apêndice 1

Transcrição

apêndice 1

ANA CAROLINA PFAFFENZELLER
JULIANO DE PELLEGRIN PACHECO
MARCEL PEREIRA DOS SANTOS
DESENVOLVIMENTO DE UM “KIT” DE BAIXO CUSTO PARA
MOTORIZAÇÃO DE UMA CADEIRA DE RODAS
Trabalho de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Industrial ElétricaÊnfase em Eletrotécnica do Centro Federal
de Educação Tecnológica do ParanáCEFET-PR
Orientador: Prof. Dr. Eduardo F. R. Romaneli
Co-orientador: Prof. Dr. Joaquim Eloir Rocha
CURITIBA
ABRIL 2004
Dedicamos este trabalho a
Deus, que nos deu forças nos momentos
difíceis e aos nossos pais, que sempre nos
incentivaram.
Há homens que lutam um dia e são bons,
Há outros que lutam um ano e são melhores,
Há, no entanto, aqueles que lutam toda a vida.
Esses são imprescindíveis.
Bertold Brecht
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente ao professor Eduardo Félix Ribeiro Romaneli,
por ter acreditado no nosso projeto, que somente foi concluído devido ao seu
impecável papel de orientador.
Aos professores Joaquim Eloir Rocha, Jorge Carlos Guerra e Antônio
Carlos Pinho, pelas orientações iniciais e por estarem sempre dispostos em nos
esclarecer as dúvidas que surgiram no desenvolvimento deste trabalho.
Ao Departamento de Eletrotécnica,
nos nomes dos professores Carlos
Alberto Dallabona e Paulo Sérgio Walenia, pelo apoio nos momentos decisivos.
Um agradecimento em especial, ao Engenheiro Eletricista Rogério Vieira,
que muitas vezes deixou seus compromissos de lado para nos auxiliar, e com sua
experiência nos fez compreender e solucionar os problemas encontrados, de uma
maneira mais prática e eficiente.
Da mesma maneira, agradecemos ao Técnico em Eletrônica Edson
Bestvina, pelo apoio e paciência em suas explicações técnicas, e por sempre estar
disposto a esclarecer as nossas dúvidas, demonstrando interesse em ver o projeto
funcionando.
Ao amigo Rodrigo Fagundes Eggea pelo auxílio no desenvolvimento dos
programas dos microcontroladores e ao amigo Maurício Ferreira, por sempre estar
ao nosso lado e por suas contribuições indispensáveis.
À
empresa
ADEMCO
SIPROEL
S.A.
pela
disponibilização
dos
equipamentos, à empresa ORTOMETAL, no nome do Sr. Baltazar, pela doação de
uma cadeira de rodas e à distribuidora SOL nos nomes da Sra. Magali V. Vieira e do
responsável técnico Sr. Marcos, pelo empréstimo das Baterias DELPHI utilizadas
nos testes do protótipo e suporte técnico.
Ao Sr. Diomar Martins, pelo auxílio no desenvolvimento e montagem da
adaptação mecânica e a todos que, direta ou indiretamente, contribuíram para a
realização deste projeto.
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 - ESTATÍSTICA DE DEFICIENTES FÍSICOS NO BRASIL ........................................
1
QUADRO 2 - ACUMULADORES REGULADOS À VÁLVULA .......................................................
15
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - POTÊNCIAS DISSIPADAS NA IMPEDÂNCIA “SHUNT” EM FUNÇÃO DA
RESISTÊNCIA .........................................................................................................
45
TABELA 2 - CÁLCULOS DE FREQÜÊNCIAS GERADAS PELO
MICROCONTROLADOR COM UM CLOCK DE 8 MHZ.........................................
59
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2.01 - CIRCUITO EQUIVALENTE DA MÁQUINA CC...................................................... 9
FIGURA 2.02 - OPERAÇÃO EM QUATRO QUADRANTES DE UMA MÁQUINA CC................... 10
FIGURA 2.03 - CURVA CARACTERÍSTICA DE TORQUE X VELOCIDADE ................................ 11
FIGURA 2.04 - PARTES CONSTITUINTES DE UMA BATERIA ................................................... 16
FIGURA 2.05 - DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM MICROCONTROLADOR ................................ 21
FIGURA 2.06 - MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO.......................................................... 23
FIGURA 2.07 - MODULAÇÃO PWM DE NÍVEL CONTÍNUO......................................................... 24
FIGURA 2.08 - ESPECTRO DE SINAL PWM ................................................................................ 24
FIGURA 2.09 - ESPECTRO DE SINAL PWM COM PORTADORA DE FREQÜÊNCIA
VARIÁVEL .............................................................................................................. 25
FIGURA 2.10 - SIMBOLOGIA DE UM TRANSISTOR BIPOLAR PNP........................................... 27
FIGURA 2.11 - SIMBOLOGIA DE UM TRANSISTOR BIPOLAR NPN .......................................... 27
FIGURA 2.12 - FUNCIONAMENTO DE UM TRANSISTOR BIPOLAR NPN ................................. 27
FIGURA 2.13 - SEÇÃO TRASVERSAL DE UM MOSFET TIPO N ................................................ 28
FIGURA 2.14 - SIMBOLOGIA DE UM MOSFET TIPO N ............................................................... 29
FIGURA 2.15 - CAPACITÂNCIAS PARASITAS DE UM MOSFET ................................................ 29
FIGURA 2.16 - MODELO PARA ANÁLISE DE CHAVEAMENTO.................................................. 30
FIGURA 2.17 - FORMA DE ONDA DURANTE A CONDUÇÃO ..................................................... 30
FIGURA 2.18 - FORMA DE ONDA DURANTE O BLOQUEIO....................................................... 31
FIGURA 2.19 - EVOLUÇÃO DOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA ..................................... 31
FIGURA 2.20 - LIMITES DE OPERAÇÃO DE SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA................... 32
FIGURA 2.21 - CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO PUSH-PULL .............................. 34
FIGURA 2.22 - CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO FULL-BRIDGE .......................... 35
FIGURA 2.23 - CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO HALF-BRIDGE .......................... 36
FIGURA 2.24 - CONFIGURAÇÃO DE UMA MÁQUINA SIMPLES ................................................ 37
FIGURA 2.25 - CONFIGURAÇÃO DE SISTEMA DE RODAS E EIXOS........................................ 38
FIGURA 2.26 - CONFIGURAÇÃO DE SISTEMA DE ENGRENAGENS........................................ 38
FIGURA 2.27 - CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA DE ENGRENAGENS DE UMA
BICICLETA ............................................................................................................. 39
FIGURA 3.01 - PINAGEM DO MICROCONTROLADOR AT90S8515 ........................................... 42
FIGURA 3.02 - ESQUEMA DO CIRCUITO DE PONTE COMPLETA COM A
IMPEDÂNCIA SHUNT........................................................................................... 45
FIGURA 3.03 - PICO DE CORRENTE NA PARTIDA DO MOTOR................................................ 46
FIGURA 3.04 - ESQUEMA DO COMPARADOR PARA SURTO DE CORRENTE........................ 47
FIGURA 3.05 - ESQUEMA DO CIRCUITO COMPARADOR PARA INDICAÇÃO
DE BATERIAS BAIXA ............................................................................................ 48
FIGURA 3.06 - ESQUEMA DO CIRCUITO COMPARADOR DE BATERIA
BAIXA E BLOQUEADOR ....................................................................................... 49
FIGURA 3.07 - ESQUEMA CIRCUITO INVERSOR ....................................................................... 50
FIGURA 3.08 - SINAL PWM E SINAL PWM INVERTIDO.............................................................. 50
FIGURA 3.09 - ESQUEMA CIRCUITO PORTAS E: HABILITA PWM............................................ 51
FIGURA 3.10 - ESQUEMA CIRCUITO “DRIVER” PARA PONTE COMPLETA............................. 52
FIGURA 3.11 – CIRCUITO EM PONTE COMPLETA .................................................................... 53
FIGURA 3.12 - PINAGEM DO MICROCONTROLADOR ATMEL AT90S2313 .............................. 56
FIGURA 3.13 - DRIVER SERIAL DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE DADOS ...................... 58
FIGURA 3.14 - SINAL PWM COM FREQÜÊNCIA DE15,68 KHZ.................................................. 60
FIGURA 3.15 - FLUXOGRAMA DO PROGRAMA DE CONTROLE (CPU) ................................... 62
FIGURA 3.16 - FLUXOGRAMA DO PROGRAMA DO JOYSTICK ................................................ 64
FIGURA 3.17 - GRÁFICO DE VELOCIDADE X TEMPO ............................................................... 67
FIGURA 3.18 - ILUSTRAÇÃO DA RAMPA DE ACESSO ANGULADA A 15 GRAUS
E DAS FORÇAS ATUANTES SOBRE A CADEIRA .............................................. 68
FIGURA 3.19 - DIAGRAMA PARA A FORÇA RESULTANTE ....................................................... 69
FIGURA 3.20 - MOTORREDUTOR BOSCH CEP......................................................................... 71
FIGURA 3.21 - CURVA DE PERFORMANCE DO MOTORREDUTOR BOSCH CEP .................. 72
FIGURA 3.22 - BATERIA DELPHI FREEDOM ............................................................................... 75
FIGURA 3.23 - BASE DA BATERIA................................................................................................ 77
FIGURA 3.24 - BASE DA CAIXA DE CONTROLE ......................................................................... 78
FIGURA 3.25 - SUPORTES DOS MOTORES................................................................................ 78
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
A/D –
Analógico/Digital
AACD –
Associação de Assistência à Criança Deficiente
AMD –
Advanced Micro Devices
BAUDS–
BAUD ou taxa de BAUDS: medida do número de mudanças de
sinal (comutação) transmitido por segundo;
CA –
Corrente Alternada
CC –
Corrente Contínua
CEFET – Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná
CPU –
Unidade Central de Processamento (“Central Process Unit”)
D/A –
Digital/Analógico
EEPROM–Memória Exclusiva de Leitura, Programável e Apagável
(“Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory”)
FLASH – Memória programável
I/O –
Input/Output
IBGE –
Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IGBT –
“Insulated Gate Bipolar Transistor”
LCD –
Indicador de Cristal Líquido (“Liquid Cristal Display”)
LED –
Diodo Emissor de Luz (“Light Emiter Diode”)
MOS –
Semicondutor de Óxido de Metal (“Metal Oxide Semiconductor”)
MOSFET- Transistor de Semicondutor de Óxido Metálico por Efeito de
Campo (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”)
NBR –
Norma Brasileira Regulamentadora
PCI –
Placa de Circuito Impresso
PWM –
Modulação por Largura de Pulso (“Pulse Width Modulation”)
RAM –
Memória de Acesso Aleatória ( “Random Access Memory”)
RFI –
Interferência Rádio Freqüência (“Radio Frequency Interference”)
ROM –
Memória Exclusiva de Leitura (“Read Only Memory”)
RX –
Receptor (“Receiver”)
SIT –
Transistor de Indução Estática (“Static Induction Transistor”)
TBP –
Transistor Bipolar de Potência
TTL –
Lógica Transistor-Transistor (“Transistor-Transistor Logic”)
TX –
Transmissor (“Transmitter”)
LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolos utilizados nos equacionamentos:
Símbolo
Significado
φf
Fluxo de campo
Kf
Constante de proporcionalidade do campo
If
Corrente de campo em motores de corrente contínua
Tem
Torque eletromagnético
Kt
Constante de torque do motor
Ia
Corrente de armadura
ea
Força contra-eletromotriz
Ke
Constante de tensão do motor
wm
Rotação do eixo
Pe
Potência elétrica
Pm
Potência mecânica
Vt
Tensão aplicada nos terminais da armadura do motor
Ra
Resistência da armadura de um motor
La
Indutância da armadura de um motor
dl a
dt
Variação da indutância da armadura em função do tempo
d
Diâmetro da roda da cadeira de rodas
v
Velocidade da cadeira de rodas
N
Número de rotações por minuto de uma roda
π
Constante matemática: 3,14159
a
Aceleração da cadeira de rodas
t
Tempo
Fr
Força resultante
m
Massa estimada da cadeira de rodas com a carga
T
Torque do motor
Símbolo
Significado
α
Ângulo de inclinação da rampa
Fp
Força peso
Fin
Força de inércia
Finrd
Força de inércia em cada roda
P
Potência mínima exigida em cada roda
I
Corrente solicitada pela carga (motor + circuitos)
Símbolos utilizados nos diagramas de circuitos:
Símbolo
Significado
VGS
Tensão Gatilho-Fonte
VDS
Tensão Dreno-Fonte
ID
Corrente do dreno
G
Gate (Gatilho do MOSFET)
D
Dreno (MOSFET)
S
Source ( Fonte do MOSFET)
CGD
Capacitância Gatilho - Dreno do MOSFET
CGS
Capacitância Gatilho - Fonte do MOSFET
CDS
Capacitância Dreno – Fonte do MOSFET
Q
Transistor bipolar ou de potência
D
Diodo retificador
VS
Tensão da fonte de alimentação
VP
Tensão do primário do transformador
VO
Tensão do secundário (saída do transformador)
NS
Número de enrolamentos no secundário
NP
Número de enrolamentos no primário
M
Motor elétrico de Corrente Contínua
RSHUNT
Resistência “shunt”
Símbolo
Significado
R
Resistor
C
Capacitor
TP
Trimpot
Vcc
Alimentação de 5V
GND
Referência do circuito (Terra)
U
Circuito Integrado
Dz
Diodo Zener
Símbolos utilizados para unidades de grandezas físicas:
Símbolo
Unidade
Descrição
V
Volt
Tensão
A
Ampére
Corrente
Ah
Ampére hora
Capacidade de carga
N
Newton
Força
Nm
Newton metro
Torque
W
Watt
Potência
km/h
Quilômetro por hora
Velocidade
m/s
Metro por segundo
Velocidade
rpm
Rotação por minuto
Velocidade rotacional
m/s2
Metro por segundo ao quadrado
Aceleração
M
Metro
Comprimento
cm
Centímetro
Comprimento
“
Polegada
Comprimento
°
Grau
Distância angular
kg
Quilograma
Massa
S
Segundo
Tempo
Hz
Hertz
Freqüência
Ohm
Resistência
F
Faraday
Capacitância
°C
Graus Celsius
Temperatura
LISTA DE APÊNDICES
APÊNDICE 01 - CÓDIGO FONTE DA PROGRAMAÇÃO EM FORMATO ASSEMBLY
DA CPU – MICROCONTROLADOR AT90S8515
APÊNDICE 02 - CÓDIGO FONTE DA PROGRAMAÇÃO EM FORMATO ASSEMBLY
DO JOYSTICK - MICROCONTROLADOR AT90S2313
APÊNDICE 03 - ESQUEMA ELÉTRICO DO CIRCUITO DE CONTROLE DA CADEIRA
DE RODAS – CPU
APÊNDICE 04 - ESQUEMA ELÉTRICO DO CIRCUITO DE POTÊNCIA PONTE
COMPLETA–PONTE H
APÊNDICE 05 - ESQUEMA ELÉTRICO DO CIRCUITO DO JOYSTICK
APÊNDICE 06 - DESENHO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO DO CIRCUITO DE
CONTROLE DA CADEIRA DE RODAS –CPU
APÊNDICE 07 - DESENHO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO DO CIRCUITO DE
POTÊNCIA PONTE COMPLETA – PONTE H
APÊNDICE 08 - DESENHO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO DO CIRCUITO DO
JOYSTICK
APÊNDICE 09 - LISTA DOS MATERIAIS UTILIZADOS NO PROJETO
APÊNDICE 10 - TABELA DETALHADA DOS CUSTOS DO PROJETO
APÊNDICE 11 - DESENHOS MECÂNICOS
APÊNDICE 12 - FOTOS RETIRADAS NO DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
RESUMO
Este trabalho apresenta as fases do desenvolvimento do protótipo de um kit para
motorização de uma cadeira de rodas, tendo como finalidade transformar uma
cadeira de rodas convencional em uma cadeira de rodas motorizada. Utilizando um
circuito eletrônico microcontrolado, cujo acionamento é realizado pelo usuário
através de um joystick. Há dois motores independentes que tracionam as rodas
através de um acoplamento mecânico, sendo o circuito alimentado por duas
baterias.
Este trabalho apresenta o desenvolvimento teórico, e as fases de construção do
protótipo, divididas em: desenvolvimento dos circuitos eletrônicos, elaboração de
programas para microcontroladores, testes em laboratório e pesquisas de mercado.
O intuito de se desenvolver um protótipo de baixo custo é tornar possível às pessoas
deficientes o acesso a cadeira de rodas motorizada, uma vez que ainda é muito
pequeno em nosso país o percentual de deficientes que tem acesso a esse
benefício, que pode ser um fator de melhoria da qualidade de vida dessas pessoas.
Palavras-chave: motorização; cadeira de rodas; microcontrolador; bateria; motor;
adaptação mecânica.
ABSTRACT
This research presents all the stages of development of electrical motor kit for a
wheelchair.
The main goal of this kit is to transform a normal wheelchair (for disabled person) into
an electronic controlled chair with DC motors, using an electronic circuit with
microcontroller and a joystick that controls the movement. This command drives two
DC motors independently, through a mechanical adaptation using chain wheels and
chains. The power supply composed by from two automotive batteries.
This work presents the theoretical development and the construction stages of the
prototype. The stages are: electronic circuits and firmware development; laboratory
tests and economic analysis.
Reducing the cost of the final Lab Model, allows several disabled persons to have
access to this equipment. In Brazil, few people have access to a motorized
wheelchair.
Key-words: kit; motorization; wheelchair; microcontroller; battery; motor; mechanical
adaptation.
