Controle de Torque

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Projeto Integrador II 
 
CONTROLE DE TORQUE 
Djeison Sandrin​1​, Douglas Tomasi​2​, Felipe Kissman​3​, Weiller Werner Wichnovski​4 
1 ​IFSC Chapecó, Estudante, djeiso.sandrin@gmail.com 
2,​IFSC Chapecó, Estudante, douglastomasi@hotmail.com 
³ IFSC Chapecó, Estudante, felipekissmann@outlook.com 
4 ​IFSC Chapecó, Estudante, weillerw3@gmail.com 
 
Resumo: A proposta do projeto é desenvolver um sistema de frenagem magnético, através da teoria de 
correntes induzidas de Foucault, para que gere carga em um determinado equipamento (motor ou acionamento) para 
que este seja testado na sua capacidade máxima e que possa ser controlado pelo usuário. 
 
Palavras-Chave: ​ controle, Foucault, motores, freio magnético 
 
1. INTRODUÇÃO 
A manutenção industrial no Brasil e no 
mundo está em crescimento exponencial. As crises 
mundiais de 2008 e 2011 aqueceram o setor e fizeram 
com que as empresas pensassem em aumentar a vida 
útil de seus equipamentos. Para que esse crescimento 
continue, é necessário que as empresas prestadoras de 
manutenção estejam em constante evolução e 
aprimoramento. Também há a necessidade de que as 
indústrias confiem no serviço prestado, os 
equipamentos consertados devem voltar em perfeitas 
condições de uso. Visando isso, antes de voltar à 
indústria, todo e qualquer equipamento deve ser 
totalmente testado. 
A diversidade de dispositivos auxiliares na 
partida e controle de motores de indução e a 
diversidade de suas especificações inviabiliza a 
possibilidade de ter-se um motor para cada tipo de 
dispositivo a ser testado. Tem-se o problema da perda 
de tempo em testar os equipamentos (inversores e 
soft-starter’s) por várias horas com carga abaixo da 
nominal. Se houvesse um dispositivo que aprimorasse 
as condições de teste destes dispositivos, 
economizaria-se tempo e aumentaria a eficiência do 
teste. 
Neste momento, observa-se a oportunidade de 
implementar um produto que melhoraria as condições 
de teste, gerando uma carga maior nos motores 
controlados pelos dispositivos a serem testados. 
 
2. PROJETO INFORMACIONAL 
Em conversa com uma prestadora de serviços, 
manutenção em dispositivos eletrônicos, percebe-se um 
interesse e aceitação do produto, desde que atenda 
algumas necessidades: 
Deve-se solucionar o problema da baixa 
eficiência do motor que hoje gira a vazio (sem carga). 
Também precisa ter uma utilização simples, 
interface e parâmetros simples e intuitivos, sem 
necessidade de muitas explicações para operar o 
equipamento. 
Precisa ser um equipamento forte, robusto, e 
que apresente um resultado satisfatório (como qualquer 
consumidor espera de um produto novo). 
Minimizar as peças sujeitas à desgaste, para 
que não precise de manutenção a todo momento, a fim 
de ser um equipamento realmente útil para que seja 
bastante utilizado, dessa forma, tendo apenas a somar 
com as atividades do cliente. 
A partir das necessidades dos clientes foram 
gerados os requisitos e especificações do projeto, 
tentando atender a todas imposições do cliente e 
limitações do projeto. 
 
3. PROJETO CONCEITUAL 
3.1. Estrutura funcional 
A partir dos dados levantados no projeto 
informacional e dos requisitos necessários para atender 
as necessidades do cliente, chegou-se ao escopo do 
problema. Deve-se desenvolver um equipamento capaz 
de gerar carga em motores, bem como ser uma carga 
controlável. Este equipamento será útil tanto nas 
empresas prestadoras de manutenção, que poderão 
aperfeiçoar suas técnicas de teste, como nas indústrias, 
que poderão gerar uma carga em seus equipamentos 
sem a necessidade de implantá-los na linha de 
produção. 
Primeiramente, por questão de segurança, o 
cliente encontrará o equipamento desenergizado. A 
primeira etapa do processo se fará conectando o 
dispositivo à ser testado no motor já disposto com o 
sistema de frenagem. Essa conexão ficará à serviço do 
cliente, puxando fios que ligam o motor ao 
acionamento. Num momento posterior, após 
certificado que as ligações foram realizadas 
corretamente, o cliente poderá energizar o sistema. 
Com o sistema energizado, o cliente indicará 
quais são os parâmetros do acionamento e a faixa de 
torque necessária para testar adequadamente o 
equipamento. Também haverá uma variável onde será 
indicado o tempo de teste. O tempo de teste será de 
grande utilidade ao cliente, pois poderá testar ao 
 
