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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ UNIVALI – CAMPUS ITAJAÍ
ANÁLISE DE TIPOS DE BATERIAS PARA USO NO ROPE
PAULO ROBERTO OLIVEIRA VALIM Msc. Eng. Elétrica RAPHAEL DA SILVA Acadêmico Eng. Industrial Mecânica
Curso de Ciência da Computação Laboratório Redes de Computadores
Itajaí, Abril de 2016
Resumo
O propósito deste trabalho foi realizar uma análise do acionamento do motor de passo modelo
28BYJ48 através de baterias. Trata-se do motor de passo utilizado para a movimentação do
brinquedo educativo do projeto ROPE. Para tanto foi preparado um ambiente de testes onde fosse
possível testar o motor de passo funcionando em diferentes tensões de alimentação como também
uma análise do acionamento para 2 tipos diferentes de baterias. A variedade de tipos, formas e
capacidades de baterias disponíveis no mercado é muito grande e, desta forma, a escolha das baterias
levaram em conta aspectos como volume, durabilidade custo e disponibilidade. Os resultados obtidos
vão ajudar a orientar a escolha da melhor bateria a ser usada no projeto ROPE.
Sumário
Lista de tabelas, gráficos, quadros e ilustrações Introdução.......................................................................................................................... 1 I – Fundamentos teóricos................................................................................................ 2 1 – Motores de Passo ........................................................................................................ 2 2 – Tipos de acionamento ................................................................................................. 8 II – Resultados e análises..................................................................................................9 1 – Cenário A......................................................................................................................10 2 – Cenário B......................................................................................................................11 Conclusão.......................................................................................................................... 12 Referências.........................................................................................................................13 Anexos................................................................................................................................14
Lista de tabelas, gráficos, quadros e ilustrações Figura 1. Esquema de ligação de um motor de passo bipola........................................... 6 Figura 2. Esquema de testes do sistema ........................................................................ 10 Figura 3. Formas de onda no motor de passo ................................................................ 11 Tabela 1. Tabelas com os tipos de acionamentos........................................................... 9 Tabela 2. Testes sincronismo motor-de-passo ............................................................... 10 Tabela 3. Descarga Bateria NiCd ................................................................................... 11
Introdução Este relatório é o resultado de uma das etapas da parceria estabelecida entre o laboratório
LITE como o laboratório de Redes de Computadores, ambos da Univali, campus Itajaí. O objetivo é
o apoio em algumas áreas para o desenvolvimento do projeto do brinquedo educativo ROPE, que
vem sendo realizado pelo LITE. Assim, nesta primeira parte o tópico abordado foi identificar a causa
e propor uma solução para o problema de inconsistência no movimento realizado pelo brinquedo.
Uma análise do comportamento do sistema de alimentação do brinquedo se mostrou necessária pois o
protótipo em desenvolvimento estava apresentando alguns sintomas anormais durante os testes e tudo
indicava ser um problema associado à bateria. O trabalho também incluiu uma análise do tipo de
acionamento realizado através do firmware gravado no microcontrolador, o que poderia também ser a
origem dos problemas.
Assim foi estabelecido um ambiente de teste consistindo de instrumentos como fonte de
alimentação ajustável, osciloscópio, multímetro e a parte do hardware e motores de passo usadas no
protótipo do brinquedo. A ideia foi possibilitar reproduzir diferentes cenários de funcionamento com
o respectivo monitoramento das grandezas envolvidas como tensão de alimentação, corrente e
também o movimento correto do motor de passo. Este monitoramento é fundamental para o
funcionamento correto do sistema uma vez que não há realimentação da posição do motor e todo
movimento está baseado no número de passos do motor. Assim, não é aceitável que se tenha perdas
de passos durante a movimentação.
Além de uma fonte de alimentação externa, testes neste ambiente monitorado também foram
realizados com baterias de 2 tipos diferentes: a atual, que está sendo usada no protótipo e que
apresentou problemas, e uma outra, indicada como possível alternativa de solução.
I - Fundamentos teóricos 1 – Motores de Passo
Os motores de passo são usados geralmente em aplicações que exige precisão de medida
e controle. Exemplos de aplicações incluem impressoras jato de tinta, máquinas CNC e bombas
volumétricas. Diversas características comuns a todos os motores de passo fazem deles ideais para
estes tipos de aplicações. Estas características são (Yeadom, 2001):
Sem escovas - os motores de passo são sem escovas. O comutador e as escovas dos motores
convencionais são alguns dos componentes mais sujeitos a falhas, além de criarem arcos
voltaicos que são indesejáveis ou perigosos em alguns ambientes.
