MÓDULO EDUCATIVO DE UM LEVITADOR MAGNÉTICO
Marcos Silva de Santana, Jossana Maria de Souza Ferreira, Andrés Ortiz Salazar Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Departamento de Engenharia Elétrica
Campus Universitário – Lagoa Nova 59000-000 - Natal - RN
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Resumo. O trabalho trata da elaboração um modulo educativo utilizando um sistema de suspensão
magnética ativo. Um eletroimã é responsável pela atração de um corpo, tentando compensar a
força gravitacional. O nível de tensão nos terminais da bobina é controlado digitalmente, baseado
em parâmetros medidos por circuitos auxiliares, o que inclui um sensor de posição. O controle é
desenvolvido digitalmente por um computador pessoal. Este sistema devido a suas características e
envolvimento de conhecimento se apresenta como um modulo a ser utilizado pela especialidades de
engenharia mecânica como elétrica o que atualmente da origem a especialidade de mecatrônica. O
trabalho mostra as diferente partes do sistema mostrado as diferentes alternativas de projeto.
Mostra a características de estabilidade da planta e sugere uma estratégia de controle para
conseguir a estabilidade do mesmo.
1. INTRODUÇÃO
O posicionador eletromagnético ativo consiste, proposto neste trabalho, é uma conseqüência da atuação de campos eletromagnéticos que, em decorrência de informações a respeito da posição relativa do corpo a ser posicionado, agem no sentido de reorganizar o sistema, gerando forças capazes de reposicionar e de mantê-lo em sua devida posição. O princípio de levitação magnética ativa é utilizado com freqüência em sistemas de suspensão magnética [1]. Um sensor efetua a medida da posição, essa medida é levada ao controlador que analisa e gera um sinal de correção, passando por um amplificador de potência, o qual alimentará a bobina, resultando em um aumento ou diminuição da força necessária para a reorganização do sistema.
Este trabalho tem como objetivo principal desenvolver e aperfeiçoar os conhecimentos em eletromagnetismo, instrumentação eletrônica, processamento e controle digital. Com o projeto foi possível verificar de forma clara e eficaz toda a teoria que embasa o experimento.
O sistema de levitação magnética é um bom exemplo para ser demostrado devido a suas características multidisciplinar, é um bom ponto de referencias para iniciar outras pesquisas de maior porte. A familiaridade com os posicionadores eletromagnéticos ativos propiciará um melhor manuseio com problemas mais complexos, como por exemplo o emprego de máquinas sem mancais. Na industria sistema de posicionamento magnéticos são cada vez mas utilizados [2] e podem ser mencionados como exemplos manipuladores de robôs posicionadores de antenas, posicionadores de plataformas de salas limpas, veículos tipo MAGLEV, posicionadores de rotores, etc.
2. DESCRIÇÃO DO SISTEMA
O sistema de levitação magnética tem como esquema funcional o diagrama de blocos apresentado na figura 1. O corpo que irá levitar é uma bola de isopor revestida com pó de ferro, isso faz com que seu peso não exija grandes níveis de força, logo, grandes valores de corrente.
Um eletroimã é responsável pela levitação do corpo. Um sensor de posição é utilizado para leitura da distância da bola até o eletroimã. Essa leitura serve como parâmetro de entrada para o controlador o qual fornece um sinal proporcional ao deslocamento necessário ao reposicionamento. Esse sinal é enviado ao circuito atuador que é responsável pela potência adequada no eletroímã. Fontes de alimentação e circuitos auxiliares, serão responsáveis pelos níveis de sinais satisfatórios e pelas normalizações necessárias.
2.1. Amplificação
Uma das etapas do processo é a de amplificação de corrente, que na figura 1 está inclusa no bloco circuito atuador.
A amplificação se faz necessária uma vez que o nível do sinal proveniente do PC não apresenta potência suficiente para ativar o eletroímã.
O estágio de amplificação de corrente pode apresentar-se de forma linear ou chaveada. A primeira forma trata de um ganho regulado por um controlador analógico, o qual varia a tensão aplicada na bobina de forma linear, de
Lâmpada Altura real PC Sensor de posição Interface Circuito Atuador
Figura 1 : Diagrama de blocos do Modulo.
acordo com a necessidade do sistema. Como conseqüência, o transistor que age como regulador de corrente trabalha na região linear, dissipando potência e exigindo um resfriamento mais elaborado (maior dissipador, ventilação forçada, etc). Além disso, o atuador linear exige bobinas com núcleos laminados, que em geral possuem dimensões maiores por trabalharem em baixas freqüências.