SUMÁRIO
AA
1 INTRODUÇÃO GERAL...................................................................................................... 1
1.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 1
1.2 JUSTIFICATIVA .......................................................................................................... 2
1.3 OBJETIVOS ................................................................................................................ 3
1.3.1 Objetivo geral ........................................................................................................ 3
1.3.2 Objetivos específicos............................................................................................. 3
1.4 METODOLOGIA.......................................................................................................... 3
1.5 RESULTADOS A SEREM APRESENTADOS ............................................................ 4
1.6 ESTRUTURA DA EXPOSIÇÃO .................................................................................. 4
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................................... 5
2.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 5
2.2 MOTORES ELÉTRICOS ............................................................................................. 5
2.2.1 Motores de corrente alternada .............................................................................. 6
2.2.2 Motores de corrente contínua ............................................................................... 7
2.3 BATERIAS ................................................................................................................. 11
2.3.1 Classificação das baterias quanto à sua aplicação ............................................ 12
2.3.2 Classificação dos acumuladores quanto à construção ....................................... 15
2.3.3 Partes constituintes de uma bateria .................................................................... 16
2.3.4 Funcionamento de uma bateria........................................................................... 12
2.3.5 Utilização correta das baterias ............................................................................ 13
2.4 SISTEMA DE CONTROLE........................................................................................ 18
2.4.1 Microcontroladores .............................................................................................. 18
2.4.2 Modulação por largura de pulso (PWM).............................................................. 23
2.4.3 Semicondutores................................................................................................... 26
2.4.4 Conversores ........................................................................................................ 33
2.5 ADAPTAÇÃO MECÂNICA ........................................................................................ 36
2.5.1 Máquinas simples................................................................................................ 36
2.5.2 Rodas e eixos...................................................................................................... 37
2.5.3 Engrenagens ....................................................................................................... 38
2.6 CONCLUSÃO............................................................................................................ 39
3 METODOLOGIA E RESULTADOS EXPERIMENTAIS ................................................... 40
3.1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 40
3.2 VISÃO GERAL DO FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO DE CONTROLE............... 40
3.3 ESCOLHA DO MICROCONTROLADOR.................................................................. 40
3.3.1 Pinagem e descrição funcional do microcontrolador ATMEL AT90S8515 ......... 42
3.4 ESCOLHA DA FERRAMENTA DE PROGRAMAÇÃO ............................................. 43
3.5 ESTUDO DOS CIRCUITOS ELETRÔNICOS UTILIZADOS NO PROJETO ............ 44
3.5.1 Circuito de proteção contra surto de corrente..................................................... 44
3.5.2 Circuito de indicação de bateria baixa ................................................................ 47
3.5.3 Circuito inversor................................................................................................... 49
3.5.4 Circuito com portas lógicas que habilita/desabilita os sinais de PWM ............... 51
3.5.5 Circuito driver para motor CC.............................................................................. 51
3.5.6 Circuito ponte completa....................................................................................... 52
3.6 DESENVOLVIMENTO DO JOYSTICK ..................................................................... 54
3.6.1 Características principais do joystick .................................................................. 55
3.6.2 Escolha do microcontrolador para o joystick..................................................... 55
3.7 DRIVER SERIAL DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE DADOS UTILIZADO
......PARA COMUNICAÇÃO ENTRE A CPU E O JOYSTICK ..................................... 57
3.8 ESTUDO E ELABORAÇÃO DO PROGRAMA.......................................................... 58
3.8.1 Cálculos iniciais para programação .................................................................... 59
3.8.2 Visão geral da programação ............................................................................... 60
3.9........ CONFECÇÃO DOS ESQUEMAS ELÉTRICOS E DAS PLACAS DE CIRCUITO
.......IMPRESSO (PCI) DO PROJETO............................................................................. 65
3.9.1 Confecção dos esquemas elétricos .................................................................... 65
3.9.2 Confecção do leiaute das placas de circuito impresso (PCI).............................. 66
3.10 ESTUDO DO MOTOR............................................................................................. 66
3.10.1 Dimensionamento do motor .............................................................................. 66
3.10.2 Cálculo do torque do motor ............................................................................... 70
3.10.3 Escolha do motor............................................................................................... 70
3.11 ESTUDO DAS BATERIAS ...................................................................................... 72
3.11.1 Dimensionamento das baterias......................................................................... 72
3.11.2 Escolha da bateria............................................................................................. 74
3.12 ADAPTAÇÃO MECÂNICA ...................................................................................... 77
3.12.1 Base de kit......................................................................................................... 77
3.12.2 Adaptação nas rodas......................................................................................... 79
3.12.3 Adaptação nos motores .................................................................................... 79
3.13 ESTIMATIVA DE CUSTO........................................... Erro! Indicador não definido.
3.13.1 Comparativo de custo entre uma cadeira de rodas motorizada e uma cadeira de
.............rodas adaptada com o kit. .................................................................................. 80
3.14 CONCLUSÃO.......................................................................................................... 81
4 CONCLUSÃO GERAL ..................................................................................................... 82
REFERÊNCIAS................................................................................................................... 86
APÊNDICES........................................................................................................................ 89
1
1
1.1
INTRODUÇÃO GERAL
INTRODUÇÃO
Conforme pesquisa realizada pelo IBGE em 2001, publicada pelo Jornal
Folha de São Paulo, há no Brasil 24,5 milhões de pessoas portadoras de deficiência,
cerca de 14,5% da população brasileira. O jornal informa que foram incluídas na
pesquisa todas as pessoas que apresentem alguma dificuldade de enxergar, de
ouvir, de locomover-se ou que tenham alguma deficiência mental.
Desse total, segundo o CENSO 2000 realizado pelo IBGE, a deficiência
motora atinge mais de 7.800.000 brasileiros, sendo que quase 90 % destes não têm
acesso a uma cadeira de rodas motorizada.
QUADRO 1 – ESTATÍSTICA DE DEFICIENTES FÍSICOS NO BRASIL.
Tipos de Deficiências e quantidade de pessoas portadoras:
Visual
16.573.937
Motora
7.879.601
Auditiva
5.750.809
Mental
2.848.684
Física
1.422.224
FONTE: IBGE 2000
No mercado nacional o custo da cadeira motorizada é muito elevado, em
torno de R$ 4.500,00, tendo também uma manutenção cara, e difícil acesso para os
equipamentos de reposição, impossibilitando às pessoas deficientes adquiri-las ou
mantê-las.
Em relação a esses aspectos é importante que se tenha disponível “kits” de
baixo custo para automatização de cadeiras de rodas, dando ênfase na
transformação de uma cadeira de rodas convencional em uma cadeira motorizada.
De forma prática, pretende-se utilizar no desenvolvimento do projeto materiais e
equipamentos que são facilmente encontrados no mercado, para viabilizar o acesso
deste “kit” a uma faixa maior da população.
2
1.2
JUSTIFICATIVA
Conforme verificado com alguns fornecedores e fabricantes, as cadeiras de
rodas motorizadas possuem um custo bastante elevado, estando fora do alcance da
maioria da população que tem problemas de paralisia dos membros inferiores.
Existe no mercado um “kit” para motorização de cadeiras de rodas, que
pode chegar ao consumidor por R$ 4.000,00, conforme pesquisa realizada na AACD
(Associação de Assistência à Criança Deficiente). A intenção deste projeto é diminuir
ainda mais este ônus ao consumidor. Este “kit” não é vendido separadamente,
sendo necessária a compra da cadeira de rodas simultaneamente, o que passa a
ser um ônus adicional ao comprador. Pretende-se amenizar os problemas acima
abordados, com o desenvolvimento de um kit de motorização de uma cadeira de
rodas utilizando componentes acessíveis, de baixo custo e de “simples” instalação,
possibilitando assim, o acesso dos portadores de deficiência a um equipamento
motorizado.
Verifica-se que para a solução deste problema o custo é a variável
principal, mesmo que a eficiência do produto final não seja equivalente ao similar
existente.
Do ponto de vista do grupo, o fundamental é possibilitar uma contribuição
social, observando a grande dificuldade que as pessoas portadoras de deficiência
motora têm em adquirir as cadeiras motorizadas e o fato de se poder utilizar das
pesquisas e conceitos que serão adquiridos para o desenvolvimento deste projeto
na vida profissional e pessoal.
3
1.3
OBJETIVOS
1.3.1. Objetivo Geral
Desenvolver, através de um método simples e com componentes e
equipamentos disponíveis no mercado, o projeto de transformação de uma cadeira
de rodas convencional em uma cadeira motorizada.
1.3.2. Objetivos Específicos
•
Pesquisar quais os modelos de motores elétricos CC que mais se adaptam ao
projeto;
•
Pesquisar quais os modelos de baterias que mais de adaptam para o projeto;
•
Verificar a viabilidade econômica de se desenvolver um kit de motorização de
cadeiras de rodas mais barato e acessível do que o já existente no mercado;
•
Fazer uma integração entre os três módulos do projeto (acionamento, controle e
alimentação);
•
Instalar o equipamento em uma cadeira de rodas e fazer o teste em laboratório
(teste de funcionamento).
1.4
METODOLOGIA
A metodologia empregada para o desenvolvimento do protótipo consiste
primeiramente em uma análise bibliográfica, seguida da revisão de literatura. A
construção do kit foi dividida em três fases distintas, sendo a primeira, o projeto do
protótipo que envolve o circuito de controle e a adaptação mecânica. Na segunda
fase, será realizada a integração de todas as partes do projeto, tendo como
resultado a construção do kit para motorização de uma cadeira de rodas. E,
finalmente, na terceira fase, serão feitos os testes em laboratório.
Como complemento deste projeto, será realizada uma pesquisa de
mercado, avaliando-se os custos dos componentes empregados na construção do
protótipo.
4
1.5
1.6
RESULTADOS A SEREM APRESENTADOS
•
Protótipo do circuito eletrônico de controle;
•
Protótipo do circuito eletrônico de potência;
•
Estudo econômico preliminar do protótipo;
•
Adaptação mecânica;
•
Pesquisa teórica.
LIMITAÇÕES DO PROJETO
O carregador para as baterias é externo ao kit, e será adquirido no
comércio. Algumas proteções elétricas e mecânicas não foram previstas neste
protótipo
inicial,
mas
podem
ser
implementadas
futuramente,
tais
como:
desacoplamento mecânico dos motores ao eixo da cadeira de rodas e aumento das
proteções contra curto circuito.
1.7
ESTRUTURA DA EXPOSIÇÃO
No capítulo 1 apresenta-se um breve relato dos principais fatores que
levaram à escolha do tema do projeto, assim como uma ambientalização da
problemática que nos levou a desenvolver este projeto.
No capítulo 2 será demonstrada a fundamentação teórica, com conceitos
sobre motores elétricos, baterias, microcontroladores, entre outros.
Na seqüência, o capítulo 3 detalha todas as etapas despendidas para a
construção do kit, as soluções e resultados obtidos com o desenvolvimento do
projeto.
No capítulo 4 será apresentada a conclusão geral do projeto, contendo a
análise final do custo do kit, bem como as considerações finais, melhorias e
sugestões para trabalhos futuros.
5
2
2.1
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
INTRODUÇÃO
Hoje em dia, a cadeira de rodas é talvez uma das invenções que tem
permitido a maior independência da pessoa incapacitada motrizmente. Inventores,
engenheiros, terapeutas e outros profissionais têm idealizado uma ampla gama de
acessórios para aumentar as possibilidades dos deficientes, desde um simples
recolhedor para recuperar objetos caídos, até um sofisticado método para escrever a
máquina por meio do alento. Todos estes aparelhos têm um único objetivo em
comum que é ajudar as pessoas com deficiências a viver com maior independência
e autonomia (CILSA, 2004).
Certas adaptações de automóveis e controles especiais, permitem dirigir e
locomover-se com uma maior facilidade. Cadeiras de rodas, muletas, elevadores e
rampas aumentam a mobilidade dentro e fora de seus ambientes de seus lares.
Existem distintos tipos de cadeiras de rodas (de passeio, esportivas, com motor)
segundo a necessidade de cada pessoa e da atividade que necessite realizar
(CILSA, 2004).
Neste capítulo, serão abordados os conceitos teóricos dos componentes e
equipamentos empregados no desenvolvimento deste projeto, tais como motores,
baterias, componentes eletrônicos, etc.
2.2
MOTORES ELÉTRICOS
Como definição básica de motores elétricos pode-se considerar que é uma
máquina que se destina a transformar energia elétrica em energia mecânica. Ou
seja, num motor, a simples presença da corrente elétrica, seja CC ou CA, nos
garante movimento em um eixo, que pode ser aproveitado de diversas maneiras
dependendo da aplicação do motor (WEG, 2001, p. D-3).
É considerada uma máquina de construção simples, custo reduzido e não
poluente. Possui uma grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais
diversos tipos e potências (WEG, 2001, p. D-3).
6
Os tipos mais comuns de motores elétricos são:
•
Motores de Corrente Contínua;
•
Motores de Corrente Alternada, e estes ainda se dividem em:
o Motores Síncronos;
o Motores de Indução.
2.2.1 Motores de Corrente Alternada
São os modelos de motores mais utilizados, devido ao fato de que a
distribuição de energia elétrica é realizada normalmente em corrente alternada
(WEG, 2001, p. D-3).
A grande maioria das aplicações tem sua configuração mais econômica
com a utilização de motores de indução de gaiola. Estima-se que 90% (em
unidades) dos motores fabricados sejam deste tipo. Quando não há necessidade de
ajuste e controle de velocidade e a potência é inferior a cerca de 500CV, sua
utilização é amplamente dominante. Pode-se dizer que outros tipos de motores são
utilizados somente quando alguma peculiaridade determina tal opção (WEG, 2001,
p. D-3).
a) Motores Síncronos
Este motor funciona com a velocidade fixa, e somente é utilizado para
grandes potências, devido ao seu custo elevado para tamanhos menores, ou ainda
quando é necessário que a velocidade seja constante (WEG, 2001, p. D-3).
b) Motores de Indução
Já este motor funciona normalmente com um escorregamento1 constante,
que varia de acordo com a carga mecânica aplicada em seu eixo. Este é o motor
mais utilizado de todos devido a sua simplicidade e baixo custo. É adequado para
quase todos os tipos de máquinas acionadas encontradas hoje em dia. Para as
1
Escorregamento: Diferença entre a velocidade do motor e a velocidade síncrona.
7
aplicações de motores de indução em que se deseja controlar a velocidade pode-se
utilizar os inversores de freqüência (WEG, 2001, p. D-3).
2.2.2 Motores de Corrente Contínua
O uso de motores elétricos de corrente contínua é restrito, pois seu custo é
elevado e para sua utilização é necessário um dispositivo que efetue a conversão da
corrente alternada em corrente contínua (WEG, 2001, p. D-3).
DUARTE (2001 p.3) refere-se a motores de corrente contínua afirmando
que:
São conhecidos por seu controle preciso de velocidade e por seu ajuste fino e
são, portanto, largamente utilizados em aplicações que exigem tais
características. Vale comentar que a utilização dos motores de corrente
contínua teve um grande incremento nos últimos anos, graças à eletrônica de
potência. Fontes estáticas de corrente contínua como tiristores confiáveis, de
baixo custo e manutenção simples, substituíram os grupos conversores
rotativos. Com isso, motores de corrente contínua passaram a constituir
alternativa mais atrativa em uma série de aplicações.
O funcionamento básico dos motores de corrente contínua estão
fundamentados na Força de Lorentz quando aplicadas a uma carga em
movimento dentro de um campo magnético; para melhor entendimento podese considerar uma espira de corrente inserida num campo magnético criado
por um ímã permanente onde há uma corrente originada de uma fonte de
corrente contínua. Quando ocorre a passagem dessa corrente a mesma faz
com que apareçam duas forças que possuem sentidos contrários uma em
cada lado da espira. Essas forçam originam um torque que faz com que a
espira gire, transformando a energia elétrica da corrente em energia cinética
num eixo acoplado às espiras. A direção da rotação depende da polaridade
da bateria e da direção das linhas de campo magnético criadas pelo ímã.
a) Circuitos Equivalentes para Motores de Corrente Contínua
Nos motores de corrente contínua a corrente de campo, aqui denominada
por If é que exerce o controle sobre o fluxo, e o fluxo nesses tipos de motores é
identificado no estator através de um enrolamento de campo como se pode verificar
na equação 1 (ROCHA, 2002, p. 19).
8
φf = K f ⋅ I f
(1)
Sendo Kf é considerada uma constante de proporcionalidade do campo.
Nesses tipos de motores o desenvolvimento da potência elétrica se dá no
enrolamento da armadura localizado no rotor do motor.
Através do comutador são feitas as retificações das correntes e tensões
que são feitas pela armadura que se encontra localizada no rotor (ROCHA, 2002, p.
19).
O produto obtido da interação do fluxo (φf) e da corrente de armadura
designada por Ia é o torque eletromagnético conforme equação 2.
Tem = K t ⋅ φ f ⋅ I a
(2)
Sendo Kt uma constante de torque do motor.
A rotação de condutores da armadura com uma velocidade designada por
(wm), quando na presença do fluxo (φf), origina uma força contra-eletromotriz
denominada (ea) que pode ser obtida através da equação 3 (ROCHA, 2002, p. 19).
e a = K e ⋅ φ f ⋅ wm
(3)
Onde Ke é considerada uma constante de tensão do motor.
Para regimes ditos permanentes, pode-se considerar que Pe é igual a Pm,
pois como Kt e Ke são numericamente iguais e os valores de Pe e Pm podem ser
obtidos através das equações 4 e 5 respectivamente:
Pe = ea ⋅ I a = K e ⋅ φ f ⋅ wm ⋅ I a
(4)
Pm = wm ⋅ Tem = K t ⋅ φ f ⋅ wm ⋅ I a
(5)
Para se estabelecer uma corrente Ia , é aplicada nos terminais da armadura
uma tensão controlada (Vt), obtida através da equação 6; além disso, o valor de Ia
pode ser obtido, isto é, determinado por (Ra) que é a resistência da armadura, pela
indutância da armadura designada por (La) e também pela força contra-eletromotriz
(ea) (ROCHA, 2002, p. 21).
9
Vt = ea + Ra ⋅ I a + La
dl a
dt
(6)
A equação 6 é demonstrada pelo circuito equivalente da figura 2.01.
FIGURA 2.01 – CIRCUITO EQUIVALENTE DA MÁQUINA CC.
FONTE: ROCHA, J.E. Acionamentos Elétricos. Curitiba: Cefet-PR, 2002.
