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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DE DINAMÔMETRO PARA
TESTES DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
por
Rafael da Cruz Haical
Dissertação para obtenção do Título de
Mestre em Engenharia
Porto Alegre, Junho de 2009.
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ii
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DE DINAMÔMETRO PARA
TESTES DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
por
Rafael da Cruz Haical
Engenheiro Eletricista
Dissertação submetida ao Corpo Docente do Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica, PROMEC, da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio
Grande do Sul, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Título de
Mestre em Engenharia
Área de Concentração: Processos de Fabricação
Orientador: Prof. Dr. Eduardo André Perondi
Comissão de Avaliação:
Prof. Dr. Isaac Newton Lima da Silva
Prof. Dr. José Antônio Esmerio Mazzaferro
Prof. Dr. Pedro Barbosa Mello
Prof. Horácio Antonio Vielmo
Coordenador do PROMEC
Porto Alegre, junho de 2009.
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iii
RESUMO
Este trabalho aborda o desenvolvimento de um sistema de controle em malha fechada de
torque e velocidade de rotação para testes de motores de combustão interna em uma bancada
que possui um dinamômetro de correntes de Foucault. É apresentada uma revisão bibliográfica
que abrange a fundamentação teórica básica sobre dinamômetro, alguns dos principais testes
realizados em motores de combustão interna e técnicas de controle e instrumentação que estão
sendo desenvolvidas por pesquisadores sobre o tema de controle de dinamômetro para testes de
motores de combustão interna. O projeto surgiu com a necessidade do Laboratório de Motores da
UFRGS realizar vários testes em motores a combustão tendo uma maior confiabilidade e rapidez
para aquisição dos resultados. Este sistema está baseado num microcontrolador da família
Atmega onde foram implementados os algoritmos de um controlador PID e um proporcional,
que controlam respectivamente, os níveis de corrente contínua aplicadas no dinamômetro e o
percentual de abertura da borboleta do motor combustão através de um motor de passo. A etapa
de controle é executada no microcontrolador e uma interface gráfica foi implementada em
Labview. Esta interface gráfica faz a leitura via porta serial dos dados do microcontrolador e
traça suas curvas as salvando em arquivo, também se pode visualizar os sinais das temperaturas
do motor e dinamômetro e nível de combustível do reservatório. A validação do controle
desenvolvido foi comprovada através da verificação da convergência dos sinais para os valores
de referência desejados. O controle propiciou também uma diminuição dos tempos para obtenção
das respostas desejadas em comparação com o sistema anterior de controle manual.
Palavras-chave: dinamômetro, controle de velocidade, controle torque instrumentação, motor de combustão
interna.
iv
ABSTRACT
“DEVELOPMENT OF A DYNAMOMETER CONTROL SYSTEM OF TESTS FOR
INTERNAL COMBUSTION ENGINES.”
This paper describes the development of a torque and rotation speed closed loop control
system for internal combustion engine tests in a bench using a Foucault current dynamometer. A
bibliographical review that encompasses basic dynamometer theoretical concepts, some of the
most important tests applied to internal combustion engines, and control and instrumentation
techniques currently under development on dynamometer testing for internal combustion engines
is presented. This project needs to perform tests in combustion engines which would produce
more dependable and faster results. The system herein developed is based on an Atmega-type
microcontroller where algorithms of both a PID and a proportion controller, controlling
respectively the levels of direct current applied through the dynamometer coils and the opening
of an internal combustion engine throttle body by means of a step motor, were implemented. The
control stage was done in the microcontroller and a graphic interface for a personal computer
was created in Labview. This graphic interface facilitates the microcontroller data reading and
traces its curves, saving them in a file; also, the engine and dynamometer temperature signals
and the tank fuel level can be visualized. The validation of this control has been proved by the
signal convergence check for desired reference values. Furthermore, the control has enabled a
reduction in ideal answer time attainment as compared to the previous manual system.
Keywords: dynamometer, speed control, torque control, instrumentation, internal combustion engine.
v
ÍNDICE
1. INTRODUÇÃO.........................................................................................................................1
1.1 O Problema..............................................................................................................................1
1.2 Objetivo Geral.........................................................................................................................2
1.3 Os Objetivos Específicos.........................................................................................................2
1.4 Organização do Trabalho.......................................................................................................3
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA...........................................................................................4
2.1 Dinamômetro ..........................................................................................................................4
2.1.1 Descrição dos Tipos de Dinamômetros.................................................................................4
2.1.1.1 Dinamômetro de Correntes de Foucault.............................................................................4
2.1.1.2 Dinamômetro Hidráulico....................................................................................................6
2.1.1.3 Dinamômetro de Corrente Alternada.........................................
................
.............................6
2.1.1.4 Dinamômetro de Corrente Contínua....................................................
.......
.........................7
2.2 Motores de Combustão ou Térmicos...............................................
...........
.............................7
2.2.1 Motores de Ciclo Quatro Tempos.........................................
.........
.........................................7
2.3 Tipos de Testes............................................................................................
......
........................8
2.3.1 Teste de Emissões.........................................
..........
....
...............................................................9
2.3.2 Teste de Consumo de Combustíveis
..............................................................................
