Estudo de um Sistema de Controle de Posição e Velocidade do Motor de Indução Trifásico

"Foi desenvolvido e implementado um sistema de controle de posição e velocidade aplicado em um motor assíncrono de indução utilizando inversor de frequência, computador, encoder óptico incremental e sensor indutivo. O motor de indução trifásico é acionado pelo módulo de potência – inversor de frequência, este conjunto impõe uma frequência no estator do motor através de uma troca de mensagens entre o computador e o inversor de frequência. "

- Adriano Silva, Universidade São Judas Tadeu

The Challenge:

Desenvolver um sistema de controle de posição e velocidade aplicado a um motor de indução assíncrono utilizando um inversor de frequência, um computador com programa de controle e supervisão, um encoder óptico incremental, uma placa de aquisição de sinais e um sensor indutivo.

The Solution:

Utilizando ferramentas disponíveis na plataforma LabVIEW foi possível fazer a interface de um computador pessoal para a comunicação via protocolo MODBUS com um inversor de frequência. Este equipamento aciona um motor assíncrono trifásico ligado que tem a posição de seu eixo medida por um encoder óptico incremental. Através de uma função específica da placa USB 6212, o posicionamento do eixo é medido e o sistema é controlado por um algoritmo PID codificado no programa LabVIEW. Utilizando a ferramenta de identificação de sistemas da plataforma gráfica foi possível obter a função de transferência do motor e sintonizar o controlador Proporcional – Integral – Derivativo (PID).

Author(s):

Adriano Silva - Universidade São Judas Tadeu
Adriano Souza Silva - Universidade São Judas Tadeu
Carlos Silva -
Marcelo Hungaro - Universidade São Judas Tadeu
Alexandre Brincalepe - Universidade São Judas Tadeu

 

Resumo

As aplicações de controle de posicionamento e velocidade através de motores de indução são comuns e muito importantes em sistemas industriais, mas problemas práticos ainda representam desafios. Um desses desafios é manter a precisão em sistemas que exigem paradas sistemáticas, pois folgas mecânicas tendem a provocar variações nas posições de paradas ao longo do tempo. A aplicação de motores de indução tem se tornado comum e soluções eficientes e de baixo custo têm sido pesquisadas. Neste trabalho foi desenvolvido e implementado um sistema de controle de posição e velocidade aplicado em um motor assíncrono de indução utilizando inversor de frequência, computador, encoder óptico incremental e sensor indutivo. O motor de indução trifásico é acionado pelo módulo de potência – inversor de frequência, este conjunto impõe uma frequência no estator do motor através de uma troca de mensagens entre o computador e o inversor de frequência (Sistema Mestre-Escravo). Para o envio e recebimento das mensagens, utilizou-se o protocolo de comunicação MODBUS-RTU através de bibliotecas disponíveis na plataforma LabVIEW. Os controles de posição e velocidade de rotação do eixo do motor fundamentam-se no sinal gerado pelo encoder óptico incremental, responsável por informar a posição do eixo do motor ao longo da trajetória, e no sensor indutivo que determina uma referência externa importante para o motor (USB 6212). Para o funcionamento de controle de posição e velocidade elaborou-se uma programação de controle através do software LabVIEW. Como resultado obteve-se um sistema de controle de posição e velocidade do eixo do motor de indução trifásico que apresenta bom desempenho.

 

Produtos utilizados:

  1. NI LabVIEW 2011SP1
  2. Ferramenta de comunicação MODBUS – LabVIEW
  3. Placa de aquisição de dados USB 6212
  4. Ferramenta para identificação de sistemas dinâmicos (“System Identification Toolkit”)
  5. Ferramenta para controle PID (“Control and Simulation Toolkit”)

 

 

1 - Introdução

Neste trabalho é descrito o desenvolvimento de um sistema de controle de velocidade e posição do motor trifásico de indução assíncrono.

 

Os motores de corrente contínua exerciam forte predomínio em aplicações industriais devido às facilidades e precisões satisfatórias encontradas no controle de torque, velocidade e posição, e ainda proporcionavam controladores mais baratos do que os realizados com motores de corrente alternada (CA).

 

Contudo, os motores CA, principalmente os motores trifásicos de indução com rotor gaiola de esquilo, são muito utilizados na indústria por apresentarem algumas vantagens importantes sobre os motores CC, tais como: menor peso (em torno de 20% a 40% a menos do que os motores CC equivalentes), menor custo e maior durabilidade, exigindo pouca manutenção, sendo mais simples e robustos.

 

A simplicidade e robustez inerentes aos aspectos construtivos do motor de indução são possíveis porque não há contato mecânico entre as partes estatórica e rotórica, ou seja, não existem partes que se desgastam facilmente, tais como comutador e escova presentes nos motores de corrente contínua. Este tipo de motor também apresenta vantagens quanto ao uso em ambientes hostis, ambientes explosivos, ambientes com poeiras, aplicações navais, etc. Por outro lado, para o controle e variação da velocidade de operação do motor de indução não é possível implementar soluções simples como nos motores de corrente contínua. Os métodos clássicos de controle de velocidade – variação da tensão estatórica, variação da resistência rotórica no caso de motores de anéis (rotor bobinado), apresentam baixo rendimento.