Independente da carga - os motores de passo girarão em uma velocidade constante independente
da carga, contanto que a carga não exceda a taxa de torque para o motor.
Posicionamento em laço aberto - os motores de passo movem-se em incrementos angulares
discretos. Desde que o motor funcione dentro de sua especificação de torque, a posição do
eixo é conhecida sem a necessidade para um mecanismo de realimentação.
Travamento - os motores de passo podem manter o eixo parado em uma certa posição.
Além destas características acrescenta-se a resposta excelente ao inicio, à parada e à reversão
do movimento.
Há três tipos básicos de motores de passo: ímã permanente, relutância variável e híbrido.
Os motores de imã permanentes têm um rotor magnetizado, enquanto os motores de relutância
variável tem rotores dentados de ferro doce. Os motores de passo Híbridos combinam aspectos do
ímã permanente e da tecnologia de relutância da variável.
O estator, ou a peça estacionária do motor de passo possui múltiplos enrolamentos. O
arranjo destes enrolamentos é o fator principal que distingue tipos diferentes de motores de passo
do ponto de vista elétrico. Os motores de ímã permanentes podem ser montados usando
enrolamentos unipolares, enrolamentos bipolares.
Os motores de passo unipolares são facilmente reconhecidos pela existência de uma
derivação central (center tap) em cada um dos enrolamentos (figura 1). O número de fase é duas
vezes o número de bobinas, uma vez que cada bobina se encontra dividida em duas. Normalmente,
a derivação central dos enrolamentos está ligada ao terminal positivo da fonte de alimentação e os
extremos de cada enrolamento são ligados alternadamente a terra assim inverte a direção do
campo gerado por cada um dos enrolamentos, (JONES, 2001), (MEDEIROS, 2004).
Figura 1 - Esquema de ligação de um motor de passo unipolar
Ao contrário dos motores de passo unipolares, os motores bipolares requerem um circuito
de atuação bem mais complexo. Eles são conhecidos pelo seu excelente tamanho/torque e
proporcionam um maior torque comparativamente a um motor unipolar do mesmo tamanho. Os
motores bipolares são constituídos por enrolamentos separados que devem ser atuados em ambas
as direções para permitir o avanço de um passo, ou seja, a polaridade deve ser invertida durante o
funcionamento do motor de passo (JONES, 2001), (MEDEIROS, 2004). O motor de passo usado
no projeto ROPE é do tipo unipolar.
Existem alguns parâmetros as serem considerados na escolha do motor de passo:
a. Tempo máximo para percorrer a distância desejada
b. Precisão estática desejada
c. Precisão dinâmica desejada
d. Tempo permitido para retornar a desenvolver a especificação de precisão estática
a partir da especificação de precisão dinâmica (settling time).
e. Resolução de passos exigida (combinação do tamanho de passo, engrenagens e
desenho mecânico).
f. Atrito do sistema: todos os sistemas mecânicos exibem um pouco de força de
atrito. Quando dimensionar o motor, deve-se levar em conta que o motor tem que
prover torque suficiente para superar qualquer atrito do sistema.
g. Inércia do sistema: a inércia de um objeto é a resistência que ele oferece a
mudanças de velocidade. Com uma carga com inércia grande, o motor leva muito
mais tempo para acelerar ou desacelerar a carga. A velocidade de rotação do
motor é independente da inércia. Para o movimento rotativo, a inércia é
proporcional à massa do objeto que é movida multiplicada pela sua distância do
eixo de rotação.
h. Características de velocidade por torque do motor: torque é a força rotacional,
definida como uma força linear multiplicada por uma distância. Quando
selecionar um motor controlador, a capacidade do motor tem que exceder as
exigências globais da carga. O torque de qualquer motor pode, variar com a sua
velocidade, as curvas de velocidade por torque devem ser consultadas pelo
projetista.
i. Relação torque por inércia: este número é obtido pelo torque do motor dividido
por sua inércia de rotor. Esta relação determina a velocidade que o motor pode
acelerar e desacelerar sua própria massa. Motores com torque semelhante podem
ter relações de torque por inércia com variação na sua construção.
j. Margem de torque: sempre que possível deve ser especificado que o motor possa
prover mais torque que o necessário. Esta margem de torque permite o
funcionamento em condições adversas como endurecimento de lubrificante ou
outro atrito inesperado. Efeitos de ressonância podem fazer o torque de motor ser
ligeiramente baixo em velocidades pequenas. Selecionar um motor que fornece
pelo menos 50% de margem sobre o torque mínimo exigido como condição de
ideal.
