Sistema de Acionamento 57 

Na Figura 3.8 encontra-se devidamente ilustrado um diagrama esquemático do manipulador robótico e seus periféricos. Pode-se observar que este está dividido em cinco partes, sendo elas: computador, placa de aquisição de dados, circuito de condicionamento de sinal, motor de indução trifásico e inversor de frequência.

Os controladores foram implementados no programa computacional LabView®, cuja interface de comunicação permite que seja inserido um sinal de referência de posição angular a ser alcançada pelo sistema. Uma vez processada, tal

informação é convertida em um sinal de tensão proporcional que, por sua vez, é enviado aos inversores de frequência por meio da interface NI-DAQ.

Figura 3.8 – Diagrama esquemático do sistema

O processo de aquisição de dados para o controle do manipulador robótico foi realizado por uma placa NI-DAQ USB 6008, fabricada pela National Instruments ®. Tal placa é dotada de 10 canais analógicos (8 entradas e 2 saídas), 12 canais de entrada/saída digitais, um conversor de 12 bits, taxa de amostragem de 10kS/s, faixa de tensão de entrada de ± 10 V, faixa de tensão de saída de 0 a 5 Volts, corrente de saída de 5 mA e transferência de dados USB (Figura 3.9). No projeto foram utilizados os canais analógicos de saída AO 0 e AO 1, para o controle da velocidade de rotação dos motores; as entradas analógicas AI 1 e AI 4, para receber os sinais de tensão das leituras de posição angular enviados pelos potenciômetros e, por fim, as saídas digitais PO 0 e PO 1 para indicar o sentido de rotação dos motores.

Para a detecção da posição angular do manipulador robótico foi utilizado um sensor de posição angular (potenciômetro). No projeto foram utilizados dois potenciômetros multivoltas, ambos possuindo uma variação angular correspondente a 10 voltas, fornecendo assim sinais de tensão proporcionais à posição do cursor. Os potenciômetros foram acoplados em um sistema de engrenagens, de modo a fornecerem informações do deslocamento angular do braço e da base.

Figura 3.9 – Interface de aquisição de dados (NI-DAQ USB 6008) O referido sensor (Figura 3.10) possui uma resistência elétrica de 10 kΩ /± 5% e é de fabricação TRIMMER ® e de especificação WXD3590. Possui três terminais (a, b e c), de forma que “a” e “b” são conectados em 10 V e GND, respectivamente. O terminal “c” corresponde à saída, que varia de acordo com a posição do cursor.

Figura 3.10 – Sensor angular (potenciômetro)

As Equações (3.3) e (3.4), obtidas a partir de dados coletados em ensaios experimentais, representam uma função linear que possibilita a relação entre os valores de tensão enviados pelos potenciômetros às entradas analógicas da NI (V) e os valores de deslocamento angular do eixo dos motores ( ):

21 , 2 132 100   V base  (3.3)

83 , 1 4 , 126 80   V braço  (3.4)

Para verificar o deslocamento real da base e do braço e comparar com os dados fornecidos pelo software de controle, foram inseridos na estrutura mecânica do manipulador robótico dois transferidores, posicionados na base e no braço da máquina, como visto nas Figuras (3.11) e (3.12).

Figura 3.11 – Transferidor da base

Figura 3.12 – Transferidor do braço

Tendo em vista que os níveis de tensão e corrente fornecidos pela interface de aquisição de dados não se mostraram suficientes para o acionamento dos inversores de frequência tornou-se necessário desenvolver de um circuito condicionador de sinal. A comunicação analógica entre a interface de aquisição de dados e os inversores de frequência foi feita de forma direta e a velocidade de rotação foi variada conforme o

nível de tensão na saída da placa, de tal forma que a variação de tensão de 0 a 5 Volts correspondesse a uma variação de frequência de 0 a 60 Hz na saída do inversor.

Segundo BORDON (2004), os inversores de fequência são os equipamentos mais indicados no controle da velocidade de rotação e do torque de motores de indução. Os inversores fornecem a tensão e a frequência variáveis aos motores que acionam a base e o braço do manipulador robótico controlando a relação entre frequência e tensão por meio da modulação por largura de pulso (PWM).

Para partidas suaves e variação de velocidade nos motores de indução trifásicos, responsáveis pelo movimento da máquina, foi usado nos inversores o controle de velocidade tipo Volts/Hertz ou V/f, conhecido como controle escalar. Assim, ao variar-se proporcionalmente a frequência e a amplitude da tensão de alimentação dos motores, o fluxo e o torque permanecem constantes. Para evitar solavancos que desgastam os componentes mecânicos do sistema, principalmente os conjuntos redutores, foi programado um tempo de aceleração/desaceleração de 0,1 s em rampa. Essa parametrização também permitiu um melhor controle, evitando um posicionamento inadequado da base e do braço, bem como a minimização de sobre- sinais. Quanto a frequência, esta foi parametrizada em 0 Hz como frequência mínima e 40 Hz como frequência máxima, com o objetivo de obter um controle de posição adequado para esse tipo de configuração de sistema.

A seleção dos motores de indução trifásicos levou em conta sua comparação com motores de corrente contínua. Por meio de realização de pesquisas verificou-se que motores CC apresentam custo de manutenção elevado, além de seus contatos serem feitos por escovas, o que implica em manutenções periódicas para troca das mesmas. Observou-se também que este tipo de motor mantém um torque melhor e mais eficiente com motores menores, quando comparados com motores CA. Ou seja, para se produzir um mesmo torque com um motor CA, necessita-se adquirir um motor mais robusto ou de maior potência.

Contudo, os custos dos motores de indução trifásicos são menores do que os de um motor CC. Além disso, o uso de motores CA em conjunto com o inversor de frequência apresenta outra vantagem quando comparado com o motor CC, visto que inversores de frequência atuais disponibilizam uma série de parâmetros de controle de velocidade, exatidão e leveza no acionamento. Por fim, outro fator que resultou na escolha do motor utilizado no sistema é que este não necessita de uma fonte de alimentação externa para transformar a tensão advinda da concessionária.

Durante o funcionamento do motor, o rotor gira em virtude do torque (conjugado) produzido por uma força magnética aplicada ao rotor. As formas de onda aplicadas às bobinas do estator geram um campo magnético resultante girando em torno do eixo central do motor. A variação do fluxo desse campo magnético induz uma tensão no rotor, gerando correntes rotóricas. Estas, por sua vez, sob a ação do campo do estator, originam a força magnética geradora do torque no rotor. Em consequência disto, o rotor gira acompanhando o campo girante, o que diminui a corrente induzida no rotor. O eixo do motor gira a uma frequência próxima da frequência da tensão aplicada definindo-se como escorregamento a diferença existente entre a velocidade de rotação do eixo do motor e a velocidade do campo girante do estator, dada pela Equação (3.5):

s r s n n n s  _(3.5)

Em que nr é a velocidade de rotação do rotor em rpm e ns é a velocidade de

rotação síncrona do campo magnético em rpm, podendo esta última ser expressa pela Equação (3.6): p ) s 1 ( f 120 n_(RPM)     _(3.6)

Sendo f a frequência aplicada ao estator em Hz e p é o número de pólos da máquina. De acordo com a Equação (3.6), é possível observar que se pode variar a rotação do motor por meio da variação da frequência, uma vez que para variar o número de pólos seria necessário a realização de alterações físicas no motor.