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UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ – UNITAU
JOSÉ MARIO CARUSO
CONTROLE DE VELOCIDADE DE UM MIT TRACIONANDO UM VEÍCULO ELÉTRICO
TAUBATÉ – 2007
UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ – UNITAU
JOSÉ MARIO CARUSO
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CONTROLE DE VELOCIDADE DE UM MIT TRACIONANDO UM VEÍCULO ELÉTRICO
Dissertação apresentada para obtenção do
Título de Mestre pelo Curso de Pós-Graduação
do Departamento de Engenharia Mecânica da
Universidade de Taubaté.
Área de Concentração: Automação Industrial e
Robótica.
Orientador: Prof. Dr. Francisco José Grandinetti
Co-orientador: Prof. Dr. Marcio Abud Marcelino
TAUBATÉ – 2007
UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ – UNITAU
JOSÉ MARIO CARUSO
CONTROLE DE VELOCIDADE DE UM MIT TRACIONANDO UM VEÍCULO ELÉTRICO
Data:__________________
Resultado: _____________
COMISSÃO JULGADORA
Prof. Dr. Francisco José Grandinetti UNITAU
Assinatura: ____________________
Prof. Dr. Marcio Abud Marcelino UNESP
Assinatura: ____________________
Prof. Dr. Luiz Octávio M. Reis UNITAU
Assinatura: ____________________
Prof. Dr. José Geraldo Trani Brandão UNESP
Assinatura: ____________________
TAUBATÉ – 2007
Dedico este trabalho à minha esposa e filha pela ajuda, paciência,
compreensão e Incentivo, que souberam entender a minha ausência para me dedicar
a este trabalho, sem o que o desafio não seria por mim alcançado.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho estaria inacabado sem a menção a pessoas, cujo apoio e incentivo
influenciaram-me durante a sua confecção.
Aos Professores Drs. Francisco José Grandinetti e Marcio Abud Marcelino pela
orientação e apoio fornecidos durante a realização deste trabalho.
À empresa Oficinna pelo fornecimento de equipamentos para testes.
RESUMO
As indústrias automobilísticas estão reconhecendo a necessidade de explorar
novas fontes de energia, devido à escassez e os problemas ambientais gerados pelo
petróleo. Assim, várias formas de gerar energia para que haja movimentação de
veículos, vêm sendo estudadas, entre elas, fontes de energia elétrica, onde os
veículos são tracionados por motores elétricos. Em geral os veículos elétricos
possuem um sistema de acionamento por meio de motores de corrente contínua, que
causam um desgaste excessivo nos comutadores e a vantagem da variação da
rotação por meio da variação de tensão. Por outro lado o sistema de acionamento por
meio de motores AC de indução trifásico possuem a vantagem de baixa manutenção
e alta robustez, que necessitam de uma variação da tensão em relação a freqüência,
ou seja, de inversores de freqüência. O inversor utilizado neste projeto é um PWM de
malha aberta, discreto, otimizado e projetado através de um microcontrolador de baixo
custo, se comparados a inversores de freqüência encontrados no mercado. O PWM
necessita da geração de pulsos para o controle da velocidade e variação da
aceleração, que será comandado por um acelerador eletrônico. Este permitiu a
variação dos pulsos em um tempo predeterminado para que o veículo não aplique um
torque elevado na saída, o que causa um consumo elevado de corrente. Portanto, este
trabalho tem como objetivos: especificar uma bateria adequada às necessidades do
motor elétrico do veiculo (tensão, corrente, ciclo de vida) e projetar uma fonte pulsos
capaz de variar o sinal de velocidade do PWM, denominado acelerador eletrônico que
contém um microcontrolador que faz a conversão analógico–digital, gerando pulsos
através de um sinal que é analógico, um potenciômetro (acelerador). Os resultados
obtidos foram uma bateria tracionária da marca TROJAN, e um circuito compacto
capaz de gerar os 13 pulsos necessários, com o tempo de 1 segundo, entre pulsos,
para cada mudança de tensão, onde esta representa o deslocamento angular durante
uma aceleração ou desaceleração.
Palavras-Chave: Acelerador, Modulador, PWM, Potenciômetro.
ABSTRACT
The automotive industries are recognizing the need to explore new sources of
energy, due to the shortage and environmental problems generated by oil. So many
ways to generate energy to drive the vehicles are being studied, including, sources of
power, where the vehicles are moved by electric motors. In general the vehicles have
an electric drive system away direct current energy, which cause an excessive wear in
switches and the advantage of the change in rotation through the variation of voltage.
Furthermore the system drive through induction of three phase AC motors have the
advantage of low maintenance and high strength, but need a variation of the voltage on
the frequency, requiring inverters of frequency. The inverter used in this project is a
mesh of PWM open, discreet and optimized, and designed using a low-cost
microcontroller, if compared to inverters de often found on the market. The PWM
requires the generation of pulses to control the speed and acceleration of change that
will be controlled by an electronic throttle. This will allow the variation of pulses at a
predetermined time so that the vehicle does not apply a high torque in the output,
which house a consumption of high current. Therefore, this work has the following
objectives: a battery specify appropriate to the needs of the electric motor of the vehicle
(voltage, current, life-cycle) and design a source wrists able to vary the speed of the
PWM signal, called accelerator card that contains a microcontroller is the analog-digital
conversion, generating pulses through an analog signal of a potentiometer
(accelerator). The results were a flooded battery TROJAN, and a compact circuit
capable of generating the 13 pulses necessaries, with the time of 1 second, between
pulses, for every change of tension, where this is the angular displacement during an
acceleration or deceleration.
Key-words: Accelerator, Modulator, PWM, Potentiometer.
SUMÁRIO
RESUMO .............................................................................................................. 6 ABSTRACT ........................................................................................................... 7 LISTA DE FIGURAS ............................................................................................. 9 LISTA DE TABELAS ............................................................................................. 10 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ................................................................ 11 CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO ............................................................................. 12 1.1. Breve descrição ........................................................................................ 13 1.2. Organização .............................................................................................. 14 CAPÍTULO 2 – HISTÓRICO DO VEÍCULO ELÉTRICO ........................................ 16 CAPÍTULO 3 – MOTOR ELÉTRICO ...................................................................... 24 CAPÍTULO 4 – CONTROLE DE VELOCIDADE .................................................... 27 4.1. Mecanismo de produção de torque .......................................................... 27 4.2. Modulação por largura de pulso e o inversor ........................................... 30 4.3. Projeto digital ............................................................................................ 31 4.4. Discretização otimização e sincronização da modulação ........................ 32 4.5. Fatores importantes para o projeto ........................................................... 35 CAPÍTULO 5 – BATERIA ....................................................................................... 39 5.1. Bateria utilizada ........................................................................................ 39 5.2. Carregador ............................................................................................... 44 CAPÍTULO 6 – MÓDULO ACELERADOR ............................................................ 45 6.1. Resultados ................................................................................................ 49 CAPÍTULO 7 – CONCLUSÕES ............................................................................. 55 ANEXOS ................................................................................................................ 59 Anexo 1 – Diagrama de fluxo ........................................................................... 59 Anexo 2 – Programação do microcontrolador ................................................. 60 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 61
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Diagrama de blocos do controle de velocidade ..................................... 13 Figura 2 - Publicidade de carros elétricos no início do século ............................... 17 Figura 3 - Características torque x velocidade para fluxo constante ..................... 28 Figura 4 - Característica V/f cte. com compensação para baixas freqüências ...... 29 Figura 5 - Diagrama de blocos de um contr. de vel. em malha aberta com PWM . 31 Figura 6 - Curva discreta V/f ................................................................................... 33 Figura 7 - Transição de períodos da mesma freqüência ........................................ 33 Figura 8 - Transição de períodos de freqüências diferentes .................................. 34 Figura 9 - Bateria Trojan T-105 .............................................................................. 40 Figura 10 - Ciclo de carga completa recomendada .................................................. 41 Figura 11 - Curva genérica de carga ....................................................................... 42 Figura 12 - Modulador por Largura de Pulso ........................................................... 45 Figura 13 - Diagrama de blocos do controle de velocidade ..................................... 46 Figura 14 - Esquema do potenciômetro ................................................................... 46 Figura 15 - Pinagem doATtiny13 ............................................................................. 47 Figura 16 - Diagrama de blocos do processo de programação ............................... 47 Figura 17 - Esquema elétrico do módulo de aceleração .......................................... 48 Figura 18 - Módulo de aceleração ............................................................................ 48 Figura 19 - Esquema do período de pulsos ............................................................. 49 Figura 20 - Leiaute da placa ..................................................................................... 49 Figura 21 - Diagrama de blocos do sinal analógico e digital .................................... 50 Figura 22 - Analisador na Aceleração ...................................................................... 51 Figura 23 - Analisador na Desaceleração ................................................................ 51 Figura 24 - Plotagem da aceleração analógica – potenciômetro ............................. 52 Figura 25 - Plotagem da aceleração digital – placa ................................................. 52 Figura 26 - Plotagem da desaceleração analógica – potenciômetro ....................... 53 Figura 27 - Plotagem da desaceleração digital – placa............................................. 53
LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Otimização da Tabela de Velocidade .................................................. 34Tabela 2 - Freqüências Discretas, Sincronizadas e Otimizadas ........................... 37Tabela 3 - Porcentagem de carga x tensão por bateria ............................... 43Tabela 4 - Carga em tempo sobre carga flutuante ...................................... 43
11
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
DA / - Analógico / Digital f - freqüência
I - corrente n - relação entre as freqüências da portadora e moduladora
M - torque
MTBF - período entre falhas m - mili (10-3)
P - potência U - tensão UP - tensão de pico URMS - tensão eficaz Vca - tensão alternada Vcc - tensão contínua W - velocidade angular µ - micro (10-6) ψ - fluxo magnético
12
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
Segundo Assanis (ASSANIS; DELAGRAMMATIKAS; FELLINI, 1999), as
indústrias automobilísticas estão reconhecendo a importância de novas fontes de
energia, levando-se em consideração a escassez do petróleo para o futuro. Estudam o
desenvolvimento de veículos não poluentes para alta quilometragem e baixo custo.
