battery).

IV.4.2.2) BLOCOS DE REDE

Os b d r d f tm so b e e e s o

mdaamdcoat modmnre

tdpr tod mdacotd

r o p e (CERVIN, OHLIN HENRIK SSON, 20). Ca m

t n r cm ie s o d o d o e d d dm d d p ur (mo r l s d c) e

tdm. Ouieef scsdtr

c p e deadline das mensagens so opcionais e definidas de acordo com o

protocolo escolhido.

IV.4.2.3) BLOCOS DE TRANSMISSO DE MENSAGENS

Os b d to d m (e e r b) so u p


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V) CONSTRUAO DO MDULO DE MOTOR DC

Cooodrodedc tdpodmd

ccnfcdumdc rpapdNCS,aq

a nF i1 0. Es m d c cd p u m DC, u

epmodpoudda mPWM,ucend

l d e u f A C /DC p a o d d e c

ef p a r CAN. O o d NCS a ro d e d

cdpo(rneg) d pur.

Ossde(sdcPWM pa idmDC) esd

(modpodhasde) d ssotasd

rCAN dpsqaiodm adc rCAN ff

u-sdiCAN da t.


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SEL, OEe RST.

Cm o pino OE em nvel lgico alto, no haver sinal de leitura nas entradas dos

pinos D D pois ele est ligado s portas N internas do contador, desabilitando a

contagem dos bits.Lgo,para comear a leitura dos dois bytes mais e menos significativos,

tal pino dever permanecer em nvel lgico baixo. O pino SELseleciona a leitura dos bits

mais e menos significativos.Cm o pino SELem baix a,os bits mais significativos so lidos

primeiramente e em alta,os bits menos significativ os so lidos,montando os dois bytes.

O pino 5 o RST eset)que ativado em baixa,porm tem sua lgi ca invertida na

entrada com uma porta NOT,assim o pino tem que ser mantido em nvel lgico baixo para

funcionar e em alta para reiniciar o CO pino 2 C a entrada do clock recisa ser 3

vezes maior que o maior sinal do encoder) se o clo ck no for 3 vezes maior o sinal de

sada no ser confivel,pois pode haver perda de sinal durante a leitura do encoder.

Os pinos 6 e 7 ntradas dos canais A e B respecti vamente) so conectados s

sadas A e B do encoder, os quais recebem os sinais em quadratura com defasagem de

9Dsta forma,pode-e conhecer o sentido de rot ao do encoder.

Os pinos 1e 9ao 1correspondem ao Da Dque se referem a um bit de sada do

sinal lido, montando primeiramente o MSB e, posteri ormente, o LSBO pino 8 e o

pino 1 D ) so a referncia e alimentao, respectivamente. N projeto, o


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V.4) PROGRAMAO DO PIC

Um r CAN c p c d d o c (s e

a), i d io (ns CAN o EC U) e b. SOUSA (202)

a u l d c e c s en p d

d rCAN, s s u i po p a io d d

qfpaeaoeB RAZea. (204).

A r CAN d e f m u -s d i. O

et d c d i CAN i n m n Fi 15

cbptsmdiq uso

1. Tr CAN: md rv p a o d nv d to e

cdn CAN edbCAN;

2. TrRS232:md rv p a ao d nv d to e

c d n CAN e a i RS232, b e u c t USART

(UnSy/AsReTr s);

3. Mi c Co CAN: md c sd p CPU, mr

pcipod secCAN,q

o md c d io e d c d o p u p


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VI) MODELAGEM MATEMTICA

A mmtsacf podd

cepasods.

VI.1) FUNO TRANSFERNCIA - MOTOR DC

O mdccncoun etpsr

epFi18.

