projeto pwm

8/3/2019 projeto pwm

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Equipe Uai!rrior Universidade Federal de Itajub

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Agradecimentos

Gostaramos de registrar nossos mais sinceros agradecimentos aos alunosque participaram do desenvolvimento deste projeto e que integravam a equipeUai!rrior durante o perodo de sua realizao. Os resultados conquistados e o nvelda equipe hoje em dia no seriam os mesmos sem sua participao eenvolvimento.

COORDENADOR

Prof. Luis Edival de Souza Doutor em Engenharia Eltrica

ALUNOS

Nome Curso

Kleber Roberto S. Santos Eng. Controle e Automao

Mateus Engelbrecht Zacharias Eng. Eltrica

Fernando Marcanola Eng. Controle e Automao

Marcelo Augusto Costa Motta Eng. Mecnica

Vinicius Yuri Ito Castro Eng. Eltrica

Samuel Faria R. de Souza Miranda Eng. Computao

Erivaldo Simes Junior Eng. Eltrica

Thiago Sigiliano Lopes Eng. Controle e Automao

Rodrigo de Castro Eng. Mecnica

Gabriel Massucatto de C. Carvalho Eng. Eltrica

Lus Gustavo Barros Petroli Eng. Controle e Automao

Gerusa Assumpo B. Pereira Eng. Controle e Automao

Estes mesmos alunos so os autores deste documento, que relata o projetodesenvolvido em um alto nvel de detalhamento.

Novamente, em nome da equipe Uai!rrior, deixamos aqui nosso muitoobrigado.


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1. Projeto Neon

Rob desenvolvido no ano de 2004 para a participao do evento: Guerra de

Robs, no 4 ENECA Encontro Nacional dos Estudantes de Controle e Automao,nesta competio a regra especificava o peso mximo de 50kg e presso mximade reservatrios de 16Bar, estas especificaes foram grandes limitantes nesteprojeto.

1.1 Introduo

O Neon, e assim que este rob ser tratado ao longo deste, um veculoradio controlado com trao nas 4 rodas, o que proporciona melhor capacidade demovimentao. Ele possui duas armas, um disco giratrio de impacto e umacatapulta pneumtica. O Neon a juno das armas de dois robs campees

fabricados por nossa equipe, o Chromus (catapulta pneumtica) e o Uai!lligator(disco giratrio).

Devido unio das duas armas e seus sistemas sua estrutura foi construdade perfis de alumnio e sua cobertura foi feita com chapas de policarbonato de2mm, para atender o peso de 50Kg especificado pela regra da competio do 4ENECA 2004.

Ao decorrer deste relatrio ser detalhado e explicado todo o funcionamentodo Neon, dividido basicamente entre Sistema de Locomoo, Sistema de Arma,

Estrutura e Proteo.Neon Unid.

Peso medido 50,0 kg

Comprimento s/ arma 915 mm

Comprimento c/ arma 1165 mm

Largura 562 mm

Altura s/ arma 278 mm

Altura c/ arma 600 mm

Velocidade Max. 6,8 km/h


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Antes da competio ocorre uma inspeo de segurana para averiguar aconformidade do projeto a regra. Caso seja constatada alguma anormalidade queinfrinja a regra ou que possa provocar perigo aos espectadores e concorrentes oprojeto eliminado da competio. Estando o nosso projeto, deste modo, dentrode todas as normas estabelecidas.

1.2 Sistema Estrutural e Pro teo

1 .2 .1 Es t ru t u ra

O Rob Neon teve toda a sua estrutura feita em perfis de alumnioestrudado com seco transversal quadrada de 30mm de lado, cortados eparafusados, reforados em alguns pontos com cantoneiras de alumnio em L efusos M8.

Os perfis de alumnio, muitos usados em automao, apresentam granderigidez. Outra vantagem a facilidade de se trabalhar com eles, j que eles

constituem um tipo de quebra - cabea, que se necessrio podem ser montadosde outra forma.

Caractersticas do Perfil de Alumnio

Composio do material: AlMg Si 0.5 F25 endurecido por tmperaAnodizao: camada andica fosca de 11 a 15 Mdulo de elasticidade: 70kN/mm2Densidade: 2,7 g/cm3 Tolerncia +/- 10%

Fig 1: Forma Construtiva dos Perfis de Alumnio.

Caractersticas mecnicas do Perfil de Alumnio

Momento de Inrcia Ix 2,8 cm4Momento de Inrcia Iy 2,8 cm4Massa 0,9 kg/mDimetro do furo 7,0 mmRosca M8Ranhura 8 mm


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Fig 2: Detalhamento de construo do Chassis do Rob.

Fig 3: Chassis montado.


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1.2 .2 Pro teo

O Neon tem como carenagem chapas de policarbonato de 2mm, onde arelao massa x resistncia fizeram deste o material escolhido, esta espessura de

policarbonato esta longe do ideal, mas foi utilizada, pois este projeto visava mais oataque que a defesa. As figuras abaixo mostram os cortes do policarbonato e acarenagem final do rob.

Fig 4: Detalhamento dos cortes da Blindagem.