O carro movido à combustão é um paradigma, tendo muitos requisitos, tais
como potência, conforto, beleza e a mudança para o carro elétrico atual é uma
questão de nova cultura e investimento. Por outro lado o veiculo elétrico deve possuir
características opostas, ou seja, deve ser leve, possuir alto rendimento, sistemas de
transmissão e de apoio (mancais) simples, não se pode pensar em conforto, nem nas
comodidades que o veículo à combustão proporciona. O veículo elétrico é para
transporte (sem conforto) e com preservação do meio ambiente. Em resumo, o
conceito de carro elétrico está distante do conceito do carro à combustão.
Em geral , o projeto de um veiculo elétrico na atualidade deve possuir os
seguintes itens: Materiais leves, Bateria, Sistema de transmissão, Mancais de apoio,
Aerodinâmica, e sistema de acionamento (Driver e Motor).
Os veículos elétricos que são acionados por meio de motores de corrente
contínua, que causam um desgaste excessivo nos comutadores e a vantagem da
variação da rotação por meio da variação de tensão. Por outro lado o sistema de
acionamento por meio de motores AC de indução trifásico possuem a vantagem de
baixa manutenção, elevado período entre falhas e alta robustez, porém necessitam
de dispositivo que produz uma variação da tensão em relação a freqüência, conhecido
como inversores de freqüência. Este projeto utilizou um sistema de controle de
velocidade (PWM) para motores de indução desenvolvido por (MARCELINO, 1997). O
controlador utilizado é um PWM de malha aberta, discreto e otimizado, e projetado
através de um microcontrolador de baixo custo em comparação com inversor
comerciais. Esse necessita da geração de pulsos para o controle da velocidade e
variação da aceleração que será comandado por um acelerador eletrônico. Este
permitirá a variação dos pulsos em um tempo predeterminado para que o veículo não
aplique um torque elevado na saída, o que resulta em um consumo elevado de
corrente.
13
Assim, este trabalho tem como objetivos: especificar uma bateria, elaborar
critérios técnicos adequados, tais como, tempo de vida, número de ciclos e autonomia
para o veículo elétrico, levando em consideração tensão e corrente e o tempo de
carga. Projetar , construir e testar em bancada uma fonte de pulsos capaz de variar os
sinais de velocidade do PWM, denominado acelerador eletrônico que contém um
microcontrolador que faz a conversão analógico-digital, gerando pulsos através de um
sinal analógico de um potenciômetro (acelerador), conforme diagrama da figura 1.
Objeto de projeto
Motor AC
Modulador (PWM)
Acelerador eletrônico
Figura 1 - Diagrama de blocos do controle de velocidade
1.1. Breve descrição
O controle de velocidade do motor desse veículo utiliza a Modulação por Largura
de Pulsos (PWM), em malha aberta, com a relação tensão/freqüência constante, que
converte a corrente gerada por uma bateria em corrente alternada, responsável
também pela aceleração e desaceleração do motor, através de um acelerador
controlado por pedal, no piso do veículo.
O controle de velocidade do motor elétrico é em malha aberta, como nos veículos
à combustão, com a relação tensão/freqüência constante, para manter o torque
contínuo.
A modulação PWM (MARCELINO, 1997) é implementada por um microcontrolador
de baixo custo, sendo que o controle de velocidade é discreto, com tabelas
otimizadas, com transições sincronizadas e com reduzida geração de harmônicas.
14
Para o controle da aceleração utiliza-se um potenciômetro integrado a um circuito
microprocessado que gera pulsos, controlando assim o PWM. Conta também com um
sistema de câmbio para a transmissão de movimento do eixo do motor para as rodas
do veículo tipo CVT (Continuously Variable Transmission), juntamente com uma caixa
de redução, proporcionando uma boa relação entre o torque e a velocidade para que
não haja situações abruptas de aceleração. Esse sistema é composto por duas polias
que se abrem e fecham conforme a velocidade atribuída às mesmas, fazendo com que
o veículo mude de marcha linearmente.
O projeto está sendo desenvolvido em um Mini-Baja, por ser um veículo leve e de
fácil adaptação, seu principal aspecto, obtendo-se assim, um melhor aproveitamento
da corrente fornecida pelas baterias.
A principal barreira encontrada no veículo elétrico é a autonomia das baterias,
razão pela qual é discutida neste trabalho a necessidade de mudança do conceito do
veículo com motor à combustão, para o veículo com o do motor elétrico. Porém, hoje,
com o avanço tecnológico e com as pesquisas de baterias com maior desempenho, do
tipo níquel-hidreto metálico, pode-se prever, para um curto espaço de tempo, soluções
para esse problema.
A técnica foi implementada no veículo com capacidade para uma pessoa, do tipo
Mini-Baja, e os ensaios mostraram que, além de permitir a eliminação de partes
mecânicas, em função da utilização de motor de indução trifásico com controle
eletrônico e acelerações lentas, seu emprego resultou em menor consumo de energia
elétrica e, portanto, maior autonomia.
1.2. ORGANIZAÇÃO
Na introdução desse trabalho mostra-se a importância de conseguir novas
tecnologias para melhorar a qualidade do ar, enfatizando o quanto está crítica a
atmosfera de nosso planeta. É citada a colaboração científica da utilização de um
veículo elétrico para, além de melhorar a qualidade do ar, também substituir a gasolina
pela eletricidade, por ser uma forma renovada de energia.
No segundo capítulo é descrita a história do veículo elétrico, sua trajetória,
períodos de sucesso por volta de 1900 e esquecimento no ano de 1906 e
15
comparações com o veículo à combustão. Nos anos de 1960, o início da preocupação
com a emissão de gases e o custo do petróleo nos veículos à combustão.
No terceiro capítulo são demonstrados vários tipos de motores, inicialmente
traçando um comparativo entre os à combustão e os elétricos. Nos elétricos é ainda
feito um novo comparativo entre os de corrente contínua e alternada. Nos de corrente
alternada são mostrados os pontos positivos e negativos de cada um, direcionando
para o de indução trifásico, que será utilizado no veículo elétrico.
O controle de velocidade é descrito no quarto capítulo. Neste é detalhado um
sistema de aceleração não contínua, através de um PWM desenvolvido através de um
microcontrolador de baixo custo, o qual permite mudanças de tensão e freqüência
através de doze pontos distintos, sem que se tenha mudança abrupta entre esses
intervalos.
No quinto capítulo, apontam-se as dificuldades das baterias em VEs, com
relação ao custo das mesmas e das tecnologias, dimensões e peso, que ainda faltam
ser implementadas para esse mercado. É apresentada uma bateria tracionária com
excelentes resultados para o trabalho, relacionando as características da mesma e o
desempenho que ela pode proporcionar.
No sexto capítulo, é abordado a integração do controle de velocidade com o
acelerador do veículo. Este acelerador é um módulo que através de um potenciômetro,
é utilizado como pedal de aceleração. O sistema consiste em transformar as variações
de resistência elétrica em pulsos, como função opcional para o sistema, permitindo as
duas formas de controle de velocidade. O circuito desenvolvido utiliza um
microcontrolador de pequeno porte, que através de programação e de uma interface
conversora A/D, transforma a variação de resistência do potenciômetro em pulsos de
aceleração e desaceleração, de acordo com as velocidades discretas possíveis do
sistema. Ainda neste capítulo são abordados os resultados dos experimentos
executados do acelerador em relação ao controle de velocidade. As conclusões e
resultados são descritos no sétimo capítulo.
16
CAPÍTULO 2 - HISTÓRICO DO VEÍCULO ELÉTRICO
Por volta do ano de 1900, os automóveis elétricos nas cidades americanas,
eram mais comuns do que os a gasolina , segundo (GOLDEMBERG; LEBENSZTAJN;
PELLINI, 2005), no ano de 1900 foram produzidos 1575 automóveis elétricos contra
apenas 936 carros à gasolina. Ainda segundo (PERES, 2000), em 1899, foi criado
pelo engenheiro belga Camille Jenatzy, um veículo elétrico de nome “Jamais
Contente”, que alcançou a incrível velocidade de 100 km/h. Vale mencionar que em
1918, na cidade do Rio de Janeiro foi inaugurada a linha de ônibus elétricos, pela
antiga Light and Power Co. Ltd. entre a Praça Mauá e o então existente Palácio
Monroe, na outra extremidade da Avenida Rio Branco. Jornais da época, conforme
(PERES, 2000), referiam-se a esta novidade como “confortáveis ônibus de tração
elétrica, movidos a bateria, com rodas de borracha maciça, sem barulho, vibração,
fumaça e os inconvenientes da gasolina”. Um dos fabricantes de prestígio da época,
segundo (GOLDEMBERG; LEBENSZTAJN; PELLINI, 2005), dizia que “a eletricidade
preenche melhor os requisitos de um sistema de tração do que as máquinas a vapor
ou mesmo os motores a explosão”. A revista Scientific American de 1899 dizia que: “a
eletricidade é ideal para veículos, pois ela elimina os dispositivos complicados
associados aos motores movidos a gasolina, vapor e ar comprimido, evitando o ruído,
vibração e calor associados”. Como na época, nos veículos à combustão era
necessário usar a manivela de arranque além de manipular um sistema de marchas,
preferia-se usar veículos elétricos. A figura 2 apresenta uma propaganda da época
com relação ao sucesso dos VEs.