Durante o ato de frenagem os motores de corrente contínua agem como
geradores, embora raramente as máquinas dessa natureza sejam usadas como
geradores.
Quando se reduz o valor da tensão terminal (Vt) abaixo do valor da força
contra-eletromotriz (ea), a corrente da armadura (Ia), irá reverter sua direção. Devido
à mudança de direção da corrente o torque eletromagnético reverte seu sentido
também, por sua vez a energia cinética quando somada à inércia do sistema, tem
como produto a energia elétrica através da máquina de corrente contínua. Somente
durante esse fenômeno é que se pode dizer que a máquina de corrente contínua
age como um gerador de energia (ROCHA, 2002, p. 22).
Como durante o ato de frenagem a polaridade da força contra-eletromotriz
não se altera, pois se considera que a direção de rotação não foi alterada, e
considera-se ainda que a velocidade do rotor diminui a força contra-eletromotriz
diminui em magnitude, com isso a geração de tensão só se encerra quando o rotor
pára, isto é, quando toda a energia inercial for retirada (ROCHA, 2002, p. 22).
O motor de corrente contínua pode ser manuseado, isto, é colocado em
funcionamento nos dois sentidos de rotação, e seu torque eletromagnético pode ser
revertido para a frenagem em qualquer dos sentidos de rotação. A figura 2.02
demonstra a operação em quatro quadrantes deste acionamento (ROCHA, 2002, p.
22).
10
FIGURA 2.02 – OPERAÇÃO EM QUATRO QUADRANTES DE UMA MÁQUINA CC.
FONTE: ROCHA, E.J. Acionamentos Elétricos. Curitiba: Cefet-PR, 2002.
b) Características de Torque x Velocidade para Motores de Corrente Contínua
Pode-se obter a velocidade (wm) quando em regime permanente através da
equação 7, como uma função do torque eletromagnético para uma dada tensão
terminal (Vt).
wm =
1 
R ⋅T 
Vt − a em 
Ke 
Kt 
(7)
Na figura 2.03 mostra-se as curvas características de torque – velocidade;
ao serem observadas pode-se concluir que à medida que o torque aumenta a sua
velocidade diminui. A forma inclinada dessas curvas se deve à queda de tensão
provocada pela resistência da armadura versus a corrente da mesma, que cresce
com o aumento do torque. Para motores de grande potência essa inclinação da
curva de velocidade é geralmente pequena; já para motores de potência menores
pode ser grande (ROCHA, 2002, p. 23).
11
FIGURA 2.03 – CURVA CARACTERÍSTICA TORQUE X VELOCIDADE
FONTE: ROCHA, J.E. Acionamentos Elétricos. Curitiba: Cefet-PR, 2002.
2.3
BATERIAS
Os
acumuladores,
muitas
vezes
conhecidos
como
baterias,
são
dispositivos cuja função é permitir que durante o seu fenômeno de descarga,
transformem a energia química em energia elétrica. Isto ocorre por meio de uma
reação eletroquímica de óxido - redução. Já durante o processo de carga, pode-se
ter o processo no sentido contrário, em que a energia elétrica é convertida em
energia química (DIAS; KARASINSKI, 2003 cap. 2).
Ao se submeter uma bateria a um processo de carga, a eletrólise da água
do eletrólito produz hidrogênio no eletrodo negativo e oxigênio no eletrodo positivo,
com isso pode-se concluir que nas baterias ventiladas pode-se ter perda de água e
como conseqüência disto deve-se repor água durante sua vida útil (DIAS;
KARASINSKI, 2003 cap. 2).
Durante o processo de carga de uma bateria, o primeiro gás a ser
produzido é o oxigênio, já o hidrogênio é produzido quando se tem praticamente a
placa negativa carregada. Devido à baixa eficiência de carga da placa positiva, é
que pode se ter um espaço de tempo entre a produção do oxigênio e do hidrogênio
(DIAS; KARASINSKI, 2003 cap. 2).
12
2.3.1 Funcionamento de uma Bateria
Dióxido de chumbo (PbO2), é uma substância que possui grande tendência
de receber elétrons, enquanto que o chumbo metálico (Pb), tem uma grande
tendência de doar elétrons. A isso pode se chamar diferença de potencial (ADELCO
2001).
Assim, se forem colocados em contato chumbo metálico com dióxido de
chumbo, e se estabelecerem condições para que os elétrons possam se locomover
de um lado para o outro, a transferência de elétrons do chumbo para o dióxido de
chumbo se dará com extrema facilidade. O meio utilizado para a transferência de
elétrons no caso das baterias automotivas é uma solução de ácido sulfúrico, pela
sua boa estabilidade térmica, alta condutividade iônica, baixo nível de impurezas e
baixo custo (ADELCO 2001).
A configuração mais simples para um acumulador elétrico seria a de uma
placa negativa (chumbo - Pb) e uma positiva (dióxido de chumbo - PbO2) separadas
por um separador poroso e imersa na solução se ácido sulfúrico. A isso pode se
denominar célula. Cada célula possui uma tensão de 2 volts, dada pela diferença de
potencial entre os elementos utilizados. A quantidade de carga elétrica que essas
placas podem oferecer é definida pela quantidade de material ativo presente, então,
teoricamente, quanto maior a placa maior a carga disponível. Para que não se tenha
que fazer baterias imensas, ao invés de serem aumentados os tamanhos das
placas, liga-se uma placa positiva a uma placa positiva original e uma outra placa
negativa à placa negativa original (ligação em paralelo) tendo desta forma o que
pode ser chamado de elemento (ADELCO 2001).
Para se obter uma bateria de 12 volts, basta que sejam ligados 6
elementos, de 2 Volts cada, de modo que as placas positivas de um elemento se
liguem às placas negativas de outro (ligação em série) (ADELCO 2001).
Esses seis elementos estão dentro da bateria em compartimentos
separados para que não ocorra contato entre as soluções, o que causaria um
circuito elétrico fechado, descarregando a bateria. Na descarga que ocorre quando a
eletricidade passa por um circuito elétrico externo, para a realização de um trabalho,
como por exemplo, girar o motor de partida, acendendo uma lâmpada, os elétrons
saem da placa de chumbo (placa negativa) pela grade e chegam a placa de dióxido
de chumbo (placa positiva) fechando um circuito elétrico (ADELCO 2001).
13
2.3.2 Utilização Correta das Baterias
As baterias são normalmente especificadas de acordo com a quantidade
de eletricidade armazenada, expressa em termos de capacidade de descarga a 20
horas. Assim uma bateria de 36 Ah, é aquela que dá 36 Ah em 20 horas de
descarga, ou de outra maneira, irá demorar 20 horas para se descarregar a uma
corrente de 1,8A. A indústria também especifica qual a corrente de partida que uma
bateria irá fornecer, mas em geral essa já vem definida junto com a capacidade. A
indústria automobilística também define para cada modelo de automóvel qual a
bateria (em termos de capacidade) adequada (MOURA 2003).
Uma bateria de capacidade menor que a adequada será mais exigida na
hora de partida do veículo e portanto sofrerá ciclos de descarga mais profundos que
os normais, encurtando a vida útil da mesma. Por outro lado, uma bateria com
capacidade maior do que a recomendada para o veículo, não será adequadamente
recarregada pelo sistema de recarga do veículo, permanecendo por maiores
períodos em estado de carga parcial ou de descarga. A permanência da bateria por
longos períodos em estado parcial de carga traz dois inconvenientes à aceleração
da corrosão das placas positivas e formação de micro curtos-circuitos (MOURA
2003).
A tensão de recarga de uma bateria deve estar em torno dos 13,8 a 14,8
Volts. Tensões maiores aceleram as reações de consumo de água e de corrosão
das placas positivas. Finalmente a bateria deve estar bem fixada nos veículos para
impedir vibrações excessivas que provocam queda de massa das placas e,
conseqüentemente, perda da capacidade (MOURA 2003).
O usuário deve portanto, utilizar somente a bateria especificada para o
veículo, mantê-la bem afixada e, ao mesmo tempo, garantir que o sistema de
recarga esteja em bom estado impedindo situações de sub ou sobrecarga. Somente
assim será possível para o usuário desfrutar da longa vida e da pouca necessidade
de manutenção que as tecnologias modernas incorporadas na fabricação da bateria,
podem lhe proporcionar (MOURA 2003).
14
2.3.3 Classificação das Baterias Quanto à sua Aplicação
a) Acumuladores Ventilados
a.1) Acumuladores de Alta Intensidade de Descarga
Estes tipos de baterias são ideais para aplicações em que há alta descarga
e a vida longa das mesmas são condições essenciais. São utilizadas em aplicações
estacionárias como sistemas “no-break”, arranque de motores de turbina, inversores,
grupos motogeradores, freios magnéticos entre outras (NBR - 14197, 1998).
a.2) Acumuladores de Média Intensidade de Descarga
A característica peculiar deste tipo de bateria é quanto ao seu tempo de
descarga que é entre uma e vinte horas. São indicadas em aplicações estacionárias
como subestações, aeroportos, hospitais, centrais elétricas entre outras inúmeras
aplicações (NBR - 14197, 1998).
a.3) Acumuladores de Baixa Intensidade de Descarga
Já estes tipos de baterias são indicados para casos onde há pequena
autodescarga e grandes intervalos entre períodos de manutenção são necessários.
Também são utilizadas para aplicações estacionárias como sistemas fotovoltaicos,
equipamentos de emergência, sinalização marítima, estações de bombeamento,
faróis de transmissores de navegação entre várias outras. As baterias deste modelo
têm como característica principal reter até 85% de sua capacidade nominal, após
permanecerem um ano em circuito aberto com temperaturas na faixa de 25°C (NBR
- 14197, 1998).
b) Acumuladores Regulados à Válvula
No quadro 2 pode-se ter uma breve noção de alguns tipos de
acumuladores regulados à válvula. Na primeira coluna estão relacionados a que
15
grupo pertencem e qual a sua via útil em média, já na segunda coluna estão
algumas definições sobre cada modelo, e na terceira coluna estão citados alguns
tipos de aplicações para cada tipo.
2.3.4 Classificação dos Acumuladores Quanto à Construção
Classificando os acumuladores quanto ao seu tipo de construção pode-se
ter:
•
Chumbo – Ácido (ácida);
•
Níquel – Cádmio (alcalina);
•
Níquel – Ferro (alcalina);
•
Níquel – Zinco (alcalina);
•
Prata – Zinco (alcalina);
•
Prata – Cádmio (alcalina);
•
Níquel ou Prata – Hidrogênio (alcalina);
•
Zinco – Óxido de Manganês (alcalina).
QUADRO 2 – ACUMULADORES REGULADOS À VÁLVULA
Grupo
Alta Integridade
Acima de dez anos
Alto Desempenho
Dez anos
Uso Geral
5 a 8 anos
Padrão Comercial
3 a 5 anos
Definição
Acumuladores que apresentam elevados índices de
desempenho, segurança e integridade mecânica, tendo
uma expectativa de vida útil superior a dez anos.
Acumuladores que apresentam índices de
desempenho, segurança inferiores a do grupo. Alta
integridade, tendo uma expectativa de vida útil de dez
anos.
Acumuladores em que as exigências de durabilidade e
segurança não são requisitos essenciais, tendo uma
expectativa de vida útil de 5 a 8 anos.
Acumuladores cujas exigências técnicas são as
mínimas necessárias para atender o uso em aplicações
comerciais comuns, tendo uma expectativa de vida útil
de 3 a 5 anos.
FONTE: NBR – 14204, Rio de Janeiro 1998.
Aplicação
Uso em instalações que
requerem alto grau de
confiabilidade do sistema.
Uso em instalações que
requerem médio grau de
confiabilidade do sistema.
Uso em instalações que a
confiabilidade do sistema não é
um requisito fundamental.
Uso típico em equipamentos de
emergência de pequena
capacidade ou portáteis.
16
2.3.5 Partes Constituintes de uma Bateria
As partes que compõem uma bateria podem ser verificadas na figura 2.04.
a) Grade
Nas baterias, as grades são feitas com uma liga dos elementos chumbo e
cálcio que caracteriza uma geração de baterias que realmente não necessitam de
nenhuma manutenção ou adição de água.
Além disso, pode-se listar as seguintes vantagens:
• melhor condutividade;
• menor taxa de auto-descarga;
• maior resistência à degradação térmica;
• maior resistência à corrosão.
FIGURA 2.04 – PARTES CONSTITUINTES DE UMA BATERIA.
FONTE: PAMPA.Disponível em http://www.bateriaspampa.com.br/_delphi2.htm Acesso em 02 de
Janeiro de 2004.
17
b) Placa
Uma vez empastadas com o material ativo, as grades passam a ser
chamadas de placas.
São grades produzidas com uma liga de chumbo onde é aplicada uma
massa de óxido de chumbo adicionada de outras substâncias que responderão por
determinadas reações.
Estão diferenciadas em placas positivas e negativas e são responsáveis
pelo acúmulo e condução de corrente elétrica.
c) Separador
É utilizado para evitar que as placas se toquem e causem um curto-circuito.
O separador utilizado na maioria das baterias é microporoso e encapsula todas as
placas negativas, ou seja, as placas são envelopadas.
d) Conectores de Placas
Têm como função unir as placas de um mesmo tipo, formando grupos
positivos e negativos, e fazer a integração entre as células.
e) Elemento
É um grupo de placas positivas e negativas intercaladas. Cada elemento
gera 2 volts; portanto, são necessários 6 elementos para se conseguir uma bateria
de 12 volts.
f) Caixa / Tampa
As caixas e tampas são feitas com um material leve, o polipropileno de alta
impacto, excepcionalmente resistente e durável. As caixas resistem às vibrações
que ocorrem em serviço e em diversos tipos de terreno, e são divididas em 6 células
para abrigar cada elemento.
18
g) Solução
Composta por 35% de ácido sulfúrico e 65% de água destilada essa
solução é indispensável para as reações químicas que deverão ocorrer.
Quando o processo de carga e descarga ocorre há alteração da densidade
da solução pela diminuição de ácido (descarga) ou o inverso (carga). Por este
referencial pode-se medir naturalmente o estado de carga da bateria.
h) Capacidade de um Acumulador
Umas das características consideradas mais importantes para as baterias
é a sua capacidade, em outras palavras a quantidade de corrente elétrica que pode
ser obtida através das reações eletroquímicas que nela ocorrem.
A medição da capacidade de uma bateria é feita através da corrente de
descarga constante, como o produto desta corrente pelo tempo transcorrido desde o
início da descarga até que o potencial caia a um valor predeterminado.
2.4
SISTEMA DE CONTROLE
2.4.1 Microcontroladores
Com o avanço da tecnologia e a utilização da eletrônica digital por grande
parte das empresas, o emprego de microcontroladores vêm sendo muito requisitado
para um melhor desenvolvimento da produção, diminuindo os custos e trazendo
benefícios para as empresas que utilizam esse dispositivo (CASARE 2001).
É importante salientar que, considerando a relação custo / benefício, os
microcontroladores podem não só ser usados em empresas de médio / grande porte,
como podem também ser utilizado em vários projetos de eletrônica, na substituição
de vários componentes digitais, obtendo-se assim no final do projeto um melhor
acabamento – pois um microcontrolador ocupa um menor espaço físico e uma maior
eficiência e praticidade, uma vez que todos os comandos seriam executados via
software (CASARE 2001).
19
Antes de um aprofundamento no assunto microcontroladores, é importante
se conhecer um pouco da história desses componentes desde as suas origens. Na
década de 70 começaram a ser utilizados microprocessadores em computadores
para uma maior eficiência no processamento de dados (CASARE 2001).
O microprocessador Intel foi um dos precursores e, a partir daí, houve uma
preocupação em melhorar cada vez mais o sistema de processamento de dados
através desses componentes. Baseado na arquitetura de um microprocessador e
seus periféricos foi criado um componente que (fisicamente em uma unidade)
comportasse todo um sistema que equivalesse a um microprocessador e seus
periféricos, assim surgiu o microcontrolador.
Existem no mercado muitos tipos de microcontroladores, sendo o 8051 o
mais popular. O microcontrolador reúne num único componente vários elementos de
um sistema, antes baseado em um microprocessador e auxiliado por vários
componentes independentes tais como memória RAM, ROM, comunicação serial,
conversores A/D, etc. A memória de programa pode ser ROM, FLASH ou outro tipo.
A ATMEL possui uma enorme família de componentes com as mesmas
características do 8051, alguns até com as mesmas pinagens dos registradores;
outros com pinagens diferentes, mas com o mesmo conjunto de instruções, com
clock de 4 MHz até aproximadamente 10 MHz. A DALLAS Semicondutores tem um
microcontrolador de alta performance, de até 90MHz, compatível com 8051
(CASARE 2001).
O microcontrolador é um dispositivo programável que utiliza células
especiais, chamadas registradores, para processar informações. Os registradores
são grupos de 8 ou 16 flip-flops, dispositivos capazes de armazenar 2 níveis de
tensão. Um grupo de 16 bits é conhecido como palavra para processadores de 16
bits, que pode ser dividida em grupos de 8 bits chamados bytes, e grupos de 4 bits
chamados nibbles (CASARE 2001).
a) Programação
Para programação desses dispositivos pode-se utilizar linguagem de alto
ou baixo nível de acordo com as características do projeto, dado que programas em
alto nível otimizam o tempo de desenvolvimento, porém ocupam maior espaço na
20
memória do dispositivo e, conseqüentemente, levam mais tempo para serem
executados.
b) Sistemas Digitais e Analógicos
CASARE, Leandro. (2001) refere-se a sistemas analógicos e digitais
afirmando que:
Os termos tempo contínuo e analógico são equivalentes quando empregados
para caracterizar sinais e sistemas. Sinais analógicos são funções de uma
variável de tempo contínuo e sistemas analógicos são aqueles que
manipulam sinais analógicos. De maneira análoga, os termos tempo discreto
e digital são também equivalentes. Um sinal de tempo discreto existe apenas
em instantes específicos de tempo. Sistemas de tempo discreto são aqueles
que manipulam sinais digitais.
