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SIMULAÇÃO, ANÁLISE E CONTROLE DE MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA UTILIZANDO UM SISTEMA DE CONTROLE VIA REDE CAN

Alan Ferreira Zanatta 1, Eduardo Paciência Godoy 2, Arthur José Vieira Porto3

1Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, [email protected] 2Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, [email protected]

3Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, [email protected]

Abstract: Sistemas de controle via redes (NCS – Networked Control Systems) representam um recente paradigma na pesquisa de sistemas distribuídos com redes industriais. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um NCS via rede CAN (Controller Area Network) para controle de posição de motores DC focando nas tarefas de simulação, análise e controle. Resultados obtidos comprovam a viabilidade de aplicação de NCS com redes CAN, fornecendo informações sobre sua implementação e validando a utilização da ferramenta TrueTime em seu projeto.

Keywords: Controle via rede, Protocolo CAN, Motor de corrente contínua.

1. INTRODUÇÃO

As arquiteturas tradicionais de comunicação e controle ponto a ponto implementadas nos sistemas de manufatura industriais nos últimos tempos são compostas por cabeamento conectando o computador ou dispositivo central de controle a cada sensor e atuador do sistema. Este tipo de controle tradicional e centralizado, no entanto, não atende os novos requisitos de desenvolvimento de sistemas de controle como modularidade, controle descentralizado, facilidade de diagnóstico e baixo custo [1].

Nos sistemas de manufatura atuais, a introdução de arquiteturas de redes baseadas em barramento pode melhorar a eficiência, a flexibilidade e a confiabilidade do sistema, reduzindo o tempo e os custos de instalação e manutenção [2]. Essa tecnologia de redes fieldbus, com suas vantagens, foi rapidamente absorvida para satisfazer as necessidades de comunicação entre sistemas e equipamentos aplicados em automação e controle [3].

Aplicações recentes de sistemas de controle distribuído demonstram o surgimento de uma nova abordagem para a utilização de redes fieldbus. Nessa abordagem, o controlador e a planta ficam fisicamente separados e são conectados por uma rede de comunicação. O sinal de controle é enviado para o atuador através de uma mensagem encaminhada via rede, enquanto o sensor amostra a saída da planta e retorna a informação para o controlador também transmitindo a

informação através da rede. Este tipo de implementação em sistemas industriais, onde as malhas de controle são fechadas sob uma rede de comunicação, como mostrado na Figura 1, tem sido denominada de Sistema de Controle via Redes (NCS - Networked Control System) [1].

Figura 1. Estrutura de um sistema de controle via redes

Os modernos sistemas automatizados de manufatura são compostos por múltiplos subsistemas ou processos. O principal objetivo do controle nessa aplicação é a coordenação e comunicação desses processos de forma que atendam a requisitos individuais e conjuntos, garantindo um bom funcionamento e desempenho global do sistema. Em NCS, os dispositivos conectados têm que compartilhar da melhor maneira possível o meio disponível para a troca de informações e ainda cumprir com requisitos temporais de transmissão de dados. Como solução para este problema, diversos protocolos de comunicação para NCS têm sido pesquisados e desenvolvidos como o CAN (Controller Area Network), Profibus e Foundation Fieldbus [2].

2. MÉTODOS

Para dar suporte à realização de experimentos de controle de posição de um motor DC utilizando-se da tecnologia de NCS, foi construído um módulo de controle mostrado na Figura 2.

Este módulo de controle é constituído por um motor DC (processo), um encoder (sensor) para medição da posição, um drive de acionamento PWM (atuador), um circuito eletrônico de leitura do encoder, uma fonte AC/DC para

Rede de Controle

Processo 1

Controlador 1

Processo n

Controlador n

Atuadores1

msg msg msg msg

Sensores1

Atuadoresn

Sensoresn

Rede de Controle

Processo 1Processo 1

Controlador 1Controlador 1

Processo nProcesso n

Controlador nControlador n

Atuadores1

Atuadores1

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Sensores1

Sensores1

Atuadoresn

Atuadoresn

Sensoresn

Sensoresn

Proceedings of the 9th Brazilian Conference on Dynamics Control and their Applications Serra Negra, SP - ISSN 2178-3667 1152

Simulação, Análise e Controle de Motor de Corrente Contínua Utilizando um Sistema de Controle via Rede CAN Alan Ferreira Zanatta, Eduardo Paciência Godoy, Arthur José Vieira Porto.