Um fator importante para o surgimento dos VEs, foi a implementação dos
bondes elétricos que substituíram as carroças e os bondes com cavalos. Outro fator foi
o surgimento do sistema ferroviário elétrico utilizado na Europa.
Entretanto, por volta de 1905 os automóveis à gasolina começaram a tomar a
dianteira em termos de popularidade. A autonomia de cerca de 100km é mais que o
dobro da autonomia de um carro elétrico, aproximadamente 50 km. O investimento
inicial assim como o custo operacional dos automóveis elétricos era maior que os
movidos à gasolina. Os números disponíveis indicam como indicativo, que em 1900 os
carros à gasolina custavam entre US$1000 e US$2000 enquanto que um carro elétrico
custava de US$1250 a US$3500. O custo operacional de um carro a gasolina era de
U$0.01/milha passando para US$0.02 a 0.03/milha para um carro elétrico. Em 1901
17
foram descobertos no Texas grandes campos de petróleo fazendo cair os custos do
mesmo.
Entre 1906 e 1910 tornou-se evidente que o carro elétrico tinha um
desempenho inferior.
Qual era a motivação para o gasto de tempo e dinheiro para desenvolver uma
tecnologia inferior? Motivações ambientalistas? De quais ambientalistas? Limpar as
cidades da poluição? Qual poluição? Reduzir a dependência do petróleo e o déficit da
balança comercial? Qual déficit? Qual dependência? Ninguém iria se preocupar com
problemas que ainda não existiam na época.
Figura 2 - Publicidade de carros elétricos no início do século XX. (GOLDEMBERG;
LEBENSZTAJN; PELLINI, 2005)
18
Por volta de 1909, ainda segundo (GOLDEMBERG; LEBENSZTAJN; PELLINI,
2005), o número de carros elétricos produzidos caiu cerca de 4,4% do número de
carros a explosão. Em 1913 a Ford começou a produzir carros à gasolina em série na
primeira linha de montagem industrial, na planta de Highland Park. Em 1912 o
surgimento do motor de arranque elétrico para carros a explosão tornou estes carros
ainda mais atraentes.
Os produtores de gasolina não conseguiam acompanhar o crescimento da
demanda e conseqüentemente os preços do petróleo começaram a aumentar. Um
barril de petróleo, como comparativo, que custava cerca de US$0.65 na virada do
século passou para US$2.35 no ano de 1913.
Por volta de 1912 ressurgiu o entusiasmo pelo carro elétrico acompanhando o
aparecimento de alguns desenvolvimentos técnicos. Thomas Edson havia
aperfeiçoado as baterias de níquel-ferro, que tiveram um aumento de 35% na
capacidade de armazenamento entre 1910 e 1925. A vida útil destas baterias também
aumentou ao mesmo tempo em que os custos de manutenção diminuíram. Entretanto
este ressurgimento foi mais marcante na área de pequenos caminhões de entrega em
companhias que possuíam frotas ao redor de 60 veículos e que poderiam ter suas
próprias centrais de recarga de baterias.
O advento da Primeira Guerra Mundial em 1914 provocou o aumento dos
preços do petróleo e aumentou ainda mais o otimismo nos carros elétricos. Mas
apesar dos esforços comerciais e de marketing, o número de caminhões elétricos caiu
de 10% em 1913 para apenas 3 a 4% em 1925.
Entre os anos de 1926 e 1960, sem interesse dessa tecnologia, nada se fez
para o ressurgimento e pesquisa dos veículos elétricos.
A história moderna dos veículos elétricos pode-se dizer iniciou em 1960,
segundo (PERES, 2000), em Phoenix, nos EUA, onde ocorreu o primeiro simpósio
internacional dedicado exclusivamente a este assunto. Nesta época, já eram sensíveis
os efeitos da poluição do ar causada por veículos a combustão interna, nos grandes
centros urbanos. As crises que se sucederam na década de 70, ao dispararem os
preços do barril do petróleo, somaram argumentos à questão da poluição atmosférica
em favor da opção veicular elétrica com o objetivo de diminuir o consumo deste
combustível. Uma nova geração de carros elétricos foi desenvolvida em diversos
países, inclusive no Brasil, com o lançamento do ITAIPU ELÉTRICO, fabricado pela
extinta indústria nacional GURGEL S.A. Furnas Centrais Elétricas S.A., em 1984, era
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uma das empresas que de forma pioneira, contou com dois furgões elétricos deste
fabricante e pôde testá-los em serviços gerais, nas áreas de Campinas e Tijuco Preto.
Contudo, medidas de racionalização e substituição do petróleo em vários cantos do
mundo, como a do PROALCOOL, iniciado em 1975, foram eficazes sucedendo-se o
declínio dos preços do petróleo, antes que os carros elétricos, em qualquer parte,
pudessem firmar a sua utilização junto ao público.
Em meados de 1960, ainda segundo (GOLDEMBERG; LEBENSZTAJN;
PELLINI, 2005), a poluição produzida pelos automóveis em áreas urbanas tornou-se
uma preocupação freqüente e, em 1967, o governo dos EUA publicou novos
regulamentos sobre poluição. Os carros elétricos que ressurgiram ao final da década
de 60 utilizavam certas técnicas de conservação na tentativa de aumentar sua
autonomia e velocidade máxima. Era necessário que os carros elétricos tentassem
alcançar o patamar de desempenho oferecido pelos carros à gasolina, cujo
desenvolvimento tinha sido significativo durante todo o século. Contudo estes veículos
eram pesados, herdaram os confortos disponíveis nos veículos à combustão, gerando
alto atrito, reduzindo assim a autonomia das baterias.
Tanto a Ford como a GM produziram protótipos elétricos. O modelo Ford
Comuta surgiu em 1967 e o GM 512 em 1968. Ambos eram pequenos carros de
passageiros com dois assentos pesando cerca de 550 kg, sendo carros puramente
elétricos. O GM 512 tinha melhor desempenho, mas estava longe de alcançar as
velocidades típicas de uma auto-estrada. A autonomia do carro da Ford era de apenas
38 km em trajetos urbanos. Ou seja, essencialmente a mesma autonomia oferecida
pelos carros elétricos do início do século. O carro da GM era um pouco melhor:
conseguia andar 60 km em um trajeto urbano e 91 km em estradas a velocidade
constante. A taxa de aceleração era de 12 a 13 segundos para passar de 0 a 50 km/h.
Não se conseguia melhorar a autonomia ao se comparar com os primeiros veículos
elétricos desenvolvidos no início do século.
Na Europa a Renault produziu um protótipo pesando 1860 kg que, apesar da
baixa aceleração, tinha uma autonomia de 107 km.
Em resumo, as tentativas na década de 60 para promover os carros elétricos
falharam. A redução da poluição nas cidades não era uma motivação suficientemente
forte para o ressurgimento de uma tecnologia arcaica e inferior.
A crise do petróleo, associada ao embargo imposto pela OPEP trouxe novas
esperanças para os carros elétricos sendo que, desta vez, os motivos eram
20
essencialmente políticos. Os EUA dependiam significativamente do petróleo dos
países árabes e o Congresso americano estava determinado a reduzir esta
dependência. Havia também uma motivação econômica dada pela balança comercial
americana. As questões ambientais não eram efetivamente críticas pois não se
considerava que apenas o uso de carros elétricos fosse melhorar a qualidade do ar.
Em 1976, o Depto. de Energia dos EUA estabeleceu um programa para o
desenvolvimento de carros elétricos e híbridos. O propósito deste programa era
promover a pesquisa sobre veículos elétricos e demonstrar a viabilidade desta
tecnologia de modo a conquistar a aceitação do público. Em um discurso de 1978,
Paul Brown, um dos diretores do programa, disse:
“Vamos deixar as coisas claras. Nós queremos reduzir a dependência da
nação em relação ao petróleo estrangeiro. Esta dependência afeta negativamente a
balança de pagamentos americana e contribui para a inflação. O setor de transportes
é o maior usuário dos derivados de petróleo. Reduzir o uso de petróleo neste setor irá
reduzir nossa dependência em relação ao petróleo importado e terá um impacto
positivo na nossa economia. Se o público passar a usar veículos elétricos em
substituição aos veículos a gasolina, a nação usará menos petróleo”.
As preocupações com relação ao futuro dos transportes eram mundiais. Em
1977, uma conferência internacional se propunha a discutir “O desenvolvimento dos
veículos elétricos”.
Entretanto, o apoio aos carros elétricos não era unânime e alguns argumentos
contrários apareceram:
- Os efeitos dos carros elétricos sobre a poluição podem ser mistos. A redução
nas emissões dos automóveis poderá ser acompanhada pelo aumento das emissões
nas usinas termoelétricas que queimam combustíveis fósseis para produzir energia
elétrica. Além disso, uma regulamentação mais restritiva nas emissões dos
automóveis poderá fazer com que os mesmos deixem de ser os principais poluidores.