................................10
2.3.3 Teste de Amaciamento de Motores......................................................................................11
2.3.4 Teste de Desempenho de Lubrificantes................................................................................12
2.4 Controlador............................................................................................................................12
2.4.1 Ação de Controle Proporcional............................................................................................13
2.4.2 Ação de Controle Integral....................................................................................................13
2.4.3 Ação de Controle Derivativa................................................................................................13
2.4.4 Controlador Proporcional, Integral e Derivativo (PID)........................................................14
2.5 O Software MATLAB...........................................................................................................14
2.5.1 O Software Simulink............................................................................................................14
2.6 O Software Labview................................................................................................................15
2.7 Estado da Arte da Instrumentação e Controle de Bancada Dinamométrica...................15
3. IMPLEMENTAÇÃO EXPERIMENTAL.............................................................................18
3.1 Introdução..............................................................................................................................18
3.2 Descrição dos Componentes do Sistema..............................................................................19
3.2.1 Componentes Mecânicos......................................................................................................21
vi
3.2.2 Sensores...............................................................................................................................23
3.2.3 Componentes Eletrônicos....................................................................................................29
3.2.4 Interface Gráfica..................................................................................................................36
4. IDENTIFICAÇÃO EXPERIMENTAL DOS PARÂMETROS E MODELAGEM.........38
4.1 Identificação das Características do Dinamômetro...........................................................38
4.2 Identificação das Características da Célula de Carga do Dinamômetro.........................41
4.3 Características do Motor de Passo......................................................................................42
4.4 Identificação e Modelagem Dinâmica do Sistema..............................................................42
5. PROJETO DE CONTROLADORES PARA ROTAÇÃO E POTÊNCIA........................45
5.1 As Ações dos Controladores Adotados................................................................................45
5.2 Controlador do Torque........................................................................................................45
5.2.1 Controlador Proporcional para o Torque.............................................................................45
5.2.2 Ajuste do Ganho do Controlador Proporcional...................................................................47
5.3 Controlador da Rotação.......................................................................................................47
5.3.1 Controlador PID para Rotação.............................................................................................47
5.3.2 Ajuste dos Ganhos do Controlador PID...............................................................................48
5.3.3 Validação dos Ajustes dos Ganhos......................................................................................50
6. RESULTADOS EXPERIMENTAIS....................................................................................52
6.1 Resultados Experimentais de Teste de Amaciamento de Motores – Motor Fiat
1.6/16V..........................................................................................................................................52
6.1.1 Condição do Controlador Variando a Rotação e Mantendo o Torque Fixo.........................58
6.1.2 Condição do Controlador Mantendo a Rotação Fixa e Variando o Torque.........................60
6.1.3 Condição do Controlador Variando Torque e Rotação Desejados.......................................61
6.1.4 Condição do Controlador Variando Torque e Rotação Desejados a Partir da Condição
Inicial do Motor.............................................................................................................................62
6.2 Resultados Experimentais de Teste de Amaciamento de Motores - Motor GM151S.....63
6.3 Resultados Experimentais de Teste de Consumo ou Desempenho de Combustíveis......67
7. CONCLUSÕES........................................................................................................................72
7.1 Sugestões para Trabalhos Futuros.......................................................................................74
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................................75
vii
Lista de Símbolos
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
CO Monóxido de carbono
CO2 Dióxido de carbono
d Comprimento do braço de alavanca do dinamômetro [m]
ECU Unidade eletrônica de controle
F Força [N]
HC Hidrocarbonetos
ISO International Organization for Standardization
Kd Ganho derivativo
Ki Ganho integral
Kp Ganho proporcional
MPFI Multi point fuel injection
N Velocidade de rotação do motor de combustão [RPM]
NBR Normas Brasileira Regulamentada
NOx Óxidos de nitrogênio
P Potência fornecida pelo motor de combustão interna [W]
PWM Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso)
T Torque [Nm]
TPS Throttle Position Sensor
UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1: O esquema da ilustra princípio de funcionamento do freio
eletromagnético................................................................................................................................5
Figura 2.2: Tempos de um motor de combustão interna do Ciclo de Otto......................................8
Figura 2.3: Sistema de Controle de Malha Fechada......................................................................13
Figura 2.4: Diagrama em Blocos do controlador [Roos e Montijo, 2005]...........
.........
...................16
Figura 2.5 Interface gráfica [Cruz e Duarte, 2006].....................................
...........
...........................16
Figura 2.6: Interface Gráfica [Moulton, 2007]..........................................
....................
.......................17
Figura 3.1: Aparato experimental de testes com o sistema de instrumentação e controle do
bancada..........................................................................................................................................18
Figura 3.2: Bancada de visualização e gravação de dados e etapa de controle.............................19
Figura 3.3: Diagrama esquemático das ligações do sistema instrumentação e controle da
bancada................................................................................................................
...........
..................20
Figura 3.4: Vista geral do motor Fiat 1.6/16V..............................................................................21
Figura 3.5: Dinamômetro de Correntes de Foucault ZÖLLNER..................................................22
Figura 3.6: Motor de Passo SLO-SYN.........................................................................................23
Figura 3.7: LM35 da saída de água do dinamômetro....................................................................24
Figura 3.8: Sensor de posição acoplado ao corpo de borboleta....................................................25
Figura 3.9: Sensor de rotação........................................................................................................26
Figura 3.10: Célula de carga Z-250..............................................................................................27
Figura 3.11: Esquema de fixação de célula de carga no dinamômetro...................
...
...................28
Figura 3.12: Célula de carga do reservatório de combustível............................
..
.........................29
Figura 3.13: Interface com o microcontrolador.............................................
...
................
..
...........31
Figura 3.14: A placa condicionadora de sinais.....................................................
...
..
.......
..............32
Figura 3.15: Placa de Potência....................................................................................
.......
............33
Figura 3.16: Conversor A/D NI USB-6009........................................................
.........
...................34
Figura 3.17: Diagrama esquemático da Unidade Eletrônica de Controle Electromotive TEC – II.
Adaptado de Electromotive (1998)...............................................................................................35
Figura 3.19: Interface gráfica implementada através do Labview................................................37
Figura 4.1: Exemplo de diferentes larguras de pulso de um PWM de período T.........................38
Figura 4.2: Corrente elétrica versus largura de pulso do sinal de acionamento do
freio...........................................................................................................................................
..
...39
Figura 4.3: Largura de pulso versus nível de freio........................................................................40
ix
Figura 4.4: Gráfico da tensão na célula de carga versus massa.....................................................42
Figura 4.5: Respostas experimentais da rotação ao longo do tempo do sistema em malha aberta
ao sinal degrau.............................................................................................
........................
