Integração de Sistemas Mecatrônicos

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Integração de Sistemas Mecatrõnicos
Aula 1 – Apresentação da disciplina
Prof. Dr. Wesley Josias de Paula
Universidade Federal de São João del-Rei – UFSJ
Departamento de Engenharia de Telecomunicações e Mecatrônica (DETEM/CAP)
5 de março de 2024
Prof. Wesley J. de Paula Aula 1 5 de março de 2024 1 / 22
Servocontroladores (servosistemas)
Módulo 1 – Servocontroladores: sistemas dedicados ao posicionamento de corpos no
espaço.
Servocontroladores
Topologia
Sintonia dos compensadores
Rastreamento de trajetória: o sistema deve ser capaz de sintetizar na ponta de eixo da
máquina os comandos de trajetória mecânica que o cliente solicita na entrada da planta
mecatrônica.
Esses comandos podem ser posição (θ∗), velocidade (ω∗
mec) ou aceleração angular (α∗)
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Servocontroladores (servosistemas)
Exemplo: o cliente ao pisar no pedal de aceleração fornece um ”comando de trajetória”para
obter uma aceleração angular desejada no véıculo.
Objetivo do servocontrolador: garantir que o comando de trajetória seja efetivamente
sintetizado no eixo mecânico do sistema;
Assim, serão calculados os ganhos dos compensadores em uma malha de controle para o
garantir o rastreamento de cargas.
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Critério: Rejeição de carga
Quando existe carga mecânica aplicada no eixo de uma máquina tende-se a perder o
rastreamento de trajetória, isso é definido pela 2ª Lei de Newton Rotacional
Te − TL = J · dωmec(t)
dt
(1)
em que Te representa o torque eletromagnético, TL representa o torque de carga e J é o
momento de inércia.
Portanto, além de garantir o rastreamento de trajetória é necessário que o sistema consiga
rejeitar carga, ou seja, sintetizar sinais de torque eletromagnético que variem com a mesma
dinâmica e amplitude da carga.
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Sistema de içamento
Figura 1: Sistema de içamento.
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Sistemas que operam com velocidade variável
m
v
TL =m g r
Figura 2: Içamento de cargas.
Nos içamentos de cargas é necessário ope-
rar com velocidades diferentes;
A máquina elétrica irá operar em uma am-
pla faixa de velocidade mantendo o Te
constante.
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Critério: Robustez
A robustez de um sistema mecatrônico se refere à sua capacidade de resistir a perturbações
externas e internas sem comprometer o seu desempenho ou funcionalidade.
O sistema é capaz de manter sua operação eficiente e confiável mesmo diante de variações
nas condições ambientais, mudanças nos parâmetros do sistema, interferências externas ou
falhas internas.
Objetivo: invariância dos polos mediante a variação dos parâmetros da planta.
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Sistemas mecatrônicos baseados a máquina de corrente cont́ınua de excitação independente (MCC-EI)
Módulo 2 – regulador de torque eletromagnético
Modelagem, caracterização e simulação da máquina de corrente cont́ınua;
Rfd Lfd
Ra
La
Carga
Campo
armadura
vfd
ωmec 
Te 
TL 
va
Figura 3: Circuito equivalente de um MCC-EI.
Acionamento completo baseado na máquina de corrente cont́ınua considerando toda a
dinâmica eletromagnética-mecânica;
Caracterização e ajuste da malha para controle de torque através da corrente de armadura;
Operação nas regiões de torque constante e potência constante (enfraquecimento de campo).
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Sistemas mecatrônicos baseados a máquina de corrente cont́ınua de excitação independente (MCC-EI)
Acionamento completo baseado na máquina de corrente cont́ınua considerando toda a
dinâmica eletromagnética-mecânica;
Caracterização e ajuste da malha para controle de torque através da corrente de armadura;
Operação nas regiões de torque constante e potência constante (enfraquecimento de campo).
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Sistemas mecatrônicos baseados a máquina de indução trifásica (MIT)
Controladores vetoriais de torque eletromagnético aplicados a máquina de indução:
Estratégias para compensação de realimentações internas;
acoplamentos cruzados de sinais em eixos d e q;
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Manutenção de sistemas mecatrônicos
Modelo térmico simplificado de máquinas elétricas rotativas;
Importância em processo de manutenções industriais;
Por que a máquina elétrica queimou?
Rθ 
Pt Cθ θamb
θint
Pt . Rθ 
Δu/Δt
Figura 4: Modelo térmico simplificado de máquinas elétricas.
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Manutenção de sistemas mecatrônicos
Topologia de proteção usando relé inteligente;
Análise e caracterização de falhas:
sobrecarga;
sobrecorrente;
subtensão;
corrente de sequência negativa;
corrente de sequência zero;
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Especificação de motores elétricos e inversores de frequência
Objetivo: escolher qual é o conjunto motor-inversor mais adequado para tracionar a
planta mecatrônica;
Escolher equipamentos otimizados.
Especificações realizadas em função do torque eficaz e da corrente eficaz
Figura 5: Exemplo de perfil de torque eletromagnético de um motor elétrico.
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Representação de um sistema de acionamento mecatrônico
Regulador de 
trajetória
Regulador de 
torque (Te)
Conversor 
eletrônico de 
potência
Máquina 
Elétrica
Sistema 
mecânico
Instrumentação
 Te(t)*
 Te(t)
 vs(t) *
 vs(t)
 vs(t)
 va(t)
 
