levitador magnÉtico

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Sistema de controle digital utilizando Arduino. Estabiliza um objeto por meio de levitação magnética a partir da leitura dos dados de uma cortina de luz. Servindo como base de estudos voltados a sistemas de controle dinâmicos em malha fechada.Primeiros Testes: https://www.youtube.com/watch?v=V-sEDWoC-KM

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  • FACULDADE ASSIS GURGACZ

    DYEMYS DOSYER P. VALESAN MAIKON LUCIAN LENZ

    MICHEL ADUR NILSON CUSTDIO JUNIOR

    ROBSON F. BARBOSA VICTOR F. MANTOVANI

    LEVITADOR MAGNTICO

    CASCAVEL

    2013

  • FACULDADE ASSIS GURGACZ

    DYEMYS DOSYER P. VALESAN MAIKON LUCIAN LENZ

    MICHEL ADUR NILSON CUSTDIO JUNIOR

    ROBSON F. BARBOSA VICTOR F. MANTOVANI

    LEVITADOR MAGNTICO

    Projeto de pesquisa apresentado ao Curso de Graduao em Engenharia de Controle e Automao da Faculdade Assis Gurgacz para elaborao do trabalho referente a matria de Robtica I

    Professor Orientador: Arthur Schuler da Igreja

    CASCAVEL

    2013

  • SUMRIO

    1 INTRODUO .................................................................................................... 4

    2 FUNDAMENTAO TERICA .......................................................................... 5

    2.1 CLCULO DA BOBINA ...................................................................................... 5

    2.2 UNIDADE DE POTNCIA .................................................................................. 7

    2.3 SENSORIAMENTO ............................................................................................ 8

    2.4 SOFTWARE DE CONTROLE ............................................................................. 9

    3 METODOLOGIA ............................................................................................... 12

    3.1 LISTA DE MATERIAIS ...................................................................................... 12

    3.2 MTODOS ........................................................................................................ 13

    4 RESULTADOS ................................................................................................. 15

    5 CONCLUSO ................................................................................................... 17

    REFERNCIAS ......................................................................................................... 18

    APNDICE I PROGRAMA ARDUINO ................................................................... 19

    APNDICE II ESQUEMTICO .............................................................................. 22

  • 4

    1 INTRODUO

    O presente trabalho destina-se ao desenvolvimento de um sistema de

    levitao eletromagntica, atravs de um sistema de controle implementado de

    forma digital, buscando como resultado final a estabilizao de um objeto em uma

    determinada altura, sem necessidade de quaisquer tipos de apoio, servindo como

    base de estudos voltados a sistemas de controle dinmicos em malha fechada para

    a disciplina de Robtica I.

  • 5

    2 FUNDAMENTAO TERICA

    2.1 CLCULO DA BOBINA

    Existem duas foras incidentes sobre um corpo a ser levitado

    magneticamente: peso (gravitacional) e campo magntico.

    (1)

    Onde:

    = Peso do objeto

    = Fora eletromagntica incidente

    O peso do objeto corresponde massa deste multiplicada pela acelerao da

    gravidade.

    Para uma levitao estvel basta que a fora resultante sobre o objeto seja

    nula, logo a intensidade do campo magntico deve igual a fora peso. Ser

    necessrio portanto variar a corrente incidente na bobina para que est varie o

    campo magntico sobre o objeto [2].

    Sabendo que, a fora exercida por um campo magntico equivale :

    (2)

    Onde:

    = Indutncia da bobina

    = Variao da posio referente ao ponto de estabilidade da levitao

    = Corrente que alimenta a bobina

  • 6

    E a indutncia da bobina determinada por [2]:

    (3)

    Onde:

    = Nmero de espiras da bobina

    = Fluxo magntico

    E o fluxo magntico varia conforme:

    (4)

    Onde:

    = Relutncia

    Obtendo-se a relutncia a partir de:

    (5)

    Onde:

    = Distncia do objeto levitado da bobina

    = rea da superfcie do eletrom

    0 = Permissividade do meio

    Chega-se ao valor ideal de 700 espiras para uma bobina acionada at 2A

    levitar um objeto de at 20 gramas a uma distncia de 1 cm, o que permite a

    utilizao de um cabo 24 AWG.

  • 7

    2.2 UNIDADE DE POTNCIA

    A unidade de potncia basicamente composta pela fonte e um transistor,

    que conectada em srie com o eletrom, como pode mostrar na figura 1 abaixo.

    Como o eletrom tem limite de corrente em 4 ampres decidiu-se por usar

    um transistor TIP 120 apresentado na figura abaixo.

    Fonte: [1]

    Figura 1 - TIP 120.

    As caractersticas tcnicas ficam apresentadas na figura 2, nota-se a

    capacidade do transistor at 5 ampres.

    Fonte: [1]

    Figura 2 - Caractersticas Tcnicas do Transistor.