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1.3 Sistema de Locomoo

O sistema de locomoo do Neon composto por dois motores de correntecontinua, com potncia de 300W, dois redutores de velocidade de rosca sem fimcom reduo de 1:15, 4 rodas dentadas ASA-35 de 15 dentes, correntes de rolos

ASA-35 e 4 rodas de Nylon, alm das conexes entre redutor e roda, motor eredutor e elementos de fixao do motor a estrutura.

Fig 5: Montagem da locomoo.

Para um bom sistema de locomoo temos que ter uma boa relao entremotor, transmisso e roda de tal maneira a poder transmitir o torque necessriosem sobrecarregar em demasia os motores e baterias, no podendo perder devista a utilizao de uma velocidade adequada para atacar e fugir dos adversrios.

1 .3 .1 Mo to res

O motor utilizado o GPD F 006 KM0 62H da empresa Bosch, a curva detorque est em anexo, apesar de ser mais pesado do que o motor mais utilizado naguerra de robs, o GPB, ele utilizado, pois apresenta melhor capacidade defornecimento de torque, o que uma condio fundamental para o caso em que orob precise empurrar ou puxar o adversrio.

GPD F 006 KM0 62H

Cdigo Bosch VnVolts

PnWatts

NnRpm

InAmp.

MnNxcm

MaNxcm

Sciclo

IpProt

Pesokg

F 006 KM0 62H 12 300,0 2800 33,0 100 855 S1 IP03 2,670


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GPB - F 006 KM1 680

Cdigo Bosch VnVolts

PnWatts

NnRpm

InAmp.

MnNxcm

MaNxcm

Sciclo

IpProt

Pesokg

F 006 KM1 680 12 245,0 3115 28,5 75 380 S1 IP03 1,300

1.3 .2 Caixa de Reduo

O redutor utilizado o R0 da empresa Macopema, ele construdo emcarcaa de alumnio e apresenta baixo peso. Como pode-se perceber na tabelaabaixo, ele esta sub-dimensionado para a carga, mas como vem sendo utilizado h2 anos pela equipe e a tabela abaixo apresenta os valores para uma carga continuae prolongada, o que no ocorre em nosso caso, ele foi utilizado novamente. Oredutor do mesmo fabricante que atenderia a carga seria o R2 que apresenta pesomuito superior ao utilizado e inviabilizaria o projeto.

1.3 .3 Rodas e Conexes

A roda utilizada apresenta dimetro de 200 mm, sendo feita de Nylon e umacamada de 6 mm de borracha. Abaixo teremos os desenhos das rodas e dasconexes que foram fabricados com Ao AISI 1020.

Fig 6: Conexo Motor - Caixa de Reduo.


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Fig 7: Cubo da Roda.

Fig 8: Eixo Roda com acoplamento.


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Fig 9: Detalhamento Roda.


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1.3 .4 Rodas dent adas e Manca is

Foi utilizada para se transmitir potncia mecnica para as rodas da frente doNeon rodas dentadas e correntes de rolo modelo ASA-35, esse modelo foiescolhido, pois o modelo que suporta a carga requerida e por ser mais fcil de serencontrada no comercio, atravs de clculos preliminares chegamos conclusoque o modelo ASA-25 j seria capaz de nos atender, mas esse modelo mais difcilde ser encontrado, ficando mais caro encomend-lo do que comprar um modelosuperior.

Os mancais foram usinados na oficina mecnica da universidade porintegrantes da equipe, eles foram feitos em alumnio com buchas deescorregamento de Bronze. Abaixo segue desenhos dos mancais

Fig 10: Mancal e bucha.


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1.4 Sistema de Armas

O Neon apresenta duas armas, uma delas seria um disco giratrio e a outrauma catapulta pneumtica, como j dito, eles j haviam sido testados quanto a suaeficincia em projetos anteriores da equipe.

1 .4 .1 D i sco g i r a t r i o O disco movimentado por um motor eltrico de corrente continua, o

mesmo utilizado para a movimentao do rob, o motor GPD F 006 KM0 62H daempresa Bosch, a curva de torque est em anexo, pois apresenta melhorcapacidade de fornecimento de torque, o que uma condio fundamental paraconseguir tocar a arma.

GPD F 006 KM0 62H

Cdigo Bosch Vn

Volts

Pn

Watts

Nn

Rpm

In

Amp.

Mn

Nxcm

Ma

Nxcm

S

ciclo

Ip

Prot

Peso

kgF 006 KM0 62H 12 300,0 2800 33,0 100 855 S1 IP03 2,670

Em relao ao disco, ele foi feito em ao ABNT 1020, sendo fixado na partefrontal do Neon atravs de um eixo acoplado a um mancal de rolamento.

Toda a transmisso entre motor, reduo e arma foi feita por correias deperfil V Padro A e polias de ao e nylon. Seus eixos foram usinados em aoABNT 1020 e todos chavetados.

Segue a baixo todos os desenhos do sistema de disco giratrio.

Fig 11: Eixo Disco simples.


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Fig 12: Polia.

Fig 13: Disco.


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Fig 14: Montagem da Arma.

Fig 15: Base de acionamento e bucha.


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Fig 16: Base de acionamento montada.

1 .4 .2 Ca tapu l t a Pneum t i ca

Essa arma foi desenvolvida em 2002 sendo utilizada no rob denominado Chromus que foi campeo de seu ano. Na competio do 4 ENECA a regraespecificava que a presso mxima permitida em reservatrios era de 16Bar, sendoesse um fator limitante no projeto dessa arma. O volume do reservatrio eraliberado, mas limitava-se atravs do peso do rob, quanto maior o volume doreservatrio maior seu peso.