.................43
Figura 4.6: Curvas de rotação obtidas através de experimentos e simulação...............................44
Figura 5.1: Diagrama em blocos para o controle do torque..........................................................46
Figura 5.2: Diagrama esquemático do laço de controle da carga..................................................46
Figura 5.3: Diagrama em blocos para o controle de rotação.........................................................47
Figura 5.4: Diagrama Esquemático do laço de controle da rotação..............................................48
Figura 5.5: Diagrama de blocos do controlador de rotação do sistema.........................................49
Figura 5.6: Curvas do sinal de controle e do sinal saturado para o caso do controle de rotação do
sistema...........................................................................................................................................50
Figura 5.7: Validação dos ajustes dos ganhos do controlador da rotação do sistema...................51
Figura 6.1: Resposta no tempo da rotação - teste de amaciamento de motores no sistema de
controle experimental - Fiat 1.6/16V.............................................................................................54
Figura 6.2: Resposta no tempo do torque - teste de amaciamento de motores no sistema de
controle experimental - Fiat 1.6/16V.............................................................................................55
Figura 6.3: Resposta da potência no tempo - teste de amaciamento de motores no sistema de
controle experimental - Fiat 1.6/16V.............................................................................................55
Figura 6.4: Gráfico da resposta no tempo da abertura de borboleta - teste de amaciamento de
motores no sistema de controle experimental - Fiat 1.6/16V........................................................56
Figura 6.5: Gráfico da resposta no tempo do nível percentual de freio - teste de amaciamento de
motores no sistema de controle experimental - Fiat 1.6/16V........................................................57
Figura 6.6: Gráfico da resposta no tempo do nível de combustível do reservatório - teste de
amaciamento de motores no sistema de controle experimental - Fiat 1.6/16V.............................57
Figura 6.7: Resposta no tempo de rotação, torque, abertura de borboleta e nível percentual de
freio................................................................................................................................................59
Figura 6.8: Resposta no tempo de rotação, torque, abertura de borboleta e nível percentual de
freio................................................................................................................................................60
Figura 6.9: Resposta no tempo de rotação, torque, abertura de borboleta e nível percentual de
freio................................................................................................................................................61
Figura 6.10: Resposta no tempo de rotação, torque, abertura de borboleta e nível percentual de
freio................................................................................................................................................63
Figura 6.11: Resposta no tempo da rotação - teste do tipo amaciamento de motores no sistema de
controle experimental – GM151S..................................................................................................65
x
Figura 6.12: Resposta no tempo do torque - teste do tipo amaciamento de motores no sistema de
controle experimental – GM151S..................................................................................................65
Figura 6.13: Resposta no tempo da potência, percentual de abertura da borboleta e nível
percentual de freio - teste do tipo amaciamento de motores no sistema de controle experimental –
GM151S.........................................................................................................................................66
Figura 6.14: Diagrama em blocos para o controle do percentual de abertura de
borboleta........................................................................................................................................67
Figura 6.15: Resposta no tempo da rotação - teste do tipo consumo ou desempenho de
combustíveis no sistema de controle experimental – Fiat1.6/16V................................................69
Figura 6.16 Resposta no tempo do percentual de abertura da borboleta - teste do tipo consumo ou
desempenho de combustíveis no sistema de controle experimental – Fiat
1.6/16V..........................................................................................................................................69
Figura 6.17: Resposta no tempo do torque, potência, nível percentual de freio e nível de
combustível do reservatório- teste do tipo amaciamento de motores no sistema de controle
experimental – Fiat 1.6/16V..........................................................................................................70
xi
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1: Dados para teste de emissões de poluentes.................................................................9
Tabela 2.2: Dados para teste de consumo de combustíveis...........................................................10
Tabela 2.3: Dados da etapa I para teste de amaciamento de motores...........................................11
Tabela 2.4: Dados da etapa II para teste de amaciamento de motores..........................................11
Tabela 2.5: Dados para teste de desempenho de Lubrificantes.....................................................12
Tabela 3.1: Dados técnicos do motor Fiat 1.6/16V.......................................................................22
Tabela 3.2: Dados Técnicos do Sensor LM35...............................................................................24
Tabela 3.3: Dados Técnicos do Sensor Óptico H21B1.................................................................26
Tabela 3.4: Dados Técnicos da Célula de Carga Z-250................................................................27
Tabela 3.5: Dados Técnicos da Célula de Carga CDL-10............................................................28
Tabela 3.6: Dados técnicos do microcontrolador ATMEGA16....................................................29
Tabela 3.7: Dados técnicos do display Tech1602b.......................................................................30
Tabela 3.8: Dados técnicos do amplificador INA126...................................................................31
Tabela 3.9: Faixa de ganhos..........................................................................................................32
Tabela 3.10: Dados técnicos da placa de aquisição NI USB-6009 DAQ......................................33
Tabela 3.11: Dados técnicos do transistor IRF640........................................................................34
Tabela 3.12: Dados técnicos técnicas do da fonte PS-6000..........................................................36
Tabela 3.13: Dados técnicos técnicas do da fonte MPC-303DI....................................................36
Tabela 4.1: Valores de largura de pulso de acordo com a corrente aplicada ao dinamômetro.....39
Tabela 4.2: Relação Nível de Freio e Largura de Pulso................................................................40
Tabela 4.3: Tabela de Calibração da Célula Carga.................................
.....
...................................41
Tabela 6.1: Dados para teste reduzido de amaciamento de motor................................................53
Tabela 6.2: Dados para teste reduzido de amaciamento de motor................................................64
Tabela 6.3: Dados para teste reduzido de consumo ou desempenho de combustíveis......
......
.......68
1. INTRODUÇÃO
O Laboratório de Motores da UFRGS tem realizado testes em motores de
combustão interna com o objetivo de avaliar potência, desempenho de lubrificantes e
combustíveis e questões ambientais, como o estudo dos gases provenientes da combustão.
Na maioria dos testes, é necessário utilizar um sistema que controle a velocidade de
rotação e torque no motor de combustão interna, pois esses testes devem seguir curvas
padrões que possuem velocidades e torques determinados, sendo que esses parâmetros
devem permanecer aproximadamente constantes, mesmo com variações de outros
parâmetros do sistema.
O controle da velocidade de rotação e do torque são realizados, respectivamente,
com o uso de um controlador que varia a intensidade de corrente contínua que alimenta a
bobina do dinamômetro e através do controle de posição da borboleta do acelerador do
motor de combustão interna por um motor de passo.
Na configuração tradicional (anterior ao presente trabalho), os valores de torque e
rotação desejados nos ensaios eram obtidos manualmente. Assim, a abertura da borboleta
do motor de combustão interna era feita através da variação de posição de uma alavanca
que, através de um cabo, estava conectada diretamente à borboleta. A variação da
intensidade da corrente elétrica aplicada no dinamômetro era feita através de um
potenciômetro, o qual estava ligado à placa condicionadora de sinal que fazia a variação
dos níveis de correntes elétricas. Com os ensaios sendo controlados manualmente, o tempo
gasto para obter valores desejados de torque e rotação eram em média de 90 segundos
dependendo do operador, além dos mesmos serem bastante instáveis e inconstantes.
A motivação para realização desse trabalho parte da necessidade de dispor-se de um
sistema de instrumentação e controle automático para obter com maior confiabilidade e
rapidez os resultados dos testes realizados com motores de combustão interna no referido
laboratório.
