acionamento de um motor linear a relutância chaveado

ACIONAMENTO DE UM MOTOR LINEAR A RELUTÂNCIA CHAVEADO
Amanda Medeiros de Freitas, Daniel Teodoro Gonçalves Mariano, Felipe Adriano da Silva Gonçalves,
Igor Borges Tavares, Juliana Calixto Pulheiz, Carlos Augusto Bissochi Junior
Laboratório de Automação, Servomecanismos e Controle (LASEC)
Núcleo de Controle e Automação (NCA)
Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT)
Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
e-mail: [email protected]
Resumo - Esse trabalho desenvolve uma estratégia de
acionamento para o Motor Linear a Relutância
Chaveado. Para tal, foi utilizado um conversor eletrônico
half-bridge, sensores óticos de posicionamento e um
microcontrolador para promover o acionamento dos
mesmos.
A discussão desse tipo de sistema torna-se importante
pela escassa quantidade de materiais que englobam
motores lineares chaveados. Seu estudo pode melhorar a
compreensão dos fenômenos físicos envolvidos no
controle de conversores eletromecânicos lineares,
tornando-os uma opção plausível e confiável quando há
necessidade de movimentos translacionais.
Palavras-Chave - Acionamento do motor linear,
conversor eletrônico de potência, conversor half-bridge,
motor linear a relutância chaveado, operação nos quatro
quadrantes.
ACTIVATION OF A LINEAR SWITCHED
RELUCTANCE MACHINE
Abstract - This paper develops a strategy to drive the
Linear Switched Reluctance Machine. For this, was used
a half-bridge converter electronic, optical sensors
positioning and a microcontroller to promote the
activation of them.
The discussion of such a system becomes important by
the limited amount of materials that include linear
motors keyed. Their study can improve understanding of
physical phenomena involved in the control of
electromechanical linear converters, making them a
credible and reliable option when there is need for
translational motion.
1
Keywords - Linear motor drive, power electronic
converter, half-bridge converter, linear switched
reluctance machine, four-quadrant operation.
I. INTRODUÇÃO
O conceito de máquinas elétricas lineares surgiu em
meados do século XIX [1], sendo que uma das mais
populares invenções foi o Motor Linear a Relutância
Chaveado (MLRC) [2].
Os conversores eletromecânicos podem ser divididos em
dois grupos: os atuadores lineares a relutância chaveados
(ALRC) e os motores lineares a relutância chaveados. O
primeiro é caracterizado por realizar movimentos curtos
associados a grandes forças, e o segundo é destinado a
aplicações como transporte de massa e movimentos lineares
de maiores comprimentos [3].
A máquina elétrica linear a relutância chaveada é um
conversor eletromecânico que manifesta a produção de força
por meio da tendência de sua parte móvel se deslocar para a
posição na qual a indutância do enrolamento energizado é
máxima, ou seja, onde a relutância magnética é mínima.
O MLRC possui pólos salientes nas partes que constituem
o núcleo magnético e a corrente da fase é ligada e desligada
em posições precisas, sendo que esse chaveamento da
corrente vem sugerir o nome do motor. Como a corrente
depende da posição para ser ligada e desligada, é necessário
um mecanismo para identificar a posição da parte móvel em
relação à parte fixa da máquina.
O MLRC proposto possui equivalência ao motor rotativo
a relutância chaveado (MRRC). O estator do motor linear
representa a aparte móvel responsável por realizar o
deslocamento, ele é composto de um núcleo com material
ferromagnético com seis pólos salientes (três fases), os quais
são envoltos por bobinas concêntricas. A parte equivalente
ao rotor é a parte fixa longa do núcleo magnético, que define
o percurso de deslocamento da máquina. Essas definições
estão ilustradas na Figura 1 para melhor entendimento das
mesmas.
Rotor
Estator
Fig. 1. Definição de rotor e estator para o MLRC.
Conhecendo o funcionamento básico e as características
físicas do motor em questão, é possível propor a estratégia de
acionamento e o conversor eletrônico de potência para o
MLRC. Com a estratégia implementada, o motor linear é
capaz de deslocar-se ao longo do eixo horizontal, acelerando
e desacelerando, de acordo com a programação gravada na
memória do microcontrolador.