O circuito pneumtico montado consiste de um reservatrio com pressomxima de 16Bar, uma vlvula reguladora de presso para regulagem da pressode atuao do cilindro, vlvula direcional solenide com retorno mola, atuadorpneumtico e vlvula de escape de emergncia.

Devido fora da gravidade e a construo fsica da catapulta, no necessrio um circuito pneumtico para abaix-la, com isso economizamos N2 etemos possibilidade de mais acionadas antes do termino do gs.


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Fig 17: Montagem do Sistema pneumtico.

1.4.2.1 Tanque de Presso

Observando as limitaes impostas pela regra, foi construdo umreservatrio com dimetro de 100mm e comprimento de 250mm, utilizando umacamisa de cilindros da empresa Norgreen feita em alumnio e especificada para umapresso de 16 Bar. Para o fechamento do tanque foi usinado, em alumnio, duastampas que so encaixadas na camisa de cilindro e presas utilizando 6 tirantes deao de dimetro de 6mm, para suportar o esforo exigido. Em uma das tampas foifeito dois furos roscados para a fixao dos terminais de engate rpido, estesterminais permitem que os dutos de presso sejam conectados ao tanque. Esta

montagem pode ser observada a baixo.

Tanque

Atuador

Brao


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Fig 17: Montagem do Reservatrio para 16bar.

O reservatrio montado tem capacidade para armazenar 1,57 litros napresso ambiente, mas como a presso interna armazenada de 16Bar acapacidade total armazenada de 25,5 litros de N2.

Obs:. Essa mon tagem no ma is pe rm i t i da nas novas reg ras

es tabe lecidas a pa r t i r de 2 005 .

Tirantes Camisa de Cilindro

TampasTerminal de

Engate Rpido


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1.4.2.2 Atuador e circuito pneumtico

Fig 18: Esquemtico do sistema pneumtico.

Para o calculo do cilindro, necessitamos da fora mxima que ele ir exercer,no nosso caso ela ser de 491 N (o peso do rob). Para aumentarmos adurabilidade do atuador e para que tenhamos maior rendimento, a presso de

trabalho escolhida foi de 6Bar.O atuador pneumtico escolhido foi o modelo DNC-40-200-PPV-A da

empresa Festo, este atuador apresenta dimetro de 40mm, curso de 200mm,presso mxima de atuao de 10Bar e consumo de gs a 6Bar de 1,76 litros. Essenvel de consumo nos permite realizar 14 acionamentos. Para a fixao do atuadorna estrutura do rob e no brao da catapulta foi utilizado as conexes da FestoSNCB-40, SNCL-40 e SGA.

Para regular a presso de trabalho da linha de presso do rob, foi utilizadauma vlvula reguladora de presso da Festo modelo LR-3/8-D MIDI commanmetro, essa regulagem era feita atravs de uma porca e podia ser reguladalivremente.

Para o acionamento do atuador foi utilizado uma vlvula 3 vias 2 posiescom acionamento solenide e retorno mola. O modelo utilizado foi o MFH-3-1/2 daFesto.

1.4.2.3 Reabastecimento do Reservatrio e vlvula de segurana

Para que no fosse necessrio a remoo do reservatrio do rob, foiinstalado em uma das sadas do tanque, um acoplamento fmea de engate rpido

modelo KD, esse acoplamento permite a conexo de um tanque externo parareabastecimento do rob.Como item de segurana, exigido pelas regras, foi conectado no tanque com

o auxilio de uma conexo T, uma vlvula de esfera modelo QH-QS-6 da Festo. Estavlvula foi fixada na carenagem do rob, porque segundo a regra, ela precisa ficaracessvel para possvel despressurizao do reservatrio de gs em caso deemergncia.

1.4.2.4 Brao de A lavanca

O brao da catapulta foi fabricado com perfis de ao retangular de 20x30mm

de 1,5mm de parede. Para a conexo do brao a estrutura e ao atuador foramusinados buchas de ao para reforo das regies de contato.


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Fig 19: Montagem com os reforos.

Fig 20: Mancal do Brao.

Regies de Reforo

com buchas de Ao


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1.5 Calculo do Peso

Como dito anteriormente, o peso um fator limitante do projeto, portantotemos que ter o mximo de cuidado ao calcul-lo para no cairmos em erros que sseriam descobertos ao final da montagem do rob. Apesar do cuidado, o peso

calculado foi superado em 2Kg depois do fim da etapa de montagem, o queocasionou um esforo muito grande da equipe para adequar o projeto regra. Nastabelas a seguir, temos o calculo de peso. O item Erro, faz referncia aos parafusosutilizados para a fixao da carenagem e estrutura.

Obs: . De acordo com as regras da compet io do 4 Eneca 2004 o

peso l im i te dos robs e ra 50 Kg .