Os itens f ao j estão diretamente relacionados ao movimento. As especificações do
modelo do motor disponíveis contém pouca informação sobre estes parâmetros.
Alguns dependem do projeto, como inércia do eixo, por exemplo. Já outros já outros
são complexos para serem obtidos.
2 – Tipos de Acionamentos
Os motores de passo podem ter seu movimento definido pelo acionamento de suas bobinas de
diferentes formas, permitindo uma seleção que estabelece um compromisso entre torque e consumo de
energia. A seguir temos um resumo das características destes modos e que estão mostrados na figura 2.
a. Passo completo wave: uma bobina é acionada de cada vez, em uma ordem que vai
definir o sentido da rotação.
b. Passo completo normal: duas bobinas são acionadas de cada vez. A resolução angular
é a mesma do wave, porém neste tipo de acionamento se consegue um torque maior
(~1,41 vezes maior) ao custo de um maior consumo de energia (2 vezes maior), já
que sempre duas bobinas são acionadas simultaneamente.
c. Meio passo (half-step): neste tipo de acionamento as duas e uma bobina são
acionadas alternativamente. Permite uma resolução angular maior que os passos
anteriores mas com uma desvantagem de ter uma variação no torque, que é menor
quando somente uma bobina está acionada.
d. Micro passo: obtido usando-se uma técnica de interpolação entre as posições de
passo completo e meio passo. Obtido através de um circuito complexo que realiza o
controle linear das correntes de acionamento dos estatores.
O acionamento utilizado no projeto é o passo completo normal. A frequência com que as
bobinas são chaveadas determina a velocidade angular do motor de passo. O item h do tópico anterior
apresenta esta característica para o motor de passo: o torque diminui com a velocidade do eixo. Assim,
existe um limite natural para a velocidade angular máxima para o motor em vazio e este valor é
reduzido quando se acrescenta uma carga no eixo do motor. Ainda, conforme o item j do tópico
anterior, uma margem de segurança para o torque deve ser adotada pois uma perda de sincronismo em
um ou mais passos durante o movimento vai alterar a precisão do posicionamento do brinquedo.
O projeto utiliza a biblioteca AccelStepper do Arduino para gerar os chaveamentos das
bobinas do motor de passo e que, por sua vez, utiliza o passo completo. O princípio da biblioteca é
gerar um tempo variante entre os chaveamentos, conhecido como rampa de acionamento, sendo que
estes tempos são calculados em tempo real. O uso desta rampa de acionamento tem por finalidade
fazer com que o motor tenha um torque maior para superar a inércia e atritos iniciais, aumentando
gradativamente sua velocidade com base em um parâmetro denominado aceleração (definida na
função setAcceleration(acceleration)), e atinja uma velocidade máxima (definida na função
setMaxSpeed(maxspeed)). Os valores destes parâmetros vai depender das características do motor de
passo, das condições de uso e da carga em seu eixo.
Passo completo wave Meio Passo
Passo completo normal
Tabela 1 – Tabelas com os tipos de acionamentos
II- Resultados e análises
Os seguintes cenários de testes foram criados, todos baseados no hardware e tipo de
acionamento utilizados atualmente no projeto, como mostrado na figura 2.
Figura 2 – Esquema de testes do sistema
1- Cenário A – Testes do limite de tensão de alimentação do sistema
Descrição: O circuito foi ligado a uma fonte de alimentação variável externa e ao motor de
passo (obs.: foi testado somente com 01 motor). Foi simulada uma carga no eixo do motor-de-passo
conforme esquema ilustrado na figura 4. O firmware foi alterado no que diz respeito ao movimento
realizado de tal forma a deslocar a carga em um sentido, por exemplo subindo, e então fazendo o
mesmo deslocamento no sentido contrário. O conjunto foi testado para diferentes valores de
aceleração e velocidade máxima da biblioteca AccelStepper. Um resumo dos resultados pode ser
observado na tabela 2.
