relatorio projeto integrado iv
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Relatorio Projeto Integrado IV - Modelo de relatorioTRANSCRIPT
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Universidade Nove de Julho
André Rufino da Silva
Evandro Picolo
Oséias Chagas
Victor Hugo Rodrigues de Melo
Projeto Integrado IV: Controle de Posição de Motor CC
São Paulo
2013
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Grupo ”Tá Osso”
André Rufino da Silva 409202281
Evandro Picolo 409200964
Oséias Chagas 409204700
Victor Hugo Rodrigues de Melo 309202597
Projeto Integrado IV: Controle de Posição de Motor CC
Projeto apresentado à Universidade Nove de Julho
para obtenção de nota na disciplina de Projeto
integrado IV do 8º semestre de Engenharia Elétrica.
Orientação: Profª Drª Angélica dos Anjos Ayala
São Paulo
2013
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RESUMO
Este trabalho tem por objetivo fornecer aos alunos do curso de Engenharia Elétrica da
Universidade Nove de Julho as competências necessárias para enfrentar os desafios da
profissão no século XXI. Em específico, quando se trata da implementação de um controle de
posição de motor automatizado, envolvendo diversas disciplinas que compõem a grade do
curso. A grande característica do profissional em engenharia é de solucionar situações
problemas com excelência, baseando-se em estudos e pesquisas sobre diversos assuntos em
diversas áreas de atuação. Devido às velozes mudanças tecnológicas e nos modos de produzir
e vender, a educação torna-se o elemento-chave para a renovação desse tipo de profissional,
estabelecendo a criação de verdadeiros líderes que possuam visão de futuro, profissionais
versáteis e multidisciplinares. As atividades desenvolvidas nesse projeto agregam e estimulam
a participação de todas as disciplinas em que os alunos desenvolvem em aula, possibilitando
assim um aperfeiçoamento técnico e prático.
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ABSTRACT
This paper aims to provide students of Electrical Engineering at the Universidade
Nove de Julho, skills necessary to meet the challenges of the profession in the twenty-first
century. In particular, when dealing with the implementation of a motor position control
automated,, involving different subjects that make up the grid of the course. A great feature of
professional engineering is to solve problem situations with excellence, based on studies and
research on various subjects in various areas. Due to rapid changes in technology and ways of
producing and selling, education becomes the key to the renewal of this kind of professional,
establishing the creation of true leaders who have foresight, versatile and multidisciplinary
professionals. Activities under this project aggregate and stimulate the participation of all
disciplines in which students develop in class, thus enabling an improvement technical and
practical.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Portas-lógicas elementares.-----------------------------------------------------------11
Figura 2 – Portas-lógicas compostas.-------------------------------------------------------------11
Figura 3 – Portas-lógicas exckusivas.------------------------------------------------------------11
Figura 4 – Representação gráfica de um LED.--------------------------------------------------13
Figura 5 – Primeira montagem do jogo da velha. ----------------------------------------------14
Figura 6 – Montagem da chave e o LED com um resistor.------------------------------------14
Figura 7 – Esquema eletrônico do projeto.-------------------------------------------------------16
Figura 8 – Simulação 3-D do circuito.-----------------------------------------------------------17
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Série da família TTL--------------------------------------------------------------------12
Tabela 2: Tipos de famílias TTL------------------------------------------------------------------12
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LISTA DE ABREVIATURAS
UNINOVE – Universidade Nove de Julho
NBR – Norma Brasileira Regulamentadora
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
LED – Light Emissor Diode (Diodo Emissor de Luz)
TTL – Transistor-Transistor Logic
CI – Circuito Integrado
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SUMÁRIO
1. Introdução.............................................................................................................9
2. Motores DC.........................................................................................................11
2.1 Tipos de Motores DC......................................................................................11
2.2 Caixas de Redução..........................................................................................12
2.3 Acionamento de Motor por PWM.......................................................................13
3. Teoria de Controle automático............................................................................15
Controlador PID (Proporcional + Integral + Derivativo)..........................................15
4. Descrição e passos do projeto.............................................................................16
Estrutura....................................................................................................................16
5. Lista de materiais................................................................................................18
6. Cronograma de trabalho......................................................................................19
7. Conclusão............................................................................................................20
8. Referências bibliográficas...................................................................................21
9. Anexos................................................................................................................23
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1. INTRODUÇÃO
O presente trabalho foi elaborado com o objetivo de capacitar e ajudar os alunos a
conquistarem novos espaços com vistas à formação profissional dos alunos, mas capaz
também de permitir a utilização prática de seus conhecimentos.