 

Os acionamentos de motores de indução utilizam uma unidade básica de conversão de energia denominada conversor CC-CA ou inversor de frequência (termo comum utilizado na indústria), neste trabalho utilizamos inversor para acionar o motor.

 

A função básica de um inversor é transformar uma fonte contínua (de tensão ou de corrente) aplicada à sua entrada em uma fonte alternada, de valor médio nulo, simétrica em amplitude e com frequência constante.

 

Contudo, para podermos ter controle total da velocidade e posição do motor, utilizamos o enconder, adicionando-se o encoder óptico incremental e um sensor indutivo a o sistema de acionamento do motor de indução trifásico, podemos obter um sistema bem mais completo e eficiente no controle de velocidade e posição do eixo de máquinas.

 

Para controlarmos o motor para uma posição ou velocidade especifica utilizamos o software de controles LabVIEW, que coleta dados do motor através da interface da NI USB 6212.

 

O Controle Escalar V/f consiste na variação de amplitude das variáveis de controle e despreza efeitos de acoplamento na máquina, ou seja, tanto o fluxo de entreferro da máquina quanto o torque eletromagnético dependem das amplitudes da tensão e frequência impostas no estator da máquina. Este tipo de controle apresenta um desempenho inferior ao controle vetorial, mas pode ser facilmente implementado e amplamente aplicado na indústria.

 

 

2 - Descrição do Sistema

  O sistema é composto pelo controlador (LabVIEW), Módulo de potência (Inversor de frequência), Motor, Gerador (acoplado ao eixo do motor para simular a carga), encoder (leitura de posição e velocidade), sensor indutivo (determinar posição zero do motor), NI USB 6212 (placa de aquisição de dados IO’s).

 

2.1 - Motores de Indução Trifásicos

No motor de indução a corrente alternada é fornecida diretamente ao estator, ao passo que o rotor recebe a corrente por indução, como em um transformador, a partir do estator. Quando o motor é alimentado por uma fonte trifásica equilibrada, um campo magnético é produzido no entreferro girando na velocidade síncrona. Esta velocidade síncrona depende do número de pólos do estator e da frequência imposta no estator do motor de indução.

 

O motor de indução com rotor gaiola de esquilo possui os terminais curto-circuitados em cada lado por anéis condutores. O fluxo girante do entreferro induz tensões com a frequência de escorregamento nos enrolamentos do rotor.

 

O dimensionamento correto do sistema de velocidade variável depende do conhecimento do comportamento da carga, ou seja, da demanda de torque na ponta do eixo do motor. As cargas podem ser classificadas em três tipos: torque variável, torque constante e potência constante.

 

A função básica de um inversor é transformar uma fonte contínua (de tensão ou de corrente) aplicada à sua entrada em uma fonte alternada, de valor médio nulo, simétrica em amplitude e com frequência constante. Incorporaram em um único produto técnicas de controle Escalar, Vetorial Sensorless e Vetorial com encoder, sendo facilmente programável, via parâmetro, pelo próprio usuário.

 

  Os instrumentos de medição do sistema são: sensor indutivo (determinar o “home position”, posição inicial do sistema), encoder óptico incremental (leitura de deslocamento, posição e velocidade). O sensor indutivo determina uma referência externa, importante para o funcionamento automático do sistema. Capaz de gerar uma referência direta a partir do eixo do motor.

 

2.2 - Encoder óptico incremental.

O encoder óptico incremental é um transdutor de movimento capaz de converter movimentos lineares ou circulares em informações elétricas que podem ser transformadas em informações binárias e processadas por um software (LabVIEW) que converte as informações em velocidade e posição.

 

Responsável por informar a posição do eixo do motor ao longo da trajetória, a posição pode ser obtida através da contagem dos pulsos gerados pelo encoder, mas para se obter a velocidade, deve-se processar o sinal gerado pelo encoder por meio de software (LabVIEW).

 

Neste estudo de controle de posição e velocidade com encoder óptico incremental, utiliza-se uma placa de aquisição de dados (NI USB-6212) para leitura do sinal do encoder.

 

2.3 - Rede Modbus RTU

  O protocolo Modbus operando no modo RTU, terá cada byte de dados transmitido como sendo uma única palavra com seu valor diretamente em hexadecimal. A rede Modbus-RTU opera no sistema Mestre-Escravo, onde pode haver até 247 escravos, mas somente um mestre. Toda comunicação inicia com o mestre fazendo uma solicitação a um escravo, e este responde ao mestre o que foi solicitado. Em ambos os telegramas (pergunta e resposta), a estrutura utilizada é a mesma: Endereço, Código da Função, Dados e CRC.