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alimentação dos dispositivos, conectores específicos para a rede CAN. Já o controlador desse NCS, está alocado fisicamente em local diferente (computador) e comunica-se com o módulo através da rede CAN. O objetivo deste NCS é a realização de experimentos de controle de posição (referência em graus) definida pelo usuário.

Figura 2. Bancada de Motor de Corrente Contínua

Os sinais de entrada (sinal de controle PWM para acionamento do motor DC) e saída (medição da posição do eixo do motor através do encoder) do sistema são transmitidos através de uma rede CAN, sendo que a integração da malha de controle à rede foi feita utilizando-se uma interface CAN.

2.1. Motor de Corrente Contínua

O motor de corrente contínua escolhido para ser usado no sistema foi da Fabricante Maxon, modelo 359175. Este modelo é composto pelo conjunto: - Motor Modelo RE-max 24 24V e 11W, ordem 222053. - Redução Planetária GP 22 C: Redução: 109 : 1; - Encoder Incremental, Tipo M, 512 Pulsos/Volta, 3 Canais.

2.2. Acionamento do Motor DC

O acionamento de motores DC pode ser feito de diversas maneiras. Uma técnica difundida atualmente é a de Pulse Width Modulation (PWM). A vantagem desta técnica quando comparada a variação contínua de tensão, por exemplo, é que o PWM apresenta menores perdas de energia e menor aquecimento dos componentes do circuito de acionamento, permitindo que estes sejam menores e mais baratos.

O PWM consiste em um método chaveado de tensão em freqüência da ordem de KHz, pelo qual, através de uma onda quadrada, controla-se a tensão aplicada ao motor. A tensão média aplicada no motor é dada pela razão entre o período em que a onda do PWM fica "ativa" e o período em que ela fica "inativa" multiplicada pela tensão máxima de alimentação. Para tal, foi utilizado um CI contendo uma Ponte H, modelo LMD18200. O esquema com as ligações

deste circuito integrado pode ser visto na Figura 4 e a imagem do circuito construído, na Figura 5.

Figura 4. Esquema CI LMD18200

Figura 5. Foto do Driver PWM

2.3. Leitura do Encoder

Para a determinação da posição do motor ao longo do tempo, utilizou-se o circuito integrado HCTL2017-A00 (esquema apresentando na Figura 6) em conjunto com rotinas no PIC18F258, responsáveis pelo correto tratamento dos sinais de saída do HCTL2017 e pela colocação de uma mensagem na rede CAN, contendo o número de pulsos do encoder naquele instante.

Figura 6. Esquema HCTL2017-A00

As funções deste circuito integrado abrangem a decodificação dos sinais de quadratura dos canais do encoder, a contagem de pulsos e a interface digital com o microcontrolador.

A acuracidade da decodificação de quadratura do CI HCTL2017 é alta quando comparada a outros métodos de



3

decodificação, como a utilização de portas comuns de microcontroladores e rotinas lógicas internas para o tratamento de sinais de quadratura.

Dada a importância de terem-se dados de posição precisos e confiáveis para a realização de um controle de posição adequado, a decisão pelo uso deste circuito anexo é justificada.

Em seus terminais de entrada: temos os canais A e B do encoder, alimentação de 5V, o terra de referência, além de um clock (o mesmo utilizado pelo PIC18F258 - 10MHz).

Por apresentar um contador de 16 bits, e apenas 8 pinos de saída, a montagem dos bits mais significativos – MSB – (Most Significant Byte - byte formado pelos bits 8 à 15) e bits menos significativos – LSB – (Least Significant Byte - byte formado pelos bits 1 à 7), seqüenciando os dois bytes (16 bits) da leitura dos sinais dos canais A e B do encoder após a quadratura destes, dá-se pela manipulação dos pinos SEL, OE OE e RST .