- O sucesso dos carros elétricos e carros híbridos irá afetar os custos
de diversos tipos de matérias-primas, dependendo dos tipos de
baterias que vierem a se tornar dominantes. Em certas
circunstâncias, o aumento da importação de matérias-primas poderá
ser maior que a redução na importação de petróleo. Apesar das
iniciativas governamentais os consumidores continuavam não vendo
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razões para comprar carros elétricos lentos e de baixa autonomia,
mesmo após a crise do petróleo.
- Lixo químico das baterias dos veículos elétricos.
Após um período de pouco desenvolvimentos efetivos, o entusiasmo ressurgiu
no final da década de 80. Os veículos elétricos começam a ter um progresso
marcante, tanto psicologicamente quanto tecnologicamente. Ganhou o apoio de
governantes, de ambientalistas e de fabricantes de automóveis ao redor do mundo.
Duas iniciativas governamentais merecem ser mencionadas, e após a guerra do
Iraque (1991):
- O surgimento do “United States Advanced Battery Consortium” agrupando os
três principais fabricantes de automóveis dos EUA
- O estado da California que aprova legislação extremamente restritiva com
relação às emissões de gases poluentes, exigindo que uma fração da frota de
automóveis venha a se enquadrar na categoria de ZEV (“Zero emission vehicles”)
Em outros países tais como o Japão tais iniciativas também ganham fôlego e novos
argumentos também aparecem:
- O fato do petróleo continuar sendo queimado nas usinas termoelétricas
centrais não é necessariamente um problema, pois esta queima ocorre com maior
eficiência energética do que a queima realizada em um automóvel.
- Outros tipos de combustíveis podem ser usados em usinas termoelétricas,
tais como o carvão, o gás natural e mesmo combustíveis nucleares. Estes outros
combustíveis podem diminuir a emissão global de poluentes atmosféricos (em relação
ao petróleo).
- Existem usinas hidroelétricas que não fazem uso de combustíveis fósseis.
- Os controles de poluição podem ser implementados de uma forma bastante
eficaz em usinas elétricas centralizadas, sendo difícil alcançar os mesmos patamares
de desempenho em uma frota imensa de automóveis.
Da década de 80 para os dias atuais, a preocupação com o petróleo e com o
meio ambiente, voltou-se a pesquisar o uso de VEs, surgindo também os veículos
híbridos, que em alguns casos utiliza o motor a combustão e em outros casos utiliza o
22
motor elétrico, reduzindo assim o consumo de combustível e diminuindo o número de
partículas de poluente atiradas à atmosfera. Esses veículos têm como vantagem que,
quando o motor a combustão está em funcionamento, o mesmo recarrega a bateria do
motor elétrico, sem a necessidade de efetuar a carga da bateria através da rede
elétrica.
Desta maneira, o Brasil com grande percentagem de energia elétrica renovável
se enquadra como país potencialmente interessante para a utilização desta
modalidade veicular. No que tange aos veículos elétricos de passeio, ainda que o
tempo de recarga possa ser considerado um obstáculo procura-se reduzir esta
limitação com o aumento da autonomia e a possibilidade de recargas rápidas, isto é,
não plenas, deixando-se a recarga completa para os períodos de fins de semana.
Outro desafio revela-se quanto ao preço dos veículos elétricos, maior que o similar
tradicional a combustão interna, já que estes não contam com os ganhos de produção
em grande escala. Dependendo, entretanto do preço do combustível, da tarifa de
energia e dos incentivos eventualmente existentes, esta diferença pode ser
compensada, em um prazo razoável, pelo custo menor de manutenção e de operação
dos veículos elétricos (PERES, 2000).
Além destes tipos de veículos elétricos, grande atenção tem sido destinada às
células a combustível. Por utilizarem o hidrogênio, contam com opiniões desfavoráveis
pelo fato desta substância ser muito inflamável e de difícil armazenagem o que não
impede que alguns veículos desta natureza já estejam em circulação pelas ruas de
Berlim. Células desta natureza, para aplicações veiculares, empregam dispositivos de
conversão eletroquímica que produzem eletricidade a partir das membranas de
intercâmbio de próton designadas pela sigla PEM (proton exchange membrane). Nelas
ocorre a inserção de um lado do hidrogênio H2 e de outro o oxigênio O2. A entrada do
hidrogênio no ânodo (polo positivo) da membrana, é sucedida pela separação dos
átomos deste gás em íons positivos (prótons) através do catalisador, liberando, assim,
elétrons para o estabelecimento da necessária corrente elétrica que acionará o motor.
Os prótons passam pela membrana para o cátodo (polo positivo) e, em presença de
também de um catalisador, ao encontrar o oxigênio combinam-se formando água.
Estas células podem contar com dispositivos especiais que retiram as necessárias
moléculas de hidrogênio de combustíveis tradicionais como a gasolina e o álcool sem
que seja necessária a sua queima. Conseqüentemente, a conversão de energia é
também eficiente e limpa. Um exemplo notável destas células foi o seu emprego como
fonte de energia das naves espaciais Gemini e Apolo. Uma grande dificuldade com a
23
qual esbarra, entretanto, este tipo de fonte de energia, que possui aplicações também
na área de geração de energia distribuída, é devido aos custos envolvidos e a
necessidade, de materiais nobres como a platina para a sua execução.
Ao concluir este capítulo, vale destacar que tanto os veículos elétricos
com baterias avançadas como os que funcionam a células combustível têm
sido motivo de pesquisas e experimentos promissores.
24
CAPÍTULO 3 - MOTOR ELÉTRICO
Enquanto o motor de combustão interna, com base nos veículos norte-americanos,
tem uma eficiência de 35% (GOLDEMBERG, 2002), os motores elétricos,
normalmente, têm eficiência superior a 80% (FEDRIZZI, 2002). Mesmo sendo um
motor altamente eficiente, porém alimentado por uma bateria ineficiente, não resolve o
problema, porque os VEs precisam ainda de reduções drásticas no arraste
aerodinâmico e na resistência de rolagem. Isto implica em novo desenho para a forma
e para os pneus do veículo.
O arraste aerodinâmico, definido como a força que se opõe ao movimento do
veículo e que aumenta com o quadrado da velocidade, pode ser reduzido de três
maneiras (FITSGERALD; KINGSLEY; KUSKO, 1993):
1 - trafegando em menor velocidade, o que torna o VE menos atrativo para o
consumidor atual;
2 - reduzindo o coeficiente de arraste que hoje varia de 0,3 para 0,4. Desenhos
especiais para VE permitem que o coeficiente chegue a 0,2;
3 - utilizando-se pneus mais rígidos, mesmo abrindo mão do conforto. Com o dobro da
pressão dos pneus comuns, a resistência de rolagem de 0,01 a 0,02 pode cair para
0,004 a 0,007.
A forma mais inteligente de aumento de eficiência do VE é através do uso do
freio regenerativo, ao invés do simples freio à fricção, que é também mantido, porém
com menor utilização.
Dentre os vários tipos de motores para VE, o de indução é essencialmente um
motor de velocidade constante, quando conectado a uma fonte com tensão e
freqüência constantes, porque a velocidade de operação está relacionada com a
velocidade síncrona. Se o torque de carga aumenta, a queda de velocidade é muito
pequena. Isto, entretanto, é conveniente para o uso em sistemas com velocidades
constantes. Muitas aplicações industriais, por sua vez, requerem velocidades variáveis
ou um ajuste contínuo em uma faixa específica de velocidades (KOSTENKO,
1977)(IVANOV; SMOLENSKY, 1982)(FITSGERALD; KINGSLEY; KUSKO, 1993).
25
Os motores DC têm sido utilizados em sistemas com variação de velocidade,
embora sejam caros e necessitem de manutenção freqüente de seus comutadores e
escovas, além de serem proibitivos em atmosferas perigosas, devido ao faiscamento
no contato das escovas e comutadores. Por outro lado, motores de indução com
gaiola de esquilo são baratos, robustos, não têm comutadores e são convenientes
para aplicações de alta velocidade.
Dentre os motores de indução, os monofásicos têm a desvantagem de
necessitarem de um circuito de partida, que compreende de um enrolamento auxiliar e
de um capacitor. Em geral, quando em movimento, o circuito de partida é
desconectado, ao passo que o motor de indução trifásico, por sua vez, não necessita
do circuito de partida, mas, da mesma forma que o monofásico, a corrente de partida
alcança de 5 a 10 vezes a corrente nominal do motor.
Para aplicações domésticas o motor universal tem sido largamente utilizado
devido as suas características como capacidade de atingir altas velocidades e altas
potências de saída, embora tenha a desvantagem de usar comutadores. Esse motor,
entretanto permite a variação de velocidade, com baixo custo, através de circuitos com
TRIAC’s. Usando circuito de chaveamento DC (chopper), com controle eletrônico de
potência obtém-se uma melhora significativa de desempenho. No entanto, a
desvantagem é que continua usando comutadores (RAJAMANI, 1997).
Com a evolução do controle eletrônico de potência, o motor de indução trifásico
tem sido aplicado onde se necessita velocidade variável. É sabido que esse motor
satisfaz a uma larga faixa de velocidade, especialmente para as aplicações que têm
cargas constantes.
