Controlo de velocidade nos motores DC

Versão 1.3.0 05.DEZ.09
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Mecatrónica
Controlo de velocidade nos motores DC
UDC
Introdução
A velocidade dos motores DC depende, fortemente e
de forma quase linear e dentro de certos limites, da
tensão UDC que lhes é aplicada. Para variar a
Veio mecânico
velocidade e fixá-la num determinado valor preciso
(as flutuações da carga mecânica originam
flutuações da velocidade...) é preciso recolher uma
informação referente ao número de rotações e variar
UG
adequadamente a tensão UDC (amentar ou diminuir).
Uma das soluções é acoplar um gerador ao mesmo
eixo mecânico do motor: o gerador fornece uma tensão que é proporcional à
velocidade do motor e que é aplicada no circuito que controla/varia a tensão UDC . A
variação da tensão por introdução de resistências em série é desaconselhável pois
implica dissipação de potência naquelas. Há outras soluções que veremos também
(PWM, conversor U/F, etc... )
M
G
Um sistema como o descrito sumariamente é designado por sistema realimentado,
com feedback, ou em malha fechada, etc.
Sistema realimentado ou em malha fechada
A realimentação é um tema
U0
Ui
muito importante em
FONTE UDC /
+
CARGA
electrónica (assim como na
Ureferência US
(MOTOR)
generalidade da natureza,
Física, ecosistemas, etc.). Em
electrónica está muito
Uf
associada à oscilação/projecto
de geradores/osciladores.
Basicamente temos
realimentação/feedback quando
Σ – comparação ou mistura de Us com Uf ;
uma acção provoca uma reacção
que por sua vez actua sobre a acção A – amplificador de ganho A = U0 / Ui ;
US – alimentação do sistema;
inicial.
Σ
A
β
No tema agora em estudo – controlo
da velocidade de motores DC por
variação da UDC em que a ‘reacção’
é a tensão UG gerada num gerador
acoplado ao motor – vamos
limitarmo-nos a analisar o esquema
de blocos seguinte:
mec_Vel_motDC.doc
Ui – sinal aplicado ao amplificador Ui = Us-Uf;
Uf - amostra da saída Uf = β.U0;
β – malha de realimentação com ganho Af = Uf/U0;
Af – ganho em malha fechada Af = A / (1 + β.U0);
...se β = 0, malha aberta, o ganho é A = U0 / Us.
OBS: O sinal U pode ser tensão ou corrente
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alimentação
do sistema
Concretizando para o caso do controlo da
velocidade de um motor DC temos os seguintes
esquema de blocos:
referência
REGULADOR/
COMPARADOR
de velocidade
Us
Ui / A
Uf
malha
fechada...
informação da
velocidade
G
Projecto de um circuito controlador
da velocidade de um motor DC
alimentação
do motor
U0
M
veio
β
1 - Bloco comparador construído com um circuito amplificador diferencial
3
Amplificador
diferencial /
subtractor
Ganho: R4/R2
Condição:
R1 = R2 e
R3 = R4
R4_G
60kΩ
V2
15 V
1
0
4
R2_G
4
2
20kΩ
Vref
5V
6
5
R1
7
10
3
7
20kΩ
0
1
5
2
V1
15 V
R3
60kΩ
0
0
A “velocidade” pretendida para o
“motor” M é definida pela tensão Vref.
O motor M é simulado pela carga RL. O
“gerador DC acoplado” G é
representado pela fonte de tensão VB.
Quando diminui a tensão VB gerada
mec_Vel_motDC.doc
U1
AD741JH
RL
100Ω
0
M
+
3.003
VB
4V
V
-
0
0
G
pelo “gerador” (imposta pelo utilizador)
o amplificador diferencial aumenta a
tensão à saída (em RL); inversamente,
se aquela tensão do gerador aumenta,
a tensão de saída diminui.
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Projecto de um circuito controlador da velocidade de um motor DC (cont)
2 – Podemos construir um novo modelo
virtual baseado no anterior mas mais
“realista”: a tensão gerada pelo gerador é
obtida a partir de um potenciómetro RB;
por sua vez, a tensão de referência Uref, é
gerada por outro potencómetro.