Com o pino OE em nível lógico alto, não haverá sinal de leitura nas entradas dos pinos D0 a D7, pois ele está ligado às portas NAND internas do contador, desabilitando a contagem dos bits. Logo, para começar a leitura dos dois bytes mais e menos significativos, tal pino deverá permanecer em nível lógico baixo. O pino SEL seleciona a leitura dos bits mais e menos significativos. Com o pino SELem baixa, os bits mais significativos são lidos primeiramente e em alta, os bits menos significativos são lidos, montando os dois bytes.

O pino RST (reset) é ativado em baixa, porém tem sua lógica invertida na entrada com uma porta NOT, assim o pino tem que ser mantido em nível lógico baixo para funcionar e em alta para reiniciar o CI.

2.3. Protocolo e Interface CAN

De acordo com a referência [4], CAN é um protocolo de comunicação digital serial, onde a comunicação de dados é baseada em mensagens formadas por quadros de bits com determinada função. Entre esses quadros de bits, existe o campo identificador (identifier) que caracteriza e define a prioridade de cada mensagem. O valor do identificador de uma mensagem CAN é exclusivo e quanto mais baixo seu valor, maior a prioridade da mensagem. Os sinais elétricos digitais do CAN são representados pelo nível recessivo (nível lógico 1) e nível dominante (nível lógico 0), sendo eles sinais diferenciais entre os dois fios do barramento.

O mecanismo de acesso ao meio é fundamentado no conceito CSMA/CD com NBDA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection with Non-Destructive Bitwise Arbitration), o que significa que as ECUs (electronic control units) CAN possuem acesso ao barramento com prioridades determinadas. Ao verificar o status do barramento, as ECUs iniciam a transmissão de suas mensagens. De acordo com o valor do identificador, a ECU com a mensagem de prioridade menor cessa sua transmissão e a ECU com a mensagem de maior prioridade continua enviando sua mensagem deste ponto, sem ter que reiniciá-la. Isto é

realizado pelo processo de arbitragem bit a bit não destrutivo, ou lógica "E" por fios, quando duas ou mais ECUs iniciam a transmissão simultaneamente. Cada bit transmitido é comparado, sendo que o dominante sobrepõe o recessivo.

Dentre as especificações do protocolo CAN em relação à camada de enlace de dados, estão os formatos existentes do quadro de dados. São definidos dois formatos de mensagem, onde a única diferença está no tamanho do identificador, sendo CAN 2.0 A Standard (ID 11 bits) e CAN 2.0 B Extended (ID 29 bits) especificados segundo a Figura 3.

Figura 3. Formatos do Quadro de Dados de Mensagem CAN

A referência [5] apresenta um levantamento de componentes e circuitos eletrônicos para desenvolvimento de redes CAN, sendo sugerida uma interface padrão para integração destes dispositivos.

A rede CAN deste experimento foi montada utilizando-se desta interface. O esquemático do circuito desta interface CAN implementada, mostrado na Figura 7, é composto basicamente por três módulos integrados, que são:

-Transceptor CAN: módulo responsável pela adaptação dos níveis de tensão entre circuito do nó CAN e do barramento CAN;

-Transceptor RS232: módulo responsável pela adaptação dos níveis de tensão entre circuito do nó CAN e a interface RS232, baseada em um controlador tipo USART (Universal Synchronous / Asynchronous Receiver Transmitter);

-Microcontrolador com Controlador CAN: módulo constituído por CPU, memória, programas computacionais, interfaces para outros dispositivos e controlador CAN, que é o módulo central da implementação e do controle do protocolo utilizado para comunicação.