Microcomputadores e microprocessadores digitais são largamente utilizados
na indústria atual, seja para controle dos processos. No entanto, um grande
número de sistemas industriais é de natureza analógica. Sempre que um
microcomputador faz parte de um sistema analógico a presença de
conversores A/D (Analógico Digital) e D/A (Digital Analógico) se faz
necessária. Cada sinal analógico que será processado por um computador
digital deve primeiro ser convertido de analógico para digital por um conversor
A/D.
Paralelamente, cada valor digital que irá influenciar o sistema analógico
deverá primeiro ser convertido de digital para analógico por um conversor
D/A. Como a saída do computador digital não muda até que os próximos
cálculos e conversões D/A sejam completados, o sinal analógico gerado por
alguns conversores D/A são mantidos constantes durante cada ciclo.
c) Diagrama de Blocos de um Microcontrolador
O microcontrolador possui 32 linhas de comunicação divididas em quatro
portas de oito bits como pode ser verificado na figura 2.05. Tais linhas podem ser
utilizadas como entrada ou saída em um mesmo programa, de acordo com os
valores carregados em registradores específicos de definições. Através destes
registradores é possível também definir o estado inicial da porta, nível alto ou nível
baixo, ou até mesmo definir linhas de entrada em tri-state. Através destas linhas
se executam todas as rotinas de controle do meio externo definidas pelo
programador. Os microcontroladores são amplamente utilizados em sistemas de
controle industrial (CASARE 2001).
21
FIGURA 2.05 – DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM MICROCONTROLADOR
FONTE: FACENS. Disponível em http://www.li.facens.br/~f98387/download/Microcontrolador_AT90S8515.pdf
Acesso em 02 de Janeiro de 2004.
22
d) RISC Versus CISC
A tecnologia RISC (Reduced Instruction Set Computing) foi desenvolvida
pela IBM nos anos 70 e o primeiro chip surgiu em 1980. Sua proposta baseou-se em
um
conjunto
reduzido
de
instruções,
sendo
definidas
apenas
as
mais
freqüentemente utilizadas e se evitando o uso de microcódigos. As instruções
também seriam simplificadas, trabalhando com apenas um operando (SUELY 1996).
A maioria dos sistemas embutidos (e também dos microcontroladores) está
baseada no conceito CISC – Computador com Conjunto de Instruções Complexo (do
inglês Complex Instruction Set Computer).
Uma CPU CISC normalmente tem mais de 100 instruções e muitas delas
são poderosas e específicas para realização de algumas tarefas. O programador é
muito exigido, pois cada instrução se porta de uma maneira específica. Algumas
operam somente em certos espaços de endereços ou registradores e outras podem
somente reconhecer um certo tipo de modo de endereçamento. Este tipo de CPU
está restrita às CPU’s de baixo desempenho, pois uma grande quantidade da área
do CI é gasta para implementar a lógica de controle (ZELENOVSKY 2003).
O conceito RISC, que é o complementar de CISC, está se espalhando
pelos sistemas dedicados. O termo RISC significa Computador com Conjunto de
Instruções Reduzido (do inglês Reduced Instructions Set Computer). Essas
máquinas oferecem poucas instruções e, por isso, sua unidade de controle é mais
simples permitindo que se logre uma melhor otimização. Os benefícios do RISC,
além do melhor desempenho, são um menor CI, uma menor quantidade de pinos e
um menor consumo de energia (ZELENOVSKY 2003).
Com a evolução e desdobramento do mercado de microcontroladores e
sistemas embutidos, surge o conceito SISC – Computador com Conjunto de
Instruções Específico (do inglês Specific Instruction Set Computer). A idéia agora é
limitar ou especializar os recursos da CPU em benefício de outras tarefas como I/O,
interrupções e acesso à memória e, além disso, incluir instruções que facilitem a
manipulação de “bits”, de canais de I/O, de temporização, etc. Ou seja, a CPU é
enxuta e com várias instruções para facilitar as operações de controle
(ZELENOVSKY 2003).
23
2.4.2 Modulação por Largura de Pulso (PWM)
Nas modulações do tipo PWM, enquanto a chave permanece operando o
tempo é um fator que vai variando, enquanto a freqüência é mantida constante.
O resultado da comparação entre o sinal de controle dito modulante com
uma onda do tipo periódica chamada também de portadora é o sinal de comando
(POMILIO, 2004).
Na figura 2.06 pode se ter uma exemplificação de uma forma de onda
deste tipo.
FIGURA 2.06 – MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO
FONTE: POMILIO, A.J. Fontes Chaveadas. Campinas: Unicamp, 2004.
Quando se deseja que a relação entre o sinal de controle e a tensão de
saída seja do tipo linear, é necessário que a freqüência da onda dita portadora seja
no mínimo de 10 vezes mais que a freqüência da onda modulante, visando desta
maneira facilitar a filtragem do valor médio do sinal modulado para que o sinal de
controle possa ser recuperado (POMILIO, 2004).
a) Espectro Harmônico de Sinal PWM
O resultado da modulação de um nível contínuo, produzido através de dois
níveis de tensão com a freqüência das ondas do tipo triangular pode ser
demonstrado com a figura 2.07. Já na figura 2.08 tem-se representado o espectro
desta mesma onda, onde é identificado que a reprodução do sinal modulante se dá
através de uma componente contínua (ROCHA, 2002).
24
FIGURA 2.07 – MODULAÇÃO PWM DE NÍVEL CONTÍNUO
FIGURA 2.08 – ESPECTRO DE SINAL PWM
b) Modulação PWM com Freqüência de Portadora Variável
Quando se tem um sinal com uma freqüência de chaveamento que não é
fixa, pode-se obter um espalhamento do espectro, desde que a freqüência varie
dentro de um limite aceitável e de uma forma aleatória fazendo assim com que as
componentes de alta freqüência do espectro não estejam concentradas, mas em
torno da freqüência de base. Isto pode ser verificado na figura 2.09 (ROCHA, 2002,
p. 23).
25
FIGURA 2.09 – ESPECTRO DE SINAL PWM COM PORTADORA DE FREQÜÊNCIA VARIÁVEL
c) Vantagem do Uso da Modulação PWM
A grande vantagem do uso circuitos PWM como controladores contra os
circuitos resistivos é quanto à eficiência. O PWM trabalha com eficiência quase 1
(menos de 1% de perda), para um circuito resistivo trabalhando a 50% da carga. Isto
é uma grande vantagem para fontes de energia renovável.
Uma outra grande vantagem é que, na modulação de largura de pulso, os
pulsos estão com o valor nominal de pico, gerando um maior torque nos motores.
Um controlador resistivo, já que deverá ter uma tensão reduzida, poderá
causar parada de um motor devido ao torque reduzido. Além disso, podem-se usar
potenciômetros menores para controlar uma variedade de cargas, ao contrário dos
resistivos que usam reostatos grandes e caros.
d) Desvantagem no uso da modulação PWM
Uma das desvantagens do PWM é a complexidade e a possibilidade de
gerar interferência de rádio freqüência (RFI). A RFI pode ser minimizada colocando
o controlador perto da carga e em alguns casos, usando filtros adicionais.
26
2.4.3 Semicondutores
Desde a invenção do primeiro tiristor de junção PNP, pelos laboratórios
Bell em 1957, houve um grande avanço nos dispositivos semicondutores de
potência (OTTO, 2000).
Para serem aplicados em sistemas de elevada potência e substituírem as
rudimentares válvulas ignitron, phanotron e thyratron, os dispositivos semicondutores
devem ser capazes de suportar grandes correntes e elevadas tensões reversas em
seu chaveamento. Além disso, em várias aplicações de eletrônica de potência, há
necessidade de uma operação em elevadas freqüências de chaveamento dos
dispositivos semicondutores, como, por exemplo, os inversores de tensão,
necessários para a construção de filtros ativos de potência. Dessa forma, os
dispositivos semicondutores devem possuir baixas perdas de potência durante o
chaveamento (OTTO, 2000).
Até 1970, os tiristores convencionais foram exclusivamente usados para o
controle de potência em aplicações industriais. Desde 1970, vários tipos de
dispositivos semicondutores de potência foram desenvolvidos e se tornaram
disponíveis comercialmente. Estes dispositivos podem ser amplamente divididos em
cinco tipos: os diodos de potência, os tiristores, os transistores bipolares de junção
de potência, os MOSFET’s de potência, os SIT’s (Static Induction Transistor) e os
IGBT’s (Insulated Gate Bipolar Transistor) (OTTO, 2000).
a) Transistor Bipolar de Potência
Um transistor bipolar (ou de junção) é, basicamente, um dispositivo que
permite controlar a corrente que entra num dos terminais, através da corrente
injetada em outro terminal. A construção de um transistor bipolar é semelhante à de
um diodo, mas com duas junções muito próximas. Pode apresentar-se em duas
versões, conforme a seqüência de tipos de semicondutores: PNP ou NPN como
demonstrado nas figuras 2.10 e 2.11 (OTTO, 2000).
27
FIGURA 2.10 – SIMBOLOGIA DE UM TRANSISTOR BIPOLAR PNP
FONTE: UALG. Disponível em http://w3.ualg.pt/~jmariano/introele Acesso em 24 de Janeiro de 2004
FIGURA 2.11 – SIMBOLOGIA DE UM TRANSISTOR BIPOLAR NPN
Tomando como base o caso de um transistor NPN. As considerações são
válidas, com as devidas alterações, para um transistor PNP (essas alterações são,
basicamente, a inversão dos sentidos das correntes e da polaridade das fontes de
tensão) (OTTO, 2000).
Para o transistor funcionar em regime linear, é necessário que uma das
junções esteja polarizada diretamente (base-emissor), e a outra (base-coletor)
polarizada inversamente. Nestas condições, considerando as correntes e tensões
indicadas na figura 2.12.
FIGURA 2.12 – FUNCIONAMENTO DE UM TRANSISTOR BIPOLAR NPN
28
Estas quantidades relacionam-se entre si: um modelo pormenorizado do
transistor estabelece uma relação entre estas seis variáveis (das quais apenas
quatro são independentes). No entanto, para uma grande parte das situações
práticas, pode-se utilizar um modelo simplificado (OTTO, 2000).
Em um modelo do tipo simplificado pode-se considerar que o seu
funcionamento linear se baseia nas seguintes condições:
• A corrente de coletor é proporcional à corrente de base quando o
transistor se encontra afastado das zonas de corte (IC = 0) e de saturação (IC apenas
limitada pelos elementos externos).
• A tensão entre a base e o emissor (VBE) é constante quando em
condução. Esta junção comporta-se como um diodo que, nesta aproximação,
corresponde a um diodo ideal.
b) MOSFET
Os MOSFET`s são dispositivos de três terminais, acionados por tensão, ao
contrário do transistor bipolar e do tiristor que são acionados por corrente e possuem
uma habilidade de operar em altas freqüências, por terem tempos de comutação
muito curtos (BARBI 2001).
Uma seção transversal de um MOSFET é mostrada na figura 2.13. Para
uma tensão positiva entre o gatilho (G) e a source (S), haverá uma indução de
cargas negativas (n) no canal que permitirá condução de corrente entre o dreno (D)
e a fonte (S), para uma tensão positiva VDS (BARBI 2001).
FIGURA 2.13 – SEÇÃO TRASVERSAL DE UM MOSFET TIPO N
FONTE: UFC. Disponível em http: //www.dee.ufc.br/~fantunes/Elet_Potencia/cap01.pdf Acesso em
29 de Janeiro de 2004.
29
O MOSFET, quando em condução, é essencialmente um dispositivo
resistivo. Por apresentar uma resistência de condução relativamente alta é
usualmente utilizado como um dispositivo de chaveamento (BARBI 2001).
A exemplificação do modelo de um MOSFET tipo n pode ser verificada
através da figura 2.14.
O MOSFET apresenta uma certa capacitância parasita, e sua característica
de chaveamento dependerá das constantes de tempo relativas a estes elementos
capacitivos. A figura 2.15 mostra as capacitâncias parasitas do dispositivo já a figura
2.16 mostra o circuito empregado para analisar a característica de chaveamento. Na
figura 2.17 são mostradas as formas de onda durante a condução e na 2.18 as
formas de onda durante o bloqueio (BARBI 2001).
FIGURA 2.14 – SIMBOLOGIA DE UM MOSFET TIPO N
FIGURA 2.15 – CAPACITÂNCIAS PARASITAS DE UM MOSFET
30
FIGURA 2.16 – MODELO PARA ANÁLISE DE CHAVEAMENTO
FIGURA 2.17 – FORMAS DE ONDA DURANTE A ENTRADA EM CONDUÇÃO
31
FIGURA 2.18 – FORMAS DE ONDA DURANTE O BLOQUEIO
02 de Fevereiro de 2004.
Os dispositivos semicondutores estão mudando de estrutura bipolar para
dispositivos com gatilhamento a óxido de metal (MOS). Projeta-se uma redução de
peso e tamanho nos dispositivos semicondutores, bem como um aumento na
eficiência dos sistemas à base de eletrônica de potência. Os transistores bipolares,
embora extremamente populares nos anos 50, foram substituídos pelos MOSFET de
potência e IGBT. Futuramente, espera-se que as chaves a base de silício sejam
substituídas por equivalentes à base de carboneto de silício.
Na figura 2.19 é ilustrada uma evolução dos semicondutores de potência.
FIGURA 2.19 – EVOLUÇÃO DOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA
09 de Fevereiro de 2004.
32
c) IGBT
O IGBT reúne a facilidade de acionamento dos MOSFET’s e sua elevada
impedância de entrada com as pequenas perdas em condução dos TBP
(Transistores Bipolares de Potência). Sua velocidade de chaveamento é
determinada, “em princípio”, pelas características mais lentas – as quais são devidas
às características do TBP. Assim, a velocidade dos IGBT’s é semelhante à dos TBP;
no entanto, nos últimos anos tem crescido gradativamente, permitindo a sua
operação em freqüências de dezenas de kHz, nos componentes para correntes na
faixa de dezenas e até centenas de Ampères (OTTO 2000).
Juntando o que há de bom nesses dois tipos de transistores, o IGBT é um
componente que se torna cada vez mais recomendado para comutação de carga de
alta corrente em regime de alta velocidade.
A figura 2.20 contém uma comparação entre os principais dispositivos
semicondutores de potência quanto às suas características de tensão, corrente e
freqüência de operação. Pode ser visto que os tiristores são os dispositivos que
conseguem suportar os maiores valores de corrente e tensão, mas não podem
operar em freqüências de chaveamento elevadas.
FIGURA 2.20 – LIMITES DE OPERAÇÃO DE SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA
FONTE: UFRJ. Disponível em http: //www.gta.ufrj.br/grad/01_1/igtb Acesso em 10 de Janeiro de
2004
33
Os IGBT’s possuem uma capacidade de suportar maiores tensões e
podem operar em mais altas freqüências que os transistores bipolares de potência e
podem suportar maiores tensões e correntes que os MOSFET’s de potência. A
região de operação segura do IGBT é maior que as regiões reservadas ao MOSFET
e ao transistor TBP, o que era desejado (OTTO 2000).
Na estrutura do IGBT, é importante notar que o terminal de porta está
conectado a duas regiões – isoladas do material semicondutor através de uma
camada isolante de óxido de silício (SiO2) – ao invés de ser apenas uma região
como se costuma ver em MOSFET’s. O IGBT apresenta formação de dois canais ao
invés de apenas um (OTTO 2000).
O IGBT é freqüentemente utilizado como uma chave, alternando os
estados de condução e corte os quais são controlados pela tensão de porta (OTTO
2000).
2.4.4 Conversores
A grande maioria dos acionamentos das máquinas de corrente contínua é
feita utilizando-se conversores do tipo abaixadores de tensão, ou seja, aqueles nos
quais a tensão média aplicada à carga é menor do que a tensão de alimentação do
conversor (POMILIO 2001).
Já os conversores do tipo elevadores de tensão são usados quando se
deseja frenar a máquina, com envio de energia para a fonte (frenagem
regenerativa). Este tipo de conversores são denominados de recortadores,
pulsadores, chaveadores (POMILIO 2001).
São exemplos de conversores CC-CC aplicáveis aos motores de corrente
contínua os conversores tipo Push-Pull, Full-Bridge (ponte completa), e Half-Bridge
(meia-ponte) (POMILIO 2001).
a) Push-Pull
Os conversores do tipo Push-Pull são utilizados em aplicações em que se
têm pequenas potências, devido ao fato de ele provocar um mau aproveitamento do
transformador, dificultando a prevenção e até mesmo a eliminação da saturação do
núcleo, e isto se deve à desigualdade entre os tempos de comutação dos
34
interruptores (BARBI 2001).
Sua utilização é recomendada para aplicação em baixas tensões pois o
mesmo submete os interruptores a tensões elevadas (BARBI, 2001).
Sua configuração é demonstrada através da figura 2.21, e o seu princípio
de funcionamento é o seguinte (RASHID, 1999):
Quando o transistor Q1 passa a conduzir, uma tensão denominada Vs
surge na metade do enrolamento primário, já quando Q2 passa a conduzir, a tensão
denominada Vs é aplicada sobre a outra parte do enrolamento primário do
transformador (RASHID, 1999).
A tensão que surge no enrolamento primário pode variar de –Vs a Vs, logo
em termos ideais a corrente média através do transformador deve ser zero.
Os transistores Q1 e Q2 operam em um ciclo de trabalho na faixa de 50%.
A tensão de circuito aberto é considerada duas vezes maior que a tensão da fonte, e
a corrente média de um dos transistores é a metade da corrente que circula pela
fonte. Como a tensão do circuito aberto do transistor é, como já citado
anteriormente, o dobro da tensão da fonte, pode-se afirmar que esse tipo de
configuração é ideal para aplicações de baixa tensão.
FIGURA 2.21 – CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO PUSH-PULL
FONTE: HASHID, H.M. Projetos de Fontes Chaveadas. São Paulo, 1999.
b) Full-Bridge
Este tipo de conversor é utilizado para aplicações onde se tem potências
maiores que 750W (POMILIO, 2001)
Sua configuração é ilustrada na figura 2.22, e seu funcionamento se dá da
35
seguinte maneira (RASHID, 1999):
Quando o transistor Q1 e Q2 passam a conduzir, uma tensão denominada
tensão da fonte (Vs) surge no primário do transformador, já quando Q3 e Q4 passam
a conduzir, a tensão no primário Vs é invertida para -Vs (RASHID 1999).