Rg4
Amplificador
diferencial /
subtractor
60kΩ
1
0
4
4
5
RB
7
60kΩ
1
7.785
5
2
+
6
10
3
AD741JH
V1
12 V
Rg3
60kΩ
0
U1
6
R1
7
R_FB
1kΩ
2
60kΩ
Rref
65%
1
V2
12 V
1
R2
A actuação do circuito continua a ser a
mesma: depois de activada a simulação,
se a tensão gerada pelo “gerador”
aumenta (sinal que a velocidade do motor
está a aumentar...), a tensão de saída
aplicada ao motor diminui...
RL
100Ω
+
3.588
V
-
+
V
-
0
0
0
1kΩ
70%
Key=A
3
0
0
4.197
M
V
-
0
0
G
3 – A nova variante do circuito anterior inclui um amplificador
de potência (AP) pois a realização prática deste controlador
de velocidade exige uma potência significativa para aplicar
ao motor. O AP é constituido pelos transistores Q1, Q2, Q3 e
Q4. Como agora o potenciómetro que gera a tensão de
referência Uref está ligado entre +15V e -15V, isso permite “fazer rodar”
o motor/gerador nos dois sentidos.
Mais15V
V2
15 V
Q1
Rg4
60kΩ
U1
4
R2
R3
12kΩ
Q2
R6
470Ω
BD139
R9
1Ω
R7
470Ω
Q4
R10
1Ω
T IP41C
2
60kΩ
Rref
AD741JH
R1
1kΩ
50%
Key=A
7
+
-6.289
-
V
Rg3
60kΩ
1
V1
15 V
5
R8
12kΩ
BD140
Q3
RCarga
20Ω
+
-10.484
-
3.209
Menos15V
G
1kΩ
50%
Key=B
+
T IP42C
mec_Vel_motDC.doc
RB
6
3
60kΩ
M
-
V
V
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Projecto de um circuito controlador da velocidade de um motor DC (cont)
Podemos simular melhor no MultiSim um
sistema real Motor-Gerador inserindo no circuito
uma "Fonte de tensão controlada por
tensão". Na verdade o sistema Motor/Gerador
pode ser considerado uma tal fonte; ou seja, a
tensão fornecida pelo gerador depende da
tensão aplicada ao motor. Esta é uma relação
linear. Se a tensão aplicada ao motor aumenta,
o gerador roda mais rapidamente e a sua
tensão gerada aumenta.
UDC
Mot_Ger
0.5 V/V
M
Veio mecânico
G
UDC
UG
UG
A "Fonte de tensão controlada por tensão"
(Mot_Ger) do circuito foi configurada para
fornecer 0,5V por cada 1V aplicada ( 0,5 V/V).
Pode ser alterada para qualquer outra relação...
tensão de retroacção (estamos a simular o
aumento da carga mecânica e portanto a
diminuir a velocidade do motor e do
gerador/UMG...) a tensão aplicada ao motor irá
aumentar contrariando assim a diminuição de
velocidade; se aumentarmos a tensão de
retroação - alívio da carga mecânica pelo que o
motor e o gerador rodam mais rapidamente... a tensão aplicada ao motor irá diminuir...
A variação da carga mecânica - afinal a
responsável pela variação de velocidade do
motor e o motivo principal porque se deve
projectar um circuito destes - pode ser simulada
pelo potenciómetro RMG: se diminuirmos a
Mais15V
V2
15 V
Q1
Rg4
60kΩ
U1
4
R2
R3
12kΩ
Q2
R6
470Ω
BD139
R9
1Ω
R7
470Ω
Q4
R10
1Ω
R8
12kΩ
BD140
T IP41C
2
60kΩ
Rref
AD741JH
R1
1kΩ
50%
Key=A
7
60kΩ
+
-10.789
V
-
6
3
Rg3
60kΩ
1
V1
15 V
5
RCarga
20Ω
RMG
50%
UMG
+
+
-7.205
T IP42C
Menos15V
mec_Vel_motDC.doc
Q3
Mot_Ger
0.5 V/V
-
-3.603
V
-
V