Como o motor de indução opera em alta velocidade, recentes propostas estão
usando essa característica para reduzir o seu tamanho, de acordo com a aplicação
desejada, uma vez que a velocidade pode ser controlada por inversores de potência
(RAJAMANI, 1995). A operação do motor de indução em alta velocidade tem várias
vantagens, mas seu uso depende da viabilização de inversores e controladores de
baixo custo, o que, devido ao crescente desenvolvimento da eletrônica de potência,
não está distante de se conseguir.
Este trabalho apresenta uma implementação PWM (capítulo 3) em malha
aberta e de baixo custo, utilizando motor de indução trifásico com características
específicas para o VE, com freqüência de operação até 120 Hz.
26
A opção pelo desenvolvimento de um VE equipado com motor de indução
trifásico se baseia em: simplicidade de construção, elevado MTBF, robustez, não
necessita de circuito específico de partida. Isto porque a partida bem como a
velocidade podem ser controladas por inversores.
Considerando os novos conceitos para o VE, a eficiência do motor e as variações
lentas de velocidade, o motor elétrico escolhido tem potência de 1,5 a 3 HP,
dependendo da máxima freqüência de operação (60 ou 120 Hz) e carcaça de alumínio
que reduz significativamente seu peso.
27
CAPÍTULO 4 - CONTROLE DE VELOCIDADE
Várias são as técnicas de controle de velocidade de motores (LEONARD, 1992) e
para as opções de implementação digital, proposta deste trabalho, quanto maior a
velocidade de operação do motor, menor o período de amostragem necessário, e,
portanto, maior o custo de implementação. Além disso, quanto maior a freqüência de
chaveamento dos inversores, maior o custo dos dispositivos semicondutores e drivers.
Dentre as principais técnicas de controle da velocidade do motor de indução, a de
Controle Vetorial e a PWM (ANALOG DEVICES, 1994) são as mais comumente
utilizadas. A PWM de malha aberta é a mais simples de ser implementada,
satisfazendo quando a velocidade de saída não necessita de grande precisão.
4.1. Mecanismo de produção de torque
Conforme (ANALOG DEVICES, 1994), o torque no motor de indução, para uma
implementação discreta e após a simplificação, pode ser dado pela expressão (3.1):
22
2
).(
..)).(2.(3
rrr
rrs
m
d LwR
wRwVP
M+
= (3.1)
Onde:
Vm : força eletro-motriz induzida no entreferro, devido a tensão no estator (Vs) por
fase;
ws : freqüência dos sinais elétricos do estator;
wr : freqüência dos sinais elétricos do rotor;
Rr : resistência do rotor;
Lr : indutância do rotor e
P : número de pólos
A expressão (3.2) mostra que o torque da máquina dependerá somente de wr
se a relação Vm / f for mantida constante. Esta relação é a amplitude do fluxo no
entreferro:
28
fVm
m =ψ (3.2)
Mantendo o fluxo no entreferro constante e variando a freqüência no estator,
uma família de curvas torque x velocidade pode ser obtida para o motor, como
apresentado na figura 3. Este é um método de controle de velocidade conhecido como
controle de fluxo constante.
Região de campoenfraquecido
Freqüência ( ωs) pu
TorqueMd (pu)
W1 W2 W3 W4 W5 W6
Mdmax
Figura 3 - Características torque x velocidade para fluxo constante (ANALOG
DEVICES, 1994)
Na figura 5 é possível se verificar que qualquer demanda de torque de carga,
dentro da capacidade da máquina, pode ser conseguida em todas as velocidades
dentro da faixa de operação da máquina. Adicionalmente é possível se obter altos
torques para a partida do motor operando em freqüências reduzidas.
O método descrito é difícil de ser implementado, pois a tensão no entreferro
(Vm) não pode ser medida diretamente. Pode ser calculada através das medidas de
corrente e tensão nos terminais do motor, mas isto resulta em grande complexidade
dos circuitos de controle.
Uma alternativa é medir diretamente o fluxo no entreferro, incorporando
sensores de fluxo ou sensores Hall no motor e integrando as saídas de tensão. Isto
requer modificações no motor, além da dificuldade de integração em baixas
freqüências.
29
Na prática, a técnica apresentada é implementada de forma aproximada,
fazendo a relação tensão (Vs) e freqüência (ws) constante nos terminais do motor. A
tensão nos terminais do motor e a tensão do entreferro são correlacionadas em
amplitude para velocidades dentro de quase toda a faixa de operação do motor. Para
velocidades baixas as quedas na resistência do estator e da indutância mútua tornam-
se consideráveis em amplitude e em relação à tensão no entreferro. Isso significa que
em baixas freqüências, manter Vs / ws constante não é equivalente a manter o fluxo
constante. Nesse caso a capacidade de torque da máquina é reduzida.
A diminuição na capacidade de torque para baixas freqüências pode ser
compensada por um aumento na relação V/f, aumentando a tensão no estator para
essas freqüências. Essa técnica é conhecida como Boost de tensão. A figura 4
apresenta as duas regiões distintas de operação do motor.
1.0
0.05
0.05 0.1 1.0 Fs(p.u)
Vs(p.u)
Figura 4 - Característica V/f constante com compensação para baixas freqüências
(ANALOG DEVICES, 1994)
Imprecisões na relação V/f são toleradas na região de baixa freqüência, pois a
máquina tem a capacidade de desenvolver torque necessário para acelerar.
30
4.2. Modulação por largura de pulso e o inversor
A finalidade básica dos métodos de modulação por largura de pulso é produzir a
amplitude e freqüência de uma onda fundamental determinada, mantendo a energia
das harmônicas na mais alta faixa do espectro de freqüências. Nestas altas
freqüências, a indutância do motor apresentará apreciável reatância, limitando desse
modo as correntes harmônicas geradas pelo chaveamento (GOTTLIEB, 1994).
Desde que os torques pulsantes criados por essas freqüências harmônicas altas
estejam também em altas freqüências, o motor está apto a rodar suavemente. O inconveniente do processo de modulação por largura de pulso é o fato de que
chaveamentos adicionais por ciclos são exigidos a fim de completar a modulação. Isso
aumenta as perdas no inversor.
Além do mais, se os padrões de chaveamento tornam-se mais complicados, é
necessário que o inversor esteja apto a chavear pulsos de muito curta duração. Os
tempos de chaveamento dos dispositivos usados no inversor impõem uma forte
limitação.
Os conversores de freqüência têm-se desenvolvido substancialmente desde que a
primeira unidade foi lançada no final dos anos 60 (PADILHA, 2004). Atualmente,
grandes empresas já possuem versões para controle de velocidade de motores de
indução, que apresentam ótimas características em controles de malha fechada.
Com o decorrer dos anos os inversores de freqüência sofreram grandes
modificações em suas estruturas internas. Inicialmente, o princípio de funcionamento
dos conversores era analógico e hoje passou a ser digital, graças ao avanço da
tecnologia dos semicondutores e dos microprocessadores.
O conversor pode ser dividido em quatro partes: Retificador, Circuito Intermediário
(filtro), Inversor e Circuito de Controle e Regulação (PWM)
O esquema completo do controlador de velocidade em malha aberta está
apresentado na figura 5. O sinal da fonte AC é retificado e filtrado e alimenta o inversor
Six-Step, que é gatilhado pelo circuito PWM para alimentar o motor trifásico, a cada
relação V/f constante, de acordo com a velocidade comandada.
31
Figura 5 - Diagrama de blocos de um controlador de velocidade em malha aberta com
PWM
4.3. Projeto digital
A geração PWM discreta, otimizada e sincronizada é usada para controle de
velocidade de motores AC, em malha aberta, para a geração de correntes quase
senoidais no motor. A geração de corrente senoidal pelo uso da modulação PWM, em
cargas indutivas, é bastante difundida (ANALOG DEVICES, 1994).
Utiliza a técnica da relação V/f (tensão/freqüência) constante para manter o torque
nominal do motor, variando apenas o índice de modulação. A geração é feita para um
número restrito de velocidades, que são determinadas dependendo de cada aplicação.
Com uma portadora triangular, de freqüência significativamente maior que o sinal
modulado (senoidal), pode-se variar o índice de modulação, de forma a se manter
constante a relação V/f. A comparação entre os sinais modulado e a portadora deve
ser feita várias vezes em cada período da portadora para que a geração de
harmônicas seja reduzida (HOTZ, 1992).
A dificuldade se encontra em conseguir fazer tal comparação em tempo real,
quando a freqüência modulada é alta, uma vez que em uma implementação digital,
embora a discretização das freqüências seja uma solução viável, o tempo entre as
amostras é um limitante. O exemplo a seguir ilustra bem essa afirmação:
fm=60 Hz (freq. do sinal modulado)
fp=1500Hz (freq. da portadora)
32
fa=30KHz (freq. de amostragem)
Nesse caso existirão apenas 20 diferentes larguras de pulsos (30/1,5), gerados
em cada período da onda triangular, que não se pode dizer que é uma grande
resolução.
Com a freqüência de amostragem do exemplo, existem apenas 33,3
microssegundos para implementação da tarefa que, se comparado aos tempos de
processamento de microcontroladores, é bastante reduzido (MARCELINO, 1997).
A solução com o uso de processadores mais rápidos e eficientes não encontra
margem na composição das planilhas de custo dos produtos finais de
eletrodomésticos ou equivalentes (MARCELINO, 1997).