1.1 O Problema
Atualmente, para o controle de bancadas de testes de motores de combustão interna
existem diversas soluções, com diferentes métodos e dispositivos, que possibilitam obter
2
resultados satisfatórios. O problema do controle de rotação e do torque aplicado no motor é
fazer com que ocorra uma relação intensidade de corrente elétrica/abertura de borboleta
adequada para manter dentro de faixas toleráveis os valores a serem seguidos na realização
dos testes.
1.2 Objetivo Geral
Busca-se desenvolver um sistema de controle da velocidade de rotação e do torque
através do qual seja possível ajustar as curvas para esses parâmetros de forma que eles
sigam os valores desejados e mantendo a relação de intensidade de corrente
elétrica/abertura de borboleta para a realização dos testes. Com isso se terá mais rapidez e
confiabilidade para aquisição dos resultados dos testes realizados. O presente trabalho
aborda o desenvolvimento e implementação desta proposta de solução.
1.3 Os Objetivos Específicos
Os principais objetivos deste trabalho são:
• Estruturar uma bancada experimental com motor de combustão interna e
dinamômetro a corrente de Foucalt;
• instrumentar o sistema com sensores de rotação no motor e com uma célula
de carga na carcaça do dinamômetro;
• instrumentar o sistema com sensores de temperatura;
• desenvolver um sistema de aquisição e medição dos sinais advindos do
sensor de rotação e da célula de carga;
• desenvolver um sistema de interface de potência para os atuadores;
• modelar matematicamente o funcionamento do sistema Motor-Dinamômetro;
• desenvolver um algoritmo de controle para torque e rotação;
3
• implementar experimentalmente o sistema de controle;
• desenvolver uma interface gráfica para usuários;
• testar a solução de controle e a implementação experimental;
1.4 Organização do Trabalho
Este trabalho está dividido em 7 capítulos. No primeiro está uma introdução do que
se trata o projeto. No Capítulo 2 é apresentado o embasamento teórico necessário para o
desenvolvimento do projeto enquanto que no Capítulo 3 é feita uma descrição do sistema
físico experimental e do seu funcionamento. No Capítulo 4 são desenvolvidas a modelagem
e a identificação experimental dos componentes e parâmetros do sistema e no Capítulo 5
são apresentados os projetos dos controladores para a torque e rotação. No Capítulo 6 são
apresentados os resultados experimentais obtidos nos testes realizados para verificar o
desempenho do sistema de controle. Finalmente no Capítulo 7 são apresentadas as
conclusões do presente trabalho e sugestões para trabalhos futuros.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo são abordados os principais tópicos relacionados aos equipamentos
utilizados no projeto, além dos principais tipos de testes realizados em motores de
combustão interna. Posteriormente, também são descritas algumas das técnicas utilizadas
para o controle de ensaios de motores de combustão interna e instrumentação para bancada
dinamométrica usada nos testes.
2.1 Dinamômetro
O dinamômetro é o equipamento capaz de medir a força, de um motor em suas
diversas condições de funcionamento.
2.1.1 Descrição dos Tipos de Dinamômetros
Os principais tipos de dinamômetros são:
• Dinamômetro de Correntes de Foucault
• Dinamômetro Hidráulico
• Dinamômetro de Corrente Alternada
• Dinamômetro de Corrente Contínua
2.1.1.1 Dinamômetro de Correntes de Foucault
Segundo Souza, 2005, o funcionamento dos dinamômetros de Foucault está baseado
na criação de correntes elétricas que se originam dentro de uma massa metálica condutora
inserida dentro de um campo magnético variável. Estas correntes, chamadas de “Correntes
de Foucault”, circulam em torno de linhas de fluxo nas massas metálicas onde elas se
desenvolvem. O campo magnético oriundo do indutor é geralmente um campo fixo, onde a
variação do elemento induzido é obtida pelo movimento mecânico do eixo de
movimentação a ser freado.
5
Como pode ser visto na Fig. 2.1, o disco metálico que pode girar livremente na
ausência de corrente de alimentação dos imãs é freado assim que uma corrente começa a
circular nestes imãs, criando um campo magnético que atravessa o disco induzido. As
correntes de Foucault criadas no disco produzem um campo magnético que se opõe a
variação do fluxo que os produziu e tende, portanto, a se opor ao deslocamento.
As forças eletromagnéticas que agem sobre o disco são proporcionais à velocidade
de rotação e dirigidas no sentido inverso desta velocidade. Pode-se, desta forma, frear o
disco em rotação sem aplicar atrito mecânico sobre ele.
Figura 2.1: O esquema da ilustra princípio de funcionamento do freio eletromagnético.
O alojamento do freio (dinamômetro de correntes de Foucault) é montado em
balanço e abriga um rotor, que apresenta “dentes” ao longo de seu perímetro e dois eixos
são fixados nas duas extremidades. No interior do alojamento do freio está a bobina de
excitação, além das câmaras de refrigeração que são percorridas pela água de refrigeração
do freio. As superfícies dos dentes do rotor, em aço especial de grande permeabilidade
magnética, são separadas das superfícies correspondentes das câmaras de refrigeração por
um anteparo.
Percorrida por uma corrente contínua, a bobina de excitação cria um campo
magnético onde as linhas de força se fecham em torno do enrolamento perpendicular à
direção desta corrente. Este campo é estacionário na região dos dentes da roda polarizada,
6
que significa que ele gira ao mesmo tempo em que o rotor e provoca pulsações de fluxos
nas paredes das câmaras de refrigeração, seguindo a freqüência dos dentes rotativos.
As correntes de Foucault geradas nestas paredes produzem um campo magnético
que se opõe à variação do fluxo que as produziu e tende, assim, a se opor ao movimento do
rotor.
Os freios eletromagnéticos são atualmente muito empregados, mesmo com o preço
do equipamento sendo mais elevado que os freios hidráulicos, em razão das seguintes
vantagens:
• Compacto e baixa inércia para potências baixas e médias
• Bom controle e velocidade de resposta, permitindo ciclos transientes
• Boa relação custo/benefício para potências baixas e médias
2.1.1.2 Dinamômetro Hidráulico
Segundo Pereira, 1999, o Dinamômetro Hidráulico é um dispositivo destinado à
medição e absorção de energia de uma fonte motora capaz de acioná-lo. Para absorver a
energia e realizar troca do calor gerado no processo, é necessário fornecer um fluxo
continuo de água. Este tipo de dinamômetro funciona como uma centrífuga ineficiente, ou
seja, cerca de 2% da energia é convertida em pressão hidráulica. Quanto maior o volume de
água e velocidade do motor, maior será a pressão hidráulica. Este tipo de dinamômetro
geralmente é utilizado para testes de potência em motores automobilísticos.