 
Projeto Integrador II 
 
máximo as características dos acionamentos, 
simulando condições reais de uso. 
Após todos os parâmetros ajustados 
adequadamente, será dada a partida no motor. 
Primeiramente será dada uma partida no motor sem 
uma carga atuando no mesmo, a fim de mensurar se a 
corrente descrita nos parâmetros condiz com a faixa de 
corrente estipulada. 
Caso não tenha divergências de informações, 
poderá ser aplicada uma carga no motor. A carga será 
aplicada lentamente, de forma inteligente, ou seja, será 
mensurada a corrente de entrada, calculado o erro e o 
controle para chegar à corrente setada. Posteriormente 
o controlador irá mandar as informações para o sistema 
gerador de carga, que irá frear o motor. 
Esse processo se repetirá até que se chegue a 
corrente pretendida e ficará gerando esta carga pela 
quantia de tempo que o cliente parametrizou. 
Posteriormente, o cliente deverá encerrar o 
teste. Para isso, apenas será indicado o término do 
teste. O sistema por sua vez irá desativar a geração de 
carga, desativará o controle e desacionará o 
acionamento do motor para que este pare em definitivo 
devido à inércia. 
Finalizado o teste, o sistema irá gerar um 
relatório com as principais variáveis do processo, como 
o tempo de teste, corrente nominal aplicada no 
acionamento e indicação de falha no processo. 
Para evidenciar o funcionamento do protótipo 
descrito na estrutura funcional, de forma resumida, 
apresenta-se a função global do equipamento, 
conforme o diagrama 01. 
Diagrama 01 - Função Global. 
 
Para efetuar o ensaio com carga controlável o 
cliente precisa basicamente inserir o equipamento para 
teste, selecionar os parâmetros de trabalho e ligar o 
protótipo, durante ou após o ensaio o equipamento 
fornece as informações do teste. 
 
3.2. Matriz morfológica 
Através da matriz morfológica é possível 
elencar mais claramente quais são as alternativas de 
solução para cada função necessária neste projeto. 
A partir disso pode ser realizado a seleção das 
soluções para os requisitos de projeto, foram feitas 
matrizes morfológicas de acordo com três cenários 
possíveis. Primeiramente foram criados dois cenários, 
em um deles escolhemos as soluções que atendem os 
requisitos com o menor investimento possível, 
desprezando o tempo necessário para executar o 
projeto. No outro cenário as soluções foram atreladas a 
um menor tempo de execução, porém, não foi levado 
em consideração o custo das soluções. 
A partir destes dois cenários, combinando as 
melhores soluções à nossa realidade, de limitação de 
recursos e o prazo definido para a entrega do projeto, 
surgiu um terceiro cenário, que para o nosso caso, foi oconjunto ideal de soluções. 
Abaixo, é exibida a matriz morfológica no 
cenário ideal. 
Tabela 01 - Matriz Morfológica Ideal 
Cenário: Ideal 
Função Solução 
Controlador Arduino 
Atuador Eletromagnético 
Sensor Efeito ​Hall 
Suporte p/ 
Equipamentos 
 
Suporte 01 - Alças 
Interface Display LCD 
Parametrização Botão de pulso 
Acoplamento Eixo 
 
Acoplamento 01 - 
Acoplamento Elástico de 
Garras 
 
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 
4.1. Funcionamento 
Tendo em mãos um motor de indução 
trifásico e um inversor de frequência corretamente 
dimensionado para a potência do motor, acoplou-se um 
disco de alumínio na extremidade do eixo do motor. O 
disco de alumínio por sua vez, está entre bobinas de 
indução que vão gerar o fenômeno de Foucault. Essas 
bobinas de indução são ligadas a uma fonte de 
alimentação ATX adaptada pelo grupo, tendo sua razão 
cíclica de trabalho controlada. Com o disco em rotação, 
surge uma corrente parasita circulante pelo mesmo, 
 