 

 

3 - Aquisição e tratamento de dados

  Neste processo foi utilizada uma placa de aquisição de dados (NI USB-6212) conectada à CPU através da porta USB para fazer a leitura do encoder pelo canal de “counter” e realizar a leitura de sensor indutivo pela entrada digital.

 

Para controle remoto do modulo de potência (inversor de frequência), também conectado à CPU, via porta serial com o protocolo ModBus RTU.

 

3.1 - Linguagem de programação

Foi utilizado o programa LabVIEW para desenvolver o controlador e a supervisão do sistema (Front Panel).

O programa esta dividido em três partes principais:

 

1 - Modo Manual

a.           Comandos de liga / desliga do inversor de frequência;

b.           Referencia de Velocidade;

c.           Leitura de parâmetros (corrente, tensão, frequência, potência e velocidade);

2 – Controle de Posição

a.           Parâmetros do controlador de posição, neste caso utilizado o controlador PID;

b.           Setpoint de posição em graus;

c.           Comando de liga / desliga busca por posição;

  3 – Controle de Velocidade

a.           Parâmetros do controlador de velocidade, neste caso utilizado o controlador PID;

b.           Setpoint de velocidade em RPM;

c.           Taxa de rampa de velocidade;

d.           Comando de liga / desliga;

 

3.2 - Controle de Velocidade e Posição

  No controle de velocidade esta sendo utilizado um controlador PID (bloco pronto na Biblioteca do LabVIEW) conectado a sua variável de entrada (SP) o valor de referencia de velocidade com uma rampa com taxa de incremento / decremento, a variável de processo (PV) está conectado o sinal do encoder e na saída do PID a variável de controle (CV) responsável por enviar o sinal de referência de velocidade para o inversor através da rede Modbus RTU.

 

No controle de posição estão sendo utilizados dois controladores PID em cascata. O Setpoint de posição está conectado na entrada de Setpoint do primeiro PID (posição), a variável de processo (PV) está conectada na leitura do encoder, valor com a leitura em graus. Finalmente a saída do controlador está conectado na entrada de Setpoint (SP) do segundo controlador (PID de velocidade) que lê o valor do encoder em RPM pelo terminal PV e a saída deste segundo PID envia a referência de velocidade para o inversor de frequência na unidade de RPM.

 

4 - Função de Transferência

  Neste trabalho utilizou-se da ferramenta do LabVIEW denominada “System Identification”. Este conjunto de instruções possibilita um captação de dados do sistema, indicando posteriormente a função de transferência para o usuário.

 

  Variável de saída – Referência de velocidade para o inversor.

 

  Variável de entrada – Leitura de Velocidade pelo encoder.

 

Os parâmetros do motor são obtidos através dos ensaios do motor em vazio e rotor bloqueado. Com os valores de corrente, tensão, potência que são monitorados pelo inversor e capturados pelo LabVIEW por meio da rede Modbus RTU facilmente os parâmetros podem ser encontrados.

 

5 - Discussão e Conclusões

O sistema de posicionamento e velocidade é muito encontrado no parque industrial em máquinas de pequeno e grande porte, um bom controle vinculado a estes processos garantem um produto dentro das especificações.

 

  Com o trabalho utilizando equipamento gerador de ruídos (inversor de frequência) e no mesmo sistema utilizando equipamentos sensíveis a ruído (rede de comunicação e aquisição de dados de canais rápidos) os problemas de comunicação e erro de leitura do encoder apareceram e foram solucionados com a aplicação de um sistema de aterramento e com a blindagem de cabos.

 

  No controle de velocidade a resposta com o motor em vazio e com carga não houve diferenças significativas, ou seja, colocando carga ou removendo carga a velocidade do sistema era recuperada rapidamente.

 

  No controle de posição foi notória a diferença do motor em vazio e com carga. Em vazio o erro de posição era praticamente nulo enquanto com carga em uma volta, por exemplo, o erro era de 20° em torno de 18%, este detalhe é pelo motivo da rotação estar em velocidade muito baixa e não termos toque nesta região, este detalhe resolvemos trocando a configuração do inversor de “V/Hz” para “sensorless” desta forma o inversor irá fazer o controle de toque que não contempla nosso sistema.

 

  No posicionamento do motor o grupo esta baseando na posição do eixo do motor, em casos reais sempre teremos um acoplamento ou redutor e este erro será muito menor na ponta de transmissão.

 

  O trabalho foi ampliado com o sistema de identificação, onde a função de transferência do sistema é levantada com informações de comando de velocidade do motor e retorno de velocidade (encoder) em malha aberta, permitindo uma melhor sintonia do controlador PID.

 

Author Information:

Adriano Silva
Universidade São Judas Tadeu
Brazil

Figura 1: Descrição do sistema completo.
Figura 2: Diagrama unifilar do sistema completo
Figura 3: Painel frontal do sistema