Sensor ótico

Além da obtenção da velocidade angular do motor por meio dos sensores de efeito hall, também realizou-se a validação dos dados a partir de um sensor ótico.

Para realizar a leitura do sensor ótico, utilizou-se um fotoemissor infravermelho e um foto- transistor, onde uma pequena peça fixada ao redor do motor interrompe o feixe de luz entre o emissor e o receptor.

Com a interrupção da luz emitida pelo fotoemissor ocorrendo uma vez a cada ciclo de giro do motor, este sinal é enviado para um estágio de ganho e offset e por fim é enviado para um comparador shimidt trigger, o qual criará uma onda com pulsos quadrados, onde o sinal alto, indicará que o feixe de luz não está sendo interrompido e o sinal baixo representa a interrupção do feixe entre o emissor e o receptor Braga (2012).

As etapas constituintes do sensor ótico até o sinal de saída do comparador podem ser resumidos conforme a figura 24.

O circuito contendo o fotoemissor, o fototransistor, o estágio de ganho, o comparador schi- midt trigger e um contador digital, utilizado para realizar a contagem de interrupções do feixe de luz, a fim de reduzir a taxa de interrupções no microcontrolador utilizado para leitura dos dados Fairchild (1987). O circuito implementado pode ser visualizado na figura 25.

Figura 24 – Etapas do circuito ótico, responsável pelo monitoramento da velocidade do motor.

Figura 25 – Circuito utilizado para o circuito do fotoemissor e fotoreceptor. O sinal recebido pelo fotore- ceptor é saturado entre os intervalos desejados por um comparador schimidt trigger.

realizados visando uma queda de tensão sobre o led de 2,0V e e aproximadamente 9 mA de corrente, assimRLED = 220⌦.

A presença ou ausência de luz, após realizar um tratamento de sinal, será utilizada como uma das entradas para o circuito comparador com histerese, que foi implementado utilizando o amplificador operacional LM741. A metodologia de projeto do circuito com sensor ótico foi iniciado pela etapa do comparador por histerese.

A partir das equações 4.2 e 4.3 podem ser ajustadas as características da curva de histese de interesse.

VEL=

RCOM P 2VREF + RCOM P 1VOL

RCOM P 1+ RCOM P 2

(4.2)

VEH =

RCOM P 2VREF + RCOM P 1VOH

RCOM P 1+ RCOM P 2

(4.3) Onde,

VEL, representa a tensão de entada de nível baixo para o comparador.

VEH, representa a tensão de entrada de nível alto.

VOL, representa a tensão de saída de saída de nível baixo do comparador de histerese.

VREF,utilizada para realizar a comparação entre alto e baixo para a histerese, que corres-

ponde a tensão sobre o resistorRCR2.

A fim de determinar os valores ideiais das tensões de entrada e saída do comparador e encontrar os valores de resistências do circuito, descritas na equação ??, alguns limites de operação foram definidos.

O primeiro limite de operação foi definido utilizando os dados fornecidos pelo microcontro- lador ATMEGA328P, visto que as tensões de saídaVOH eVOLdo comparador serão utililados

como entradas digitais no microcontrolador. Segundo o fabricante, os intervalos digitais de nível alto e baixo podem ser descritos pelos intervalos presentes na equação 4.4.

0, 6VCC < VOH < VCC+ 0, 5

0, 5 < VOL< 0, 3VCC

(4.4) Sendo:

VCC, a tensão de alimentação do circuito.

ParaVCC = 5V, tem-se:

3, 5V < VOH < 5, 5V

0, 5V < VOL< 1, 5V

(4.5) O segundo limite de operação foi definido a fim de garantir uma margem de segurança de 20% para o amplificaor operacional, conforme a equação 4.6.

VOH < 0, 8V+ VOL > 0, 8V (4.6) onde, V+ _{= 5V} V = 5V (4.7) logo, VOH < 4V VOL> 4V (4.8) Sendo:

V+_{, a tensão de alimentação positiva do amplificador operacional.}

V , a tensão de alimentação negativa do amplificador operacional.

Respeitando os dois limites de operação, definiu-se os valores de tensão de saída do comparador descritas na equação 4.9.

VOH = 3, 75V

VOL= 0V

A última condição necessária diz respeito ao possíveis valores de resistencia do circuito comparador, as quais devem ser amabas positivas, a partir das equações 4.2 e 4.3.