Já a segunda forma, utilizada em conjunto com o controle digital, consiste na variação do valor médio de corrente fornecida à bobina. Neste caso, o transistor que age como regulador de corrente funciona como chave, hora permitindo que a bobina receba uma tensão nos seus terminais, hora cortando esse fornecimento, fazendo com que o valor eficaz de corrente no eletroímã varie de acordo com o ciclo de trabalho da chave. Como o atuador atinge freqüências de aproximadamente 5 kHz, praticamente não há perdas de potência por dissipação na chave. Assim, é possível a utilização de núcleos de ferrite e transistores menores que produzam os mesmos efeitos do sistema de atuação linear.
Uma desvantagem do atuador chaveado é a interferência eletromagnética gerada, o que exige a implementação de filtros e blindagem para o sistema.
2.2. Sensores
Existem uma grande variedade de sensores de posição que podem ser utilizados em esta função[3 e 4]. Na tabela 1 são mostrado os mas utilizados para este tipo de sistema A seleção de um determinado sensor vá depender das seguintes características a ser definidas:
• Boa Sensibilidade,
• Alta estabilidade as mudanças de temperatura, • Alta rejeição ao ruído,
• Boa resposta em freqüência.
Tabela 1. Tipo de sensores para medida de posição
Tipo Sensibilidade Temperatura Faixa de medição Resposta a
Freqüência Efeito Hall 0.1826 mV/µm 0.2 µm/oK 0,5-3,0 mm 0,5-200kHz Indutivo 1,0 mV/µm 0.2 µm/oK 0,5-3,0 mm 0,5-500kHz Eddy Current 1,65 mV/µm 0.01 µm/oK 0,5-3,0 mm 0,8 MHz Capacito 1,0 mV/µm 0.03 µm/oK 0,5-3,0 mm 0,5-2MHz Óptico 5,0 mV/µm 0.1 µm/o K 0,5-10,0 mm 0,5-2MHz 2.3. Controle
O controle de um sistema de levitação magnética tem como principal finalidade manter a corrente de entrada em torno de um ponto de equilíbrio. No entanto, para se conseguir tal equilíbrio, é necessário que se trabalhe com as equações dinâmicas do sistema, que são não lineares. Porém são utilizados artifícios no intuito de se conseguir aproximações lineares para facilitar o controle. Para o sistema estudado, tem-se o Root Locus [2] como mostrado na figura 2.
A figura 2 indica que o sistema pode não conseguir a estabilidade caso seja empregado apenas um controlador proporcional, já que o mesmo apresenta um pólo no semiplano direito. Para sanar este problema é utilizado um controlador em atraso de fase o que se adequa perfeitamente ao sistema em questão. Após as devidas correções, com a inserção do controlador em atraso, o Root Locus [2] do sistema apresenta-se como mostrado na figura 3.
A inclusão do controlador torna possível manter o sistema em torno de um ponto de operação satisfatório, uma vez que aumenta a região de operação no semiplano esquerdo.
O controle de posição do corpo pode ser realizado de forma analógica ou digital. O controle analógico exige um aparato mais simples, uma vez que o controle digital necessita de placas de conversão, circuitos de chaveamento, etc. Por outro lado, todo esse incremento em circuitos gera uma maior estabilidade e uma maior possibilidade de testes com o controle, uma vez que é preciso apenas alterar linhas de código da programação.
2.3.2 Controlador Digital
Após o emprego de um controlador analógico, partiu-se para a implementação de um controlador digital de características semelhantes ao empregado anteriormente. Um controlador Proporcional Derivativo (PD) atendeu satisfatoriamente às necessidades do levitador magnético.O controle digital apresenta algumas vantagens sobre o controle analógico, dentre elas a possibilidade de testar estratégias de controle variadas em todas as etapas do projeto e do uso de funções complexas; facilidade de calibração de sensores, offsets, etc e de testes, calibração e monitoramento on line do sistema; enfim, possibilidade de mudanças em geral no sistema sem grande prejuízo de tempo e equipamento.