Será desenvolvido um processo de controle automático para um motor DC, e nesse
trabalho serão utilizadas matérias da formação de um engenheiro, proporcionando um
aprofundamento dos conhecimentos obtidos em aula. Acreditamos que este projeto possa
ajudar os alunos a desenvolver o ensino de todas as matérias estudadas neste semestre de
forma a possibilitar que construam seus conhecimentos de maneira consistente.
O projeto integrado deste oitavo semestre tem algumas normas que devemos respeitar
conforme a orientação do coordenador do projeto:
1) O acionamento do motor deve ser feito por modulação de largura de pulso (PWM);
2) Toda a parte elétrica e eletrônica necessária deverá ser desenvolvida pelos alunos;
3) O circuito eletrônico deverá incorporar um dispositivo de mudança contínua de
posição do eixo do motor;
4) A tensão de alimentação do motor deve ser de qualquer tensão CC;
5) Deverá ser desenvolvido um manual de instalação e um guia de usuário;
6) É proibido o uso de microcontroladores, servomotores, ou qualquer solução pronta
disponível pelo mercado.
Ao iniciarmos o desenvolvimento do projeto começaram a surgir problemas que
deveriam ser solucionados para que fosse possível sua execução:
Dificuldades com o conteúdo teórico que envolve nosso projeto
Qual sistema de lógica utilizaremos em nosso projeto?
Como encontrar formas para reduzirmos os custos da atividade proposta.
Definir a construção física do projeto.
A análise de alguns dados, condições e das pesquisas realizadas nos levaram à
idealização e desenvolvimento de um projeto que se baseia em conceitos de motores DC e
seus tipos de acionamentos, e também, teorias de controle automático.
Assim, iniciaremos nosso relatório teórico com o embasamento necessário para a
idealização e construção do projeto. No segundo capítulo apresentamos um estudo preliminar
10
sobre Motores DC, detalhando seu princípio de funcionamento, vantagens na sua utilização e
uma breve modelagem matemática que será útil mais a frente em nosso projeto. O terceiro
capítulo nos fornecerá embasamento para compreendermos a teoria de controle automático
necessário em nosso projeto. Por último falaremos sobre as nossas etapas de construção do
nosso projeto, com detalhes mais específicos sobre o nosso assunto e também um cronograma
de etapas detalhando o dia-a-dia do grupo.
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2. MOTORES DC
Em automação, praticamente em todos os casos onde se necessita da implementação
de movimento em algum sistema, recorre-se a ação de motores para se realizar algo próximo a
realidade.
A utilização de motores DC vem tendo aplicação em diversas áreas: movimentação de
cargas, confecção de aeromodelos, dentre outros casos. Por possuírem um rendimento
razoável são amplamente empregados em projetos de robótica e mecatrônica.
2.1 Tipos de Motores DC
Imã permanente (com escovas);
Sem Escovas;
Relutância Variável
Nesse projeto como utilizaremos um motor de Imã permanente com escovas,
falaremos um pouco mais sobre ele relatório.
Esse motor apresenta um conjunto de bobinas girando, com a corrente circulante
sendo comutada por escovas que invertem o sentido da corrente a cada meia volta de modo a
manter o movimento.