RCOM P 1

RCOM P 2

= VREF VE VE VO

> 0 (4.10)

Assim, tem-se os seguintes limites de operação.

VREF < VE < VO

VREF > VE > VO

(4.11) ComoVEL < VOLeVEH < VOH, tem-se por fim o último limite de operação.

VREF < VEL< VOL

VREF < VEH < VOH

(4.12) Com os valores deVOH eVOLdefinidos em 4.9.

VREF < VEL< 0

VREF < VEH < 3, 75V

(4.13) Os valores da equação 4.14 foram definidos respeitando os limites anteriores.

VEH = 1, 5V

VREF = 1V

(4.14) Substituindo a equação 4.2 em 4.3, tem-se os valores descritos na equação 4.15.

VEL⇠= 0, 47V (4.15)

Por fim, os valores das resistências utilizadas no circuito comparador puderam ser obtidas utilizando as equações 4.2 e4.3. Na equação 4.16 podem ser visualizados os valores das resistências.

RCOM P 1= 200k⌦

RCOM P 2= 180k⌦

(4.16) Após realizar o cálculo do comparador por histerese, o resistorRT IL pode ser calculado,

visto que ele é responsável por ajustar a tensão sobre o coletor do fototransistor. Esta tensão sobre o coletor consiste no sinal que indicará para o restante do circuito se o mesmo encontra-se na presença ou ausencia de luz.

Sabendo-se que as correntes de claro e de escuro do fototransistor correspondem, respec- tivamente, a1µAe100⌘Ae a potência máxima dissipada pelo mesmo é de50mA.

Assim, anasilando a malha sobre o circuito do fototransisor pode-se encontrar as tensões máximas e mínimas sobre o mesmo, utilizando a equação 4.17.

VT ILM AX = 5 RT ILIT ILM IN

VT ILM IN = 5 RT ILIT ILM AX

Onde:

VT ILM AX, representa a tensão máxima sobre o fototransistor, neste caso quando o mesmo

encontra-se no claro.

VT ILM IN, representa a tensão mínima sibre o fototransisto, quando se encontra no escuro.

IT ILM AX, representa a corrente quando o fototransistor encontra-se no claro.

IT ILM IN, representa a corrente quando o fototransistor encontra-se no escuro.

O sinal com a faixa de operação sobre o coletor do fototransistor foi posteriormente amplifi- cada com um offset, a fim de analisar corretamente apenas a faixa de interesse, os quais foram realizados ajustando corretamente o valor deRT IL e implementando um circuito amplificador

operando na configuração somador não inversor.

As condições básicas para projetar o amplificador consiste em que os valores de resistência

RG2eRG1sejam positivos, conforme a equação 4.18.

RG2 > 0

RG1 > 0

(4.18) Sabendo-se que o ganho sobre o amplificador somador não-inversor pode ser descrito pela equação 4.19, com a condição mencionada anteriormente, encontra-se a condição necessária de ganho ( ) do amplificador para operação correta do mesmo.

= 1 2(1 + RG2 RG1 ) (4.19) > 0, 5 (4.20)

Para encontrar o valor da resistênciaRT IL, utilizou-se do valor mínimo de e a equação

4.21.

VEH = (VT ILM AX+ VOF F SET) = (5 RT ILIT ILM IN + VOF F SET)

VEL= (VT ILM IN + VOF F SET) = (5 RT ILIT ILM AX+ VOF F SET)

(4.21)

Assim, escolheu-se um valor de resistência comercialRT IL = 2k⌦, garantindo um ganho

⇠_{= 0, 98}, respeitando o ganho mínimo possível previsto pela equação 4.20.

O resistor RS1, utilizado entre o coletor do fototransistor e a entrada não inversora do

amplificador operacional foi escolhido com o propósito que a corrente de entrada do amplificador possa ser desconsiderada, quando comparada com a corrente minima sobre o fototransistor, assimRS1o RT IL.

Optou-se por um valor de resistência cem vezes maior que RT IL, conforme a equação

4.22.

As informações sobre a velociade do motor obtidas com o sensor ótico são utilizadas para realizar um modelo matemático do motor, e levantar seus parâmetros, além de relacioná-la a outros dados interessantes, como relações entre torque e velocidade, empuxo da hélice e velocidade, velocidade e duty cycle dos controladores de acionamento, entre outros.

Assim, a velocidade angular pode ser obtida a partir da equação 4.23.

! = 2⇡

n (4.23)

Onde,!representa a velocidade angular,no número de interrupções.