3. IMPLEMENTAÇÃO
O sistema, tal qual foi implementado na forma digital, encontra-se em detalhes na Figura 5, que mostra as partes descritas a seguir.
Re Im
Figura 2 : Root Locus – sistema sem controlador.
Figura 3 : Root Locus – sistema com controlador.
Re Im
Figura 5 : Sistema de levitação com controle digital e atuador chaveado. 3.1 Sistema eletromecânico
O eletroímã é constituído por uma bobina com 1000 voltas de fio esmaltado, com uma resistência de 9,5 ohms e capacidade para 1,5 Ampères. O núcleo utilizado na bobina é de material ferromagnético, laminado para o controle analógico e de ferrite para o controle digital. O corpo a ser levitado pesa aproximadamente 0,035 kg e tem 0,054 m de diâmetro. Como atuador, foi utilizado um transistor TJB no caso analógico, e um transistor Mosfet no caso digital. 3.2 Sensor de posição
A medida de corrente da bobina foi feita através de um sensor de efeito hall. A posição da bola é obtida mediante um sensor óptico o qual fornece uma resistência proporcional à intensidade luminosa em sua superfície. Portanto, alocando de forma retilínea uma lâmpada, a bola e o sensor, tem-se uma variação da incidência de luz no sensor, proporcional à variação da posição da bola.
O tipo de sensor mais indicado para esta aplicação é o sensor Eddy Current, por apresentar uma precisão maior, porém por motivo de disponibilidade, um sensor mais acessível foi utilizado, atingindo o mesmo propósito. 3.3 Sistema de controle
Para o controle via PC foi utilizado um controlador PD programado em linguagem C. Para interface é utilizada uma placa AD/DA modelo PCL 818, responsável pela aquisição e envio de dados ao amplificador de corrente. O controle, na realidade, fornece um sinal responsável pelo acionamento do Mosfet que habilitará ou não o sinal de potência para a bobina.
O controle digital propicia uma maior flexibilidade no controle, uma vez que apresenta uma maior variação de ajuste dos parâmetros, e até mesmo uma variação de controlador, tornando possível a comparação entre diferentes tipos de controladores.
O objetivo inicial foi alcançado com sucesso. O levitador funcionou como proposto. Porém, devido a freqüência de chaveamento em torno de 5 KHz e ao fluxo de dispersão do núcleo foi registrado o aparecimento de sinais de interferência eletromagnética, o que serão corrigidos com blindagem dos cabos e isolamento do núcleo.
O desempenho do sistema pode ser observado na Figura 6. Ela mostra a variação da posição do corpo em relação a uma referência dada pelo núcleo da bobina.
Figura 6 : Posição relativa do corpo em relação ao núcleo. 5. CONCLUSÕES
O projeto mostrou-se bastante útil por possibilitar a visualização de princípios básicos os quais serão utilizados em problemas mais complexos, como por exemplo uma máquina sem mancais. O fato do projeto tratar de uma questão multidisciplinar o torna mais interessante, propiciando a quem lida com ele ampliar o conhecimento em diversas áreas.
A utilização de um controlador digital permite ao usuário uma maior liberdade no que diz respeito a testes com o controlador e até mesmo a facilidade de implementação de outros tipos de controladores, sem que para isso seja necessária a construção de um novo circuito como no caso do controlador analógico.
O sensor óptico utilizado, apesar de não ser o mais indicado, serviu satisfatoriamente ao propósito pré-determinado.
6. REFERÊNCIAS
[1] Schweitzer, Gerhard; Bleuler, Hannes; Traxler, Alfons, Active Magnetic Bearings, Hochschulverlag AG na der ETH Zürich 1994.
[2] T. H. Wong, “Design of Levitation Control Sistem-An Undergraduate Project”, IEEE on Education, Vol. E-29, N 4, Novembro 1986.
[3] B. V. Jayawant, Electromagnetic Suspention and Leviattion Technicques, Proc. Royal Society London, A 416, 245-320 (1988)
[4] A. O. Salazar, W. Dunford, R. Stephan, E. Wartanabe, A Magnetic Bearing System using Capacitive Sensors for Position Measurament, IEEE Trans. Magn., Vol 26, No.5 2541-2543, 1990