Figura 7. Esquemático do Circuito da Interface CAN Padrão

Inter-Mission

CAN 2.0B

SOF

SRR

IDE

Identifier Extended Identifier

RTR

r1 r0 DLC Data FieldEOF

CRCACK

DelimitersCRC, ACK

11 181 1 6441 151 1 1 1 1 71Bits

Bit Stuffing

Arbitration FieldControl

Field Data FieldCRC Field

ACK Field

Identifier - 29 bits

Identifier - 11 bitsCAN 2.0A

BusIdle

3

or

Inter-Mission

CAN 2.0B

SOF

SRR

IDE

Identifier Extended Identifier

RTR

r1 r0 DLC Data FieldEOF

CRCACK

DelimitersCRC, ACK

11 181 1 6441 151 1 1 1 1 71Bits

Bit Stuffing

Arbitration FieldControl

Field Data FieldCRC Field

ACK Field

Identifier - 29 bits

Identifier - 11 bitsCAN 2.0A

BusIdle

3

or



4

Entre as especificações e características dessa interface, mostradas de acordo com as legendas da imagem da interface da Figura 8, podem-se citar:

a. Microcontrolador PIC18F258 com controlador CAN – Legenda 4;

b. Transceiver MCP2551 da Microchip – Legenda 2; c. Circuito integrado de condicionamento da porta

serial MAX232 – Legenda 3; d. Barramento CAN a 4 fios (GND, VCC, CAN_H,

CAN_L) – Legenda 6; e. Conexão de dispositivos através de interface Serial

RS232 – Legenda 1; f. Conexão de sensores e atuadores através de portas

de E/S (entrada e saída) – Legenda 5; g. Conexão de outros dispositivos através de interfaces

SPI (Serial Peripheral Interface), I2C (Inter-integrated Circuit), controle de dispositivos através de portas PWM (Pulse With Modulation) e conversores A/D (analógico/digital).

Figura 8. Imagem da Interface CAN Implementada na referência [5]

Na integração do módulo de corrente contínua à redeCAN, é tarefa do PIC: realizar o controle do CI HCTL2017-A00, montar o inteiro de 2 Bytes com sinal contendo o número de pulsos do encoder (positivo: sentido horário; e negativo: sentido anti-horário) a partir de duas leituras consecutivas dos terminais de saída do HCTL (como explicado na seção Leitura do Encoder), e pelo envio de uma mensagem pela rede CAN contendo essas informações, para que a ECU possa recebê-la e recuperar os dados descritos.

A ECU, tendo a posição do motor, através do tratamento adequado do número de pulsos recebido em um inteiro de 16 bits com sinal, realizará o controle projetado e colocará na rede CAN uma mensagem contendo: um número entre 0 e 100 que corresponde à porcentagem da tensão de alimentação (24V) a qual o motor será submetido naquele instante e a direção para o qual o motor deve girar.

É tarefa do PIC: receber a mensagem contendo a porcentagem de tensão de alimentação a ser aplicada e a direção de rotação desejada, criar um sinal PWM e um sinal de direção de rotação e aplicá-los na entrada do circuito contendo a Ponte H.

Foi programado que o PIC enviará uma mensagem a cada 100ms contendo os dados de posição e receberá uma mensagem de atuação assim que esta estiver disponível na rede.

As tarefas que o PIC deve executar foram programadas na linguagem C utilizando o software MPLAB com o Compilador C18 da Microchip. O diagrama de programação pode ser visto na Figura 9.

Figura 9. Diagrama - Programação PIC

Desta forma, com a programação do PIC, finalizou-se a construção do módulo de motor de corrente contínua. O módulo está construído, integrado a rede CAN, enviando mensagens com informação de seu sensor (encoder) e recebendo mensagens de atuação (PWM/motor).

3. MODELAGEM MATEMÁTICA

A modelagem matemática se apresenta como ferramenta para o desenvolvimento de controladores e para a simulação do sistema.

3.1. Função Transferência - Motor DC

O motor de corrente contínua, como o utilizado neste trabalho, pode ser representado esquematicamente pela Figura 10.