  • 8

    2.3 SENSORIAMENTO

    Para o sensoriamento, um trimpot foi adicionado para regular a sensibilidade

    do receptor foto diodo analgico, o led emite a luz que esta direcionada para o

    receptor, este faz a leitura da variao de luz bloqueada pelo objeto (figura 3), a

    resoluo da entrada analgica do Arduino varia de 0 a 1023.

    Fonte: Do Autor

    Figura 3 - Sensoriamento.

    Quando o receptor estiver recebendo a totalidade da luz, a bobina estar

    energizada ao mximo pelo circuito de potncia, ao ser inserido o objeto, o mesmo

    bloqueia a intensidade de luz, isto faz com que o receptor varie e envie para o

    controlador seu novo valor de intensidade recebido, esta variao dependente da

    posio de entrada, pois o programa l a variao inicial que e a posio mais

    afastada do objeto para a bobina, quando o objeto vai aproximando da bobina o

    sensor ir diminuir a tenso enviada para o controlador at o Set-Point estipulado

    pelo programa. A partir deste ponto o Arduino controla a corrente para que o objeto

    no sai da posio.

    Para que se tenha um melhor controle de estabilidade, na lgica do programa

    o led desligado a cada 100 microssegundos, o receptor interpreta os dados

    resultantes da luz do ambiente, este valor e retirado via programa para que no haja

    a influncia da mesma.

  • 9

    2.4 SOFTWARE DE CONTROLE

    Antes de colocar a pea com o im para levitar para verificar se est tudo

    correto, pode-se realizar alguns testes para se certificar do sensor foto diodo e led

    esto funcionando. Para fazer isso, vamos usar o Serial Monitor do Arduino. Isso

    permite que o computador e a placa Arduino possam se comunicar. Assim,

    possvel enviar comandos para o Arduino, e vice-versa.

    J com o Serial Monitor torna-se possvel um fluxo de nmeros. O primeiro

    nmero de cada linha a posio do objeto (se houver) que ser levitado, enquanto

    que o segundo nmero a velocidade com que o objeto est se movendo para

    baixo, valor positivo e um nmero negativo se est se movendo para cima.

    Como no tem-se nenhum objeto no momento do teste (nada levitando), de

    modo que a posio dever ser um valor alto, cerca de 600(porta analgica do

    Arduino vai de 0 a 1023). A velocidade deve ser em torno de 0.

    Podemos testar se o sensor foto diodo e o LED esto funcionando

    corretamente colocando um objeto entre eles. Isso deve diminuir a "posio" para

    baixo at chegar a um valor prximo de zero. Tambm pode-se tentar mover o

    objeto para cima e para baixo passando pelo sensor e ver a velocidade ir de positivo

    para negativo(direo contraria) como se estivesse movendo em direes diferentes.

    A idia bsica atrs de levitao que, como o objeto que est sendo

    levitado abaixo do ponto desejado, a corrente para o eltroma (bobina)

    aumentada, e medida que sobe acima desse ponto, a corrente diminuda.

    No entanto, usando somente este tratamento, o objeto s vai saltar para cima

    e para baixo, tornando-se mais e mais instvel alterando a valor de B para 0 com o

    Serial Monitor. Para conseguir qualquer tipo de estabilidade, devemos ter a

    velocidade do objeto. Se a velocidade indica que o objeto est acima da posio

    desejada, mas vai para baixo rapidamente, necessita-se liberar a corrente antes, ou

    o objeto exceder o range.

    A frmula para calcular a potncia :

    potncia = posio / A + B * velocidade + c (6)

  • 10

    O objetivo de A de reduzir o valor posio do seu valor mximo que de

    600 para o valor mximo de 255 necessria para a sada digital PWM do Arduino

    para a bobina. Se o valor para a posio na sua arranjo dizer 900 em vez de 600,

    voc deve aumentar para 3.

    O "loop" a funo principal e executada automaticamente e

    repetidamente. este lao que controla a bobina.

    Primeiro, definidas algumas variveis estticas que mantm o seu valor entre

    as chamadas da funo.

    A "contagem" varivel incrementada cada vez que a funo "Loop"

    executada.

    "posicaoAntiga" usada para encontrar e mudar de posio entre as

    amostras, e portanto a velocidade.

    "ambiente" usado para conter o valor da intensidade da luz ambiente

    quando o LED desligado por um perodo de 100 microssegundos.

    "contaforca" usado para manter o controle de quanto tempo a bobina

    tem sido ligado e se alguma coisa est sendo levitada ou no.

    O "if" permite que o cdigo seja executado apenas 1 vez em cada mil

    ciclos.

    A primeira coisa que o programa faz medir a luz ambiente, onde, neste

    momento o led de referncia apagado e a leitura do sensor realizada. Este

    ento usado para ajustar a leitura de luz de modo q