 
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gerando um campo elétrico que se opõe ao campo 
gerado pelas bobinas, quando ligadas. Caracterizando 
assim, o fenômeno de Foucault. 
A força desse fenômeno pode ser controlada, 
no caso, foi controlada variando a tensão média 
aplicada sobre as bobinas de indução através da razão 
cíclica. 
O dado controlável de interesse é a corrente 
do motor (que por sua vez é proporcional ao torque), 
então se faz necessário monitorá-la pra saber o quão 
distante estamos do setpoint desejado. Para isso foi 
implementado um circuito de leitura de corrente em 
uma das fases do motor, que fica monitorando quase 
em tempo real qualquer variação. 
A partir desses dados o controle calcula o erro 
e atua aumentando ou diminuindo a largura do pulso, 
controlando assim a quantidade de linhas de campo que 
atravessam o disco, que por sua vez geram um torque 
maior ou menor. 
 
4.2. Estrutura Mecânica 
Para a concepção da maioria da estrutura 
mecânica foi reaproveitada a estrutura existente de um 
projeto de pesquisa do Aluno do câmpus Felipe 
Ragnini, intitulado Protótipo de um simulador de 
cargas microcontrolado para teste do freio magnético. 
Este projeto dispunha de uma bancada 
(470x1080x360mm) com estrutura de ferro e tábuas de 
mdf, um disco de alumínio (440x12mm) com um eixo 
fixado em seu centro, os dois lados deste eixo estão 
fixados na bancada através de mancais parafusados na 
mesma. 
Além destes componentes, também foi 
desenvolvido uma bucha para encaixe entre o eixo do 
motor e o acoplamento elástico. 
 
4.3. Circuito Eletrônico 
O princípio básico de funcionamento do 
projeto é gerar uma uma carga controlável através da 
corrente elétrica DC aplicada nas bobinas de indução 
acopladas ao disco. E a melhor forma para o fazê-lo, 
foi aplicar uma tensão fixa pulsante, com duty cycle 
variável 
Tomou-se o princípio básico de chaveamento 
de uma fonte ATX, onde neste circuito foram feitas 
algumas alterações para que melhor atendesse as 
necessidades do projeto. 
Como se é sabido, essas fontes dispõem 
basicamente de dois circuitos, sendo um o principal 
responsável por gerar as tensões de saída esperadas e 
um outro circuito auxiliar, responsável somente para 
gerar duas tensões para alimentar o circuito eletrônico 
da própria fonte para que a mesma funcione. Essas 
tensões são +5Vdc e +12Vdc. 
O circuito auxiliar foi mantido, aproveitando 
as tensões fornecidas na alimentação de todo o circuito 
eletrônico do projeto (arduino, sensores e afins). 
O circuito principal foi modificado, as 
alterações feitas no mesmo foram as seguintes: dentro 
do circuito principal existe uma divisão entre circuito 
primário e secundário de chaveamento, ou seja, antes e 
depois do transformador a ser chaveado. 
Transformador esse que foi removido juntamente com 
todo o circuito restante após o secundário do 
transformador. Então no lugar da bobina principal do 
transformador foram introduzidas as bobinas de 
indução dispostas em série (opção essa que se sucedeu 
devido a alta potência das bobinas, então desta forma a 
tensão aplicada sobre as mesas se divide, diminuindo a 
corrente drenada), também foi substituído o transistor 
de chaveamento por um MOSFET (2SK2611) devido 
ao fato da frequência de chaveamento ser 
consideravelmente maior do que a original (algo em 
torno de 3kHz para 16kHz), MOSFET esse que pode 
trabalhar com 9Adc em regime contínuo e suporta 
picos de corrente de até 27Adc. Também foi 
adicionado um diodo de roda livre de forma que fique 
em antiparalelo com a conexão das bobinas, a fim de 
evitar picos de tensão que possam vir a queimar o 
Mosfet. 
O sinal de saída do trem de pulsos proveniente 
do arduino para chaveamento do Mosfet possui 
amplitude muito baixa (5Vdc). Para o correto 
chaveamento do mosfet necessita-se níveis de tensão 
mais elevados, portanto, se fez necessário a 
implementação de um circuito de acoplamento, para 
transformar o sinal de 5vdc oriundo do arduino, em um 
sinal de 12Vdc para o correto chaveamento do Mosfet. 
Para isso foi utilizado um IR2111 
(HALF-BRIDGE DRIVER) em uma configuração bem 
similar a uma sugestão de aplicação trazida pelo 
datasheet do próprio componente conforme pode-se 
observar na figura abaixo. 
Figura 01 - Aplicação do IR2111.
 
Fonte: datasheet do IR2111 (2004). 
 