2.1.1.3 Dinamômetro de Corrente Alternada
O dinamômetro de corrente alternada funciona como um gerador elétrico que,
acionado pela máquina em prova, produz energia elétrica que é consumida por uma carga
variável, a qual pode ser uma cuba eletrolítica ou um banco de resistores. A medição exige
a correção dos instrumentos elétricos para compensar o rendimento do gerador. Tem a
vantagem de poder ser utilizado como motor elétrico e acionar a máquina em prova para
medição de potência.
7
2.1.1.4 Dinamômetro de Corrente Contínua
O dinamômetro de corrente contínua possui o mesmo principio de funcionamento
do dinamômetro corrente alternada. Funciona tanto como gerador ou como motor e tem a
função de frear ou acionar a máquina, por outro lado, é muito volumoso e tem um custo
muito alto, por isso estão sendo substituídos por sistemas de corrente alternada.
2.2 Motores de Combustão Interna ou Térmicos
O motor de combustão interna é uma máquina térmica, que transforma a energia
proveniente de uma reação química em energia mecânica. Nesses motores, o combustível e
o fluido ativo, que neste caso trata-se do ar necessário à combustão, se misturam, efetuando
a queima dentro do próprio motor. Após a queima, a liberação da energia calorífica eleva a
temperatura da mistura, fazendo os gases se expandirem e, assim, realizarem trabalho. Essa
mistura (ou fluido de trabalho) passa por mudança na sua composição após a combustão,
variando de ar mais combustível para produtos da combustão (gases).
2.2.1 Motores de Ciclo Quatro Tempos
Os motores de combustão interna ou endotérmicos são classificados também em
relação aos ciclos de trabalho. Existem os motores com ignição por centelha e os motores
com ignição por compressão (motores Diesel). Motores movidos a gasolina ou álcool são
exemplos de motores com ignição por centelha. Neste caso, a queima do combustível é
iniciada com uma centelha fornecida pela vela de ignição, que é um componente instalado
na superfície superior do cilindro, na parte chamada de cabeçote do motor.
Durante seu funcionamento, um motor admite uma quantidade de ar/combustível,
que é comprimida, queimada e expandida antes de expulsá-la do cilindro. Assim, o ciclo
completo de potência é realizado quando o êmbolo executa quatro movimentos, dois para
cima e dois para baixo, chamando-se então de motor de quatro tempos. Os quatro tempos
de um motor endotérmico são mostrados esquematicamente na Fig. 2.2.
O motor utilizado neste trabalho se enquadra na classificação de motor de
combustão interna ciclo Otto, que são os seguintes:
8
• Admissão: a válvula de admissão se abre e a de escapamento mantém-se fechada. O
êmbolo desce, aspirando a mistura ar/combustível que penetra no cilindro. No fim
deste curso a válvula de admissão fecha-se.
• Compressão: as válvulas de admissão e escape mantêm-se fechadas. Ao subir, o
êmbolo comprime a mistura na câmara de explosão, que resulta na sua vaporização
devido ao calor gerado pela compressão.
• Expansão: as válvulas de admissão e escape permanecem fechadas. O gás
comprimido, ao ser inflamado pela centelha da vela de ignição, expande-se,
impelindo o êmbolo para baixo.
• Exaustão: a válvula de admissão mantém-se fechada e a válvula de escape
permanece aberta. O êmbolo sobe a fim de expulsar os gases restantes da
combustão.
Figura 2.2: Tempos de um motor de combustão interna do Ciclo de Otto.
2.3 Tipos de Testes
Os testes que serão descritos a seguir neste capitulo estão em conformidade com as
normas NBR ISO 1585 (ABNT, 1996), NBR ISO 14489 e EURO 3, que tem como objetivo
especificar brevemente alguns métodos para os testes de bancada em motores de combustão
interna.
Segundo Rohenkohl, 2004, alguns dos principais testes de bancada realizados em
motores de combustão interna são:
9
• Teste de Emissões
• Teste de Consumo de Combustíveis de Combustíveis
• Teste de Amaciamento de Motores
• Teste de Desempenho de Lubrificantes
2.3.1 Teste de Emissões
Os testes de emissões de poluentes servem para obter dados sobre os gases do
escapamento do motor em termos das emissões de CO, CO
2
, HC e NOx. São testes
importantes sob o ponto de vista mais amplo de eficiência dos motores de combustão
interna, que considera também, além do trabalho produzido e do consumo de combustível,
os impactos causados ao meio ambiente onde estes recursos são empregados.
Segundo Trielli, 2007, na Tabela 2.1 que segue o Ciclo 13 Pontos de acordo com a
norma européia EURO 3, pode-se visualizar os valores do tempo, rotação e torque que deve
se seguir para realizar esse tipo de teste.
Tabela 2.1: Dados para teste de emissões de poluentes
Ponto
do Ciclo
Rotação
[RPM]
Torque
[%]
Tempo de
Estagio [s]
Tempo
Acumulado [s]
1 Marcha Lenta 0 360 360
2 Intermediária 10 360 720
3 Intermediária 25 360 1080
4 Intermediária 50 360 1440
5 Intermediária 75 360 1800
6 Intermediária 100 360 2160
7 Intermediária 0 360 2520
8 Nominal 100 360 2880
9 Nominal 75 360 3240
10 Nominal 50 360 3600
11 Nominal 25 360 3960
12 Nominal 10 360 4320
13 Nominal 0 360 4680
10
2.3.2 Teste de Consumo de Combustíveis.
Este teste é realizado para obter o valor do consumo de combustível do motor de
combustão interna testado.
Na Tabela 2.2 podem ser visualizados os valores do tempo, posição do acelerador
(percentual de abertura da borboleta) que devem ser seguidos segundo a norma NBR ISO
1585 (ABNT, 1996), para realizar esse tipo de teste.
Tabela 2.2: Dados para teste de consumo de combustíveis.