Clculo de Peso do Neon

Pea Peso Quantidade Total

Redutor 1,5 kg/unid. 2 3,000

Motor 62H 2,8 kg/unid. 3 8,400

Bateria 9,4 kg/unid. 1 9,400

Cilindro Pneumtico 1,726 kg/unid. 1 1,726

Conexes do Cilindro 0,428 kg/unid. 1 0,428

Vlvula Solenide 0,25 kg/unid. 1 0,250

Regulador de Presso 0,456 kg/unid. 1 0,456

Brao da Catapulta 1,75 kg/unid. 1 1,750

Reservatrio de N2 1,9 kg/unid. 1 1,900

Disco de Impacto 7600 Kg/m3 0,00032965 2,505

Eletrnico 2 kg/unid. 1 2,000

Eixos 7600 Kg/m3 0,00024825 1,887

Mancal 2100 Kg/m3 0,00016852 0,354

Policarbonato 1200 Kg/m3 0,0014630 1,756

Rodas 1,015 kg/unid. 4 4,060

Estrutura 0,9 Kg/m 9,100

Erro 1,000

Total 49,97156528


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1.6 Desenhos e Fotos do Projeto


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2. Projeto Eletrnico

O sistema eletrnico bsico dos Robs composto por:

Transmissor e receptor futaba; Bateria 12V ou unio em serie para formar uma tenso de 24V;

Placa de controle;

Placa de potncia.

Placa e acionamento de rel para o acionamento da catapulta pneumtica.

2.1 O Receptor e o Servo Pulso

Este receptor alimentado pela placa de controle com uma tenso de 5V esua funo de receber os sinais vindos do rdio-controle e transform-los emservo-pulso. Este tipo de sinal pode ser resumido como uma onda com pulsosretangulares, que carregam a informao em suas larguras, que normalmentevariam de 1 ms, quando o cursor do rdio-controle est na posio mnima, a 2 ms,quando o cursor do rdio-controle est na posio mxima. Assim, quando o cursorest no meio, o receptor envia placa de controle um sinal formado por pulsosretangulares com largura de 1.5 ms, numa freqncia em torno de 50Hz. Estafreqncia no to importante, j que as informaes esto contidas na largura

dos pulsos.

Fig 21: Receptor Futaba.

Dessa forma, dois canais esto destinados movimentao do rob (frente,trs, direita, esquerda e suas combinaes possveis).


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2.2 Bateria

No Projeto Neon foi utilizado uma bateria automotiva da empresa DelphiFreedom, modelo DF36D, pois essa bateria garante potncia necessria para a

movimentao do rob com a arma na pior situao possvel, que a detravamento dos motores. As especificaes da bateria esto a baixo.

Modelo ABNT C20(Ah)RC

(min.)C.C.A.

(S.A.E.)

Correntede Teste

(A)

DimensesExternas

(mm)

Peso(kg)

DF36D 036D1JR/036D1KR 36 46 300 150 175x175x175 9,4C.C.A Corrente de Partida

Obs:. Bate r i as au tom ot i vas no so m a is pe rm i t i da nas novas reg ras

es tabe lecidas a pa r t i r de 2 005 .

2.3 P laca de Controle

Os robs so controlados atravs de um controle remoto (rdio freqncia -o mesmo usado em aeromodelismo), que transmite os comandos realizados paraum receptor. Para capturar e decodificar os sinais recebidos foi desenvolvida aplaca de controle.

Ela possui como componente principal um microcontrolador (PIC16F628A),que nada mais que um circuito integrado programvel, podendo suas sadasserem definidas como funes de suas entradas. Essa placa alimentada com umatenso de 12 V e possui como entrada 4 canais de sinal que vm do receptor.

Fig 22: Placa de Sinal.


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2 .3 .1 - Fluxogr am as do P rog ram a do M icrocon t r o lador

Como o microcontrolador trabalha em uma alta freqncia, suas tarefasinternas so praticamente realizadas em paralelo. Os fluxogramas das atividadesprincipais seguem abaixo.

Rotina de Verificao do Desligamento do Controle

Fig 23: Fluxograma com rotina de desligamento.

Controle Ligado?

Existe uma rotina no programa que percebe se o controle est ligado ouno, ou seja, se o receptor est recebendo algum sinal do rdio-controle ou no. Aplaca de controle, alm do microcontrolador, possui LEDs para a interao com ousurio e um destes LEDs indica o estado do rdio-controle (ligado ou desligado).

Sinal Servo = Sinal Receptor

Quando o controle est ligado, o funcionamento dos outros fluxogramas quesero apresentados a seguir ocorrer de forma normal.

A placa de controle envia sinal para uma placa auxiliar que controla osistema pneumtico, o acionando ou no. Do mesmo modo um sinal controla apartida do disco frontal do rob.

Desligar Motores!

Quando se percebe que o controle est desligado, ou que o receptor noest recebendo um sinal correto, o LED que indica o estado do rdio-controle seapaga. Assim, o controlador do rob (pessoa que carrega o rdio-controle) no

pode mais enviar comandos ao rob, que fica livre e desgovernado, podendo issocausar diversos tipos de danos. Mas, o microcontrolador, ao perceber a ausncia do


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sinal, desliga os motores que fazem o rob se movimentar, deixando-o imvel.Do mesmo modo o motor da Arma desligado.

Pneumtico desabilitado

Outra ao do microcontrolador ao perceber que houve a perda do sinal dordio-controle mandar o brao pneumtico recolher e ficar em espera de sinal.Evitando assim que ele seja acionado causando qualquer tipo de problema.