4.4. Interface 
Para o desenvolvimento de uma interface 
entre usuário e a planta, foi utilizado a plataforma 
Visual Studio, que é um ambiente de desenvolvimento 
multilinguagens integrado da Microsoft, que se 
comunica com a planta através de comunicação serial 
com o microcontrolador embarcado na mesma. 
 
 
Projeto Integrador II 
 
Para utilizar o programa, basta seguir uma 
pequena ordem de passos. Após conectar o cabo ao 
computador, aparecerá a opção de conectar no canto 
superior esquerdo. Após conectado, pode-se escrever o 
setpoint, ou ajustá-lo pelas setas presentes ao lado do 
campo do mesmo. Com estes passos concluídos, é 
necessário clicar em “iniciar teste”, com isso, o teste 
será iniciado (lembrando que para o teste funcionar, o 
motor já deve estar ligado). Quando o usuário julgar 
satisfeito com o teste, tem-se a opção de clicar em 
“salvar relatório” que salva os dados em arquivo txt ou 
simplesmente pode clicar em “parar teste” desativando 
todo o sistema. Caso algo dê errado no decorrer da 
utilização do dispositivo, há a opção de clicar no botão 
de emergência, que por sua vez desativará todo o 
sistema. Na figura 02 tem-se a versão final do 
software. 
Figura 02 - Versão final do programa iBrake. 
 
Fonte: Elaborado pelos Autores (2016). 
Além disso, foi desenvolvido um sistema de 
relatório, no qual salva alguns dados do sistema, para 
que o usuário possa gerenciar com mais facilidade os 
testes feitos e também como forma de comprovação de 
que o teste foi realizado com sucesso, como pode ser 
visto na figura 03. 
Figura 03 - Relatório em documento de texto realizado pelo 
programa iBrake. 
 
Fonte: Elaborado pelos Autores (2016). 
 
4.5.Microcontrolador 
A partir do levantamento realizado o 
microcontrolador a ser utilizado é o Arduino Uno. 
Através da plataforma de desenvolvimento do próprio 
Arduíno, foi desenvolvida uma programação que 
supriu as necessidades do projeto. 
Nesta programação, inclui-se o sistema de 
comunicação serial, cujo qual, é responsável por 
basicamente todo o funcionamento do sistema. 
Também o sistema de medição da planta, que possui 
um sensor de corrente por efeito hall ACS714. Este 
possui uma variação de 66mV/A, com referência em 
2.5Vdc quando a corrente é zero.. Para o tratamento 
deste sinal subtrai-se 512 do valor lido, após é feito o 
uso do módulo da do resultado. Além disso, foi 
adicionado uma média móvel de 2 posições para 
amenizar o efeito de possíveis ruídos do sistema. 
Para a visualização dos valores lidos, além da 
interface criada no Visual Studio, foi adicionado um 
display LCD junto ao equipamento, com isso, o usuário 
poderá ver a corrente do motor, a corrente da bobina e 
a largura de pulso. 
Ainda no programa, foi adicionado um 
saturador, limitado a largura de pulso entre 0 e 100. 
Com esses valores o sistema trabalha em uma faixa 
segura, dificultando as chances de sobrecarga nos 
componentes eletromecânicos e eletrônicos. 
 
5. CONTROLE 
Com a parte de programação e potência 
prontas, partiu-se para o controle. Primeiramente foi 
levantada a planta com o auxílio da primeira versão do 
programa desenvolvido pelo grupo. Nesta etapa, foram 
armazenadas as leituras das correntes respectivas às 
larguras de pulso. Com estes dados e com o auxílio do 
programa “ident” do Matlab foi possível levantar o 
modelo matemático da planta. Com o auxílio desta 
ferramenta, conseguimos uma função de segunda 
ordem que se aproxima 90.74% da planta real. Na 
figura a seguir, é possível visualizar a curva real em 
preto e a curva aproximada em azul. 
Figura 04 - Curva real e curva aproximada pelo ident. 
 