Rotação
[RPM]
Posição
Acelerador [%]
Tempo de
Estágio [s]
Tempo
Acumulado [s]
1000 25 120 120
1000 50 120 240
1000 75 120 360
1000 100 120 480
1000 0 120 600
1200 25 120 720
1200 50 120 840
1200 75 120 960
1200 100 120 1080
1000 0 120 1200
1400 25 120 1320
1400 50 120 1440
1400 75 120 1560
1400 100 120 1680
… … … …
4000 25 120 9120
4000 50 120 9240
4000 75 120 9360
4000 100 120 9480
1000 0 120 9600
11
2.3.3 Teste de Amaciamento de Motores
Este teste é realizado com o objetivo de “amaciar” o motor em bancada, preparando-
o para os testes de desempenho de óleos lubrificantes. O ciclo de amaciamento tem duas
etapas.
Nas tabelas 2.3 e 2.4 podem ser visualizados os valores do tempo, rotação e torque
que se deve seguir segundo a norma NBR ISO 1585 (ABNT, 1996), para realizar esse tipo
de teste.
Etapa I
Tabela 2.3: Dados da etapa I para teste de amaciamento de motores.
Passo
Rotação
[RPM]
Torque
[%]
Tempo de
Estágio [s]
Tempo
Acumulado [s]
1 2000 25 1800 1800
2 2500 30 1800 3600
3 3000 30 1800 5400
4 3500 30 1800 7200
5 2000 30 1800 9000
6 3000 40 1800 10800
Etapa II
Tabela 2.4: Dados da etapa II para teste de amaciamento de motores.
Passo
Rotação
[RPM]
Torque
[%]
Tempo de
Estágio [s]
Tempo
Acumulado [s]
1 3000 40 1800 1800
2 3500 40 1800 3600
3 4000 40 1800 5400
4 2500 50 1800 7200
12
Continuação da Tabela 2.4: Dados da etapa II para teste de amaciamento de motores.
5 3000 60 1800 9000
6 3500 60 1800 10800
7 4000 60 1800 12600
8 4500 60 1800 14400
9 3000 100 1800 16200
10 3500 100 1800 18000
11 4000 100 1800 19800
12 4500 100 1800 21600
2.3.4 Teste de Desempenho de Lubrificantes
Este teste é realizado para analisar o desempenho de um tipo de lubrificante quanto
ao desgaste de peças do motor, durabilidade e consumo do óleo (lubrificante).
Segundo Rohenkohl, 2004, na Tabela 2.5 que segue a seqüência IIIE GM151S,
pode-se visualizar os valores do tempo, rotação e potência que se deve seguir para realizar
esse tipo de teste.
Tabela 2.5: Dados para teste de desempenho de Lubrificantes.
Parâmetros Limites
Tempo total do teste (turnos) 64 horas (8 x 8 horas)
Rotação 3000 RPM
Potência 33,1KW
2.4 Controlador
Segundo Ogata, 2000, um sistema de controle com realimentação (ou de malha
fechada) refere-se a uma operação que, na presença de perturbações, tende a diminuir a
diferença entre o sinal de saída de um sistema e algum sinal de entrada (referência) e atua
sobre o sistema controlado com base nessa diferença.
A estrutura básica de um sistema de controle em malha fechada utilizando
controlador pode ser vista na Fig. 2.3:
13
Figura 2.3: Sistema de Controle de Malha Fechada
2.4.1 Ação de Controle Proporcional
Segundo Ogata, 2000, muitas vezes processos mais simples podem ser facilmente
controlados apenas por uma a ação proporcional, ou seja, aplicando apenas o ganho
podemos melhorar a resposta transitória aumentando o tempo de subida, mas o sobre-sinal
aumenta e ocorre uma redução do erro em regime (não o eliminando completamente). Além
disso, a margem de estabilidade do sistema é reduzida.
2.4.2 Ação de Controle Integral
Segundo Ogata, 2000, a ação de controle integral visa à eliminação do erro em
regime permanente. A correção tenderá a aumentar com o passar tempo geralmente
atingindo um valor suficiente para poder eliminar por completo tal erro. Com parâmetros
escolhidos cuidadosamente pode-se obter um sobre-sinal pequeno ou até mesmo nulo.
Contudo a utilização do controlador PI, pode fazer com que o sistema aumente sua margem
de estabilidade, e aumente o seu tempo de assentamento. Ganhos integrais indevidos podem
levar o sistema à instabilidade.
2.4.3 Ação de Controle Derivativa
Segundo Ogata, 2000, a ação derivativa tem como objetivo melhorar as
características da resposta transitória, a margem de estabilidade do sistema e um menor
tempo de subida.
14
2.4.4 Controlador Proporcional, Integral e Derivativo (PID)
A combinação das ações proporcional, integral e derivativa, gerando um sinal de
controle consiste no controlador proporcional-integral-derivativo, mais conhecido por
controlador PID.
O objetivo do controlador PID é o de aproveitar as características de cada ação de
controle (proporcional, integral e derivativa) para obter uma melhoria nas respostas do
sistema controlado.
2.5 O Software MATLAB
MATLAB (MATrix LABoratory) é um software interativo voltado para o cálculo
numérico. O MATLAB integra análise numérica, cálculo com matrizes, processamento de
sinais e construção de gráficos em ambiente amigável, onde problemas e soluções são
expressos da forma como eles são escritos matematicamente, ao contrário da programação
tradicional.
Além disso, o MATLAB é um sistema interativo cujo elemento básico de
informação é uma matriz que não requer dimensionamento. Esse sistema permite
geralmente a resolução de problemas numéricos mais rapidamente que utilizando
programas semelhante em linguagem Fortran, Basic ou C. Além disso, as soluções dos
problemas são expressas quase exatamente como elas são escritas matematicamente.
2.5.1 O Software Simulink
O Simulink, desenvolvido pela companhia The MathWorks, é uma ferramenta para
modelamento, simulação e análise de sistemas dinâmicos. Sua interface primária é uma
ferramenta de diagramação gráfica por blocos e bibliotecas customizáveis de blocos. O
software oferece alta integração com ambiente MATLAB. Simulink é amplamente usado
em teoria de controle, processamento digital de sinais e simulação.
15
2.6 O Software Labview
Segundo Ramalho, 2006, o Labview (Laboratory Virtual Instrument Engineering
Workbench) é uma linguagem de programação gráfica originária da empresa National
Instruments. Os principais campos de aplicação do Labview são a realização de medições e
a automação. A programação é feita de acordo com o modelo de fluxo de dados, o que
oferece a esta linguagem facilidades para a aquisição de dados e para a sua manipulação.