II. ESTRATÉGIA DE ACIONAMENTO
No MLRC é possível realizar a inversão do sentido de
deslocamento do motor, sendo assim, o acionamento do
mesmo deve contemplar a operação nos quatro quadrantes,
como pode ser observado na Figura 2.
força
II
I
III
IV
Dentre as topologias citadas o conversor clássico halfbridge é o mais utilizado, mesmo possuindo o maior número
de dispositivos semicondutores de potência [3]. Nesta
topologia a tensão reversa nas chaves é praticamente o valor
de tensão nominal do barramento C.C., o que propicia uma
redução no custo final do conversor de potência. Devido a
essas características, e por ser o que melhor atende as
características de operação do MLRC, esse conversor foi
escolhido para ser utilizado no projeto.
O circuito do conversor clássico para três fases (A, B e C)
é mostrado na Figura 3. Ele possui três modos de operação
distintos, sendo um modo de magnetização, outro de roda
livre, e um terceiro modo de desmagnetização.
S1
velocidade
S3
velocidade
D1
V
força
Fig. 2. Operação nos quatro quadrantes para força e velocidade do
MLRC.
S5
C
A
D3
B
D2
D4
S2
D5
C
D6
S4
S6
Fig. 3. Conversor half-bridge.
O primeiro quadrante representa a aceleração do motor no
sentido de uma referência, por exemplo, o deslocamento à
direita; o segundo quadrante representa a frenagem no
mesmo sentido da referência; o terceiro quadrante representa
a aceleração em sentido contrário ao da referência; e o quarto
quadrante representa a frenagem em sentido contrário à
referência.
Quando o estator já está na eminência de movimento,
existem duas formas possíveis de inverter seu sentido de
deslocamento: retirar a alimentação dos enrolamentos e
deixar a velocidade chegar a zero devido à força de atrito do
equipamento, e posteriormente acelerar a máquina no sentido
contrário; ou produzir uma frenagem através de uma tensão
negativa aplicada à bobina, e posteriormente acelerar o motor
no sentido contrário. Como o MLRC disponível possui
comprimento limitado de sua parte fixa, a primeira opção
torna-se inviável, pois o comprimento pode ser insuficiente
para proporcionar parada completa do motor.
Para aplicar o acionamento nos quatro quadrantes, é
necessário um circuito eletrônico capaz atender todas as
características físicas, construtivas e de operação do MLRC,
tais características foram retiradas do capítulo 4 da referência
[3].
III. CONVERSOR ELETRÔNICO DE POTÊNCIA
A conveniência de um conversor muda de acordo com a
geometria do motor e com a estratégia de chaveamento
adotada, por isso existem várias topologias de conversores
eletrônicos de potência, mas nenhum conversor é definido
como padrão.
As topologias que apresentam maior enfoque na literatura
podem ser divididas em sete categorias básicas: conversor
half-bridge, conversor full-bridge, conversor com
recuperação de energia capacitiva, conversor bifilar com
recuperação de energia magnética, conversor com circuitos
externos C.C-C.C para recuperação de energia, conversor
dissipativo, e conversor auto-comutado.
Vamos considerar apenas a fase A para melhor
entendimento do circuito. O modo de magnetização ocorre
quando as chaves S1 e S2 estão fechadas, permitindo a
passagem de corrente pela bobina A. No modo de roda livre
apenas uma das chaves (S1 ou S2) permanece fechada, dessa
forma a energia não é devolvida ao barramento C.C. e
percorre a bobina através do diodo correspondente à chave
fechada, portanto a taxa de desmagnetização é baixa. O
terceiro e último modo ocorre quando as duas chaves S 1 e S2
estão abertas e a corrente elétrica circula pelos diodos de
roda livre D1 e D2, fazendo com que a energia armazenada no
campo magnético retorne ao barramento C.C., isso provoca
uma tensão negativa no enrolamento conhecida como
“desmagnetização forçada da fase”, e por isso a corrente que
circula na bobina decresce rapidamente.
No projeto em questão a desmagnetização da bobina
precisa ser rápida porque, como dito anteriormente, a
distância de deslocamento é limitada, então o modo de roda
livre não é utilizado no acionamento.
IV. IMPLEMENTAÇÃO DA TEORIA
Conhecendo as características e o funcionamento do
MLRC, foi possível colocar em prática todo teoria estudada.
Primeiramente foi confeccionada a placa de circuito
impresso, e depois, quando todo circuito já estava
devidamente montado, a programação do microcontrolador
para acionamento das fases foi realizada.