É possível observar que o movimento do motor é limitado pela velocidade máxima e pela
tensão de alimentação. A aceleração tem influencia com relação à inércia e atrito do sistema
Parâmetros Bilbioteca
AccelStepper
Tensão mínima (abaixo este valor ocorre perda de
sincronismo do motor-de-passo) Vel.
Máxima Acele- ração
400 3000 4V 500 6000 4,5V 550 3000 4,8V 600 3000 Não funciona 700 3000 Não funciona 700 4000 Não funciona
Tabela 2 – Testes sincronismo motor-de-passo
motor/carga. O sinal destinados a uma das bobinas no motor de passo foi monitorado durante os testes
com um osciloscópio e um exemplo de formas de onda obtidos estão mostrados nas figuras 5a) e 5b).
Na figura 5a) sem perda de sincronismo e na figura 5b) com perda de sincronismo, para o parâmetro
uma velocidade máxima igual a 400. Deve-se notar também que o momento registrado corresponde ao
sistema em velocidade máxima, daí o intervalo de duração dos pulsos serem constantes e igual a
aproximadamente 4ms (metade do período observado em uma bobina). Também foi medido o
consumo de corrente no sistema e foi de aproximadamente 120mA.
2- Cenário B – Testes do sistema alimentado com bateria
Neste teste a fonte de alimentação externa foi substituída por bateria. A primeira bateria a ser
testada foi a bateria de celular Li-ion com tensão nominal de 3,8V. Coerente com os resultados obtidos
no teste anterior, o motor de passo apresentou perda de sincronismo desde o inicio dos testes.
Reduziu-se o parâmetro velocidade máxima para valores inferiores a 400 e ainda assim a perda de
sincronismo continuou. Os testes foram repetidos com uma nova bateria, esta com tensão nominal de
4,8V do tipo Níquel-Cadmio e o sistema teve um comportamento normal para o parâmetro velocidade
máxima de 400 e também para o de 500. Testes de durabilidade da bateria não foram realizados com
precisão, porém um teste rápido apresentou valores de tensão na bateria em função do tempo
mostrados na tabela 3. Quando o teste foi interrompido o sistema ainda estava funcionando sem perda
de sincronismo aparente.
a) b)
Figura 3 – Formas de onda no motor de passo
Tempo (min) 0 35 65 95 126 155 199 275 328 367
Tensão 5,02 4,88 4,88 4,88 4,88 4,80 4,80 4,72 4,64 4,56
Tabela 3 – Descarga Bateria NiCd
Conclusão Dos testes realizados pode-se concluir:
• A inconsistência de movimento do brinquedo observada durante os testes realizados no
protótipo tem como causa o valor da tensão da bateria utilizada. A bateria possui uma
tensão nominal de 3,8V e os testes realizados em bancada, apesar de usar uma carga
no eixo de valor adotado sem nenhuma relação com o brinquedo, demostrou que não
funcionada para tensões inferiores a 4V;
• Para o motor-de-passo utilizado o tipo de acionamento, passo completo normal, é a
melhor escolha pois vai garantir o maior torque possível. Recomenda-se uma alteração
no firmware de modo a desligar a energização das bobinas do motor-de-passo enquanto
o brinquedo estiver parado, aguardando nova sequencia de comandos. Evitando-se
assim, consumo desnecessário de energia;
• Adoção de bateria que opere com tensões superiores a 4V. Para não se ter desperdício
de energia em um regulador de tensão, no caso de baterias com tensão superiores a 5V,
recomenda-se uma bateria com tensão nominal mais próxima possível de 5V;
• O ajuste da velocidade máxima no valor de 400 se mostrou uma das melhores
alternativas dentro do compromisso velocidade/precisão do movimento.
• Seria interessante a realização de testes mais precisos sobre a durabilidade da bateria.
Referências
YEADOM,WilliamH.HandbookofSmallElectricMotors.McGraw-Hill,2001JONES, Douglas W. Control of Stepping Motors. THE UNIVERSITY OF IOWA, Department of Computer Science – 2001. Disponível em: http://www.cs.iowa.edu/~jones/step/ acesso em: Março 2007 MEDEIROS, S.M. Controle de Motor de Passo Utilizando Microcontrolador MSP430 Trabalho de Formatura Apresentado a Faculdade de Engenharia de Sorocaba SP, Brasil, 2004.
Anexos Imagens cenários de testes