Fi18. EsModCoCon

UsaLedKidVooa seo

.(

TensoAplicadanosTerminaisdoMotor

ResistnciadaArmaduraCorrentedaArmadura

IndutnciadaArmadura


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(

Sendo6

ConstanteContraEletromotrizdoMotorngulodeSadadoMotor

AplicandoaTransformadadeLaplace6

2(

Substituindo 2(em 7(6

9(

Rearranjando6

(

Sendo6

MomentodeInrciadoMotor


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ngulodeSadadaReduo

CoeficientedeAtritoEquivalenteSubstituindo 8(em (6

(

Temosque6

.4(

Comoresultadodainteraoentreoscamposmagnti cos)umacorrenteeltricaflui

atravsdasespiraseumtorque)proporcionalacorrenteaplicada)gerado

..(Sendo6

EficinciadoMotor

ConstantedeTorquedoMotor

Substituindo .4(e ..(em (6

.7(

AplicandoaTransformadadeLaplace6

+

+ .(Substituindo .4(em (6


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+ + + ( + ) VI.2) FUNAO TRANSFERNCIA - MOTOR MAXON

A fo tn o n tp a e t u ro e a

to a n t d m e a po d sd d ro e fo d

pmcsdmedro. E svdacome

of.

Noptomufdf iMam3517.

Tam uce+m+r cospm

MoMoRE-m24,o22203

4.17 1Kgm7

2.19 1Nms

.84 4.4 1Vsrad

.244NmA

.46H

8.47

ReduoPlanetaryGearheadGP22C


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VII) VERIFICAO DO MODELO

VII.1) RESPOSTA A ENTRADA DEGRAU

Ex s o u d r d co CAN, f r p

aardsraue demaec-l

c a s o d c f e Matlab/Simulink com o intuito de verificar a

acuracidade do modelo matemtico desenvolvido para o motor.

Osistema simulado em Matlab Simulink representad o pelo diagrama de blocos da

Figura 1.

Figura 1. Diagrama de Blocos -Sistema em Malha Ab erta

Nos experimentos, trs diferentes tenses foram apl icadas no motor:3V (Figura 2),

6V (Figura 2) e 1V (Figura 2).


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VII.2) RESPOSTA A UM CONTROLE PROPORCIONAL

Um c p f d n p o Labview (Figura 2) e

experimentos foram realizados para analisar as respostas do sistema real e compar-las


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VIII) SISTEMA DE CONTROLE VIA REDE CAN

VIII.1) PROJETO E SIMULAO

Um c p d f d o e i n s

as d r d co CAN. Ex f r r p a a

r d s r e c-l c a s ao d crc o

Toolbox TrueTime do Matlab/Simulink.

A utilizao de ferramentas de simulao e projeto de NCS necessria para o

desenvolvimento de sistemas de controle, pois permite ao projetista avaliar a dinmica do

sistema de controle antes de sua implementao real, reduzindo tempo e custos de projeto

e desenvolvimento.

A ferramenta TrueTime (http://www.control.lth.se/tr uetime) um Toolbox do

Matlab/Simulink usado para facilitar a simulao da operao e do comportamento temporal

de NCS e de sistemas embarcados ou distribudos com mltiplos controles operando em

tempo real. A ferramenta consiste de uma biblioteca de blocos do Simulink, basicamente

com um bloco computacional de kernel e blocos de rede de comunicao, como mostrado

na Figura 2, e uma coleo de arquivos MEXdo Matl ab.


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TrueTime.

Figura 2. NCS para Controle de um Motor DC impleme ntado na Ferramenta TrueTime

Na Figura 2, o termo Transfer Function a funo transferncia obtida a partir da

modelagem matemtica apresentada em sees anterior es deste relatrio com as

apropriadas substituies das variveis pelos parm etros reais do motor.

Para o NCS via rede CAN projetado, foi definida uma velocidade de 2Kbits/s para a

rede e mensagens de 2 bytes para os dados transmiti dos. Em relao aos parmetros

definidos para as ECUs do NCS, a ECU 1funciona com o gerador de carga para a rede. A

ECU 2(atuador) responsvel por receber a mensage m CAN e enviar o sinal de controle

(u) convertido (/A) para o processo A ECU (sens or) responsvel pela leitura e


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VIII.2) CONTROLE REAL VIA REDE CAN

Osmcsniac o Toolbox TrueTime do Matlab

foram implementados no sistema real atravs de uma rede CAN administrada por software

desenvolvido na plataforma LabView. O esquemtico de tal implementao pode ser

visualizado na Figura 3.