Já neste caso, diferente ao que ocorre com os conversores tipo Push-Pull,
a tensão de circuito aberto do transistor é considerada igual a tensão da fonte, e a
corrente média de um dos transistores é a metade da corrente que circula pela fonte
(RASHID 1999).
Neste tipo de configuração o circuito opera em um limite mínimo de tensão
e corrente dos transistores.
FIGURA 2.22 – CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO FULL-BRIDGE
Q3
FONTE: HASHID, H.M. Projetos de Fontes Chaveadas. São Paulo, 1999.
c) Half-Bridge
Estes tipos de conversores são indicados pra aplicações onde se tenham
potências inferiores a 500W.
Sua configuração é demonstrada através da figura 2.23, e seu
funcionamento se dá da seguinte maneira (RASHID 1999):
Quando o transistor Q1 passa a conduzir, uma tensão surge sobre o
enrolamento primário do transformador e esta tensão é a metade da tensão Vs, isto é
Vs
V
já quando Q2 passa a conduzir, uma tensão inversa a s surge no primário do
2
2
transformador (RASHID 1999).
A tensão que surge no enrolamento primário pode variar de –
Vs
V
a s .
2
2
36
A tensão de circuito aberto é considerada igual à tensão da fonte, e a
corrente máxima do transistor é igual a duas vezes a corrente que circula pela fonte
(RASHID 1999).
FIGURA 2.23 – CONFIGURAÇÃO DE UM CONVERSOR TIPO HALF-BRIDGE
FONTE: RASHID, H.M. PROJETOS DE FONTES CHAVEADAS. SÃO PAULO, 1999.
2.5
ADAPTAÇÃO MECÂNICA
2.5.1 Máquinas Simples
A palavra máquina desperta a imediata lembrança de um mecanismo
complicado pois se leva a pensar em algo como: a locomotiva de uma estrada de
ferro, um motor de automóvel, a máquina de costura, de escrever, de lavar roupa
etc. Toda máquina, porém, por mais complexa que pareça, não passa de
combinações inteligentes de algumas peças isoladas, as quais são denominadas por
máquinas simples. Fisicamente, não passam de duas, a alavanca e o plano
inclinado. Porém, historicamente, se poderia citar a existência de quatro: alavanca,
polia, plano inclinado e roda/eixo. Sob o ponto de vista do equacionamento, as
polias e as rodas acopladas em seus eixos, podem ser estudadas como
convenientes associações de alavancas (NETTO 2004).
Toda máquina simples é um dispositivo, tecnicamente, uma única peça,
capaz de alterar uma força que pode ser em intensidade, direção ou sentido, com o
intuito de ajudar o homem a cumprir uma determinada tarefa com um mínimo de
esforço muscular. De modo geral, o objetivo da máquina é multiplicar a intensidade
de uma força (NETTO 2004).
37
Na figura 2.24 é demonstrada um exemplo de máquina simples.
FIGURA 2.24 – CONFIGURAÇÃO DE UMA MÁQUINA SIMPLES
FONTE:FEIRA DE CIÊNCIAS. Disponível em http://www.feiradeciencias.com.br/sala06/06_RE05.asp
Acesso em 14 de Fevereiro de 2004
2.5.2 Rodas e Eixos
A associação de rodas e eixos constitui uma máquina simples, com a
finalidade de multiplicar forças. Duas rodas acopladas a um mesmo eixo ou duas
rodas acopladas por correia são exemplos de dispositivos simples capazes de
multiplicar forças (NETTO, 2004).
Em uma das rodas que pode ser denominada de roda motriz, o operador
aplica sua força, em geral empunhando uma manopla (punho) e a outra roda que
por sua vez é denominada roda de carga, transmite a força multiplicada pela
máquina (NETTO, 2004).
Como nas demais máquinas, esses acoplamentos entre rodas e eixos
obedecem ao princípio da conservação do trabalho, de modo que, se os raios das
rodas são diferentes, pode-se ganhar em força (força transmitida maior que a força
aplicada) mas também, perder em distância (o deslocamento tangencial da força
aplicada é maior que o deslocamento tangencial da força transmitida) (NETTO,
2004).
Na figura 2.25 é demonstrado um exemplo de uma associação entre rodas
e eixos.
38
FIGURA 2.25 – CONFIGURAÇÃO DE SISTEMA DE RODAS E EIXOS
FONTE: FEIRA DE CIÊNCIAS. Disponível em:
http://www.feiradeciencias.com.br/sala06/06_RE05.asp Acesso em 21 de Fevereiro de
2004.
2.5.3 Engrenagens
Quando se acoplam rodas através de uma correia, os esforços que se
opõem à força transmitida podem ser tais que fazem a correia deslizar. Nessas
situações é conveniente dentear os bordos das rodas e substituir a correia por uma
corrente que engata perfeitamente nos dentes da engrenagem (NETTO 2004).
A figura 2.26 demonstra uma configuração de engrenagens.
FIGURA 2.26 – CONFIGURAÇÃO DE SISTEMA DE ENGRENAGENS
FONTE: FEIRA DE CIÊNCIAS. Disponível em:
2004
39
A bicicleta, pelo seu sistema de transmissão mediante rodas dentadas e
corrente, é exemplo real e pode ser observada através da figura 2.27.
FIGURA 2.27 – CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA DE ENGRENAGENS DE UMA BICICLETA
FONTE: FEIRA DE CIÊNCIAS. Disponível em
2004
2.6
CONCLUSÃO
Os conceitos apresentados neste capítulo são considerados como base
para o desenvolvimento do projeto proposto. Nele foram descritos algumas
topologias e funcionalidades sobre: motores elétricos, baterias, microcontroladores,
conversores, semicondutores de potência , rodas, eixos e engrenagens.
No capítulo que se segue será relatada a metodologia utilizada para o
desenvolvimento do projeto e a construção do protótipo, utilizando na prática os
conceitos abordados neste capítulo.
40
3
3.1
METODOLOGIA E RESULTADOS EXPERIMENTAIS
INTRODUÇÃO
Neste capítulo são apresentadas as partes que envolvem a construção
deste kit para motorização de uma cadeira de rodas, tais como os circuitos
eletrônicos e a adaptação mecânica. Também será apresentado um estudo
econômico preliminar do protótipo.
3.2
VISÃO GERAL DO FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO DE CONTROLE
Os motores são acionados e controlados pelo circuito de controle, através
do microcontrolador AT90S8515 da marca ATMEL, programado na linguagem
ASSEMBLY (extensão asm). Dentre as principais programações estão as saídas
PWM do controlador, utilizadas para controlar os drivers que por sua vez irão acionar
os motores CC adaptados às rodas da cadeira. O princípio básico da programação
do microcontrolador, é controlar a largura de pulso do PWM, variando assim a
tensão média aplicada nos motores CC, conseqüentemente, variando as suas
velocidades. O controle da direção da cadeira é realizado através de um joystick.
3.3
ESCOLHA DO MICROCONTROLADOR
Inicialmente, optou-se pelo microcontrolador 8051 da INTEL pelos
seguintes motivos:
•
Tecnologia bastante utilizada;
•
Disponibilidade no mercado;
•
Custo relativamente baixo comparando-se com outros controladores;
•
Programação bastante conhecida;
•
As ferramentas para programação estavam disponíveis nos laboratórios do
CEFET.
Também
foram
realizados
estudos
com
outras
microcontroladores e suas respectivas vantagens e desvantagens.
estudadas foram: PIC, ATMEL, INTEL e MOTOROLA.
marcas
de
As marcas
41
Em pesquisas baseadas nos datasheets, páginas na Internet, conversas
com engenheiros e técnicos que utilizam os diferentes fabricantes, optou-se pela
marca ATMEL, pelos seguintes motivos:
•
Ferramentas para programação e gravação do microcontrolador disponíveis
no laboratório de Engenharia de Desenvolvimento da empresa ADEMCO
SIPROEL S.A., facilitando o acesso às ferramentas e ao estudo sobre o
microcontrolador;
•
Apesar da forma de programação do microcontrolador ATMEL não ser muito
conhecida, o mesmo trabalha com 8 bits, baseados na arquitetura RISC,
facilitando a programação;
•
Possui 512 Bytes de memória SRAM interna;
•
Possui 512 Bytes de EEPROM (memória de dados) que pode ser programada
no próprio circuito. Possui vida útil de 100000 ciclos de escrita/apagamento;
•
32 entradas/ saídas (I/O) programáveis;
•
Possui 02 saídas PWM, facilitando bastante o objetivo principal deste projeto,
o controle de dois motores CC por PWM;
•
Possui 4K words de memória flash para programa;
•
A programação pode ser feita com o microcontrolador conectado à placa (on
board);
•
Possui 118 instruções sendo que a maioria é executada em um ciclo de clock;
•
Consumo a 3 V, 25 ºC:
o Ativo: 3 mA;
o Modo Idle: 1.0 mA;
o Modo power down: < 1 µA.
•
Tensões de operação de 2,7 a 6,0 V;
•
A marca ATMEL está em ascensão no mercado.
42
3.3.1 Pinagem e descrição funcional do microcontrolador ATMEL AT90S8515
FIGURA 3.01 – PINAGEM DO MICROCONTROLADOR AT90S8515
FONTE: Iguana Labs. Disponível em: http://www.iguanalabs.com/avr8515.htm.
Acesso em: 21 de Fevereiro de 2004.
A seguir, são descritas as funções dos pinos do microcontrolador AT90S8515,
ilustrado na figura 3.01:
•
VCC - Alimentação;
•
GND - Terra;
•
Port A (PA7..PA0) - Porta de entrada/saída (bidirecional) de 8 bits. Possui
resistores de pull-up internos (programável para cada bit). Podem fornecer até
20mA de corrente. Na condição de reset, o Port A ficará em tri-state (alta
impedância). Uma segunda função do Port A é como entrada/saída do
barramento multiplexado de endereços/dados usado no acesso à SRAM
externa;
•
Port B (PB7..PB0) - Porta de entrada/saída (bidirecional) de 8 bits. Possui
20 mA de corrente. Na condição de reset, o Port B ficará em tri-state (alta
impedância). Essa porta possui várias funções especiais;
43
•
Port C (PC7..PC0) - Porta de entrada/saída (bidirecional) de 8 bits. Possui
20mA de corrente. Na condição de reset, o Port C ficará em tri-state (alta
impedância). Uma segunda função do Port C é como saída do barramento de
endereços usado no acesso à SRAM externa;
•
Port D (PD7..PD0) - Porta de entrada / saída (bidirecional) de 8 bits. Possui
20mA de corrente. Na condição de reset, o Port D ficará em tri-state (alta
impedância). Esse port possui várias funções especiais;
•
RESET - Entrada de reset. Um nível baixo nesse pino reiniciará o
microcontrolador;
•
XTAL1 - Entrada para o amplificador inversor do oscilador e entrada de clock
para o circuito;
•
XTAL2 - Saída do amplificador inversor do oscilador;
•
ICP - Entrada para a função Timer/Counter1 Input Capture;
•
OC1B - Saída para a função de Timer/Counter1 Output Compare B;
•
ALE - Adress Latch Enable - Saída usada quando uma memória externa está
conectada. Ao acessar externamente a memória, se ALE for alto, no
barramento AD0-7 teremos a parte baixa do endereço e isso habilita o latch
para o barramento de endereços. Quando ALE for baixo isso desabilitará o
latch e o barramento AD0-7 será usado como barramento de dados.
3.4
ESCOLHA DA FERRAMENTA DE PROGRAMAÇÃO
Ao pesquisar os tipos de ferramentas de programação mais comuns,
optou-se pelo programa FAST AVR®, principalmente pelo fato que este programa foi
desenvolvido especialmente para o microcontrolador da ATMEL, onde otimiza ao
máximo o tamanho do arquivo compilado no formato ASSEMBLY, apresentando
como resultado final uma melhor utilização do espaço do microcontrolador. Outro
fator importante que levou a escolha deste programa, é o fato de ser uma ferramenta
de alto nível mais amigável, ou seja, mais fácil de se compreender, e principalmente
por atender as expectativas do projeto.
44
3.5
ESTUDO DOS CIRCUITOS ELETRÔNICOS UTILIZADOS NO PROJETO
Dois circuitos importantes, definidos em reuniões durante a execução do
projeto, são: circuitos de proteção contra surto de corrente e circuito de indicação de
bateria baixa. Estas são proteções básicas para proporcionar segurança ao usuário.
Sabe-se que as proteções referentes à segurança de um usuário de cadeira de
rodas devem ser prioridades, e que necessitam de um estudo detalhado, pois se
trata de um assunto bastante delicado, no entanto, vale salientar que para este
estudo inicial (protótipo), algumas proteções não foram levadas em consideração.
Estes e os demais circuitos, serão abordados com detalhes no decorrer deste
capítulo.
3.5.1 Circuito de proteção contra surto de corrente
Este circuito é baseado no princípio da impedância shunt, em que se
coloca uma resistência de valor muito baixo em série com o circuito de ponte
completa, onde irá circular a corrente do motor, conforme ilustrado na figura 3.02. O
princípio de funcionamento consiste em medir a diferença de tensão entre os pontos
A e B indicados na figura 3.02, onde esta d.d.p. é enviada a um circuito comparador
ilustrado na figura 3.04, previamente ajustado, que trata os dados da seguinte
maneira: se a tensão medida for maior que o valor preestabelecido como referência
pelo comparador, o microcontrolador recebe um sinal do circuito comparador,
efetuando o desligamento dos drivers, inibindo assim, qualquer sinal na saída do
driver, independentemente, dos sinais na entrada do driver.
A impedância shunt é composta por um fio resistivo de níquel-cromo, cujo
valor da resistência varia com o comprimento. Na tabela 1 estão os valores das
potências dissipadas em função do valor da resistência Rshunt e da corrente que
circula no motor. Considera-se nos cálculos uma corrente de 7,5 A, que é a corrente
nominal do motor, especificada no manual da BOSCH (BOSCH, 2002).
45
TABELA 1 – POTÊNCIAS DISSIPADAS NA IMPEDÂNCIA SHUNT 2EM FUNÇÃO DA RESISTÊNCIA
RESISTÊNCIA
POTÊNCIA
SHUNT -
DISSIPADA (W)
0,01
0,5625
0,1
5,625
0,2
11,25
0,3
16,875
0,4
22,5
0,5
28,125
0,6
33,75
0,7
39,375
0,8
45
0,9
50,625
1
56,25
FIGURA 3.02 – ESQUEMA DO CIRCUITO DE PONTE COMPLETA COM A IMPEDÂNCIA SHUNT
FONTE: Adaptado do esquema elétrico do projeto.
2
desprezível.
Para este circuito utilizou-se como IMPEDÂNCiA SHUNT um fio com resistência
46
Pode-se verificar na figura 3.02 que a corrente que circula pelo motor passa
pela impedância Rshunt portanto, esta corrente é medida indiretamente pela d.d.p
gerada entre os pontos A e B.
Como na partida do motor ocorre uma elevação instantânea na corrente, fezse necessário um tratamento via software, que desconsidera este pico de corrente
momentâneo, conforme ilustrado na figura 3.03a. Pode-se verificar na figura 3.03b
que a elevação momentânea, dura um período de aproximadamente 300 ms. Para
que a proteção contra surto de corrente não atue desnecessariamente, devido à
partida do motor, na programação, está previsto um tempo de espera de 500 ms,
antes de efetuar a atuação da proteção, caso a tensão medida no Rshunt for
superior à tensão ajustada para a atuação da proteção contra surto de corrente.
FIGURA 3.03 – (A) E (B): PICO DE CORRENTE NA PARTIDA DO MOTOR
(A)
(B)
FONTE: Aquisição da tela do osciloscópio após medição realizada no circuito
47
As medições adquiridas pelo osciloscópio, ilustradas nas figuras 3.03a e
3.03b, foram realizadas entre os pontos A e B da figura 3.02. A medição da corrente
de partida do motor, foi adquirida de forma indireta, medindo-se a variação da
tensão sobre a resistência shunt, obtendo assim a variação da corrente que circula
na partida do motor. Com este valor medido, pode-se ajustar o circuito de proteção
de sobre corrente para não atuar na partida do motor.
FIGURA 3.04 - ESQUEMA ELETRICO DO COMPARADOR PARA SURTO DE
CORRENTE.
FONTE: Adaptado do esquema elétrico do projeto
3.5.2 Circuito de Indicação de Bateria Baixa
Foram preestabelecidos dois níveis para bateria baixa. O primeiro nível,
chamado de nível indicador, somente irá indicar para o usuário através do mostrador
LCD localizado no joystick que a bateria está baixa, e que deve ser recarregada em
breve, mas o equipamento continua funcionando normalmente. A figura 3.05 ilustra
o circuito comparador que envia um sinal para o microcontrolador, que por sua vez
trata os dados e indica no mostrador LCD quando a carga está baixa. A tensão
estimada para bateria baixa é regulada através do trimpot TP, ilustrado na figura
3.05.
48
FIGURA 3.05 – ESQUEMA CIRCUITO COMPARADOR PARA INDICAÇÃO DE BATERIA BAIXA
Para o caso da cadeira de rodas, foi definido como bateria baixa, quando a
tensão das baterias estiver no valor de 21 V. O segundo nível, chama-se nível
bloqueador. Isto significa que se a bateria chegar a níveis de tensão muito baixos
que podem não ser recomendados pelo fabricante, o microcontrolador irá bloquear o
acionamento dos motores desligando a cadeira de rodas. O usuário somente poderá
retornar a utilizar a cadeira de rodas se recarregar as baterias a níveis aceitáveis
para funcionamento. A figura 3.06 ilustra o circuito comparador que envia um sinal
para o microcontrolador, que por sua vez trata os dados e imediatamente bloqueia o
sistema, indicando no mostrador LCD que a bateria está baixa e o sistema está
bloqueado. Nesta situação o usuário não poderá acionar o motor pelo joystick. A
tensão estimada para o bloqueio do sistema é regulada através do trimpot TP,
ilustrado na figura 3.06. Para o caso do projeto, o sistema é ajustado para ser
bloqueado quando a tensão do banco de baterias chegar a 19 V.