A. Circuito Impresso
Foi utilizada a plataforma Eagle para realizar a placa de
circuito impresso do conversor eletrônico de potência. Essa
plataforma trabalha com a criação do layout em cima de um
projeto esquemático, portanto a primeira coisa a ser realizada
é montar o circuito esquemático.
O esquemático realizado está representado na figura 4,
onde cada bloco representa o conversor eletrônico de cada
fase (nomeadas como A2, A1 e A). Para melhor visualização
temos a figura 5, que é bloco 1 ampliado.
Bloco 1
causada pela elevação da freqüência com que as chaves são
acionadas.
O ataque de gatilho tem por objetivo acionar os elementos
chaveados do driver de potência, ou seja, oferece a tensão
necessária para que os mosfets entrem em condução,
acionando assim, o motor.
A partir do esquemático já detalhado, foi realizado o
layout da placa de circuito impresso. Algumas regras foram
seguidas na confecção da placa, como o dimensionamento do
tamanho mínimo da trilha. Sabendo que a corrente nominal
de cada fase é aproximadamente 10A, que a placa utilizada é
de ½ OZ, e que o circuito pode chegar até 45ºC, chegamos a
um dimensionamento mínimo de 240mils (6,1mm). Essa
relação existente entre corrente, temperatura, espessura da
placa e largura da trilha, está mostrada na Figura 6.
Bloco 2
Bloco 3
Fig. 4. Esquemático do Circuito Impresso.
Bloco 1
Fig. 5. Esquemático ampliado com indicações específicas do
circuito.
Fig. 6. Dimensionamento de trilhas.
É notável que o circuito mostrado na Figura 5 não possui
apenas o conversor eletrônico de potência (indicado pelos
círculos na cor vermelha). O circuito de acionamento
também é constituído pelo circuito Snubber (retângulos na
cor azul) e o pelo circuito de ataque de gatilho (retângulos na
cor laranja).
O circuito Snubber é responsável por amortecer oscilações
de tensão e grampear sobretensões, por isso ele é colocado
paralelamente ao mosfet com a finalidade de proteger o
dispositivo. O mosfet suporta variações de corrente em um
determinado limiar (de acordo com cada fabricante e
modelo), mas quando é submetido à sobretensões periódicas,
o dispositivo é danificado. Portanto o Snubber é de
fundamental importância para garantir a segurança e a
durabilidade do circuito, diminuindo também a interferência
Outra característica importante da placa é que, como os
mosfets emanam muito calor com a passagem de corrente, é
necessário que eles estejam dispostos na placa de tal forma
que possibilite a colocação de um único dissipador de calor.
A solução encontrada foi colocar os mosfets e os diodos de
roda livre em um lado da placa e os demais componentes no
lado oposto, formando então, uma placa de dupla face. O
layout pode ser visualizado na Figura 7, e o resultado final da
placa pode ser visualizado nas Figuras 8 e 9. Para
proporcionar melhor visualização dos componentes, o
dissipador de calor não foi colocado. Na Figura 9 são
notáveis seis fios vermelhos conectados à placa, eles são
ligados diretamente aos terminais das bobinas do motor para
proporcionar o acionamento das mesmas.
comunicação via USB, pois o pic 18F452 dispõe apenas da
comunicação serial.
A lógica da programação foi de simples implementação.
Primeiramente foi preciso ler o nível de tensão dos sensores
óticos (Figura 10), sendo que cada sensor corresponde ao
acionamento de uma fase do motor.
Fig. 7. Layout do circuito impresso.
Fig. 8. Lado inferior da placa de circuito impresso.
Fig. 10. Sensores óticos.
Os sinais provenientes dos sensores foram convertidos de
analógico para digital e seus valores foram comparados entre
si. A comparação é realizada para determinar qual sensor
apresenta nível lógico alto e, consequentemente, conhecer a
posição relativa do estator. Conhecendo essa posição é
possível determinar qual bobina deve ser energizada na
sequência.
O método utilizado é o de pré-programação, ou seja, a
trajetória a ser realizada é programada através do PICC e
gravada na memória do microcontrolador. Ela pode ser
modificada de acordo com a conveniência e desejo do
operador, e para sua modificação, basta gravar o pic com a
nova programação.