Figura 10. Esquema Motor de Corrente Contínua



5

A modelagem matemática do motor de corrente contínua utilizado neste trabalho, o qual possui uma caixa de redução, requer as seguintes relações:

= ∙ + ∙ + (1)

= ∙ (2)

= ∙ ∙ (3)

= ∙ + ∙ (4)

= ∙ (5)

∙ = −

∙

(6)

∙ = − ∙ (7)

= + ∙ ∙ (8)

Sendo os parâmetros: - Tensão Aplicada nos Terminais do Motor - Resistência da Armadura - Corrente da Armadura - Indutância da Armadura - Força Contra Eletromotriz - Constante Contra Eletromotriz do Motor - Ângulo de Saída do Motor - Momento de Inércia do Motor - Torque na Saída do Motor - Torque na Entrada da Redução - Eficiência da Redução - Coeficiente de Redução - Momento de Inércia da Redução - Ângulo de Saída da Redução - Coeficiente de Atrito Equivalente - Eficiência do Motor - Constante de Torque do Motor

Utilizando as equações de (1) a (8) e aplicando a Transformada de Laplace, a função transferência para controle de posição de um motor de corrente contínua com caixa de redução é obtida na equação (9).

=

∙∙∙

∙∙∙ (9)

Sendo: = ∙ = ∙ + ∙ = ∙ + ∙ ∙ ∙ ∙

3.2. Função de Transferência - Motor Maxon

A função transferência obtida no tópico anterior estabelece uma relação entre a tensão aplicada nos terminais do motor e a posição de saída da redução em função dos parâmetros característicos do motor e da redução. Estes variam de acordo com o modelo e o fabricante.

No presente trabalho, o motor utilizado foi do fabricante Maxon, modelo 359175.

Tal modelo é um conjunto encoder + motor + redutor, com os seguintes parâmetros:

Motor Modelo RE-max 24, ordem 222053 = 4.17 ∙ 10

Kg.m2 = 2.19 ∙ 10

N.m.s = 0.84

= 4.4 ∙ 10 V.s/rad

= 0.0244 N.m/A = 0.000406 H ≈ 0

= 8.47 Ω

Redução Planetary Gearhead GP 22 C = 0.4 ∙ 10

Kg.m2 = 109

= 0.59

Assim, substituindo os termos na função transferência do tópico anterior, temos:

=

.

.∙. ∙ (10)

3.3. Verificação do Modelo Matemático

Um controle proporcional, realizado de forma direta, sem o uso de rede de comunicação CAN, foi desenvolvido na plataforma Labview e experimentos foram realizados para analisar as respostas do sistema real e compará-las com a simulação deste controle feita em Matlab/Simulink (Figura 11).

A interface de comunicação utilizada para adquirir os sinais do encoder e realizar a atuação no motor através do controle em Labview foi a Placa NI USB 6210.

Figura 11. Diagrama de Blocos - Sistema em Malha Fechada com Controle Proporcional

Nos experimentos, três diferentes ganhos K foram utilizados no controle proporcional: K=1, K=3 e K=10. As respostas a estes controles podem ser visualizadas nas Figuras 12, 13 e 14 respectivamente.


Simulação, Análise e Controle de Motor de Corrente Contínua Utilizando um Sistema de Controle via Rede CAN

Figura 12. Resposta ao Controle Proporcional K=1



Simulação, Análise e Controle de Motor de Corrente Contínua Utilizando um Sistema de Controle via Rede CANAlan Ferreira Zanatta, Eduardo Paciência Godoy, Arthur José Vieira Porto

. Resposta ao Controle Proporcional K=1



A partir dos três gráficos das Figuras 1podemos comparar as respostas da simulação (tracejada) e do sistema real (linha contínuados controles proporcionais. Podemos verificar que as respostas do sistema real são bem que reforça a validação da modelagem do sistema realizada.

As comparações realizadas entre as respostas do modelo matemático quando simulado em malha fechadrespostas do sistema reais, apresentando respostas bem próximas, permitiram a validação do modelo matemático.

A obtenção de uma função transferência que descreva a resposta do sistema com alta precisão é de fundamental importância para as simulações de controle na qual se utilizará o modelo obtido.