O bloqueio do sistema consiste em desativar o PWM enviado pelo
microcontrolador e enviar um sinal para o circuito de driver, desabilitando o circuito
que envia o sinal para os gatilhos dos MOSFET’s.
49
FIGURA 3.06- ESQUEMA CIRCUITO COMPARADOR BATERIA BAIXA E BLOQUEADOR
3.5.3 Circuito Inversor
Para que seja possível fazer um procedimento de frenagem nos motores3 da
cadeira de rodas, os MOSFET’s de potência que formam a ponte completa, devem
ser acionados de forma alternada, fazendo com que a corrente de armadura circule
nos dois sentidos, alternadamente, até a frenagem total do motor. Isto é necessário
devido ao problema dos MOSFET’s não poderem ser acionados ao mesmo tempo,
pois isso pode ocasionar a queima dos mesmos. Para evitar que essa situação
ocorra, foi elaborado um circuito com portas lógicas inversoras, com histerese que
tem como função inverter o sinal de PWM que será aplicado no sentido oposto. Este
circuito, além de inverter o sinal do PWM, proporciona um defasamento de tempo no
trem de pulsos do PWM. Este defasamento deve ser previsto, pois os MOSFET’s
possuem um tempo de chaveamento que deve ser respeitado, conhecido como
tempo morto. A figura 3.07 ilustra o circuito inversor.
3
Circuito válido para motores onde o eixo está mecanicamente livre, quando não está sendo
alimentado.
50
FIGURA 3.07 – ESQUEMA CIRCUITO INVERSOR
À figura 3.08 ilustra as formas de ondas medidas no osciloscópio
referentes às saídas do circuito inversor, onde o canal 1 foi conectado no ponto
sinal_1 e o canal 2 foi conectado no ponto sinal_2, referenciados na figura 3.07.
Pode-se comprovar com a medição obtida no osciloscópio ilustrada na
figura 3.08, que além de inverter o sinal PWM, existe uma defasagem de 800 ns
entre os dois sinais, valor este maior que o tempo de chaveamento dos MOSFET’s,
que está em torno de 56 ns, conforme especificado no datasheet do componente.
FIGURA 3.08 –SINAL PWM E SINAL PWM INVERTIDO
FONTE: Aquisição da tela do osciloscópio após medição realizada no circuito.
51
3.5.4 Circuito com portas lógicas que habilita/desabilita os sinais de PWM
Ligado às saídas do circuito inversor, foi implementado um circuito com
portas lógicas E, para que o sinal de PWM, seja liberado/bloqueado conforme o
acionamento realizado pelo joystick e a lógica programada no microcontrolador.
Este circuito define qual motor será acionado ou não, e no caso de ser acionado,
define qual o sentido irá girar. O circuito com as portas lógicas está representado na
figura 3.09.
FIGURA 3.09 – ESQUEMA CIRCUITO PORTAS E: HABILITA PWM
3.5.5 Circuito de acionamento para motor CC
Este circuito está localizado entre a saída do circuito de portas lógicas E,
que habilita/desabilita o sinal PWM e os gatilhos dos MOSFET’s. Tem como função
obter um ganho de sinal que sai do microcontrolador, para o acionamento dos
MOSFET’s. Além disso, tem a função de servir como interface entre o circuito de
controle do circuito de potência, minimizando as interferências que podem danificar
e/ou modificar as características dos circuitos. O circuito integrado utilizado é o
modelo IR2112 onde possui uma porta (SD) que, ao ser acionada, desabilita a saída
do sinal de PWM enviado para os gatilhos dos MOSFET’s. A tensão de alimentação
dos drivers (VEE) é de 12V. A figura 3.10 ilustra o circuito de driver para motor CC.
52
FIGURA 3.10 – ESQUEMA CIRCUITO DRIVER PARA PONTE COMPLETA
Os sinais das entradas do circuito driver (HIN e LIN) são amplificados e
enviados para as saídas HO e LO do circuito integrado, obtendo assim, tensão e
corrente suficientes para acionar os gatilhos dos MOSFET’s conforme a
necessidade.
3.5.6 Circuito Ponte Completa
Optou-se pelo circuito de ponte completa para os circuitos de potência da
cadeira de rodas. Este circuito também é conhecido como ponte H devido ao seu
formato. Na construção da ponte H para controle de motores CC, utilizaram-se
MOSFET’s tipo N, acionados por tensão. Os MOSFET’s foram dimensionados com
base na máxima corrente do motor (corrente de partida), em torno de 10 A. A
escolha da ponte H deve-se pelos seguintes motivos: não há necessidade de isolar
o circuito, não existe fonte simétrica de 24 + 24V disponível, baixa tensão reversa
nas chaves, confiabilidade do circuito e principalmente a relação custo/benefício do
circuito.
53
As principais vantagens que levaram a utilizar os MOSFET’s para a ponte
completa são:
•
Acionamento em tensão do sinal de gatilho;
•
Baixa resistência Dreno-Fonte (Rds), proporcionando menos perdas por
condução e, conseqüentemente; um menor aquecimento no chaveamento;
•
Opera com alta velocidade de chaveamento: aproximadamente 56 ns;
•
Menor perda ocasionada pelo acionamento;
•
Opera para os valores de tensão e corrente menores, comparando-se com os
IGBT’s cuja a menor tensão é de 600V.
•
A tensão de operação necessária para o projeto é de 24V.
Este circuito tem como função controlar a alimentação do motor, conforme
a necessidade do sentido de rotação do mesmo. Por exemplo, se os MOSFET’s Q1
e Q4 forem acionados, a corrente de armadura circula em um sentido, e
conseqüentemente o motor gira em uma direção, conforme é mostrado na figura
3.11a e no caso dos MOSFET’s Q2 e Q3 forem acionados, a corrente de armadura
circula no outro sentido, portanto o motor gira na direção oposta, conforme ilustração
da figura 3.11b. A tensão aplicada a este circuito é de 24 Volts 4.
FIGURA 3.11 – CIRCUITO PONTE COMPLETA: (A) MOSFET’S Q1 E Q4 ACIONADOS
(B) MOSFET’S Q2 E Q3 ACIONADOS
(A)
(B)
4
Os motores utilizados no projeto são alimentados com 24V.
54
DESENVOLVIMENTO DO JOYSTICK
3.6
Para efetuar os testes de bancada nos circuitos de controle foi necessário
realizar uma pesquisa dos joysticks disponíveis no mercado, com isso foram obtidas
algumas informações importantes:
•
Os joysticks que são facilmente encontrados no mercado são os modelos
utilizados em jogos de computador. Estes podem ser adaptados no circuito de
controle da cadeira de rodas, mas não permitem ao usuário uma interface
com a máquina, como por exemplo, saber se a bateria está baixa, e em qual
momento deve ser recarregada;
•
Os joysticks que são utilizados em cadeiras de rodas motorizadas não são
vendidos separadamente, o que impossibilita a utilização deste no projeto.
Estes joysticks possuem uma série de acessórios que possibilitam uma
interface com o usuário, tais como: LED’s, que indicam se o circuito está
alimentado, se a bateria está carregada, entre outros.
Com base nas informações mencionadas anteriormente, optou-se pelo
desenvolvimento de uma placa de joystick exclusivo para a utilização no kit de
motorização. Este joystick envia, através de um circuito microcontrolado, dados por
comunicação serial para o circuito de controle e envia os dados locais para o
mostrador LCD localizado no mesmo módulo do joystick, que trabalha em conjunto
com o microcontrolador principal (placa de controle – CPU). Além disso, não foi
descartada a possibilidade de se utilizar os modelos de joystick utilizados em
computador, caso não se queira utilizar o joystick microcontrolado. Para isto, foi
previsto no hardware (placa de controle – CPU), no momento do projeto, esta
possibilidade. Um fator decisivo, que levou a se projetar o mostrador LCD na placa
de joystick e devido a isto fazer um módulo microcontrolado para tal função, foi a
distância que o cabo do mostrador LCD iria percorrer caso este fosse projetado na
placa de controle – CPU, lembrando que a placa de controle – CPU está localizada
embaixo do assento da cadeira de rodas e o mostrador LCD deve estar localizado
em um dos braços da cadeira. Os mostradores LCD não podem ser ligados com
cabos muito longos, pois ficam mais suscetíveis às interferências. Na prática, estas
55
interferências causam ruídos aos dados que estão sendo enviados para o mostrador
e, conseqüentemente, “embaralham” as informações que estão sendo mostradas
para o usuário.
Outro fator decisivo foi a preocupação em fazer com que a interface
homem-máquina fosse a mais simplificada, não causando dúvidas ao usuário sobre
o status da cadeira de rodas.
3.6.1 Características principais do joystick
As principais características do joystick microprocessado são:
•
Possui mostrador LCD 2 linhas X 16 colunas, padrão HITACHI paralelo;
•
Indica o status do sistema ao usuário;
•
Comunicação serial com o circuito de controle (CPU);
•
Possui tratamento de exclusão em caso de acionamento de chaves não
válidas do joystick;
•
O joystick é digital, com quatro chaves de acionamento.
3.6.2 Escolha do microcontrolador para o joystick
O microcontrolador utilizado no joystick é o AT90S2313 da marca ATMEL.
A escolha do microcontrolador para o joystic, segue os mesmos critérios utilizados
para a escolha do microcontrolador do circuito de controle da cadeira de rodas
(CPU). Mas o fator decisivo para a escolha deste foi a experiência previamente
adquirida com microcontroladores da marca ATMEL e, principalmente por possibilitar
a utilização das mesmas ferramentas de programação do microcontrolador
AT90S8515.
56
3.6.2.1 Características do microcontrolador ATMEL AT90S2313
•
Possui 128 Bytes de memória SRAM interna;
•
Possui 128 Bytes de EEPROM (memória de dados) que pode ser programada
no próprio circuito. Possui vida útil de 100000 ciclos de escrita/apagamento;
•
15 entradas / saídas (I/O) programáveis;
•
Possui 2K words de memória flash para programa;
•
A programação pode ser feita com o microcontrolador conectado à placa (on
board).
•
Tensões de operação de 2,7 a 6,0 V;
•
Consumo a 3 V, 25 ºC;
o Ativo: 3 mA;
o Modo Idle: 1.0 mA;
o Modo power down: < 1 µA.
3.6.2.2 Pinagem e descrição funcional do microcontrolador ATMEL AT90S2313
FIGURA 3.12 – PINAGEM DO MICROCONTROLADOR AT90S2313
FONTE: Iguana Labs. Disponível em: http://www.iguanalabs.com/avr2313.htm
Acesso em: 21 de Fevereiro de 2004.
57
A seguir, são descritas as funções dos pinos do microcontrolador
AT90S2313, ilustrado na figura 3.12:
•
VCC – Alimentação ( 2,7V a 6,0V);
•
GND - Terra;
•
Port B (PB7..PB0) - Porta de entrada/saída (bidirecional) de 8 bits. Possui
20 mA de corrente. Na condição de reset, o Port B ficará em tri-state (alta
•
Port D (PD6..PD0) - Porta de entrada / saída (bidirecional) de 8 bits. Possui
20mA de corrente. Na condição de reset, o Port D ficará em tri-state (alta
•
RESET - Entrada de reset. Um nível baixo nesse pino reiniciará o
microcontrolador;
•
XTAL1 - Entrada para o amplificador inversor do oscilador e entrada de clock
para o circuito;
•
3.7
XTAL2 - Saída do amplificador inversor do oscilador;
DRIVER SERIAL DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE DADOS UTILIZADO
PARA COMUNICAÇÃO ENTRE A CPU E O JOYSTICK
Este circuito tem como função estabelecer uma comunicação serial entre o
circuito de controle (CPU) e o circuito do joystick. É constituído por um circuito
transistorizado elevador de tensão, com uma taxa de transmissão de 9600 BAUDS,
configurado para 8 bits sem paridade (9600, N, 1, 8).
O seu funcionamento básico consiste em converter o nível TTL do
microcontrolador, para um nível de 12V para transmissão e converter o nível de 12V
em nível TTL na recepção, para o microcontrolador interpretar o sinal.
A comunicação é assíncrona, ou seja, possibilita a transmissão (TX) e
recepção (RX) de dados nos dois sentidos e em qualquer instante.
A figura 3. 13 ilustra o circuito driver serial de transmissão e recepção de
dados, que fazem parte do circuito da CPU e do joystick.
58
FIGURA 3.13 - DRIVER SERIAL DE TRANSMISSÃO (A) E RECEPÇÃO (B) DE DADOS UTILIZADO
PARA COMUNICAÇÃO ENTRE A CPU E O JOYSTICK
(A)
(B)
3.8
ESTUDO E ELABORAÇÃO DO PROGRAMA
Para a elaboração da programação do microcontrolador utilizou-se a
linguagem de programação BASIC, em que os dados são compilados para a
linguagem ASSEMBLY, para posteriormente serem gravados no microcontrolador.
As ferramentas de programação e gravação do microcontrolador foram
utilizadas na empresa ADEMCO SIPROEL S.A., facilitando o manuseio e o acesso
das ferramentas.
Inicialmente, o programa destinava-se a testar os circuitos de controle dos
motores da cadeira de rodas de forma independente. Com isso, à medida que os
circuitos eletrônicos eram elaborados o programa era atualizado para os testes
serem realizados, até chegar na versão atual.
59
3.8.1 Cálculos iniciais para programação
O primeiro passo para se programar um microcontrolador, é definir qual a
freqüência de clock que este irá obedecer. Para isso, a escolha do cristal oscilador é
essencial para o bom funcionamento do projeto.
O critério utilizado para a escolha da freqüência de operação do
microcontrolador, foi a necessidade de que a freqüência do PWM estivesse em torno
de 20 kHz, devido ao controle do motor. Com base nos cálculos apresentados a
seguir, chega-se à conclusão que deve-se utilizar um cristal de 8 MHz, pois com
este, obtemos uma freqüência de aproximadamente 15,7 kHz, valor bem próximo ao
ideal para controle do motor, que é resultado de um cálculo interno no
microcontrolador, cujos valores são apresentados na tabela 2, com clock externo de
8 MHz.
TABELA 2 – CÁLCULOS DE FREQÜÊNCIAS GERADAS PELO MICROCONTROLADOR COM UM
CLOCK DE 8 MHZ
VALOR QUE DIVIDE O CLOCK
OPÇÃO DE BITS DO
FREQÜÊNCIA GERADA (Hz)
MICROCONTROLADOR
1024
256
64
8
1
8 bits
15,32
9 bits
7,64
10 bits
3,82
8 bits
61,27
9 bits
30,56
10 bits
15,27
8 bits
245
9 bits
122,31
10 bits
61,09
8 bits
1960,8
9 bits
978,5
10 bits
488,8
8 bits
15686,3
9 bits
7827,8
10 bits
3910,06
60
Para a verificação do cálculo realizado, mediu-se no osciloscópio a
freqüência do pulso de PWM gerada pelo microcontrolador. Com isso, comprovou-se
a validade dos cálculos, salientando a precisão do microcontrolador ao comparar os
cálculos teóricos com o valor da freqüência do PWM medido no osciloscópio,
conforme ilustrado na figura 3.14.
FIGURA 3.14 – SINAL PWM COM FREQÜÊNCIA DE 15,68 KHZ
FONTE: Aquisição da tela do osciloscópio após medição realizada na saída PWM do
microcontrolador.
3.8.2 Visão geral da programação
São dois microcontroladores programados: AT90S8515 e AT90S2313.
As estruturas da lógica de programação do controle (CPU) da motorização
da cadeira de rodas e do joystick, estão representadas, respectivamente, nos
fluxogramas das figuras 3.15 e 3.16.
Segue a descrição detalhada da lógica de programação do controle (CPU),
para a motorização da cadeira de rodas, conforme ilustrado no fluxograma da figura
3.15:
61
•
Ao ser alimentado, o microcontrolador aciona o reset inicial;
•
É realizado o teste de bateria baixa, nível 2. Neste caso, se a bateria estiver com
uma tensão igual ou inferior a 19 V o sistema é bloqueado, ou seja, mesmo que o
usuário acione o joystick, os sinais PWM não serão enviados para os motores.
Também é enviado um comando por comunicação serial para o circuito do
joystick, com o código referente à bateria baixa nível 2. Se a bateria estiver com
tensão superior a 19 V, segue-se a seqüência da programação;
•
Em seguida, é realizado o teste de surto de corrente, e caso houver uma
sobrecorrente no circuito, o sistema é bloqueado. Se não houver surto de
corrente no circuito, segue-se a seqüência da programação;
•
Na seqüência, é realizado o teste de bateria baixa, nível 1. Neste caso, se a
bateria estiver com uma tensão igual ou inferior a 21V, é enviado um comando
por comunicação serial para o circuito do joystick, com o código referente à
bateria baixa nível 1, mas não bloqueia o sistema;
•
Se o sistema estiver OK, é enviado um comando por comunicação serial para o
circuito do joystick, com o código referente a bateria OK e segue-se a seqüência;
•
O sistema recebe comandos por comunicação serial da leitura do joystick, ao
serem interpretados pelo microcontrolador, este envia os comandos para
acionamento dos motores, em função da posição acionada no joystick pelo
usuário;
•
O programa é cíclico, portanto, a lógica é repetida continuamente.
62
FIGURA 3.15 – FLUXOGRAMA DO PROGRAMA DE CONTROLE (CPU )
Início
Reset Inicial
S
Bat. Baixa
Nível 2?
Bloqueia o
Sistema
N
S
Há surto de
corrente?
N
S
Bat. Baixa
Nível 1?
N
S
Sistema OK?
Envia comando
Hexadecimal para
o Joystick
Leitura do
Joystick
S
RX comando
do Joystick?