2.3 .2 - Medio dos Canais 1 e 2 e Processamen to Servo Pu lso PWM

Fig 24: Fluxograma de processamento.

CANAL 1 de 0 para 1?

O microcontrolador mantm uma constante observao no pino onde o canal1 est conectado. O canal 1 responsvel pelo movimento para frente ou para trsdo rob.

C1 S = TIMER

Quando o sinal do canal 1 varia de 0 para 1, esse o momento quando deveser iniciada a contagem do tempo da largura do pulso.

Dessa forma, existe uma espcie de cronmetro (TIMER) atuando enquanto

o microcontrolador est ligado. O valor presente desse cronmetro gravado emuma varivel (C1 S , que indica Canal 1 Start).


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O microcontrolador mantm a ateno sobre o pino onde o canal 1 estconectado, mesmo enquanto realiza outras rotinas.

C1 E = TIMER

Quando o sinal do canal 1 varia de 1 para 0, esse o momento em que sedeve ser encerrada a contagem do tempo da largura do pulso do canal 1.

O valor presente do TIMER, que agora outro valor, diferente de quando ocanal 1 mudou de 0 para 1, gravado em uma outra varivel (C1 E , que indicaCanal 1 End).

Largura Canal 1 = C1 E C1 S

Aps o encerramento do pulso no canal 1, o microcontrolador realiza aoperao matemtica indicada acima, que resulta no valor da largura do pulso. Alargura do pulso do canal 1 indica se o rob ir para frente (largura de 1,5ms a2ms), para trs (de 1ms a 1,5ms) ou se o rob no se movimenta em nenhumadessas direes (em torno de 1,5ms).


O microcontrolador tambm mantm uma constante observao no pinoonde o canal 2 est conectado. O canal 2 responsvel pelo movimento do robem torno de seu eixo para esquerda ou para direita.

C2 S = TIMER

Quando o sinal do canal 2 varia de 0 para 1, esse o momento quando deveser iniciada a contagem do tempo da largura do pulso do canal 2.

O valor presente do timer gravado em uma varivel (C2 S , que indicaCanal 2 Start).


O microcontrolador mantm a ateno sobre o pino onde o canal 2 estconectado, mesmo enquanto realiza outras rotinas.

C2 E = TIMER

Quando o sinal do canal 2 varia de 1 para 0, esse o momento em que sedeve ser encerrada a contagem do tempo da largura do pulso do canal 2.

O valor presente do TIMER, que agora outro valor, diferente de quando o

canal 2 mudou de 0 para 1, gravado em uma outra varivel (C2 E , que indicaCanal 2 End).


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Largura Canal 2 = C2 E C2 S

Aps o encerramento do pulso no canal 2, o microcontrolador realiza aoperao matemtica indicada acima, que resulta no valor da largura do pulso. A

largura do pulso do canal 2 indica se o rob ir girar em torno de seu eixo para adireita (largura de 1,5ms a 2ms), para a esquerda (de 1ms a 1,5ms) ou se o robno gira em torno do eixo (em torno de 1,5ms).

Processamento Servo Pulso para PWM

O PWM um sinal pulsado, com freqncia definida, que tem sua larguravariando de 0 a 100%. Essa variao faz o controle de velocidade dos motores quefazem a movimentao do rob, que por serem motores de corrente contnua, tmsuas velocidades alteradas de acordo com os valores mdios de tenso aplicados

sobre eles. Este fato est mas detalhado nas explicaes sobre a placa depotncia.

Assim, este processamento consiste em tomar as larguras dos pulsos docanal 1 e canal 2 e fazer a sobreposio dos mesmos no formato PWM, porexemplo, o rob poder andar para frente (a comando do canal 1) e ao mesmotempo ir girando para a direita (a comando do canal 2), lembrando que doismotores so responsveis para a movimentao do rob.

2 .3 .3 - A T rans fo rm ao Servo Pu l so PWM

O sinal servo-pulso pode ser definido como uma onda retangular pulsada,com freqncia em torno de 50Hz, no precisando ser exatamente esta, j que ainformao que este sinal carrega est em sua largura varivel, que est na faixade 1 a 2ms.

A transformao servo pulso para PWM usada para a movimentao do rob feita utilizando as frmulas abaixo, obtidas empiricamente:

PWMD = ( L1 L2 ) x 200 %

PWME = (L1 + L2 - 3) x 200 %

Onde:

PWMD PWM destinado ao motor direito

PWME PWM destinado ao motor esquerdo

L1 Largura do Canal 1, em milisegundos

L2 Largura do Canal 2, em milisegundos


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Logo abaixo esto alguns exemplos da utilizao das frmulas acima.

Com o controlador nessa posio, o rob tem que estar parado, com os doismotores, o do lado esquerdo e o do lado direito, desligados.

PWMD = (L1 L2) x 200 % = (1.5 1.5) x 200% = 0 %

PWME = (L1 + L2 - 3) x 200 % = (1.5 + 1.5 3) x 200% = 0 %

Nessa posio, o rob tem que ir pra frente com sua velocidade mxima.Assim, os dois motores tm que estar a 100%.

PWMD = (L1 L2 ) x 200 % = (2 1.5) x 200% = 100 %

PWME = (L1 + L2 - 3) x 200 % = (2 + 1.5 3) x 200% = 100 %


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Agora o rob tem que ir para trs com velocidade mxima. O sinal negativodo PWM apresentado significa que o motor deve girar em sentido contrrio.