Figura 3. Esquemtico Controle via Rede CAN

No NCS desenvolvido, as informaes do sensor refer entes ao nmero de pulsos do

encoder que traduzem a posio do motor so interpr etadas pela ECU e enviadas

periodicamente para o controlador via mensagens na rede CAN. Ocontrolador, neste caso,

um computador pessoal ue se comunica com a rede CAN atravs de uma placa PC


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VIII.3) COMPARAO ENTRE AS RESPOSTAS DA SIMULAO E DA

IMPLEMENTAO REAL DO NCS VIA REDE

A respostas obtidas do controle simulado com o Toolbox TrueTime do

Matlab/Simulink e as respostas do sistema real podem ser observadas na Figura 3, na

Figura 3e na Figura 3.

Figura 3. Controle PD(K=e Td=.0) via rede CA N (simulado e real)


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Toolbox TrueTime do Matlab/Simulink com as corretas

parametrizaes para a simulao da rede de comunic ao CAN, descrevendo-a de forma

precisa.


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IX) CONCLUSES

O d d NCS , e u p l m q

edamdsfsp dpsvopso

dcvrefpio rdNCS.

Ne t t a e d f c p d e a

rdsserfo. A codpva

io d p d mde dNCS p eaq aao dNCS

crCAN pcdmdcc nn vv.

A uo d f d so e p d NCS nr p o

d d s d c p p t a p a a dm d

sdcadsior ,rtecdp

ed.

Tam c o i d s a a en d f d so

TrueTime do Matlab/Simulink, esta foi utilizada neste trabalho e se mostrou precisa na

simulao da rede de comunicao CAN e do NCS, sendo indicada para a utilizao no

desenvolvimento de sistemas de controle via rede.


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X) DIFICULDADES ENCONTRADAS

No p s d p d t d c oo d c u d

d e f n ao d m mt a so r. Os

a et e dm d m i n a r d se. Coa

m da d cd o e no o od t

d c o d c v-s e t a to u p m p

qesoaeismo vd026V fe.

A p d io p-s a e t so i e

p e t o e d f q u o m j e n

endeemadc isao.

Defp-s c o r d m l e d e e

v o m mt p m e no c a m d

adm.

O edfdPIC,dsr opecoc

o ce dd p eC p s epPIC tm

egdoeeoda.

A coasdrCAN,utd cpaa o ic

d t d co d c e o e d d p d co e

fdCAN edbdc oj e.

No s s d p d t d c no d c p


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XI) ANLISE DOS RESULTADOS

A codmddccnesi nocurCAN f

f.

O m mt d f v e p m s uo p

tfrapdc ldmdccn.

A co d r d se d c l v rCAN d s

a c a r d c r d m s p v o u d

fTrTipsedcv r.

O d e vo d NCS v r CAN p r n t

c s v d ao e c d m d c cn.

Co t co o o d t d c oo d c aa e

ie s a io e vo d NCS so a a l

drr.

O md d c cn d n p o f i a u

p d t d NCS e d n p r d p FAPESP

03481-1 e p tm a ro d f o e e e e o

adt.

Cordttmstap coduacfn

9CoTetdDimCoeAp ae - DINCON2010- cott

Simulao, Anlise e Controle de Motor de Corrente Contnua Utilizando um Sistema de


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XII) REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

ALLDREDGE,G. W. (20). PID aMoPrC oiaNeEn. Ma

d De o El En a Co Sc CASE WeReUNIVERSITY130.,Au.BAILLIEUL,J.;ANTSAKLIS,P.J. (20). Coa CoChiNeRe-Ti Sy. In Pr o t IEEE TECHNOLOG Y OF NETWORKED CONTROLSYSTEMS,v. 9n. 1,p. 9-28Ja.BOSCH. (20). CAN 2.0 Sp Ve Ac o e Se 20. Div eh.c.b.c.

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Documents

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