Envia o comando
para os motores
Envia comando
Hexadecimal para
o Joystick
63
Segue a descrição detalhada da lógica de programação do joystick,
conforme ilustrado no fluxograma da figura 3.16:
•
Ao ser alimentado, o microcontrolador aciona o reset inicial;
•
Recebe os comandos que identificam o status do circuito de controle (CPU),
indicando no mostrador LCD, informando ao usuário o estado da bateria;
•
Se a CPU enviar o comando de bateria baixa nível 2, a mensagem “ Sist.
Bloqueado”, é enviada para o mostrador LCD, permanecendo esta mensagem
até a mudança do seu status. Caso o sistema não estiver acusando bateria baixa
nível 2, segue-se a seqüência do programa;
•
Se a CPU enviar o comando de bateria baixa nível 1, a mensagem: “ Bat. Baixa”.
é enviada para o mostrador LCD e segue-se a seqüência do programa;
•
Se o sistema estiver OK, é enviada para o mostrador LCD, a mensagem: “Bateria
OK” e segue-se a seqüência do programa;
•
Se alguma tecla do joystick for pressionada, indica no LCD a direção da cadeira
de rodas e envia para a CPU, por comunicação serial, o comando para que
possa ser tratado posteriormente pelo microcontrolador da CPU e comandar os
motores. Caso nenhuma tecla do joystick for pressionada, segue-se a seqüência
do programa;
•
O programa é cíclico, portanto, a lógica é repetida continuamente.
64
FIGURA 3.16 – FLUXOGRAMA DO PROGRAMA DO JOYSTICK
Reset Inicial
Início
S
Tecla
Frente
Recebe status da
CPU
N
Tecla Ré
pressionada
S
S
Bat. Baixa
Nível 2?
N
Envia para o
LCD:
“Sistema
Bloqueado.”
N
Tecla Esq.
pressionada
S
S
Envia para o
LCD:
“Bat. Baixa.”
Bat. Baixa
Nível 1?
N
N
S
Tecla
Direita
S
N
Tecla F&D
pressionada
Envia para o
LCD:
“Bateria OK”
Sistema OK?
S
N
N
Tecla F&E
pressionada
S
Leitura das teclas do
Joystick
N
Tecla R&D
pressionada
S
R&D – Ré & Direita
R&E – Ré & Esquerda
F&D – Frente & Direita
F&E – Frente & Esquerda
N
Tecla R&E
pressionada
N
S
Indica no
LCD a direção
Envia para a
CPU o comando
Hexadecimal
65
No apêndice 1, encontra-se o código fonte da programação do circuito de
controle (CPU), realizado no microcontrolador AT90S8515.
No apêndice 2, encontra-se o código fonte da programação do circuito do
joystick, realizado no microcontrolador AT90S2313.
3.9
CONFECÇÃO DOS ESQUEMAS ELÉTRICOS E DAS PLACAS DE CIRCUITO
IMPRESSO (PCI) DO PROJETO
Antes de iniciar a confecção das placas de circuito impresso, foi realizado
um estudo para se dimensionar o tamanho físico das placas, levando em
consideração o tamanho da caixa onde serão colocadas as placas.
Concluiu-se que os circuitos de potência (ponte H) e o circuito de controle
devem ser confeccionados em placas separadas devido à maior circulação de
corrente no circuito de potência, o que não ocorre no circuito de controle.
Definiu-se também que os módulos de controle e potência devem ser
colocados em uma mesma caixa, facilitando assim a conexão dos cabos entre os
módulos.
Com as dimensões da caixa definidas, partiu-se para a elaboração dos
esquemas elétricos e em seguida do leiaute das placas.
A elaboração dos esquemas elétricos e do leiaute da placa de circuito
impresso foram realizados por meio do programa P-CAD® 2001.
3.9.1 Confecção dos esquemas elétricos
Para a elaboração dos esquemas elétricos foi utilizado o programa P-CAD®
2001 Schematic. Esta é uma parte importante do projeto, pois a partir do diagrama
esquemático elaborado, que se gera os arquivos do PCB, que é utilizado para a
confecção do leiaute da placa de circuito impresso. Desenvolveram-se três
esquemas : o esquema elétrico do circuito de controle da cadeira de rodas (CPU), o
esquema elétrico do circuito de ponte completa (ponte H) e o esquema elétrico do
circuito do joystick. As cópias destes encontram-se respectivamente nos apêndices
3, 4 e 5.
66
3.9.2 Confecção do leiaute das placas de circuito impresso (PCI)
Para o desenvolvimento do leiaute das placas de circuito impresso foi
utilizado o programa P-CAD® 2001 PCB. A partir do diagrama esquemático completo
gera-se o PCB, arquivo com o leiaute dos componentes eletrônicos no seu tamanho
real, que possibilita a confecção das placas de circuito impresso. Desenvolveram-se
três placas de circuito impresso: a placa de circuito impresso do circuito de controle
da cadeira de rodas (CPU), a placa de circuito impresso do circuito de ponte
completa (ponte H) e a placa de circuito impresso do joystick. As cópias dos leiautes
das
placas
geradas
pelo
programa
P-CAD®
2001
PCB,
encontram-se
respectivamente nos apêndices 6, 7 e 8.
Para a confecção das placas de circuito impresso, é necessário seguir
algumas regras de posicionamento de trilhas, posicionamento dos componentes,
tamanho da área para soldagem, entre outros. Estas regras variam em função do
tipo de circuito, quantidades de camadas da placa, etc.
3.10 ESTUDO DO MOTOR
3.10.1 Dimensionamento do motor:
Para este dimensionamento, foram estipulados alguns valores iniciais para
obtenção dos resultados esperados. Para tanto destacam-se:
•
Velocidade a ser alcançada pela cadeira com o kit já instalado: 2 km/h ou 0,56
m/s;
•
Para o cálculo da força para movimentar o kit, supõe-se uma massa máxima
de 140 kg para todo o conjunto (70 kg para o usuário da cadeira de rodas e
70 kg para o kit com todos os componentes e cadeira);
•
Angulação máxima de uma suposta rampa de acesso equivalente a 15˚
(supondo que a cadeira de rodas motorizada mantenha uma velocidade de 2
km/h);
•
Por norma os raios e pneus das cadeiras de rodas convencionais são
padronizados, sendo: 12” (30,48 cm) para o raio da roda e 2” (5,08 cm) de
pneu, totalizando 14” (35,56 cm) entre o eixo e o chão.
67
Cálculo para obtenção do número de rotações por minuto que cada roda
dará com a velocidade de 2 km/h e dimensões padrões:
d = 28" = 0,7112 m
(8)
v = 2 km / h = 0,556 m / s
(9)
v=
π ⋅d ⋅ N
, logo:
60
N=
(10)
v ⋅ 60 0,556 ⋅ 60
=
= 14,9308 rpm
d ⋅π
0,7112 ⋅ π
(11)
O tempo estimado para aceleração do motor até a velocidade estabilizar
em 2 km/h é de 4 segundos.
FIGURA 3.17 – GRÁFICO DE VELOCIDADE X TEMPO
V [km/h]
Vm = 2 km/h
T[s]
Com isso, pode-se calcular a aceleração necessária para que ao partir do
repouso a cadeira possa alcançar a velocidade esperada:
a=
v 0,556
=
= 0,1389 m / s 2
t
4
(12)
Tendo a aceleração e desprezando o atrito do solo, pode-se partir para o
cálculo da força necessária para locomover a cadeira na velocidade de 2 km/h.
Sendo assim, a força resultante do conjunto utilizando a aceleração acima citada em
um piso liso e nivelado horizontalmente será:
68
Fr = m ⋅ a = 140 ⋅ 0,1389 = 19,446 N
(13)
O torque necessário será:
T = Fr ⋅ d = 19,446 ⋅ 0,3556 = 6,915 N .m
(14)
Conforme a equação (14), verificou-se que o valor do torque necessário
para deslocar o conjunto na velocidade esperada em um piso liso e nivelado é baixo.
No entanto, optou-se por pesquisar se as cadeiras de rodas motorizadas existentes
possuem limitações. Após análise, observou que estas geralmente são limitadas e
devem ser operadas em pisos lisos e horizontais para atingir a velocidade nominal,
sendo muito pouco recomendadas para as utilizações em inclinações de rampas de
acesso muito elevadas, salvo em alguns modelos mais sofisticados ou importados.
Para tanto, por uma questão de não deixar limitado o resultado final do kit, arbitrouse por utilizar nos cálculos de dimensionamento do motor uma inclinação que
estivesse dentro da faixa permitida para rampas de acessos públicos, que varia
entre 10º a 20º, optando assim por utilizar nos cálculos o valor médio, ou seja, uma
inclinação máxima de 15º.
Na figura 3.18, mostra um diagrama para dimensionamento da força
necessária para movimentar a cadeira (retirar da inércia se esta estiver parada) até
que esta atinja a velocidade esperada de 2 km/h numa rampa de acesso inclinada
que forma um ângulo com a horizontal de 15º:
α = 15 o
(15)
FIGURA 3.18 – ILUSTRAÇÃO DA RAMPA DE ACESSO ANGULADA A 15˚ E DAS FORÇAS
ATUANTES SOBRE A CADEIRA
Fin
G
Fp.sen α
Plano de trajeto
α
Plano Horizontal
α
Fp
69
No diagrama 3.18, pode-se observar que sobre o centro de gravidade (G)
da cadeira estarão atuando 2 forças quando houver movimento ou este for
solicitado, sendo que a força peso (Fp) sempre estará atuando de forma vertical, mas
que pode ser decomposta em duas componentes. Para o projeto, apenas foi
utilizada a componente que segue adjacente ao plano de trajeto. Esta componente
pode ser obtida através da multiplicação da constante de aceleração da gravidade
que é conhecida pela letra g, que na cidade de Curitiba atua com o valor de 9,81
N/kg, a suposta massa do conjunto que é de 140 kg e o seno do ângulo de
inclinação da rampa de acesso. Portanto a influência da força peso é:
Fp = m ⋅ a ⋅ sen(α ) = 140 ⋅ 9,81 ⋅ 0,2588 = 355,46 N
(16)
Com as componentes da força peso (Fp.sen(α)) e a força resultante (Fr)
calculada anteriormente para a velocidade desejada, pode-se descobrir qual será a
força de inércia (Fin) necessária para deslocar o conjunto no plano de trajeto da
rampa de acesso. Isto pode ser melhor visto na figura 3.19:
FIGURA 3.19 – DIAGRAMA PARA FORÇA RESULTANTE
Fin
Fr
Fp.sen α
Fr = Fin + Fp
(17)
Força de inércia total:
Fin = Fr − Fp = 19,446 − (−355,46) = 374,91 N
(18)
Sabendo-se que para poder locomover o conjunto é necessário um motor
tracionando em cada roda, a força de inércia total deverá ser dividida por dois, para
que se tenha a força necessária em cada motor e posteriormente o torque.
70
A tração em cada roda será:
Finrd =
Fin 374,91
=
= 187,45 N
2
2
(19)
3.10.2 Cálculo do torque do motor
Como o raio da roda é de 12” e o pneu tem 2”, teremos uma distância total
de 14”, ou seja, 0,3556 m. Para isso temos:
T = Finrd ⋅ d = 187,45 ⋅ 0,3556 = 66,659 N .m
(20)
Tendo o torque máximo de cada motor necessário para retirar de inércia o
conjunto na rampa de acesso, pode-se calcular a potência mínima destes:
P = Finrd ⋅ v = 187,45 ⋅ 0,556 = 104,224 W / roda
(21)
Concluiu-se que a potência mínima necessária na pior situação em cada
roda para que a cadeira de rodas, já com o kit instalado, se locomova a 2 km/h é de
104,224 W, torque de 66,659 Nm e uma rotação mínima de 14,9308 rpm.
3.10.3 Escolha do motor
Partindo de características estabelecidas pela equipe (tais como: tensão de
alimentação dos motores de 24 V em corrente contínua para que a corrente que
circule pelos circuitos de potência, comando e das baterias não seja tão alta se
comparada com a tensão de 12 V; motor com redução já acoplada; conjunto com o
mínimo em dimensões e peso) e em adição com os dados de dimensionamento do
motor, procurou-se fazer um filtro destacando quais seriam os principais fabricantes
de micromotores e motorredutores que atendessem estas características, sendo
escolhidas apenas 3 empresas que produzem motorredutores/microredutores;
porém, nas características necessárias para o projeto, restaram apenas os motores
fabricados pela BOSCH do Brasil. Observou-se que existe um modelo dedicado para
71
utilização em cadeira de rodas motorizadas, mas como para o projeto a potência é
bem menor do que a potência destes motores, optou-se pelo baixo custo mantendo
a mesma qualidade, porém com um torque menor que o calculado anteriormente;
esta decisão foi tomada porque o torque calculado é para a rampa de acesso com
angulação de 15o a uma velocidade mínima de 2 km/h, e como foi ressaltado
anteriormente, o baixo custo é o ponto decisivo na hora da compra, desde que não
prejudique o rendimento do kit. Com isso, o motor escolhido foi o de modelo CEP,
conforme figura 3.20:
FIGURA 3.20 – MOTORREDUTOR BOSCH CEP
FONTE: BOSCH do Brasil Limitada, Divisão de autopeças, Motorredutores, Disponível em:
http://www.bosch.com.br/br. Acesso em: 16 de maio de 2003.
O motor modelo CEP F 006 WMO 310 da Bosch, conforme catálogo de
dados do fabricante e dados obtidos em sua página na internet possui as seguintes
características:
•
A potência máxima desenvolvida conforme fabricante é de 120 W, tendo
assim um torque máximo de 48 N.m, numa rotação equivalente a 100 rpm;
•
O motor tem rotação bidirecional e possui baixa indutância. Com baixa
indutância o motor corresponde melhor no controle de alimentação por largura
de pulso;
•
Este motor possui uma velocidade e possui uma corrente nominal de 7,5 A,
conforme torque aplicado. Pode-se verificar isso com a curva de performance,
na figura 3.21.
FIGURA 3.21 – CURVA DE PERFORMANCE DO MOTORREDUTOR BOSCH CEP (REF. MODELO:
9.390.453.042)
72
FONTE: BOSCH do Brasil Limitada, Divisão de autopeças, Motorredutores, Disponível em:
http://www.bosch.com.br/br. Acesso em: 16 de maio de 2003.
Este motor também é aplicado em camas hospitalares, cadeiras e mesas
oftalmológicas, painéis de propaganda rotativos, máquinas para fabricação de velas,
esteiras rolantes, máquinas gráficas e de embalagens.
3.11 ESTUDO DAS BATERIAS
3.11.1 Dimensionamento das baterias:
Por ser um componente de extrema importância para o desenvolvimento
do kit, as baterias foram dimensionadas conforme a disposição espacial, peso e
capacidade de carga a ser fornecida, tendo como base os dois motores de 120 W e
os circuitos eletrônicos.
73
No mercado, estão à disposição três tipos de baterias de vários
fabricantes:
•
As automotivas, que como a própria classificação já destaca, são
para utilização em automóveis, possuindo boas características como
o baixo preço em relação às demais e por suportarem altos picos de
corrente quando solicitado pela carga;
•
As baterias tracionárias que são utilizadas em empilhadeiras e que
possuem ótimas características necessárias para o kit, como a
funcionalidade em ciclos rápidos de carga e descarga, porém são
fabricadas apenas em grandes tamanhos e possuem um preço de
comercialização
extremamente
alto
para
ser
utilizada
no
desenvolvimento do projeto;
•
O terceiro tipo são as baterias estacionárias, que geralmente são
utilizadas em banco de baterias ou em no-break’s, tendo boas
características como as de serem próprias para ciclos de carga e
descarga completa e de possuírem pesos inferiores se comparadas
com as demais, porém são baterias com altos preços de
comercialização e reduzem sua características internas quando são
solicitadas altas correntes instantâneas.
Com isso, conclui-se que as baterias estacionárias não poderão ser
utilizadas no kit devido ao alto custo e também por não terem a propriedade, comum
nas baterias de uso automotivo, de fornecer uma alta corrente instantânea quando
solicitado sem comprometer suas características. Estas altas correntes instantâneas
ocorrem geralmente na partida de um motor ou quando este motor é exigido
(necessário um acréscimo no torque) para retirar de inércia uma determinada
massa, exigindo assim uma corrente inicial alta até que este atinja a velocidade
esperada.
As baterias tracionárias também são descartadas devido alto preço de
comercialização e por terem dimensões bem maiores às dimensionadas, isto porque
as dimensões estão diretamente ligadas aos valores de capacidade de carga que
são altos e necessários para utilização projetada, ou seja, altas demais para as
necessidades do kit.
Após verificar estas características nestes três tipos de baterias, conclui-se
74
que as baterias automotivas têm a melhor relação custo/benefício para a utilização,
apesar de perder em algumas características como a vida útil, que é reduzida de 4 a
5 vezes a normal, e por haver algumas particularidades na descarga e recarga.
Como, no mercado, está disponível uma diversidade de baterias
automotivas que são fabricadas por muitas empresas, sendo cada uma com
particularidades
na
confecção
e
construção,
verificou-se
que
podem
ser
classificadas pela tensão de fornecimento como: 24 V (grande porte: caminhões) e
12 V (automóveis simples e utilitários). As dimensões são padronizadas devido o
fornecimento de acordo com os veículos comercializados no mercado, e sua
disposição interna, podendo ser com pólo positivo (terminal de conexão) locado na
posição direita ou esquerda.
Para uma primeira seleção, optou-se por utilizar baterias seladas, que
pudessem fornecer uma autonomia de carga durante 6 h, supondo que todo o
circuito de controle de cada bateria solicite 0,5 A de carga e os motores exijam a
corrente nominal de 7,5 A.
Capacidade de Carga = I ⋅ t
(22)
Capacidade de Carga = (7,5 + 0,5) ⋅ 6 = 48 Ah
(23)
Para isso é necessário uma bateria automotiva de 12 V de tensão de
fornecimento que possua uma capacidade de carga (Cap.) variando entre 45 Ah e 50
Ah.