O Labview usa ícones em vez de linhas de texto criar aplicações. Em contraste com
as linguagens de programação baseadas em texto, onde as instruções determinam execução
de programa.
A Interface de operador é construída por um conjunto de ferramentas e objetos,
sendo designada por “painel frontal”. O programa é construído usando representações
gráficas de funções, para controlar os objetos no painel frontal.
O código fica definido em um diagrama de blocos, que pode ser associado a um
fluxograma. Os programas de Labview são chamados instrumentos virtuais, ou VIs, pois
sua aparência e operação imita instrumentos físicos, tal como osciloscópios e multímetros.
Cada VI usa funções que manipulam as entradas da interface e exibe essa informação ou a
transforma para outros blocos.
2.7 Estado da Arte da Instrumentação e Controle de Bancada Dinamométrica
Nesta seção são apresentados alguns sistemas que estão sendo desenvolvidos por
pesquisadores sobre a instrumentação e controle de bancadas dinamométricas para motores
de combustão interna.
Segundo Roos e Montijo, 2005, a bancada existente no Laboratório de Energia e
Ambiente (LEA) da Universidade de Brasília se trata de um dinamômetro para o teste de
motores a combustão interna. Este dinamômetro é do tipo hidráulico, ou seja, possui uma
válvula borboleta para que, aumentando ou diminuindo o fluxo de água, se produza uma
carga no motor e se varie a velocidade. E esta válvula é movimentada através de um servo-
motor. No sistema proposto por Roos e Montijo, 2005, foi desenvolvido um controlador
PID (proporcional, integral e derivativo) implementado em um microcontrolador que
realiza o controle do sinal aplicado ao freio dinamométrico para calcular a posição do servo
16
motor e aumentar ou diminuir o fluxo água e, conseqüentemente, diminuir ou aumentar a
velocidade do motor de combustão interna. No esquema de Roos e Montijo, 2005,
representado na Fig. 2.4, tem-se como entrada a referência, ou seja, o valor desejado para a
velocidade do motor a combustão interna e na saída a velocidade de rotação, a qual é
subtraída da velocidade desejada, originando o sinal do desvio.
Figura 2.4: Diagrama em Blocos do controlador [Roos e Montijo, 2005].
Cruz e Duarte, 2006, utilizaram o sistema já implementado por Roos e Montijo em
2005, e desenvolveram uma interface gráfica que faz a leitura via porta serial do
computador dos dados enviados do microcontrolador, traça suas curvas em tempo real e as
salva em arquivo para estudos posteriores. Além disso, podem ser ajustados alguns
parâmetros via programa, tais como, a velocidade de referência e os ganhos do controlador.
Na Fig. 2.5 pode-se visualizar a interface gráfica implementada por Cruz e Duarte (2006).
Figura 2.5: Interface gráfica [Cruz e Duarte, 2006].
17
O sistema proposto por Moulton, 2007, utiliza uma bancada com um dinamômetro
de corrente de Foucault para realizar testes em pequenos motores de combustão interna (no
caso motores de ciclo 2 tempos). Neste caso, foi implementado um controlador PI
(proporcional-integral) para controlar a intensidade de freio do dinamômetro e,
conseqüentemente, a rotação do motor. O autor instrumentou o sistema com sensores de
temperatura e célula de carga e fez uma interface gráfica para visualização dos sinais dos
sensores e aquisição de resultados nos testes em motores. Nas fig. 2.6 pode-se visualizar a
interface gráfica do sistema implementado por Moulton, 2007.
Figura 2.6: Interface gráfica [Moulton, 2007].
3. IMPLEMENTAÇÃO EXPERIMENTAL
Neste capítulo são apresentados os principais tópicos relacionados à descrição geral,
modelagem e identificação experimental dos parâmetros dos componentes do sistema de
controle e instrumentação do bancada de testes de motores instalada no Laboratório de
Motores da UFRGS.
3.1 Introdução
A implementação experimental do sistema de instrumentação e controle da bancada
de testes de motores foi realizada no Laboratório de Motores do Departamento de
Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. A bancada, com
motor e dinamômetro, é mostrada na foto apresentada na Fig. 3.1. Mais adiante, na Fig. 3.2,
apresenta-se também o sistema implementado para visualização, gravação de dados e
controle.
Figura 3.1: Aparato experimental de testes com o sistema de instrumentação e controle do
bancada.
19
Os sinais condicionados dos sensores de rotação e torque são amostrados e
convertidos por um conversor analógico digital (A/D) e, depois, recebidos por um
microcontrolador. Este microcontrolador processa as informações e, através de um
conversor digital analógico (D/A) e placas condicionadoras de sinais, atua sobre motor de
passo ligado a borboleta do acelerador do motor de combustão interna. A intensidade de
corrente aplicada no dinamômetro também é, da mesma forma, controlada. O
microcontrolador está conectado a um microcomputador via porta serial, permitindo
visualizar e gravar os dados através de uma interface gráfica programada no Labview.
Figura 3.2: Bancada de visualização e gravação de dados e etapa de controle.
3.2 Descrição dos Componentes do Sistema
Os principais componentes do sistema estudado para o controle da bancada testes de
motores de combustão interna estão representados no diagrama esquemático da Fig. 3.3:
20
Figura 3.3: Diagrama esquemático das ligações do sistema instrumentação e controle da
bancada.
Conforme apresentado nas figuras 3.1, 3.2 e 3.3, o sistema é constituído pelos
seguintes componentes: um motor de combustão interna, um dinamômetro, um motor de
passo, seis sensores de temperatura LM35, um sensor óptico de rotação, duas células de
carga, um sensor de posição da borboleta (potenciômetro), duas placas condicionadoras de
sinais, um microcontrolador ATMEGA16, uma placa conversora de sinal analógico para
digital e um microcomputador.
21
Visando facilitar a sua descrição, o sistema foi dividido em quatro partes:
componentes mecânicos, sensores, componentes eletrônicos e interface gráfica. Seguem
suas descrições:
3.2.1 Componentes Mecânicos
Os componentes mecânicos são: motor de combustão interna, dinamômetro e o
motor de passo.