Como a comparação envolve testes e decisões que o tempo disponível não
permite que sejam implementados, a solução é o uso de tabelas pré-programadas em
memórias apenas de leitura. Nesse caso, o problema ocorre no tamanho das tabelas
de cada freqüência, principalmente para as freqüências menores, o que inviabiliza a
técnica. O exemplo a seguir ilustra bem essa afirmação:
fm=60Hz tabela= 500 posições
fm=3 Hz tabela= 10.000 posições
Este trabalho apresenta uma solução para a implementação de um controlador de
velocidade de motor de indução trifásico, usando microcontrolador de 8 bits de baixa
velocidade e custo. A seguir se detalha a técnica utilizada.
4.4. Discretização, otimização e sincronização da modulação
O controle é feito com um número discreto e restrito de velocidades que depende
de cada aplicação. A figura 6 representa esta discretização, onde: fn e Vn são os
valores nominais do motor (MARCELINO, 1997).
33
Figura 6 - Curva discreta V/f
A velocidade é controlada com torque quase constante, mantendo a relação
V/f, com as velocidades tabeladas em memórias apenas de leitura.
A transição entre períodos de uma mesma freqüência é feita com variação zero
de amplitude, conforme apresentado na figura 6, mantendo uma perfeita
sincronização.
Figura 7 - Transição de períodos da mesma freqüência
A transição entre períodos de freqüências diferentes é também sincronizada e
feita com variação zero de amplitude, dada unicamente pela diferença entre os índices
de molulação, conforme apresentado na figura 7.
34
O efeito de grandes transições de índices de modulação pode ser minimizado
em cada aplicação fazendo a variação passar rapidamente, por freqüências
adjacentes até chegar na freqüência alvo, como mostra a figura 8.
Figura 8 - Transição de períodos de freqüências diferentes
A otimização de que trata este trabalho se refere à montagem de tabelas
apenas com dados que estão alterando a saída para o inversor, como mostra a tabela
1.
Tabela 1 - Otimização da Tabela de Velocidade
Tabela Normal Tabela Otimizada1 a a
a 4a ba 3
5 b ab 2b ca 5a a
10 c 1c c
12 c 3cc
15 acc
18 c
a,b,c: são palavras binárias distintas para acionamento do inversor.
35
Os números na tabela otimizada caracterizam a quantidade de repetição. No exemplo, a tabela de tamanho 18 foi otimizada para 12. A otimização gera a
necessidade de leitura não periódica da tabela, adaptando-se a cada quantidade.
4.5. Fatores importantes para o projeto
Foram apresentados vários fatores que limitam a implementação de um
controlador de velocidade de motor de indução, em relação à geração de harmônicas,
freqüência de amostragem, tamanho das tabelas, tempo para processamento, etc.
Em relação à eliminação de harmônicas na transição de velocidade e a redução do
tamanho das tabelas, foi visto que as técnicas de sincronização e otimização podem
ser uma solução. Para redução de harmônicas devido à técnica de PWM, além de se
manter o índice de modulação menor ou igual a um, várias foram as afirmações em
relação à freqüência da portadora. Um resumo da relação fc / fr = n é apresentado a
seguir:
n: Tem que ser inteiro para que haja periodicidade do sinal modulado, e
sincronismo para evitar as sub-harmônicas ou componentes pulsadas.
n: Tem que ser ímpar para eliminar as harmônicas pares.
n: Tem que ser maior que 20. Isso para que um semi-ciclo da referência fosse
muito maior que o período da portadora e a integração dos pulsos de tensão no motor
resulte em um forma de onda de corrente quase senoidal. (Em geral muito maior
representa algo em torno de 10 vezes)
n: Tem que ser múltiplo de 3, para motores trifásicos.
n: Deve ser o menor possível, para que o tempo de processamento seja o maior,
reduzindo assim o custo de implementação.
Neste trabalho procurou-se então respeitar todas essas recomendações, e o
valor escolhido foi n = 21.
Outro aspecto importante na implementação é o tamanho das tabelas, que
dependerá da freqüência de amostragem, isto é, do tempo mínimo de leitura da tabela
pelo Microcontrolador. Esse é o caso crítico da tabela otimizada, quando a
repetitividade é 1 (um).
36
Esse trabalho usa o Microcontrolador de 8 bits, de baixo custo, o 80C31 da
INTEL. Para esse dispositivo o tempo mínimo suficiente para execução das tarefas,
em intervalos de amostragem das tabelas, está em torno de 22µs (microssegundos)
(MARCELINO, 1997).
Um outro importante fator para sincronização da portadora é escolher a
amostragem da onda triangular múltiplo de quatro, para que a decomposição da
mesma em 4 segmentos de retas esteja 100% sincronizada nas 3 fases.
O número de amostras por período da portadora é dado pela expressão (4.1).
tsnfaN ⋅⋅= 1 (4.1)
onde:
fa : freqüência alvo do controle
ts : Período de leitura da tabela ou de amostragem (22µs)
então, para fa = 60 Hz:
075,36)610(2221601 =−⋅⋅⋅=N
Como deve ser inteiro e múltiplo de quatro, N é aproximado para o valor mais
próximo que satisfaça esta necessidade (36), e a freqüência real de operação (fr) será
então:
Hzfr 125,60)610(2221361 =−⋅⋅⋅=
ou seja, a freqüência de operação não será exatamente a freqüência alvo, mas será
satisfatória para o sistema de malha aberta (MARCELINO, 1997).
Se para a freqüência de 60 Hz, que é o pior caso para a implementação digital,
a resolução de 36 amostras por período da portadora é suficiente, então com o
objetivo de reduzir o tamanho das tabelas, construiu-se tabelas, antes da otimização,
com tamanhos fixos:
n posiçõesN 7563621 =⋅=⋅ (4.2)
Exemplos considerando o tamanho da tabela conforme a expressão (4.2):
37
i. fa = 55 Hz calcula-se ts = 24,05 µs
Como o microcontrolador pode ser interrompido em intervalos inteiros de
microssegundos:
escolhe-se ts = 24 µs ⇒ fr = 55,114 Hz
ii. fa = 30 Hz calcula-se ts = 44,09 µs
escolhendo-se ts = 44 µs ⇒ fr = 30,062 Hz
Para o controlador de velocidade apresentado neste trabalho foram escolhidas
12 freqüências para aplicações no veículo elétrico e estão descritas na tabela 2.
Tabela 2 - Freqüências Discretas, Sincronizadas e Otimizadas
fa (Hz) ts (µs) fr (Hz) tabela não otimi-
zada (posições)
tabela otimizada
(posições)
5 255 5,187 756 1512
10 132 10,021 756 1512
15 88 15,031 756 864
20 66 20,042 756 582
25 53 24,958 756 492
30 44 30,063 756 432
35 38 34,809 756 372
40 33 40,083 756 324
45 29 45,612 756 324
50 26 50,875 756 300
55 24 55,114 756 276
60 22 60,125 756 264
Totais: 9072 7254
38
Embora a diferença no tamanho das tabelas não seja expressiva, essa solução
pode viabilizar aplicações em microcontroladores, de baixo custo, com memória
EPROM interna.
39
CAPÍTULO 5 - BATERIA
O principal problema encontrado no desenvolvimento de veículos elétricos são
as baterias, por serem especiais e o seu custo elevado.
Alguns tipos de baterias utilizadas em equipamentos eletro-eletrônicos estão
sendo também fabricados para equipamentos com necessidade de maior potência.
Essas baterias como as de níquel cádmio (NiCd), híbridas de metal níquel (NiMH) e as
de íon de lítio (Li-ion) têm peso reduzido, porém seu uso em veículos elétricos, devido
ao custo, muitas vezes é inviável (URRIZA; NOVELLI; OROZACO, 2004).
Com relação às células de combustível, produto também possível de ser usado
em veículos elétricos, há certas limitações, pois há necessidade de um cilindro de
hidrogênio e a temperatura para se conseguir extrair a energia elétrica deve ser
extremamente baixa, resultando em altos custos.
Outra alternativa tecnológica é o ultracapacitor. Simulações, segundo (PRIMO,
2001), em veículos indicaram que tais dispositivos poderiam ser usados para substituir
as baterias em veículos elétricos. Projeções de densidade de energia, baseadas na
combinação das características dimensionais e de materiais, indicam que há grande
possibilidade de alcançar densidades de energia similares às de baterias com a
continuidade do desenvolvimento de materiais para ultracapacitores, porém estes
estão em fase de pesquisa o que torna o uso, no momento, inviável.
5.1. Bateria utilizada
O modelo escolhido para o Mini Baja elétrico foi a bateria Trojan T-105,
mostrada na figura 11 , que se adapta ao projeto, por ser uma bateria tracionária, que
se adequa ao mercado de veículos elétricos. É fornecida pela empresa americana
Trojan Battery Company e no Brasil já existem veículos elétricos utilizando esta
tecnologia (TROJAN, 2007).
A tensão nominal dessas baterias é de 6V (TROJAN, 2007), através de
elementos com 2,0 V, com uma autonomia de 225Ah em 20h. Utilizando 6 baterias em
série tem-se uma tensão de 36V, suficiente para o propósito estudado, ocupando um
espaço no veículo de 528mm de frente, 543mm de fundo e 272mm de altura, em uma
configuração de 2 baterias de frente por 3 de fundo.