Para a implantação desse motor em nosso projeto precisamos conhecer o
comportamento dos parâmetros elétricos de sua operação. Com esses conhecimentos será
possível efetuarmos uma modelagem matemática para que se possa emular o sistema para
criarmos a lógica de controle. Para isso faremos a modelagem matemática de um motor DC,
apenas levando em consideração os parâmetros elétricos.
Pelo modelo eletromecânico da figura 1 podemos obter algumas seguintes
informações:
(1)
Onde:
v1(t) = Tensão aplicada nos polos do motor [V];
i(t) = Corrente circulante pela armadura do motor [A];
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R = Resistência da armadura [Ω];
L = Indutância da armadura [H];
FCEM(t) = Força Contra Eletromotriz [V];
Figura 1: Esquema de um Motor DC
Essa dedução será de grande importância para a continuidade do projeto e futuras
modelagens matemáticas.
2.2 Caixas de Redução
Para muitos casos a aplicação de motores DC pode gerar certos transtornos. Para um
caso aonde acoplamos ao eixo do motor uma roda propulsora, podemos ter duas situações
complicadas: num caso a roda poderá disparar empreendendo praticamente a mesma
velocidade dos motores DC, que pode variar de 3000 a 10000 RPM; o outro caso a roda
poderá não possuir essa “força” necessária para efetuar o giro, força essa que é conhecida
como torque. Para solucionarmos esse tipo de situação utilizamos a utilização de caixas de
redução.
A figura 2 nos mostra o sistema interno de uma caixa de redução.
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Figura 2: Sistema Interno de uma Caixa de Redução
Tendo como ideia principal de manter uma relação inversamente proporcional entre
velocidade e torque, esse recurso é muito empreendido nos dias atuais sendo comercializado
até mesmo em conjunto com os motores.
2.3 Acionamento de Motor por PWM
O acionamento e controle de velocidade de motores pode ser feito de diversas formas,
porém uma das maneiras mais eficazes atualmente é por modulação de largura de pulsos
(PWM – Pulse Widght Modulation).
Sua grande aplicação se deve ao fato de que a potência dissipada por ele é muito
menor em relação a qualquer outro circuito linear com função semelhante, como por exemplo
o circuito da figura 3.
Figura 3: Controladores de velocidade lineares
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Para exemplificar seu funcionamento etmos um circuito imaginário com uma fonte de
tensão um interruptor estilo push-button e uma carga, conforme a figura 4.
Como faremos para termos 50% da potência nesse circuito. Se pensarmos que se
alternarmos durante um período de funcionamento T, e empreendermos 0,5T em estado
ligado e 0,5T em estado desligado, será atingido esse objetivo. A ideia do circuito PWM é
segue o mesmo ideal. Com transistores efetuando o chaveamento e um oscilador para ser
modulado o seu ciclo ativo.
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3. TEORIA DE CONTROLE AUTOMÁTICO
Controlador PID (Proporcional + Integral + Derivativo)
Combina as ações do PI e do PD (Proporcional Integral e Proporcional Derivativo). A
Ação integral está diretamente ligada à precisão do sistema sendo responsável pelo erro nulo
em regime permanente. Já a ação derivativa proporciona um aumento na estabilidade relativa
do sistema, tornando a resposta mais rápida devido ao efeito antecipatório.
Figura 5: Diagrama de bloco de um controlador PID
Erros passados carregam o integrador num determinado valor, o qual persiste mesmo
se o erro torne-se nulo. Distúrbios constantes podem ser rejeitados com erro nulo já que
diferentemente do que ocorre com controladores proporcionais, aqui não é necessário que o
erro seja nulo para dar a origem a um controle que cancele o efeito do distúrbio. Em suma, a
natureza integral visa reduzir ou eliminar erros estacionários.
Nosso projeto tem como premissa a implementação de ou um controle PI ou um
controle PID. Em futuros estudos definiremos esses pontos.