Fonte: Elaborado pelos Autores (2016) 
 
 
 
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A partir do momento que se tinha a função de 
transferência da planta em mãos, iniciou-se a fase de 
projeção do controle. O primeiro passo foi testar alguns 
controladores. Foram testados o controlador PI, PID e 
P. Destes, o que apresentou o melhor resultado foi o PI, 
sendo assim escolhido como controlador final do 
projeto. Para inseri-lo no código, foram necessários 
alguns passos. Partiu-se da sua função de transferência 
na arquitetura paralela, posteriormente foi aplicado o 
método de discretização de Tustin e por fim aplicada a 
transformada Z inversa, chegando na função a seguir 
que foi inserida no código: 
 
Onde U[k] é a ação de controle, U[k-1] é a 
ação de controle anterior, E[k] é o erro da diferença 
entre a leitura de corrente e o ​setpoint​ , o E[k-1] é o erro 
anterior, P e I são os valores dos ganhos e T é o tempo 
de amostragem. 
Os valores dos ganhos foram projetados com 
o auxílio da ferramenta Auto Tunning do Matlab e 
ficaram com os valores de 37.93 para o ganho 
proporcional e 7.92 o ganho do integrador. 
Com o controlador inserido no código, 
iniciou-se a fase de testes na planta. Devido a baixa 
experiência do grupo em projetos de controle, teve-se 
neste passo grande dificuldade até se chegar num 
controle funcional. Houve alguns erros no código e 
mais alguns contratempos, que após solucionados, 
chegou-se num controle relativamente bom. O controle 
conseguiu achar e seguir o ​setpoint​ em toda a faixa de 
trabalho disponível, chegando à erro zero em regime 
permanente em todos os casos. Nas figuras à seguir é 
possível ver através da interface desenvolvida, o valor 
de ​setpoint​ inserido, o controle modulando o sinal 
PWM conforme a necessidade de correção do erro e o 
esforço de controle no gráfico. 
Figura 05: Programa iBrake atuando para chegar no 
setpoint de 2 amperes. 
 
Fonte: Elaborado pelos Autores (2016). 
 
Figura 06: Programa iBrake atuando para chegar no 
setpoint de 4 amperes. 
 
Fonte: Elaborado pelos Autores (2016). 
 
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS 
O projeto foi executado seguindo os 
parâmetros apresentados nos projetos informacional e 
conceitual, mais especificamente cumprindo os 
critérios estudados para a realização da matriz 
morfológica. Praticamente em todos os campos os 
resultados foram satisfatórios, porém alguns superaram 
as expectativas. 
Conforme destacado na matriz o controlador 
utilizado foi o Arduino, que conseguiu atender os 
requisitos estabelecidos de forma coerente. Com a 
plataforma foi possível interligar a parte mecânica, 
eletrônica e de controle através do código criado para 
ser executado na placa Arduino. 
Dentre os atuadores abordados, o escolhido, 
Eletromagnético, obteve resultados bastante 
satisfatórios, pois pode ser utilizada uma estrutura já 
existente no IFSC reduzindo os custos do projeto. 
Durante a realização dos testes o atuador 
eletromagnético conseguiu frear o disco dentro dos 
parâmetros estabelecidos, de forma adequada para o 
estudo. 
O sensor escolhido na matriz morfológica foi 
o Transdutor de Corrente(TC), porém depois de 
iniciada a execução do projeto foi observado que o 
Transdutor não atendia os requisitos estabelecidos, 
como não ter a possibilidade de leitura de corrente DC. 
Posterior a esse imprevisto de projeto a alternativa 
mais plausível foi escolher um sensor de efeito hall, 
portanto foi selecionado o sensor ACS714, que atendeu 
as exigências estabelecidas, como uma boa leitura e a 
possibilidade de leitura de corrente DC. 
O suporte para os equipamentos, o disco, os 
mancais, o motor e o acoplamento foram 
reaproveitados de estruturas já existentes no IFSC. Os 
itens reutilizados atenderam as condições estabelecidas 
na matriz morfológica, portanto foram economizados 
esforços e custos para a construção desses itens 
prontos. Relacionados à parte mecânica do projeto, 
somente se fez necessário a confecção de uma luva 
para conectar o eixo do disco ao acoplamento. 
 
 
Projeto Integrador II 
 
Na matriz morfológica a interface e a 
parametrização eram para serem visualizadas e 
realizadas em um display LCD onde o cliente 
selecionaria os parâmetros através de Push Button e os 
observaria no LCD, porém foram realizadas algumas 
alterações. Pensando no melhor conforto e manuseio 
do usuário foi implementado um software 
computacional para utilização como interface e 
parametrização, tendo um display LCD como auxílio, 
localizado juntamente a planta, informando algumas 
especificações. 
Por final, pode-se observar a planta concluída 
na figura 07. 
Figura 07 - Planta definitiva. 
Fonte: Elaborado pelos Autores (2016). 
 
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