Sistema de acionamento

O sistema de acionamento do manipulador robótico pode ser dividido em cinco partes distintas: computador pessoal, placa de aquisição de dados, circuito de condicionamento de sinal, inversor de frequência e motor de indução trifásico.

Sendo os controladores implementados no software computacional LabVIEW®, torna-se possível inserir um sinal de referência de posição a ser alcançado pelo sistema, através da interface com o usuário, também desenvolvida em LabVIEW. Processada a informação, essa rotina compara o valor de referência com o sinal dos potenciômetros, gerando um sinal de erro que será utilizado pelo algoritmo de controle, dispositivo esse que será detalhado na subseção seguinte.

Tendo em vista que os níveis de tensão e corrente fornecidos pela placa NI-DAQ não são suficientes para o acionamento do inversor de frequência, foi necessário o desenvolvimento de um circuito condicionador de sinal. Os sinais enviados pela placa de aquisição ao inversor de frequência são responsáveis por duas informações: o controle de velocidade de rotação, que utiliza um sinal analógico, e o sentido de giro, que utiliza um sinal digital. A comunicação analógica é feita de forma direta, e a velocidade de rotação é variada

de acordo com o nível de tensão na saída da placa, sendo sua variação de 0 a 5 volts, o que corresponde a uma variação de 0 a 60 Hz na frequência da tensão de saída do inversor. A configuração descrita pode ser observada na Fig. 3.8.

Figura 3.8 Diagrama esquemático do sistema.

Motor de indução trifásico

O princípio de funcionamento do motor de indução trifásico baseia-se nas leis do eletromagnetismo. O campo girante do motor de indução trifásico é gerado a partir de três correntes senoidais, com a mesma amplitude, mas defasadas de 120º, circulando por três bobinas fixas, cujos eixos magnéticos se distanciam de 120º entre si. (SENA, 2008). Na Fig. 3.9, é ilustrada a configuração interna de um motor de indução.

Figura 3.9 Enrolamentos do estator e do rotor de um motor de indução.

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 que gira em torno do eixo central do motor. A variação de fluxo desse campo magnético induz uma tensão no rotor, gerando correntes rotóricas. Estas últimas, sob a ação do campo do estator, originam a força magnética geradora do torque no rotor. Em consequência disso, 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. A velocidade do eixo do motor, em rotações por minuto, é dada por:

P S) (1 f 120 N  (3.2)

onde: N = Velocidade do eixo do motor (rpm) f = Frequência (hertz);

P = Número de polos; S = Escorregamento;

De acordo com a Eq. (3.2), 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 polos, é necessário realizar modificações físicas no motor.

Para selecionar o motor a ser utilizado neste projeto, foi levada em consideração sua comparação com os motores de corrente contínua (CC). Pelas pesquisas realizadas, foi possível verificar que os motores CC têm um custo de manutenção muito elevado, além de

seus contatos serem feitos por escovas, que requerem trocas e manutenções periódicas. Outros fatores a serem considerados nesses motores são os arcos e as faíscas devidos à comutação de corrente por elementos mecânicos, o que os impede de ser aplicados em ambientes perigosos. Contudo, esse tipo de motor mantém um torque melhor, mais eficiente e com menores dimensões quando comparado ao motor AC, isto é, um motor AC, para produzir um mesmo torque que um motor DC, precisaria ser mais robusto ou de maior potência.

Apesar do exposto, o custo dos motores de indução trifásicos é muito menor do que um motor CC. Além disso, o uso de motores AC juntamente com o inversor de frequência apresenta mais uma vantagem quando comparado com o motor CC, pois os inversores de frequência atuais disponibilizam uma série de parâmetros sobre o controle de velocidade, precisão e leveza no acionamento.

Inversor de Frequência

Os inversores de frequência são os equipamentos mais adequados para controlar a velocidade de rotação e o torque dos motores de indução. (BORDON, 2004). Através dos inversores são fornecidas tensão e frequência variáveis a esses motores, controlando a relação entre tensão e frequência por meio da modulação por largura de pulso (PWM). Esta consiste de amostras representadas por pulsos de amplitude fixa e largura proporcional ao sinal de tensão no instante da amostragem. Na Fig. 3.10, é apresentado o controle PWM senoidal. A tensão trifásica senoidal de referência, US, é sobreposta por uma tensão triangular, UΔ. A

interseção desses sinais gera os pulsos que ligam ou desligam os semicondutores dos inversores de frequência.

Para a variação de velocidade e partidas suaves nos motores de indução trifásicos, é usado nos inversores o controle de velocidade tipo Volts/Hertz ou V/f, conhecido por controle escalar. Nesse princípio de controle, ao variar proporcionalmente a amplitude e a frequência da tensão de alimentação dos motores, o fluxo e, consequentemente, o torque permanecem constantes.

No trabalho, foram utilizados dois inversores CFW08, da marca WEG®, do tipo monofásico. A opção de utilizar inversores foi com o objetivo de obter uma partida relativamente suave dos motores e, além disso, evitar solavancos que desgastam os componentes mecânicos do sistema, principalmente nos conjuntos redutores. Para tanto, foi programado um tempo de aceleração/desaceleração de 0,1s em rampa. Isso permitiu um melhor controle, evitando um posicionamento inadequado da base e do braço, e a minimização de sobressinais. Quanto à frequência, parametrizaram-se as frequências mínima

e máxima, respectivamente, em 0 Hz e 40 Hz, a fim de obter um controle de posição rápido para esse tipo de configuração de sistema.

Figura 3.10 Modulação PWM controlada por sinal senoidal.