40
Quanto às características técnicas dessas baterias, elas não são seladas,
levando-se em consideração o tempo de autonomia das mesmas, havendo então
necessidade de manutenção constante. Conforme figura 12, no ciclo de carga é
necessário que se deva efetuar o processo em temperatura entre –4°C a 52°C,
mesmo em regime de operação, o que, no caso do Brasil, não há preocupação quanto
a este item, levando-se em consideração que o veículo será usado em ambientes com
temperatura não controlada (ambiente externo). Conforme (TROJAN, 2007), estas
baterias têm em média 700 ciclos de vida, utilizando 80% da carga, obtendo-se uma
média de cinco anos de vida útil.
A figura 9 mostra as especificações da bateria utilizada no projeto.
Capacidade em minutos Dimensões em mm Tipo
25A 75A
Taxa em 5h
Ah
Taxa em 20h
Ah Voltagem
L W H
Peso kg
T-105 Plus 447 115 185 225 6 264 181 272 28
Figura 9 - Bateria Trojan T-105 (TROJAN, 2007)
Conforme se observa na figura 10, com a bateria descarregada, a tensão da
mesma está com 2,05 a 2,25V por célula. A corrente fornecida neste estágio deve ser
elevada, pois a mesma exige um consumo de corrente de aproximadamente de 7% a
10% da carga num regime de 20h, o que em um tempo de carga de 7h, pode-se
aumentar para 15%. Entre 80% e 90%, a carga consumida pela bateria cai para 1% a
3% da mesma, que no período de 7h, pode-se elevar para 6%, conforme tempos
fornecidos.
41
Notas: Tabela de termos
A = Ampère VPC = Volts por célula DOD = Descarregada Ah = Ampère hora C20 = Capacidade de 20h em Ah
• A carga estará completa quando voltagem, corrente e densidade lidas tornarem-se estáveis no gráfico acima. • Geralmente não é recomendado executar o ciclo de carga em temperaturas abaixo de –4°C e superiores a 52°C.
Figura 10 - Ciclo de carga completa recomendada (TROJAN, 2007)
A corrente fornecida pela bateria com uma tensão de 36VDC, é calculada abaixo:
ll IVS ..3= (4.1)
onde,
S é a potência aparente,
Vl é a tensão de linha e
Il é a corrente de linha.
A potência no eixo do motor (Pe), anotada na placa em Watts é 1120W, o rendimento
(η) de 0,85 e o fator de potência (cosϕ) de 0,88.
ηein PP = e também (4.2)
ϕcos.SPin = (4.3)
onde,
Pin é a potência de entrada.
42
Então utilizando a equação (4.2):
WPin 65,131785,0/1120 ==
Com a equação (4.3), pode-se calcular a potência aparente,
VAS 30,149788,065,1317 ==
A tensão de linha pode ser obtida através da fórmula:
2VDCVl = (4.4)
então,
VVl 46,25236 ==
A corrente de linha necessária para a especificação do transistor de chaveamento do
PWM se obtém através da equação (4.1),
AIl 95,3346,25.330,1497 ==
E a corrente que a bateria deve fornecer é:
VPI inb 36= (4.5) onde Ib é a corrente da bateria e 36V é a tensão da mesma.
Portanto, utilizando a equação (4.5),
AIb 60,36361317065 ==
No motor com potência de 1120W, 36,60A, que, se comparado com a bateria
escolhida, consegue-se uma autonomia de mais de 5 horas, obtido pelo produto de
36,60 A, por 5 horas, o que se consegue 183Ah, próximo dos 185Ah, mostrado na
figura 9.
Figura 11 - Curva genérica de carga (TROJAN, 2007)
43
Como no caso desse veículo existe uma variação de tensão, pode-se
conseguir uma autonomia de até 10h, levando-se em consideração a aceleração e a
desaceleração.
A tabela 3 mostra o estado de carga em porcentagem com a densidade relativa
e a tensão em circuito aberto.
Tabela 3 - Porcentagem de carga x tensão por bateria (TROJAN, 2007)
A tabela 4 mostra o tempo de carga destas baterias, no caso, leva uma média
de sete horas de carga diária.
Tabela 4 - Carga em tempo sobre carga flutuante (TROJAN, 2007)
A manutenção constante se faz necessária, para checar se as células estão
submersas no fluido. A verificação do eletrólito deve ser feita com a carga completa,
devendo ser verificado se existe um espelho no fluido, de aproximadamente, 1cm
acima das placas.
44
5.2. Carregador
Os retificadores/carregadores de baterias são fabricados por vários
fornecedores, que os projetam através de gabinetes, módulos, que, a princípio, devem
ser instalados na garagem, devido aos seus tamanhos, não são viáveis instalá-los no
interior do veículo.
A figura 11 mostra o tempo de carga das baterias em porcentagens de 20% a
90% consumindo do carregador uma corrente de 10% a 13% da carga nominal, e nos
10% restantes, a carga consumida cai para uma faixa de 1% a 3%, num tempo de
20h.
Como indica a tabela 5, pode-se conseguir uma carga completa em 7h.
A tabela 4 mostra a porcentagem a partir de 10% da carga (descarregada) com
5,75V até os 100% (carregada), com 6,37V e a densidade do eletrólito com a mesma
variação, onde se verifica um acréscimo da densidade, conforme a porcentagem de
carga, sendo este o motivo de se fazer a manutenção da bateria com carga plena.
Para o veículo elétrico, é necessário um carregador/retificador com tensão de
entrada de 110/220Vca, monofásica, 60Hz, tensão de saída de 36Vcc e a corrente,
seguindo as recomendações do fabricante, (vide figura 11). As suas dimensões são,
em média, de 100mm de altura por 500mm de largura e 240mm de profundidade, o
que sugere sua colocação externa ao veículo (TECTROL, 2007).
No futuro, com elementos de chaveamento ao invés de se usar
transformadores, os carregadores serão apenas retificados e modulados por largura
de pulsos. Como todos são semicondutores, o tamanho e o peso viabilizarão a
construção dentro do veículo elétrico.
45
CAPÍTULO 6 - MÓDULO ACELERADOR
Nos veículos com motor à combustão, o processo de aceleração é obtido através
não mais de um cabo que, por meios mecânicos, aciona a borboleta de controle de ar,
conseguindo assim um aumento e redução da velocidade do veículo. Estudos indicam
que mesmo se tratando de veículos à combustão, tem-se a necessidade de conseguir
uma dirigibilidade mais suave, com menores trancos nas acelerações e retomadas,
reduzindo com isso o consumo de combustível (CONSORT, 2004). A Fiat Automóveis
desenvolveu um acelerador eletrônico chamado drive by wire, que elimina o cabo do
acelerador, dando lugar a um pedal, através de potenciômetro, que atua no movimento
da borboleta de aceleração dos veículos à combustão.
A aceleração e a desaceleração do Modulador por Largura de Pulso (PWM), já
citado no capítulo 3 era composto por duas chaves pusch button que aumentavam e
reduziam a velocidade, como um carro de Fórmula 1, onde o controle de velocidade é
na direção. Uma terceira chave, conforme apresentada na figura 12, era usada para
ligar e desligar o PWM (MARCELINO, 1997).
Botões de velocidade
Figura 12 - Modulador por Largura de Pulso
46
Os botões foram montados no volante do carro, mas, com o objetivo de manter
a dirigibilidade convencional, instalou-se um pedal de aceleração.
No carro elétrico, por já se tratar de um controle eletrônico de velocidade,
optou-se por substituir os botões existentes por um controle através de módulo de
pulsos que, por meio de uma variação de tensão, converte em sinais digitais que
conseguem acionar o Modulador. A idéia deste tipo de acelerador é descrita através
do diagrama de blocos da figura 13:
Módulo Gerador de Pulsos
Modulador (PWM)
Potenciômetro
Figura 13 - Diagrama de blocos do controle de velocidade
Um potenciômetro está inserido na pedaleira do veículo e o retorno, para a
posição de velocidade zero, é obtido através de uma mola, equivalente a um
acelerador convencional. A grande vantagem em se ter o acelerador por pedal é que o
efeito da mola permite a desaceleração, resultando em freio motor e regeneração da
energia cinética do veículo, com conseqüente carga da bateria. E isto, sem a
participação do motorista que apenas retira o pé do acelerador. Ressalta-se que o
freio mecânico, neste caso, somente é utilizado em situações de emergência ou de
parada mais brusca.
Para o projeto usa-se um potenciômetro cujo material resistivo em um núcleo,
conforme mostrado na figura 14.
Figura 14 - Esquema do potenciômetro
47
No veículo foi colocado um potenciômetro variando de 0 a 220kΩ.
Inversamente proporcional há uma variação da tensão de 0 a 5V, sendo esta
última a tensão de alimentação do módulo.
O potenciômetro gera a mudança de tensão e esta alteração é enviada para o
módulo de pulsos que foi desenvolvido utilizando um microcontrolador Attiny13 da
Empresa Atmel Corporation, de baixo custo, alta performance, baixa potência e com 8
bits (ATTNY, 2004). A tensão de operação é de 2,7 a 5,5V, e sua freqüência pode
variar de 0 a 10MHz, no que se optou por um cristal de 9,6 MHz. Programado através
de linguagem C (vide anexos 1 e 2), o que facilita possíveis manutenções futuras. A
figura 15 apresenta a pinagem do microcontrolador em referência.
Figura 15 - Pinagem doATtiny13
Um software dedicado converte a linguagem C em linguagem de máquina
(Hexadecimal). Após esse processo, os dados são enviados através do computador
pela porta serial ao microcontrolador, onde os dados são armazenados em uma
memória Flash. Esta memória tem a vantagem de armazenar os dados e,
posteriormente, no caso de uma manutenção poder sobregravar, sem a necessidade
de troca de componentes.