A mudança da trajetória também pode ser realizada
através de interrupção de hardware, mas o resultado obtido
não é satisfatório, pois, como a velocidade da parte móvel do
motor é muito rápida, o controle manual torna-se inviável.
V. RESULTADOS PRÁTICOS
Fig. 9. Lado superior da placa de circuito impresso.
B. Programação do microcontrolador
O microcontrolador utilizado foi o Pic 18F452. Ele foi
escolhido pois apresenta um número considerável de portas
analógicas e já possui o conversor analógico/digital. Mas ele
pode ser substituído por outros microcontroladores da mesma
família, principalmente se for necessário realizar uma
A seguir são apresentados os resultados obtidos
experimentalmente, sendo que todos os resultados
encontraram-se satisfatórios segundo a teoria estudada.
Através de um osciloscópio de três canais, foram
capturados os sinais dos sensores óticos (Figura 11) e os
sinais de acionamento do circuito de ataque de gatilho
(Figura 12). Foi escolhida uma escala de 10 V/divisão para
os três canais nas duas amostragens, mas como o
osciloscópio é de apenas três canais e são seis sinais a serem
analisados, as imagens não representam sinais simultâneos.
Como os sensores óticos representam o posicionamento
do estator em relação ao rotor, era de se esperar que eles
conduzissem em tempos diferentes, representando o
alinhamento das bobinas com os pólos do rotor.
Consequentemente, os sinais de ataque de gatilho também,
necessariamente, precisavam acontecer em tempos distintos,
respeitando os sinais de posicionamento. Os resultados
obtidos para o acionamento do motor estão mostrados nas
Figuras 11 e 12.
Fig. 11. Sinais dos sensores óticos.
Fig. 13. Ondas de corrente e de tensão no enrolamento
VI. CONCLUSÕES
Fig. 12. Sinais de acionamento das bobinas.
Para avaliar as ondas de corrente e de tensão das fases do
motor, foi utilizado um osciloscópio de dois canais portátil,
digital e isolado. Na Figura 13, o canal 1 representa a
corrente de fase em uma escala de 5 A/divisão, e o canal 2
representa a tensão de fase da bobina em uma escala de 10
V/divisão. Primeiramente uma tensão positiva (canal 2 do
osciloscópio) é aplicada no enrolamento de fase de modo que
a corrente (canal 1) cresça até um valor próximo à corrente
nominal. Posteriormente, ao final do período de condução da
fase, as chaves do conversor eletrônico de potência são
abertas, aplicando tensão negativa no enrolamento de fase.
Nesse momento a corrente existente na fase do motor é
acentuada gradativamente até cessar a tensão negativa no
enrolamento, e isso ocorre porque o half-bridge encontra-se
no modo de desmagnetização, onde a corrente percorre os
diodos de roda livre.
Com esse trabalho foi possível ativar um motor linear a
relutância chaveado que encontrava-se no Laboratório de
Automação, Servomecanismo e Controle da Faculdade de
Engenharia Elétrica.
O projeto realizado e a ativação do motor realizada em
laboratório podem auxiliar estudantes no conhecimento e
entendimento prático sobre assuntos tratados em sala de aula,
englobando máquinas elétricas, conversores de potência,
acionamento de motor, entre outros.
Os resultados alcançados foram bastante satisfatórios,
proporcionando mais uma referência aos estudos de
máquinas elétricas lineares.
VII. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao Laboratório de Automação,
Servomecanismo e Controle pelo espaço físico utilizado para
testes e implementação do projeto, pela disponibilidade de
equipamentos e componentes eletrônicos usufruídos, e pelo
conhecimento transmitido pelos coordenadores e professores
do laboratório. Agradecemos também o financiamento
proporcionado pela CNPq.
VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] E. R. LAITHWAITE, Induction Machines for Special
Purposes. G. Newnes Ldt., London, 1966.
[2] E. R. LAITHWAITE, A History of Linear Electric
Motors. Macmillan, London, 1987.
[3] J. L. DOMINGOS, Projeto, Construção e Proposta de
Acionamento de um Motor Linear a Relutância
Chaveado. Tese de Doutorado, Universidade Federal de
Uberlândia.
[4] H. K. BAE, B. S. LEE, P. VIJAYRAGHAVAN, R.
KRISHNAN, A Linear Switched Reluctance Motor:
Converter and Control. IEEE Transactions on Industry
Applications, 2000