4. SISTEMA DE CONTROLE VIA REDE CAN

4.1. Projeto e Simulação do Controle

Um controle proporcional derivativo foi desenvolvido implementado no sistema através da rede de comunicação CAN. Experimentos foram realizados para analisar as respostas do sistema real e comparádeste controle realizada com o Matlab/Simulink.

A utilização de ferramentas de simulação e projeto de NCS é necessária para o desenvocontrole, pois permite ao projetista avaliar a dinâmica do sistema de controle antes de sua implementação real, reduzindo tempo e custos de projeto e desenvolvimento.

A ferramenta TrueTime (http://www.control.lth.se/truetime) é um Toolbox do Matlab/Simulink usado para facilitar a simulação da operação e do comportamento temporal de NCS e de sistemas embarcados ou distribuídos com múltiplos controles operando em tempo real. A ferramenta consiste de uma biblioteca de blocos do Simulink, basicamente com um bloco computacional de kernel e blocos de rede de comunicação, como mostrado na Figura 15, e uma coleção de arquivos MEX do

Figura 15. Biblioteca de Blocos do

Uma completa simulação do NCSferramenta utilizando os blocos disponíveis, da planta, o algoritmo de controle até a rede de comunicausada [7].

Simulações em TrueTime são programadas da mesma forma que os sistemas de NCS. O código Matlab ou em C++. A execução das tarefas einterrupções é definida por funções

Simulação, Análise e Controle de Motor de Corrente Contínua Utilizando um Sistema de Controle via Rede CANAlan Ferreira Zanatta, Eduardo Paciência Godoy, Arthur José Vieira Porto.

das Figuras 12, 13 e 14 podemos comparar as respostas da simulação (linha

linha contínua) das respostas dos controles proporcionais. Podemos verificar que as

próximas da simulação, o que reforça a validação da modelagem do sistema realizada.

As comparações realizadas entre as respostas do modelo matemático quando simulado em malha fechada com as respostas do sistema reais, apresentando respostas bem

permitiram a validação do modelo matemático.

A obtenção de uma função transferência que descreva a resposta do sistema com alta precisão é de fundamental

simulações de controle via rede CAN, na qual se utilizará o modelo obtido.

CONTROLE VIA REDE CAN

Simulação do Controle

Um controle proporcional derivativo foi desenvolvido e no sistema através da rede de comunicação

xperimentos foram realizados para analisar as respostas do sistema real e compará-las com a simulação deste controle realizada com o Toolbox TrueTime do

A utilização de ferramentas de simulação e projeto de NCS é necessária para o desenvolvimento de sistemas de

, pois permite ao projetista avaliar a dinâmica do sistema de controle antes de sua implementação real, reduzindo tempo e custos de projeto e desenvolvimento.

A ferramenta TrueTime (http://www.control.lth.se/Toolbox do Matlab/Simulink usado para

facilitar a simulação da operação e do comportamento temporal de NCS e de sistemas embarcados ou distribuídos com múltiplos controles operando em tempo real. A ferramenta consiste de uma biblioteca de blocos do

nk, basicamente com um bloco computacional de kernel e blocos de rede de comunicação, como mostrado na

eção de arquivos MEX do Matlab [6].

. Biblioteca de Blocos do TrueTime

simulação do NCS pode ser definida na ilizando os blocos disponíveis, desde o modelo

le até a rede de comunicação

são programadas da mesma forma que os sistemas de NCS. O programa é escrito em código Matlab ou em C++. A execução das tarefas e das

por funções. Cada tarefa é definida



pela especificação de atributos (prioridade, deadline, período etc.). A principal diferença entre a simulação e aprogramação real é que na primeira,execução/transmissão devem ser especificados pelo desenvolvedor. Essa abordagem confere alta flexibilidade a ferramenta de simulação TrueTime.