A figura 16 apresenta o diagrama de blocos do projeto.
Compilador para
linguagem de
máquina
Microcontrolador via
porta serial
Programação em
linguagem C
Figura 16 - Diagrama de blocos do processo de programação
O funcionamento da placa, apresentada na figura 16, consiste em converter
sinais analógicos, que no caso é a variação de tensão do potenciômetro, em sinais
digitais que substituem os botões do Modulador, já descrito.
48
A figura 17 apresenta o esquema elétrico do módulo de aceleração. +5V
+5V
PB3
PB4
VSS
VDD
PB2
PB1
PB0
1
2
3
4
6
7
8PB5
5
ATTINY13
5 - marrom
6 - branco
1 - marrom
3, 4 - laranja
2 - branco
100K
3mmVermelho
220R
100K
220K
UP
DOWN
Figura 17 - Esquema elétrico do módulo de aceleração
Figura 18 - Módulo de aceleração
O microcontrolador faz a análise se a tensão está em sentido ascendente (0
a 5V), nesse caso enviando o sinal para os pulsos de subida do Modulador, ou
no sentido descendente (5 a 0V), enviando então para os pulsos de descida.
O PWM, apresenta 12 acelerações discretas, sendo assim o módulo obedece a
essa quantidade, tanto na aceleração como na desaceleração (MARCELINO, 1997).
O LED indicado na figura 21, indica que o módulo está em funcionamento.
O período de intervalo entre um pulso e outro ficou estabelecido em no mínimo
1s, tanto na subida quanto na descida, e o período para cada pulso ficou em 200ms,
conforme está apresentado na figura 19.
49
O tempo de 1s foi escolhido para que no processo de aceleração, não
houvesse um aumento abrupto da velocidade, para evitar grandes escorregamentos
no motor e um gasto desnecessário de corrente elétrica.
1s200m
Figura 19 - Esquema do período de pulsos
A necessidade de se utilizar um microcontrolador para esse fim é para se ter o
mínimo de componentes, reduzindo o tamanho do circuito.
A figura 20 apresenta o leiaute da placa de circuito impresso do módulo de
aceleração.
Figura 20 - Lay-out da placa (lado dos componentes)
6.1. Resultados
Pode-se observar através do experimento executado em laboratório, vide
diagrama de blocos da figura 21, onde, com o auxílio de um analisador, capturaram-se
dois sinais, o analógico, proveniente do potenciômetro e o digital, da placa
aceleradora. Nas imagens, figuras 22 e 23, respectivamente, podem-se verificar os
pulsos gerados pela placa na aceleração e desaceleração, no espaço de 13s. Mesmo
o potenciômetro tendo feito todo o percurso em média de 250ms, fica claro,
50
observando as figuras 24 e 25, que o VE não terá aceleração abrupta, evitando grande
atrito dos pneus com o solo, o que poderia haver alto consumo de corrente.
As figuras 24 e 25 mostram a plotagem do sinal analógico, gerado pelo
potenciômetro, e os pulsos digitais gerados pela placa na aceleração e as figuras 26 e
27 mostram a plotagem da desaceleração, podendo-se observar, com mais clareza, os
amortecimentos gerados pelos pulsos digitais.
Figura 21 - Diagrama de blocos do sinal analógico e digital
51
Figura 22 - Analisador na Aceleração
Figura 23 - Analisador na Desaceleração
52
Figura 24 - Plotagem da aceleração analógica - potenciômetro
Figura 25 - Plotagem da aceleração digital - placa
53
Figura 26 - Plotagem da desaceleração analógica - potenciômetro
Figura 27 - Plotagem da desaceleração digital - placa
54
Para correções futuras, tais como tempo de pulso e período, pode-se
conseguir, através de mudança de programação do microcontrolador, sem troca de
componentes ou ainda, no pior caso, haver a substituição da placa aceleradora,
gerando custos e tempo de substituição.
Uma das vantagens desta placa é o tamanho, onde sua instalação pode ser
feita em lugares reduzidos do veículo.
55
CAPÍTULO 7 - CONCLUSÕES
Este projeto foi desenvolvido com o intuito de contribuir com a especificação de
uma bateria de grande autonomia, com vida útil em média de 700 ciclos e com tempo
de carga de 7 horas. Em estudos pode-se verificar resultados positivos para a
implementação no veículo elétrico. No período da noite, a demanda de energia é
menor, utilizando este para o carregamento, assim não comprometendo o consumo
nos horários de pico. Esta bateria viabiliza o uso em veículos elétricos em
desenvolvimento, onde a preocupação é de se obter resultados em alta capacidade de
carga e vida útil.
Outra contribuição para este projeto foi o desenvolvimento de um circuito
conversor analógico-digital, que atua através de um mecanismo igual dos carros à
combustão, o pedal do acelerador. Este circuito com dimensões reduzidas, poderá ser
implementado em veículos que necessitem de acelerador convencional, sem precisar
de mudanças no lay-out. Os resultados obtidos com este circuito garantiram perfeita
integração com o equipamento de controle da velocidade. Ainda neste mecanismo, é
possível adaptar tempos pré-determinados sem a necessidade da mudança do
mesmo.
O PWM funciona em perfeita harmonia com o acelerador em questão. Este
experimento teve resultados satisfatórios, tais como; tempo de aceleração de 13
segundos, vide figuras 22 e 23, conforme retirado do experimento elaborado no
analisador de sinais, garantindo mesmo que se tenha uma aceleração em curto
espaço de tempo no potenciômetro, a saída do circuito vai garantir o tempo
predeterminado do período programado, como citado no início do projeto, cada pulso
ocorre simultaneamente a cada segundo. Este mecanismo poderá servir em projetos
futuros a fim de se converter sinais analógicos gerados por um acelerador, neste caso
o potenciômetro, em sinais digitais, controlando um circuito de velocidade para
acionamento de motor de corrente alternada.
56
Anexos
Anexo 1 - Diagrama de Fluxo
Início
Inicia variáveis
Iniciadispositivos
1=1
Inicia dispositivos
Desabilitainterrupção
Inicia portas
Inicia timer
Inicia ADC
Habilitainterrupções
Fim
Com o timer iniciado, a interrupção Timer_0_ovf_isrEntra em funcionamento
57
Timer_0_ovf_isr
Carregue contadorcom 0x8B
Leia ADC
Diferencia a leiturado ADC
Reinicia aconversão
Passo em200ms? Fim
Sim
Não
Inverte a cada200ms
Calcula novo valorreal
State =1
State =5
State +1
Fim
State=1 Fim Real<pulsado
Real>pulsadoSim
Não
Up=0 pulsado +1
Down=0 pulsado-1
Não
Sim
Sim
Não
Sim
Não
Fim
58
Anexo 2 - Programação do microcontrolador
//ICC-AVR application builder : 1/30/2007 7:41:35 PM // Target : T13 // Crystal: 9.6000Mhz #include <iot13v.h> #include <macros.h> volatile unsigned char state,prescaler; volatile signed char valor_real,valor_pulsado; volatile unsigned int mm1,mm2,mm3,mm4,adcval; void port_init(void) PORTB = 0x2F; DDRB = 0x2F; //TIMER0 initialize - prescale:1024 // WGM: Normal // desired value: 12.5mSec // actual value: 12.480mSec (0.2%) void timer0_init(void) TCCR0B = 0x00; //stop OCR0A = 0x75; OCR0B = 0x75; TCNT0 = 0x8B; //set count TCCR0A = 0x00; TCCR0B = 0x05; //start timer #pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:4 void timer0_ovf_isr(void) unsigned char i,j; //PORTB &= ~0x08; TCNT0 = 0x8B; //reload counter value i = ADCH; adcval = adcval + i - mm1; mm1=mm2; mm2=mm3; mm3=mm4; mm4=i; j=adcval >> 2; ///// ADCSRA &= ~0x10; ADCSRA |= 0x40; if (((++prescaler) & 0xF)==0) PORTB ^= 0x08; i=18; valor_real=0;
59
while ((j >= i) && (valor_real < 13)) i+=18; valor_real++; switch (state) case 0: state++; break; case 1: if (valor_real==valor_pulsado) break; if (valor_real > valor_pulsado) //up PORTB &= ~0x04; //abaixa UP valor_pulsado++; else //down PORTB &= ~0x02; //abaixa down valor_pulsado--; state++; break; case 2: PORTB |= 0x06; //up e down para cima case 3: case 4: state++; break; case 5: state=1; break; //PORTB |= 0x08; //ADC initialize // Conversion time: 173uS void adc_init(void) ADCSRA = 0x00; //disable adc ADMUX = 0x22; ACSR = 0x80; ADCSRB = 0x00; ADCSRA = 0x87; DIDR0 = 0x10; //call this routine to initialize all peripherals void init_devices(void) //stop errant interrupts until set up CLI(); //disable all interrupts
60
port_init(); timer0_init(); adc_init(); MCUCR = 0x00; TIMSK0 = 0x02; //timer interrupt sources GIMSK = 0x00; //interrupt sources SEI(); //re-enable interrupts //all peripherals are now initialized void main (void) prescaler=0; state=0; adcval=0; mm1=mm2=mm3=mm4=0; valor_real=0; valor_pulsado=0; init_devices(); while (1)
61
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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