robÓtica_mÓvel

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO - UEMA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E SISTEMAS JONH SELMO DE SOUZA DO NASCIMENTO RELATÓRIO DE ATIVIDADE TORQUE DE UM MOTOR DC PARA UMA ENTRADA EM TENSÃO - MATLAB ROBÓTICA MÓVEL São Luís, MA 2015

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trabalho em matlab sobre funcionamento de motor dc

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Page 1: ROBÓTICA_MÓVEL

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO - UEMA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E SISTEMAS

JONH SELMO DE SOUZA DO NASCIMENTO

RELATÓRIO DE ATIVIDADETORQUE DE UM MOTOR DC PARA UMA ENTRADA EM TENSÃO - MATLAB

ROBÓTICA MÓVEL

São Luís, MA2015

Page 2: ROBÓTICA_MÓVEL

JONH SELMO DE SOUZA DO NASCIMENTO

RELATÓRIO DE ATIVIDADETORQUE DE UM MOTOR DC PARA UMA ENTRADA EM TENSÃO - MATLAB

ROBÓTICA MÓVEL

Trabalho apresentado ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Computação e Sis-temas da Universidade Estadual do Maranhãocomo requisito da disciplina de Robótica Móvel,ministrada pelo profo Dr. Areolino de AlmeidaNeto.

São Luís, MA

2015

Page 3: ROBÓTICA_MÓVEL

Resumo

Este trabalho aborda a modelagem de um motor DC, realizada no ambiente computacionalMATLAB, onde a entrada é um degrau unitário representando a Tensão e a saída é o Torque domotor.

Palavras-chaves: Tensão, Torque, Modelagem, Matlab.

Page 4: ROBÓTICA_MÓVEL

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 MODELAGEM DO PROBLEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Page 5: ROBÓTICA_MÓVEL

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1 INTRODUÇÃO

Trabalho elaborado para análise do torque de um motor DC, em função de uma entradaem tensão, utilizando o programa computacional Matlab.

Para simulação foi calculada a equação de transferência do referido tipo de motor,tendo como valor de tensão um degrau unitário (tipo de entrada compatível com a exigência doproblema).

Page 6: ROBÓTICA_MÓVEL

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2 MODELAGEM DO PROBLEMA

Com base na Figura 1, define-se os elementos contituintes do sistema, como o o circuitoelétrico da armadura e o diagrama de corpo livre do rotor.

Figura 1 – Circuito elétrico - Motor DC

Fonte: Adaptado de (PAVANI, 2014)

Os valores dos parâmetros físicos do sistema, serão:

∙ Momento de inércia do rotor (𝐽) = 0.01 𝑘𝑔.𝑚2/𝑠2;

∙ Taxa de amortecimento do sistema mecânico (𝑏) = 0.2𝑁𝑚𝑠;

∙ Força eletromotriz constante (𝐾𝑒) = 0.01𝑁𝑚/𝐴𝑚𝑝;

∙ Resistência elétrica (𝑅𝑎) = 1 Ω;

∙ Indutância elétrica (𝐿𝑎) = 0.25𝐻;

∙ Entrada (𝑢𝑎) = Fonte de Tensão;

∙ Saída (𝑇 ) = Torque do eixo de rotação;

O torque do motor 𝑇 , é relacionado à corrente da armadura, 𝑖𝑎, pelo fator constante 𝐾𝑎,conforme a Equação 2.1 e a força eletromotriz contrária 𝑣𝑒 é relacionada à velocidade de rotaçãodo motor, pela Equação 2.2 (NISE, 2009):

𝑇 = 𝐾𝑎.𝑖 (2.1)

𝑣𝑒 = 𝐾𝑒.𝜃 (2.2)

Fazendo 𝐾𝑎 = 𝐾𝑒 = 𝐾 e escrevendo as equações baseadas na lei de Newton combinadacom a lei de Kirchhoff da Figura 1, tem-se:

Page 7: ROBÓTICA_MÓVEL

Capítulo 2. MODELAGEM DO PROBLEMA 6

𝐽𝜃 + 𝑏𝜃 = 𝑇

𝐽𝜃 + 𝑏𝜃 = 𝐾.𝑖 (2.3)

e−𝑢𝑎 + 𝑅𝑖 + 𝐿

𝑑𝑖

𝑑𝑡+ 𝑣𝑒 = 0

𝐿𝑑𝑖

𝑑𝑡+ 𝑅𝑖 = 𝑢𝑎 − 𝑣𝑒

𝐿𝑑𝑖

𝑑𝑡+ 𝑅𝑖 = 𝑢𝑎 −𝐾𝜃 (2.4)

Aplicando a Transformada de Laplace nas Equações 2.3 e 2.4 e considerando as condições decontorno nulas, tem-se:

𝐽𝑠2𝜃(𝑠) + 𝑏𝑠𝜃(𝑠) = 𝐾.𝐼(𝑠) (2.5)

𝐿𝑠𝐼(𝑠) + 𝑅𝐼(𝑠) = 𝑈𝑎(𝑠) −𝐾𝑠𝜃(𝑠) (2.6)

Isolando o termo 𝐼(𝑠) das Equações 2.5 e 2.6.