PWMD = (L1 L2) x 200 % = (1 1.5) x 200% = -100 %

PWME = (L1 + L2 - 3) x 200 % = (1 + 1.5 3) x 200% = -100 %

Nessa posio, o rob tem que girar para a direita em torno se seu prprioeixo. Dessa forma, o motor do lado direito deve ser acionado para trs e o daesquerda deve ser acionado para frente, com mximas velocidades.

PWMD = (L1 L2) x 200 % = (1.5 2) x 200% = -100 %

PWME = (L1 + L2 - 3) x 200 % = (1.5 + 2 3) x 200% = 100 %


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Nessa posio, o rob tem que girar em torno se seu prprio eixo para aesquerda. Portanto, o motor do lado esquerdo deve ser acionado para trs e o dadireita deve ser acionado para frente, ambos com mximas velocidades.

PWMD = (L1 L2) x 200 % = (1.5 1) x 200% = 100 %

PWME = (L1 + L2 - 3) x 200 % = (1.5 + 1 3) x 200% = -100 %

Quando o controlador vai para regies transversais do controle, asintensidades dos PWMs podem alcanar valores maiores que 100% ou menores que100%. Assim, quando o microcontrolador encontra valores maiores que 100%, eleconsidera como se fosse 100%. Analogamente, quando o microcontrolador

encontra valores menores que 100%, ele considera como se fosse 100%.Exemplos desse fato esto logo abaixo.

Nessa posio, o rob aciona o motor esquerdo para trs, enquanto o motordireito permanece parado.

PWMD = (L1 L2) x 200 % = (1 1) x 200% = 0 %

PWME = (L1 + L2 - 3) x 200 % = (1 + 1 3) x 200% = -200 % -100%


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Nessa posio, o rob aciona o motor direito para frente, enquanto o motoresquerdo permanece parado.

PWMD = (L1 L2) x 200 % = (2 1) x 200% = 200 % 100%

PWME = (L1 + L2 - 3) x 200 % = (2 + 1 3) x 200% = 0 %

Nessa posio, o rob aciona o motor esquerdo para frente, enquanto omotor direito permanece parado.

PWMD = (L1 L2) x 200 % = (2 2) x 200% = 0 %

PWME = (L1 + L2 - 3) x 200 % = (2 + 2 3) x 200% = 200 % 100 %


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Nessa posio, o rob aciona o motor direito para trs, enquanto o motoresquerdo permanece parado.

PWMD = (L1 L2) x 200 % = (1 2) x 200% = -200 % -100%

PWME = (L1 + L2 - 3) x 200 % = (1 + 2 3) x 200% = 0 %

2.3 .4 - O Sina l PWM

O PWM um sinal retangular pulsado, com freqncia definida, que possuiseu ciclo de trabalho entre 0 e 100. O on-time o tempo em que a fonte C.C.

aplicada carga, e o off-time o perodo em que essa fonte desligada. Dado umalargura de faixa conveniente, qualquer valor analgico pode ser codificado comPWM.

A figura abaixo mostra trs sinais diferentes de PWM. A primeira imagemmostra uma sada PWM com um ciclo de trabalho de 10%. Isto , o sinal est em

nvel alto em 10% do perodo e em nvel baixo por 90%. As outras imagensmostram sadas de PWM em ciclos de trabalho de 50% e de 90%, respectivamente.Estas trs sadas de PWM codificam trs valores diferentes do sinal analgico, em

10%, em 50% e em 90% da tenso mxima. Se, por exemplo, a fonte for de 12V eo ciclo de trabalho for 10%, o resultado um sinal analgico de 1,2 V.

Fig 25: Sinais de PWM.


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Uma das vantagens do PWM que o sinal permanece digital durante todo ocaminho do microcontrolador at o sistema controlado. Nenhuma converso D/A necessria. Mantendo o sinal na forma digital, os efeitos dos rudos sominimizados. Um rudo somente pode afetar um sinal digital se for grande obastante para mudar um sinal de nvel alto para nvel baixo, ou vice-versa.

2 . 3 .5 H a r d w a r e

Fig 26: Placa de controle.

A placa de controle composta por sete partes:

- Alimentao

- Microcontrolador- Entrada dos sinais

- Sadas PWM

- Sada normal

- LEDs sinalizadores

- Boto de calibrao


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2.3.5.1 - Alimentao

A placa de controle alimentada por12v (DC) da bateria do rob.Atravs doregulador de tenso LM7805, reduzimos

para 5v, podendo assim se utilizada pelomicrocontrolador.

Capacitores foram utilizados parareduo dos possveis rudos que pudessematrapalhar no processamento dos sinais.

Para proteo do circuito contra ainverso de polaridade na alimentao, foiusado um diodo na entrada do regulador.

2.3.5.2 - Microcontrolador

O microcontrolador responsvelpelo processamento dos sinais,transformando-os assim em sinais quesero utilizados nas sadas PWM e sadaslgicas, explicadas posteriormente.

2.3 .5 .3 - Ent rada do s sina is

Aps receber os comandos enviados

por RF pelo controle, o receptor ostransforma em sinais (servo pulso), que soenviados para o microcontrolador atravsde canais.