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4. DESCRIÇÃO E PASSOS DO PROJETO
Estrutura
Figura de Circuito de Funcionamento: Motor DC + Acionador PWM
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Para uma tensão de +12V na saída, troque o 7805 pelo 7812 e utilize o retificador em ponte como mostrado abaixo.
Diagrama em esquemático de uma fonte de alimentação com tensão de saída.
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5. LISTA DE MATERIAIS
Item Descrição Reresentação desenho
Especificação Quantidade
1 Botão pulsante B1 1
2Capacitor
cerâmico/filmeC1 / C2 /C3 100nf 3
3 Capacitor eletrolitico C4 100µf 14 Circuito Integrado U1 NE 555 N 15 Diodo D1 / D2 1N4148 26 Diodo D3 1N4001 17 Resistor R1 1KΩ 18 Resistor R2 120Ω 19 Ponte retificadora
10 Potenciômetro VR1 100kΩ 111 Transistor Q1 TIP 31A
12Motor corrente
continuaM1
12vcc / 1,6amperes / 83 rpm / taxa de redução 1:75 /1,4 voltas segundos
1
13 Relé 127vac RL1 / RL2 04 na/nf 2
14 Transformador T1 110/220/6+6 1
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6. CRONOGRAMA DE TRABALHO
AtividadeData
inicialData final
Posição atual (status)
Entrega da identificação do grupo
07/03/2013
27/03/2013Concluí
do
Definição de distribuição dos trabalhos no
grupo
27/03/2013
28/03/2013Concluí
do
Inicio das pesquisas27/0
3/201324/04/2013
Em andamento
Levantamento dos materiais
27/03/2013
29/05/2013Em
andamento
Inicio da montagem27/0
3/201327/03/2013
Em andamento
Entrega do relatório I27/0
3/201324/04/2013
Concluído
Entrega do relatório II27/0
3/201315/05/2013
Não Iniciado
Apresentação do projeto
27/03/2013
28 ou 29/05/2013
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7. CONCLUSÃO
Concluímos que é importante fazer um projeto pensando no consumo final, ou seja, a
utilização feita por crianças. Saber das limitações e dos perigos é vital, pois o produto final é
destinado a um certo tipo de grupo. Utilizar os conhecimentos em eletrônica digital e
analógica na pratica foi bastante satisfatório para ter um produto chamativo com cores e
avisos sonoros.
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8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CRUZ, E.C.A.; SILVA, L.C.C. Manual Didático de Circuitos Integrados TTL. Vol. 1.
1ª ed. São Paulo: Érica, 1996.
MALVINO, A.P. Eletrônica. Vol. 1. 1ª ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1987.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 14724: Informação
e documentação – Trabalhos Acadêmicos – Apresentação. Rio de Janeiro, 2005.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6023: Referências
Bibliográficas. Rio de Janeiro, 2002.
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9. ANEXOS
Diário de Bordo
Data Atividade
15/3/2
012
Discussão dos integrantes do grupo abordando sobre os
materiais a serem utiizados, layout do projeto, e a idealização do
circuito lógico do jogo.
20/3/2
012
Entrega do primeiro cronograma para o professor instrutor
Edson José Patané.
21/3/2
012
Análise em grupo da lógica a ser desenvolvida no jogo da
velha.
22/3/2
012
Entrega do circuito para o professor instrutor Ivan de
Paula.
27/3/2
012
Circuito analisado por Edson Patané que solicitou a
utilização de simulações em Software específico para agilizar o
desenvolvimento do projeto.
3/4/20
12Simulação efetuada pelo software Multisim® com sucesso
12/4/2
012Circuito avaliado pelo Ivan de Pádua
13/4/2
012
Aquisição de componentes a serem utilizados na
confecção do projeto
21/4/2
012
Reunião de alguns membros para a elaboração do circuito
funcional para a apresentação aos professores.
5/6/20
12Finalização construtiva do projeto
24
12/6/2
012
Apresentação de Relatório + Projeto aos professores
orientados