Figura 16. Modelo de um NCS para Controle de um Motor DC implementado na Ferramenta TrueTime

Na Figura 16, o termo Transfer Functiontransferência obtida a partir da modelagemapresentada anteriormente com as apropriadas substituições das variáveis pelos parâmetros reais do motor (Equação 10

Para o NCS via rede CAN projetado, foi definida uma velocidade de 250 Kbits/s para a rede e mensagens de 2 bytes para os dados transmitidos. Em relação aos parâmetros definidos para as ECUs do NCS, a ECU 1 funciona como gerador de carga para a rede. A ECU 2 (atuador) é responsável por receber a mensagem CAN e enviar o sinal de controle (u) convertido (D/A) para o processo. A ECU 4 (sensor) é responsável pela leitura e conversão (A/D) do sinal de saída (y) do processo e envio da mensagem CAN para o controlador. A ECU 3 (controlador) é responsável pelo recebimento das mensagens CAN do sensor, aplicação do algoritmo de controle projetado e envio das mensagens CAN para o atuador.

Três controladores PD discreto com aproximação derivativa, definidos na Equação 11, foram implementadoOs parâmetros da parcela derivativa variaram de um controle para outro, sendo K=1, K=3 e K=10, jtermos permaneceram constantes, sendo Td=0,001, h=0,1(taxa de amostragem) e N=10 (constante de filtragem derivativa).

4.2. Controle Real via Rede CAN

Os mesmos controles simulados no item anterior com o Toolbox TrueTime do Matlab foram implementado


ção de atributos (prioridade, deadline, o etc.). A principal diferença entre a simulação e a

na primeira, os tempos de execução/transmissão devem ser especificados pelo desenvolvedor. Essa abordagem confere alta flexibilidade a

S para Controle de um Motor DC rueTime

Transfer Function é a função transferência obtida a partir da modelagem matemática apresentada anteriormente com as apropriadas substituições

etros reais do motor (Equação 10).

CAN projetado, foi definida uma velocidade de 250 Kbits/s para a rede e mensagens de 2 bytes para os dados transmitidos. Em relação aos parâmetros definidos para as ECUs do NCS, a ECU 1 funciona como gerador de carga para a rede. A ECU 2 (atuador) é

sável por receber a mensagem CAN e enviar o sinal de controle (u) convertido (D/A) para o processo. A ECU 4 (sensor) é responsável pela leitura e conversão (A/D) do sinal de saída (y) do processo e envio da mensagem CAN

ador) é responsável pelo recebimento das mensagens CAN do sensor, aplicação do algoritmo de controle projetado e envio das mensagens

com aproximação ram implementados.

variaram de um 1, K=3 e K=10, já os outros

s, sendo Td=0,001, h=0,1s (taxa de amostragem) e N=10 (constante de filtragem

(11)

no item anterior com o implementados no

sistema real através de uma rede CAN administrada porsoftware desenvolvido na plataforma esquemático de tal implementação Figura 17.

1 Figura 17. Esquemático Controle via Rede CAN

No NCS desenvolvido, as informações do sensor referentes ao número de pulsos do encoder que traduzem a posição do motor são interpretadas pela ECU e enviadas periodicamente para o controlador via mensagens na rede CAN. O controlador, neste caso, é um computador pessoal que se comunica com a rede CAN através de uma placa PCI-CAN.

Após o recebimento da mensagem, o controlador executa o algoritmo de controle configurado, obtém o sinal de controle e o envia a informação via mensagem pela rede CAN para o atuador. Tanto o controlador como o atuador funcionam baseados em eventos.