Podendo suportar at 4 canais, cadacanal composto por trs fios. Dois soutilizados para alimentar o receptor(vermelho e preto), e um para receber osinal (amarelo).


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2.3.5.4 - Sadas PWM

A placa de controle possui trssadas PWM e cada sada composta por 10pinos, que sero conectados a um cabo e

levados a placa de potncia.

Cada pino tem sua funo, podendoser de alimentao (12v e GND) ou do sinalPWM propriamente dito.

2.3.5.5 - Sada normal

A sada normal utilizada para oacionamento de diversos tipos de cargas,como, por exemplo, uma arma do rob.

Ela composta por um conector comquatro sadas. Duas delas utilizada paraalimentar outros circuitos (5v e GND), e as

outras duas, so as sadas lgicas (0v ou5v).

2.3.5.6 - LEDs sinali zadores

Cada LED indica um tipo de ao.

1. LED da alimentao: indica a se a

placa de controle est alimentada ou no.

2. LEDs extras: podem ser utilizados

para indicar qualquer tipo de ao como,

por exemplo, se certo canal do receptor

est ativado.

3. LEDs do movimento: indicam osentido de dois motores responsveis pelo movimento do rob. Os verdes


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indicam que os motores esto girando em sentido normal (para frente) e os

amarelos indicam que esto girando em sentido contrrio (para trs). A

tabela abaixo mostra como esses LEDs (escritos de cima para baixo)

indicam o movimento do rob.

Verde Amarelo Verde Amarelo Movimento

Aceso Apagado Aceso Apagado FrenteApagado Aceso Apagado Aceso Trs

Aceso Apagado Apagado Apagado DireitaApagado Apagado Aceso Apagado Esquerda

Aceso Apagado Apagado Aceso Gira no eixo(horrio)

Apagado Aceso Aceso Apagado Gira no eixo (anti-horrio)

4. LEDs das armas: indicam o estado das armas, sendo que os doisprimeiros (vistos de cima para baixo) indicam o sentido de um terceiro

motor e os dois ltimos indicam os estados lgicos de cada uma das sadas

do conector de sada normal.

2.3.5.7 - Boto de calibrao

Este boto utilizado para acalibrao da placa de controle, sendopressionado quando o controle remoto estem sua posio inicial, ou seja, quando noest indicando nenhum movimento do robe nem acionando as armas.


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2.4 P laca de Potncia

Para este projeto foi utilizado um circuito de potencia pronto, a OSMC3-2.Este circuito faria a interface entre o microcontrolador, e os componentes depotencia (motores). Antes de sua utilizao foi estudado todo o seu funcionamento,

de modo a se gerar os sinais adequados para a correta movimentao do Rob.Alm disso, este estudo servir de base para a confeco da eletrnica de potenciaprpria da equipe. Fato este que se tornou realidade em 2006.

O corao desta placa de potncia o driver HIP4081A fabricado pelaintersil. um circuito integrado para o completo acionamento de uma ponte H, epode suportar uma grande variao de tenso de alimentao (12 a 80V) e gera ossinais necessrios ao funcionamento do MOSFETS.

O CI HIP4081A possui quatro entradas que correspondem s sadas para

mosfet (ou grupo de mosfets) da ponte H. A fonte de sinal deve prover sinais PWMas entradas do circuito integrado para efetuar o controle. As linhas de entrada do4081 so TTL modificadas de modo que um sinal de nvel alto apresenta umatenso entre 3 e 12V, o que permite uma grande variedade de fontes de sinal aserem utilizados.

Fig 27: Detalhamento do acionamento pelo HIP.

Devido natureza dos mosfets de canal N empregados em pontes H de altapotncia, o driver deve fornecer aproximadamente 10V acima da tenso da fontede alimentao para que os mosfets acionem. O HIP4081 pode fornecer at 90V naparte superior da ponte (AHO BHO).

Isso realizado atravs de um subsistema chamado charge-pump.Utilizando apenas um capacitor e um diodo externamente, O HIP4081 gera atenso requerida na ponte.

Os gates dos mosfets, tais como os empregados nesse circuito, so sensveisa tenses altas e baixas. Pequenos picos de tenso para mais ou para menos


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podem destru-los, e para proteger os gates, so inseridos diodos zenners aocircuito. Os diodos grampeiam os picos de tenso. Como no gate do mosfet tem-seum efeito capacitivo, picos de tenso podem ser gerados enquanto ocorre a cargaou descarga da capacitncia de gate durante o chaveamento.

O HIP4081 pode fornecer at 1 A em suas sadas; no entanto, quando vriosMosfets so colocados na ponte, a capacitncia resultante tal que uma correntemuito grande pode ser drenada do driver e, para limitar a corrente em algorazovel, pequenos resistores so adicionados entre a linha de sada e o respectivogate. Esse resistores equilibram a corrente de gate alm de limitarem a correntetotal drenada. Embora esses resistores sejam capazes de auxiliar no ligamento edesligamento, eles podem contribuir com um grande problema em pontes H; umefeito chamado shoot-trough que nada mais do que um curto-circuitoocasionado pela presena de Mosfets ligados no mesmo lado da ponte.