𝑠𝜃(𝑠)[𝐽𝑠 + 𝑏] = 𝐾𝐼(𝑠)

𝐼(𝑠) =𝑠𝜃(𝑠)[𝐽𝑠 + 𝑏]

𝐾(2.7)

𝐼(𝑠)[𝐿𝑠 + 𝑅] = 𝑈𝑎(𝑠) −𝐾𝑠𝜃(𝑠) (2.8)

Substituindo a Equação 2.7 na Equação 2.8.

𝑠𝜃(𝑠)[𝐽𝑠 + 𝑏]

𝐾.[𝐿𝑠 + 𝑅] = 𝑈𝑎(𝑠) −𝐾𝑠𝜃(𝑠)

[𝐽𝑠 + 𝑏].[𝐿𝑠 + 𝑅]

𝐾=

𝑈𝑎(𝑠)

𝑠𝜃(𝑠)− 𝐾𝑠𝜃(𝑠)

𝑠𝜃(𝑠)

[𝐽𝑠 + 𝑏].[𝐿𝑠 + 𝑅]

𝐾+ 𝐾 =

𝑈𝑎(𝑠)

𝑠𝜃(𝑠)

Page 8: ROBÓTICA_MÓVEL

Capítulo 2. MODELAGEM DO PROBLEMA 7

[𝐽𝑠 + 𝑏].[𝐿𝑠 + 𝑅] + 𝐾2

𝐾=

𝑈𝑎(𝑠)

𝑠𝜃(𝑠)

𝑠𝜃(𝑠)

𝑈𝑎(𝑠)=

𝐾

𝐽𝐿𝑠2 + 𝑅𝐽𝑠 + 𝑏𝐿𝑠 + 𝑅𝑏 + 𝐾2(2.9)

No termo 𝑠𝜃(𝑠) representa a primeira derivada da variação angular do rotor, ou seja, oTorque 𝑇 do mesmo. Reorganizando a Equação 2.9, tem-se:

𝑇 (𝑠)

𝑈𝑎(𝑠)=

𝐾

𝐽𝐿𝑠2 + [𝑅𝐽 + 𝑏𝐿]𝑠 + [𝑅𝑏 + 𝐾2](2.10)

A Equação 2.10 representa a equação de transferência da Figura 1 para uma saída emTorque, tendo como entrada uma tensão.

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3 MATLAB

No ambiente computacional MATLAB foi criado um script para simular o comporta-mento do Torque do motor DC, da Figura 1, tendo como entrada em Degrau unitário represen-tando a Tensão.

A Figura 2 mostra o script desenvolvido para o exemplo.

Figura 2 – Script MATLAB

Fonte: Autor

Page 10: ROBÓTICA_MÓVEL

Capítulo 3. MATLAB 9

Abaixo, encontra-se o script da Figura 2.

%UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO

%PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E SISTEMAS

%DOCENTE: AREOLINO DE ALMEIDA NETO

%DISCIPLINA: ROBÓTICA MÓVEL

%DISCENTE: JONH SELMO DE SOUZA DO NASCIMENTO

clear all;

clc

%Entrada para digitação das variáveis

J = input(’Digite o valor do Momento Angular (J): ’)

L = input(’Digite o valor da Indutância (L): ’)

R = input(’Digite o valor da Resistência (R): ’)

b = input(’Digite o valor da Taxa de Amortecimento (b): ’)

K = input(’Digite o valor da Constante do Sistema (K): ’)

num=[K] %Numerador da função de Transferência definida na Equação 2.10

den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((R*b)+K^2)] %Numerador da função de Transferência

%definida na Equação 2.10

mot_dc = tf(num,den) %Cálculo da Função de transferência

step(mot_dc,0:0.1:5) % Comando para aplicação de uma entrada em degrau no

%motor dc. A referida entrada representa uma Tensão com valor unitário,

%variando dos instantes ’zero’ até 05 segundos, com passo de 0.1 segundo.

title(’Resposta de Torque para uma Tensão de valor unitário’)

Page 11: ROBÓTICA_MÓVEL

Capítulo 3. MATLAB 10

Os comandos abaixo representam as saídas geradas pelo script da Figura 2.

Digite o valor do Momento Angular (J): 0.01

J =

0.0100

Digite o valor da Indutância (L): 0.25

L =

0.2500

Digite o valor da Resistência (R): 1

R =

1

Digite o valor da Taxa de Amortecimento (b): 0.2

b =

0.2000

Digite o valor da Constante do Sistema (K): 0.01

K =

0.0100

num =

0.0100

den =

0.0025 0.0600 0.2001

mot_dc =

0.01

----------------------------

0.0025 s^2 + 0.06 s + 0.2001

Continuous-time transfer function.

>>

Page 12: ROBÓTICA_MÓVEL

Capítulo 3. MATLAB 11

A Figura 3 mostra o gráfico do Torque para a referida entrada em degrau, com base nosparâmetros fornecidos.

Figura 3 – Gráfico do Torque

Fonte: Autor

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4 CONCLUSÃO

A elaboração do trabalho permitiu comsolidar os conhecimentos adquiridos no uso doambiente computacional MATLAB, como também os conhecimentos em modelagem matemáticade sistemas elétro-mecânicos.

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Referências

NISE, N. S. Engenharia de Sistemas de Controle. [S.l.]: 5.ed.-Rio de Janeiro: LTC, 2009.

PAVANI, A. M. B. Sistemas Mono e Multivariáveis. 2014. Disponível em: <http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/22429/index.html>.