3.11.2 Escolha da bateria:
Conforme verificado no cálculo acima uma bateria que fornecesse 48Ah
seria suficiente, porém para obter melhor segurança nos resultados, optou-se por
utilizar a faixa comercial superior e a da marca DELPHI (figura 3.22), pois a empresa
decidiu fornecer duas baterias de 50 Ah com terminal positivo de conexão na
esquerda (opção da empresa fornecedora) para serem utilizadas no projeto,
prestando assessoria nas questões de funcionamento e utilização para esta
75
finalidade. Esta sociedade teve pontos positivos, pois se verificou que as baterias
deste fabricante e com estas características são utilizadas com freqüência em
cadeiras de rodas motorizadas quando as baterias originais já perderam a
capacidade de armazenamento de carga, possuindo uma boa vida útil em relação as
outras marcas quando utilizada nesta finalidade.
FIGURA 3.22 – BATERIA DELPHI FREEDOM
FONTE: DELPHI Automotive Systems, Baterias – Folheto Técnico, São
Caetano do Sul--SP – Brasil, 2002, p. 01
Para este projeto, foi escolhido o modelo de baterias automotivas Delphi
Freedom DF50E. Este modelo apresenta como principais características:
•
Capacidade de carga de 50 Ah;
•
Dimensões externas: 210 mm de comprimento, 175 mm de largura e 175 mm
de altura;
•
Peso: 12 kg;
•
Tem pólo positivo de conexão do lado esquerdo;
•
Possui grade feita de liga chumbo-cálcio laminado-expandida, sendo forte e
resistente à corrosão e tem alta condutividade elétrica;
•
Apresenta um indicador de teste que mostra o estado de carga da bateria.
76
As baterias automotivas Delphi Freedom possuem capacidade nominal de
carga em ampères-hora como a maioria das baterias automotivas, conhecida
também pela sigla “C20”. Esta capacidade nominal de carga é definida como a
capacidade que uma bateria totalmente carregada se manterá fornecendo energia,
operando a uma temperatura de 27˚ C durante o período de 20 horas, sem que a
tensão entre os pólos seja menor que 10,5 V.
Estas baterias também possuem a característica de suportar a corrente de
partida a frio, também conhecida como Cold Cranking Ampères - C.C.A., que é a
função da bateria fornecer energia elétrica ao motor de arranque para o motor do
veículo ser acionado, ou seja, na exigência de altas correntes a bateria se comporta
fornecendo energia normalmente. Para simular esta descarga de corrente, existe um
teste conhecido como “teste de descarga a frio”, o qual mede a descarga em
ampères (valor não obtido em manuais ou fornecedor, e que depende da carga
conectada à bateria) que uma bateria totalmente carregada manterá durante o
período de 30 segundos na temperatura de –18˚ C, sem que a tensão entre os pólos
da bateria decresça de 7,2 V. Esta propriedade é útil, pois em locais em que o motor
exija um certo torque para tirar de inércia a cadeira, será necessário um valor de
corrente instantâneo maior que o normal utilizado pelos motores; sendo assim, a
bateria poderá fornecer a corrente exigida sem afetar o circuito de controle e a
funcionalidade dos motores.
77
3.12 ADAPTAÇÃO MECÂNICA
3.12.1 Base de kit
As bases e os suportes dos motores foram manufaturadas de acordo com
as dimensões da cadeira de rodas que foi fornecida para estudo. O material utilizado
para produção da base é de chapa de ferro comum cuja espessura é de 3 mm.
A adaptação mecânica do kit à cadeira de rodas foi feita com quatro bases
que contêm os quatro principais componentes do kit:
Na base mostrada na figura 3.23 tem-se a parte de alimentação de todo o
kit, ou seja, as duas baterias de 50 Ah.
Na figura 3.24, mostra-se a base sobre a qual foi instalada a caixa de
controle (que contem a CPU e as duas pontes H), tendo suas propriedades descritas
num item exclusivo anteriormente.
A figura 3.25 mostra as duas bases dispostas uma de cada lado e
dedicadas uma para cada motor. Elas possuem perfurações que permitem deslocar
horizontalmente a fixação do motor de forma a tensionar as correntes dos motores
que tracionarão as rodas, dispostos um de cada lado, através de um suporte
elevador que pode ser ajustado horizontalmente de forma a dar condições de ajustar
a tensão das correntes, correntes estas que são similares às utilizadas em bicicletas
e auxiliarão uma de cada lado a tracionar as rodas da cadeira.
FIGURA 3.23 – BASE DAS BATERIAS
78
FIGURA 3.24 – BASE DA CAIXA DE CONTROLE
FIGURA 3.25 – SUPORTES DOS MOTORES
79
3.12.2 Adaptação nas rodas
Nas rodas foram instalados pinhões com 18 dentes, iguais aos utilizados
em bicicletas. Estas coroas estão soldadas no lado mais interno do cubo da roda,
que também é similar ao utilizado em bicicletas, porém os eixos destes cubos foram
substituídos por parafusos de 12 x 110 mm de cabeça sextava para dar maior
resistência no eixo de cada roda, acompanhado por duas arruelas, uma de cada
lado do cubo, que tem a função de segurar as esferas que compõem os rolamentos
do cubo.
3.12.3 Adaptação nos motores
Nos motores foram acoplados pinhões, cujo número de dentes é menor (14
dentes) que o pinhão acoplado à roda. Estas coroas acopladas ao motor tracionarão
as rodas através de uma corrente também similar a de uma bicicleta e são
tensionadas por meio dos suportes dos motores.
3.13 ESTIMATIVA DE CUSTO
Para que se possa avaliar a viabilidade econômica do protótipo
desenvolvido, foram comparados os custos deste projeto com uma cadeira de rodas
motorizada já existente no mercado.
Se comparada algumas características entre os modelos de cadeiras
motorizadas e o protótipo, pode ser ressaltado que, apesar do mesmo possuir um
desempenho inferior, ainda assim a sua relação custo / benefício ainda é vantajosa,
pois a maior parte dos deficientes que hoje adquirem cadeiras motorizadas no Brasil
estão enquadrados entre os consumidores da classe média e alta, e o foco do
trabalho é atingir a parcela da população de baixa renda.
O protótipo possui algumas similaridades se comparado com as cadeiras já
existentes, dentre os quais podem ser citados:
•
Projetadas para serem utilizadas em pisos planos;
•
Autodiagnóstico;
•
Utilização de duas baterias.
80
As cadeiras motorizadas, tomando como exemplo as da marca Freedom,
modelo
S,
possuem
algumas
características
peculiares
que
não
são
desempenhadas pelo protótipo que podem ser:
•
Sistema de Autodiagnóstico que é capaz de identificar 32 tipos de
problemas;
•
Controle ativo de velocidade;
•
Possibilidade de ajuste de performance, velocidade de avanço, de
recuo, de curva e curso de joystick.
Mesmo assim o protótipo ainda possui alguns diferenciais quando
comparado às cadeiras Freedom, sendo estes:
•
Maior facilidade para reposição de peças, já que todos os
componentes utilizados foram escolhidos por serem facilmente
encontrados no mercado;
•
Joystick com mostrador LCD , facilitando a interação homem –
máquina, na qual o usuário pode verificar o status do sistema como um
todo;
•
Facilidade de manutenção;
•
Custo.
3.13.1 Comparativo de custo entre uma cadeira de rodas motorizada e uma cadeira
de rodas adaptada com o kit.
Custo de uma cadeira da marca FREEDOM modelo S – R$ 4.448,00
(ORTOLIFE 20 de Outubro de 2003).
Custos estimados do protótipo:
•
Somente do kit – R$ 925,00;
•
Kit já adaptado em uma cadeira de rodas – R$ 1.025,00;
•
Optando por adquirir o kit juntamente com uma cadeira de rodas
convencional ( no valor de R$ 400,00) – R$ 1.425,00.
Um estudo detalhado do preço de custo é demonstrado logo a seguir.
Devendo-se ressaltar ainda que se colocado em uma linha de produção, o
preço do kit poderá ser reduzido em torno de 15 a 20%.
81
Estima-se o preço de venda do kit com uma margem de lucro em torno de
20 a 25% do valor de custo, considerando o mesmo em uma linha de produção. Ao
comparar-se o preço estimado de venda do kit, com a cadeira motorizada Freedom
verifica-se a viabilidade econômica do projeto, pois o mesmo ainda fica com um
custo de 43 a 58% menor.
Custo Detalhado do protótipo:
Material
Custo em R$
Circuitos de comando, potência e joystick
244,00
Motores
229,00
Baterias
270,00
Cabos
8,00
Parafusos, porcas e arruelas
3,00
Caixa
6,00
Conectores
15,00
TOTAL
Mão de Obra
775,00
Custo em R$
Montagem das placas eletrônicas
150,00
Adaptação mecânica
100,00
TOTAL
250,00
Com os dados finais obtidos, a equipe ressalta a viabilidade e propõem
como tema para trabalhos futuros, um estudo mais detalhado para a implantação
deste kit em uma linha de produção com o intuito de se reduzir ainda mais o custo
final do kit.
3.14 CONCLUSÃO
Neste capítulo foram apresentados em detalhes os passos seguidos para o
desenvolvimento deste projeto, bem como os resultados obtidos. Foram abordados
isoladamente, com suas principais características de desenvolvimento, as baterias
para alimentação dos circuitos, os motores que fornecem o torque necessário para a
movimentação do conjunto, os circuitos eletrônicos de controle em conjunto com o
“software”, gerenciam a integração destes componentes e a adaptação mecânica
que dispõe, interliga e fixa o kit na cadeira de rodas convencional, tornando-a
motorizada.
82
4
CONCLUSÃO GERAL
Os capítulos apresentados neste trabalho sintetizam as fases envolvidas
no projeto, bem como os detalhes construtivos do desenvolvimento, análise dos
resultados obtidos, considerações importantes que foram agregadas durante o
período de construção do protótipo, sugestões e melhorias que podem ser aplicadas
ao kit de motorização para uma cadeira de rodas.
Neste capítulo será feita uma análise geral do desenvolvimento do projeto,
expondo as conclusões finais das pesquisas realizadas na elaboração deste
trabalho.
Concluímos que os principais objetivos deste projeto foram atingidos , entre
eles, podemos destacar:
•
Pesquisa dos modelos de motores CC e das baterias, enfatizando a escolha dos
modelos mais adequados para serem utilizados no kit;
•
Programação em microcontrolador para o controle dos motores;
•
Elaboração dos circuitos eletrônicos de controle, de potência e do joystick para
acionamento da cadeira de rodas motorizada e integração dos mesmos;
•
Confecção da placas de circuito impresso, dos circuitos de controle, de potência
e do joystick, e montagem dos componentes;
•
Testes em laboratório realizados nos circuitos eletrônicos, comprovando o
funcionamento dos mesmos;
•
Montagem e integração do comando a cadeira de rodas.
•
Estudo de viabilidade econômica preliminar do protótipo;
Após lançada a proposta do projeto, a equipe se deparou com um grande
desafio que seria a motorização de uma cadeira de rodas. Descobriu-se que, além
de um nome bonito, o projeto nos exigiria muito empenho para que se pudesse pôr
em prática o que se havia proposto.
A parte financeira foi um fator decisivo na escolha e na aquisição dos
componentes. Isto nos motivou a procurar patrocinadores para o projeto,
principalmente para os componentes com custos mais elevados, como por exemplo
os motores, o conjunto de baterias e a cadeira de rodas convencional.
83
Foi acordada uma sociedade entre a equipe e a empresa ORTOMETAL
referente ao auxílio no desenvolvimento do kit, proporcionando um grande avanço
ao projeto, pois se esclareceram dúvidas importantes de aspecto construtivo de uma
cadeira de rodas. Devido a isto, por sugestões da empresa ORTOMETAL, optou-se
por uma cadeira de rodas com a estrutura para obesos, que suporta um peso de até
130 kg, e com as dimensões muito próximas das cadeiras de rodas convencionais
de outros fabricantes.
Os motores utilizados para testes do protótipo, fabricados pela BOSCH,
possuem muitas características positivas, as quais foram descritas no capítulo 3. No
entanto, verificou-se que este possui o eixo semi-travado, ou seja, o motor rotaciona
para grandes valores de torque aplicados no eixo do motor, isto ocorre porque o
motor é composto por uma redução já acoplada, surgindo uma resistência mecânica
em função de suas características construtivas, o que impossibilita o fácil movimento
da cadeira de rodas sem que haja o acionamento elétrico. Porém, no ponto de vista
de segurança, esta característica é positiva, principalmente quando não houver mais
carga em ambas as baterias que alimentam os motores e conseqüentemente deixam
a cadeira parada. Verificou-se também, que em algumas cadeiras de rodas
motorizadas, como a da marca FREEDOM, também utilizam motores com o eixo
travado, com a justificativa da segurança e a liberação ou desacoplamento do eixo
dos motores as rodas da cadeira, possibilitando a locomoção quando não houver
mais carga nas baterias.
Após verificar esta característica do motor utilizado, optou-se por analisar
no mercado a disposição de alguns motores que possuem o eixo livre quando o
motor não está sendo alimentado. Com esta opção de eixo livre, a cadeira de rodas
poderá ser empurrada sem dificuldades mesmo que os motores não sejam
alimentados, porém, para isso surge a necessidade do aprimoramento do sistema de
controle nas reduções de velocidade e frenagem, e ainda da instalação de um freio
mecânico para utilização quando não houver mais alimentação nas baterias. Um
exemplo dos motores encontrados com a análise de mercado é o motor modelo
GPC, também fabricado pela BOSCH, que possui um custo 20% superior que o
motor utilizado neste projeto.
84
Na adaptação mecânica, a maior dificuldade encontrada foi a nãopadronização construtiva das cadeiras de rodas convencionais disponíveis no
mercado, dificultando assim a utilização do kit desenvolvido em todos os modelos de
cadeiras de rodas, tornando evidente que a complexidade da adaptação mecânica
do kit à cadeira de rodas varia conforme o modelo da mesma.
Devido à não-padronização das cadeiras de rodas, dedicou-se um tempo
maior neste processo que o estimado inicialmente, levantando as possibilidades de
acoplamento mecânico dos motores às rodas, e estudando a melhor maneira de
posicionar os componentes do kit e suas bases de adaptação, de tal forma que o
mesmo possa ser instalado na maioria dos modelos de cadeira de rodas
convencionais. Com isso, chegou-se a uma solução simplificada, onde são
instalados pinhões (peça utilizada em bicicletas) que conecta através de correntes
acopladas, o eixo dos motores às rodas da cadeira. Também não foi descartada a
possibilidade de uma adaptação direta do eixo do motor ao eixo da roda, porém,
são necessárias modificações que implicam uma maior quantidade de alterações na
estrutura original da cadeira de rodas convencional, o que provavelmente
inviabilizaria o projeto.
Um dos maiores desafios lançados pelo projeto para a equipe, foi o
aprendizado referente à programação de microcontroladores. Até então, esta era
uma área totalmente desconhecida da equipe, e devido a isto foram necessárias
algumas semanas para o estudo de microcontroladores e as ferramentas utilizadas
para a sua programação. Basicamente, os seis primeiros meses de estudo do
projeto foram dedicados às pesquisas bibliográficas e ao aprendizado de
programação de microcontroladores.
Este trabalho possibilitou conhecer um pouco mais sobre a realidade dos
deficientes físicos no Brasil, e principalmente foi uma oportunidade ímpar de poder
utilizar os conhecimentos adquiridos ao longo do curso de Engenharia Industrial
Elétrica em um projeto que pode proporcionar uma melhoria na qualidade de vida
das pessoas deficientes no país. O número de deficientes físicos no Brasil chega a
24,5 milhões de pessoas, segundo censo realizado no ano de 2000 pelo IBGE.
Estes dados servem como incentivo para iniciativas de trabalhos de graduação na
área de Engenharia para que possam, futuramente, proporcionar uma contribuição
social, como projetos desenvolvidos em universidades brasileiras.
85
Sabendo da importância deste tipo de iniciativa e conscientes da
contribuição social que este projeto pode proporcionar à pessoas de baixa renda,
dando a oportunidade da aquisição de um equipamento que possa proporcionar
características equivalentes às cadeiras de rodas motorizadas atualmente
comercializadas, espera-se de alguma forma promover o estímulo de novos estudos
que possam ser desenvolvidos relacionados a este tema.
A seguir, estão relacionados outros temas de projetos que podem ser
desenvolvidos futuramente:
•
Desenvolver um carregador de baterias automotivas com pequenas
dimensões para que possa ser acoplado ao kit e de preferência, interaja
com o sistema de controle;
•
Desenvolvimento de proteções elétricas e mecânicas que possam ser
aplicadas ao kit, fornecendo assim melhor segurança ao usuário;
•
Estudo detalhado de motores e baterias, visando uma melhor relação
custo/benefício, proporcionando melhor rendimento ao kit;
•
Aprimoramento do circuito de controle de velocidade dos motores,
permitindo um ajuste de performance através de uma realimentação,
que será interpretada pelo controlador a partir dos dados reais de
velocidade fornecidos por um dispositivo acoplado ao eixo de cada
motor.
Ressalta-se que este é um projeto complexo e que muitas melhorias ainda
podem ser implementadas para que haja realmente uma comparação e possa
demonstrar competitividade no mercado com as cadeiras de rodas que são
designadas a esta finalidade. Com esta idéia em mente, pode-se propor uma das
melhorias a ser realizadas, como um estudo detalhado, frisando as vantagens e
desvantagens da utilização de motores que possuem o eixo mecanicamente livre,
pois no protótipo é utilizado um motorredutor com o eixo travado, impossibilitando o
movimento das rodas quando estes não possuem alimentação. Pensando nesta
idéia, pode-se sugerir também o desenvolvimento de um dispositivo que permita um
desacoplamento mecânico do eixo do motor com a cadeira de rodas, possibilitando
que esta seja movimentada pelo usuário manualmente ou que o acompanhante
possa empurrá-la quando a bateria não mais fornecer energia ao circuito de controle
e conseqüentemente aos motores.
86
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Janeiro 1998.
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87
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89
APÊNDICE 1
CÓDIGO FONTE DA PROGRAMAÇÃO EM ASSEMBLY DA CPU
MICROCONTROLADOR AT90S8515

apêndice 1

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