Se essa condio shoot-though ocorre em um intervalo mnimo de tempo,

o Mosfet talvez no se danifique. Contudo, para prevenir o circuito contra esse tipode ocorrncia, o HIP4081 conta com protees internas. Trata-se de uma lgica quedesliga a parte superior da ponte sempre que a parte inferior estiver ligada e vice-versa. Ainda assim, o efeito pode ocorrer devido ao tempo de carga e descarga dacapacitncia do gate. Isso se justifica porque o Mosfet tende a ligar muito maisrpido do que desligar. Visto dessa forma existe uma possibilidade da partesuperior no estar completamente desligada quando a parte inferior for acionada,resultando em shoot-through.

O projeto assegura que este efeito no ocorrer. Primeiramente, existe umatraso quando o sinal para o acionamento chega ao CI. Esse atraso inserido para

garantir que o Mosfet superior se encontrar desligado. Em casos extremos, essesinal de atraso no suficiente, ento um diodo schottky conectado em paralelocom os resistores de gate. Os diodos so orientados a conduzir quando o gate estsendo descarregado. Tal medida reduz significativamente o tempo de desligamentoe elimina por completo o problema.

Os picos de tenso provenientes de carga indutivas tais como motores,rudos de alta freqncia de escovas e comutadores so problemas comuns para aeficcia do controle. O sistema emprega dispositivos chamados supressores detransientes de tenso (TVS); esses dispositivos so na verdade super diodoszenners otimizados para trabalharem seguramente com picos de tenso a alta

corrente. Os diodos so conectados entre os terminais da bateria a fim de protegeros Fets e entre os terminais do motor para proteo contra picos de alta freqncia.E finalmente, uma filtragem grosseira da fonte feita por capacitores eletrolticos.

A parte restante da placa de potncia a parte de regulagem de tenso,regulagem esta provida por um circuito integrado regulador chaveado: LM2574-HV12. Este CI apresenta uma eficincia muito maior comparado a um CI linearquando a tenso da bateria cai abaixo de 12V.


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Identificao doscomponentes

Finalidade Comentrios

C1 C8 Capacitores utilizados paraminimizar o ripple da fonte

de tenso

A tenso mxima permitida para aplaca de 50V

D1, D6, D7 Diodos TVS utilizados parasupresso de picos de

tenso

Por serem dispositivos bidirecionais,podem lidar com surtos de

quaisquer polaridades. Proteo dosMosfets

Q1-Q16 Recebem o pulso deacionamento atravs do

gate e permitem apassagem da corrente do

dreno para o source

Com o cooler, cada mosfet podeacionar 40 A contnuos (4 Mosfets

em cada brao da ponte),resultando em 160 A. Para menorescorrentes, podem ser usados menos

transistores.

D2, 3, 4, 5, 8, 9,10, 11

Grampeiam a tenso degate em 15V

Esses diodos protegem o gatecontra os transientes de carga e

descarga do Mosfet

R2-R20 Utilizados para diminuir otempo Turn on do Mosfets

Se os Mosfets ligarem antes daparte superior ou inferior estiverdesligada, ocorrer o efeito shoot

Throuh

D16-D31 Os diodos Schottkyfornecem um atalho para adescarga rpida da energia

do Mosfet

Trabalham em conjunto com osresistores de gate. Enquanto os

schottky diminuem o tempo paraligar, os resistores aumentam.

D12, 14 Diodos de retorno Recuperam carga para o circuitoreforador de tenso quando osMosfets superiores esto ligados

R1/C2, R10/C3 Redes RC snubber Filtro RC atravs dos terminais domotor. Absorvem rudos de alta

frequncia

D15 Led indicador Led vermelho de 5mm

Molex 70227 Recebe os sinais do MOB ouMOB

inserido em conectores comtravas para garantir alta

confiabilidade em situaes dechoque mecnico intenso

HIP4081A Driver Full bridge Tambm utilizados em potncias daVantec, ver datasheet

L1, D13, C5 Fonte de tenso Componentes de suporte do

integrado regulador 2574


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Fig 27: Foto superior da Placa.

Fig 28: Foto da montagem com o Cooler.

O layout da placa de potncia, esquemtico e lista de componenteseletrnicos so mostrados a seguir:


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Fig 29: layout da placa.


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Fig 30: Diagrama da placa.


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Anexo

A Curv a de Torqu e do m oto r GPD


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B Clcu los dos Per f is de Alum n io


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Equipe Uai!rrior Universidade Federal de Itajub 48

C l t im as pa lavras

Gostaramos de agradecer especialmente a voc, Leitor.

Muito obrigado por prestigiar nosso trabalho e valorizar nossos projetos.

Esperamos que este material tenha sido til e que possa aumentar sua bagagemcultural e tecnolgica.

Tambm gostaramos de salientar que este material propriedadeintelectual da Equipe Uai!rrior, e que a cpia, reproduo ou distribuio domesmo proibida sem uma prvia autorizao.

Caso este Build Report seja utilizado como base de algum trabalho escrito,pesquisa, relatrio, livro etc, queiram por gentileza citar a fonte, ficaremos muitogratos.

Por fim, gostaramos de lembrar que no nos responsabilizamos por nenhumprojeto ou rob que venha a usar as mesmas idias ou componentes contidas nesteprojeto. Este Build Report deve servir apenas como base ou estudo para se iniciar

algum trabalho na rea.

Atenciosamente,

Equipe Uai!rriorwww.uairrior.unifei.edu.br

projeto pwm

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