Te(t)
θ(t) ,ωmec(t), α(t) 
θ(t) ,ωmec(t), α(t) 
 * * *
 Cliente
 Eixo da 
máquina
θ(t)
 
ωmec(t)
α(t) 
Figura 6: Diagrama de blocos de um sistema de acionamento, adaptado de Silva (2021).
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Representação de um sistema de acionamento
*
Regulador de 
trajetória
Regulador de 
torque (Te)
Conversor 
eletrônico de 
potência
Máquina 
Elétrica
Sistema 
mecânico
Instrumentação
 Te(t)
 Te(t)
 vs(t)
 *
 vs(t)
 vs(t)
 va(t)
 Te(t)
θ(t) ,ωmec(t), α(t) 
θ(t) ,ωmec(t), α(t) 
 * * *
 Cliente
 Eixo da 
máquina
θ(t)
 
ωmec(t)
α(t) 
 *
Figura 7: Diagrama de blocos de um sistema de acionamento destacando as malhas de controle,
adaptado de Silva (2021).
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Conversor estático de potência (CA-CA)
Te
ωmec
TL
vas
Figura 8: Diagrama esquemático de um conversor CA-CA acionando um motor de indução trifásico,
adaptado de Silva (2021).
O inversor processa energia elétrica em energia elétrica.
Permite o controle de amplitude, frequência e defasamento angular.
Aplicações: Içamento de cargas, véıculos elétricos, laminadores, sistemas de posiciona-
mento que exige controle preciso de trajetória, etc.
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Acionamento usando partida direta
Te
ωmec
TL
vas
Figura 9: Diagrama de acionamento em partida direta, adaptado Sen (2021).
Aplica parâmetros nominais na máquina (SEN, 1997);
Não permite operação em baixas velocidades;
Aplicação: motores de baixas potências e em sistemas que não é necessário controle de
torque. Ex.: sistemas de bombeamento de água.
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Processamento de energia
Figura 10: Diagrama de processamento de energia.
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Topologia do inversor fonte de tensão de dois ńıveis (VSI-2 levels)
Sintetiza torque eletromagnético controlado pelo controle da alimentação elétrica da máquina.
A B C
SA SB
SC
SA SB SC
C
C
E/2
E/2
E
vas
Ias(t)
MIT
0 vA0
Figura 11: Topologia do inversor fonte de tensão dois ńıveisalimentando um motor trifásico, adaptado
de Silva (2021).
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Planejamento do curso – Metodologia
O conteúdo da unidade curricular será ministrado por meio de:
Aulas expositivas e dialogadas com a participação de alunos na discussão do tema por meio
de slides e/ou quadro com o conteúdo escrito, desenhado e equacionado;
Estudos dirigidos e/ou simulações computacionais.
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Planejamento do curso
Critérios de avaliação/aprovação:
Prova teórica (P1). Valor: 3,4 pontos.
Prova teórica (P2). Valor: 3,3 pontos.
Prova teórica (P3). Valor: 3,3 pontos.
Prova substitutiva substituindo P1, P2 ou P3 abrangendo todo o conteúdo abordado.
Será aprovado o aluno (a) obtiver:
Frequência de, no ḿınimo, 75% das aulas.
A nota final será composta pelo somatório das notas das atividades e deverá ser ≥ 6
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Avisos importantes
É expressamente proibido tirar foto da matéria do quadro. Copie a matéria para facilitar
o entendimento
Sala de atendimento: 205.3
Em caso de dúvidas entrar em contato pelo e-mail institucional (wesleyjosias@ufsj.edu.br).
Por gentileza, incluir nome do aluno e disciplina no corpo do e-mail para uma melhor
identificação.
Prof. Wesley J. de Paula Aula 1 5 de março de 2024 22 / 22