4.3. Comparação entre as Respostas da Simulação e da Implementação Real do NCS via rede

As respostas obtidas do controle simulado com o Toolbox TrueTime do Matlab/Simulinksistema real podem ser observadas nas Figuras 1

Figura 18. Controle PD (K=1 e Td=0.001) via rede CAN (simulado e real)


uma rede CAN administrada porsoftware desenvolvido na plataforma LabView. O esquemático de tal implementação pode ser visualizado na

. Esquemático Controle via Rede CAN

No NCS desenvolvido, as informações do sensor referentes ao número de pulsos do encoder que traduzem a posição do motor são interpretadas pela ECU e enviadas periodicamente para o controlador via mensagens na rede CAN. O controlador, neste caso, é um computador pessoal que se comunica com a rede CAN através de uma placa

Após o recebimento da mensagem, o controlador executa igurado, obtém o sinal de

controle e o envia a informação via mensagem pela rede CAN para o atuador. Tanto o controlador como o atuador

Comparação entre as Respostas da Simulação e da Implementação Real do NCS via rede CAN

As respostas obtidas do controle simulado com o Toolbox TrueTime do Matlab/Simulink e as respostas do sistema real podem ser observadas nas Figuras 18, 19, 20.

. Controle PD (K=1 e Td=0.001) via rede CAN (simulado e





Analisando os gráficos acima nota-grande semelhança entre as curvas “real” e

Esta semelhança entre os controles “realdeve-se principalmente a acuracidade do modelo matemático desenvolvido anteriormente para o motor DC; e também ao uso do Toolbox TrueTime do Matlab/Simulinkcom as corretas parametrizações para a simulaçãcomunicação CAN, descrevendo-a de forma precisa.

5. CONCLUSÃO

O desenvolvimento de NCS é, essencialmente, um problema multidisciplinar que envolve desde a modelagem do sistema físico, passando por sua validaçãosimulação do controle via rede e finalmente pela implantação real do NCS.

Neste trabalho, todas as etapas descritas foram completamente desenvolvidas e as respostas do sistema simulado e real foram obtidas. A comparação destas permitevalidar a implantação do projeto do módulo


Controle PD (K=3 e Td=0.001) via rede CAN (simulado e

. Controle PD (K=10 e Td=0.001) via rede CAN (simulado e

-se claramente a e “simulada”.

real” e “simulado” principalmente a acuracidade do modelo

matemático desenvolvido anteriormente para o motor DC; e Toolbox TrueTime do Matlab/Simulink

para a simulação da rede de orma precisa.

O desenvolvimento de NCS é, essencialmente, um problema multidisciplinar que envolve desde a modelagem

por sua validação, pela via rede e finalmente pela

Neste trabalho, todas as etapas descritas foram as respostas do sistema

A comparação destas permitevalidar a implantação do projeto do módulo e do NCS

propostos e afirmar que a aplicação de NCS com redes CAN para controle de motor de corrente contínua é viável.

A utilização de ferramentas de simulação e projeto de NCS é necessária para o desenvolvimento de sistemas de controle, pois permite ao projetista avaliar a dinâmica do sistema de controle antes de sua implementação real, reduzindo tempo e custos de projeto e desenvolvimento.

Com o intuito de se avaliar a eficiência da ferramenta de simulação TrueTime do Matlab/Simulinkneste trabalho e se mostrou precisa na comunicação CAN e do NCS, sendo indicada para a utilização no desenvolvimento de sistemas de controlerede.

AGRADECIMENTOS

A FAPESP (Fundação de Amparo a Pesquisa do Esde São Paulo) pelo apoio a este trabalho.

REFERÊNCIAS

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propostos e afirmar que a aplicação de NCS com redes CAN para controle de motor de corrente contínua é viável.

utilização de ferramentas de simulação e projeto de NCS é necessária para o desenvolvimento de sistemas de

projetista avaliar a dinâmica do sistema de controle antes de sua implementação real, reduzindo tempo e custos de projeto e desenvolvimento.

Com o intuito de se avaliar a eficiência da ferramenta de TrueTime do Matlab/Simulink, esta foi utilizada

precisa na simulação da rede de comunicação CAN e do NCS, sendo indicada para a utilização no desenvolvimento de sistemas de controle via

ação de Amparo a Pesquisa do Estado pelo apoio a este trabalho.

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1199, 4-6 October.


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SIMULAÇÃO, ANÁLISE E CONTROLE DE MOTOR DE … · sistemas industriais, onde as malhas de controle são fechadas sob uma rede de comunicação, como mostrado na Figura 1, tem sido