O motor utilizado nos testes, mostrado na Fig. 3.4, foi um FIAT 1.6, 4 cilindros, 16
válvulas, sistema de ignição por centelha e gerenciamento de mistura por injeção de
combustível multiponto (Multi Point Fuel Injection – MPFI). Originalmente desenvolvido
para gasolina automotiva tipo C, possui relação de compressão de 9,5:1 (Ver ficha técnica,
Tabela 3.1). O sistema de ignição é composto pela unidade eletrônica de controle (ECU),
duas bobinas de ignição, cabos supressivos de ruído e velas NGK. O sistema de
alimentação de combustível é composto por um reservatório com capacidade de 10 litros,
bomba de combustível Bosch de vazão nominal de 105 l/h com filtro e regulador de pressão
Bosch. O sistema de arrefecimento utiliza água como refrigerante e é composto por um
trocador de calor compacto tipo casco e tubo de escoamento cruzado água/água. O sistema
de lubrificação do motor é tipo bomba de óleo e cárter úmido sem arrefecedor. O óleo
lubrificante usado tem classificação SAE 20W50 API SJ. O sistema de escapamento
utilizou ponteira silenciadora e abafador de ruído intermediário, sem dispositivos
antipoluição (catalisador).
Figura 3.4: Vista geral do motor Fiat 1.6/16V
22
Tabela 3.1: Dados técnicos do motor Fiat 1.6/16V
Relação de Compressão 9,5:1
Potência Máxima (kW/RPM) 78/5500(Gasolina C)
Torque Máximo (N.m/RPM) 151,1/4500 (Gasolina C)
O dinamômetro de Foucault ZÖLLNER D-500, mostrado na Fig. 3.5, com potência
nominal de frenagem de 200kW é constituído por um estator em balanço e um rotor
acionado pelo motor em teste girando imerso em um campo de força magnético de
intensidade variável produzido pelas bobinas do estator. A intensidade do campo de força é
controlada por um gerador de corrente contínua aplicada na bobina do estator, podendo-se,
pela variação desta corrente, modular a carga aplicada sobre o eixo.
Figura 3.5: Dinamômetro de Correntes de Foucault ZÖLLNER D-500
O motor de passo HS50 do fabricante SLO-SYN está mostrado na Fig. 3.6 e tem
como máxima tensão de trabalho 5 V, torque de 0,6 N.m e 200 passos por volta. Sua função
é a de variar o percentual de abertura da borboleta do acelerador do motor de combustão
23
interna. O motor de passo é acionado através de uma interface de potência que, por sua vez,
está conectada a um canal do microcontrolador.
Figura 3.6: Motor de Passo SLO-SYN HS50.
3.2.2 Sensores
Foram utilizados os seguintes sensores: seis medidores de temperatura, um sensor
óptico de rotação, duas células de carga e um sensor de posição da borboleta
(potenciômetro).
O sensor LM35 é um sensor de precisão, fabricado pela National Semiconductor,
que apresenta uma saída de tensão linear em relação à temperatura em que ele se encontra
no momento da sua alimentação por uma tensão de 4 a 30V, tendo em sua saída um sinal de
10mV para cada grau Celsius de temperatura variado.
O LM35 não necessita de qualquer calibração externa para fornecer valores
temperatura com variações de ¼ºC a ¾ºC dentro da faixa de temperatura de –55ºC à 150ºC.
Este sensor tem saída com baixa impedância, tensão linear e calibração precisa, fazendo
com que o interfaceamento de leitura seja especificamente simples, barateando todo o
sistema em função disto. Ele drena apenas 60µA para alimentação, sendo assim, seu
autoaquecimento é de aproximadamente 0,1ºC ao ar livre. O sensor LM35 é apresentado
24
com vários tipos de encapsulamentos, sendo o mais comum o e utilizado no presente
trabalho, que é o TO-92.
Os sensores LM35 utilizados no trabalho (vide Fig. 3.7) servem para monitorar as
temperaturas de entrada e saída da água de resfriamento do motor, a entrada e saída da água
de resfriamento do dinamômetro e a entrada e saída da água de resfriamento do trocador de
calor. Na Tabela 3.2 estão apresentadas algumas das características técnicas do sensor
LM35.
Tabela 3.2: Dados Técnicos do Sensor LM35
Fator de Escala Linear +10mV/ºC
Faixa de Temperatura -55ºC a 150ºC
Faixa de Tensão 4V a 30V
Corrente de Dreno 60uA
Figura 3.7: LM35 da saída de água do dinamômetro.
25
O sensor de posição da borboleta do acelerador do fabricante Magneti Marelli é um
potenciômetro linear, cuja resistência se altera de acordo com o movimento de um cursor
sobre uma pista resistiva.
O cursor está ligado a um eixo solidário ao eixo da borboleta de aceleração. Assim,
com o movimento de abertura da borboleta, altera-se a posição do curso sobre a trilha,
alterando também a sua resistência. Na Fig. 3.8 pode se visualizar o sensor de posição
ligado ao corpo de borboleta.
O sensor de posição de borboleta (também chamado de TPS) possui três terminais,
sendo um terra, um sinal de referência (5 V) e um sinal de retorna à unidade de comando
(valor variável entre 0 a 5 V).
Figura 3.8: Sensor de posição acoplado ao corpo de borboleta
O sensor óptico H21B1 do fabricante Fairchild é constituído por dois blocos
isolados eletricamente, um emissor de luz e outro elemento fotossensível. O sensor está
acoplado em um disco, como mostra a Fig. 3.9, e, a cada volta do disco, 6 pulsos de 0 a 5V
são emitidos a um canal do microcontrolador. Na Tabela 3.3 estão apresentadas algumas
das características técnicas do sensor óptico H21B1.
26
Tabela 3.3: Dados Técnicos do Sensor Óptico H21B1
Emissor
Corrente Contínua Direta IF 50mA
Tensão de Polarização Inversa VR 6V
Dissipação de Potência PD 100mW
Sensor
Tensão entre Coletor e Emissor
VCEO
30V
Tensão entre Emissor e Coletor
VECO
6V
Corrente do Coletor IC 40mA
Dissipação de Potência PD 150mW
Figura 3.9: Sensor de rotação
A célula de carga tipo Z-250, fabricada pela Alfa Instrumentos, está fixada na
carcaça do dinamômetro, onde se pôde verificar o torque aplicado no motor de combustão
interna. As figuras 3.10 e 3.11 respectivamente apresentam a célula de carga utilizada no
trabalho e um esquema de como é fixada no dinamômetro. Na Tabela 3.4 estão
apresentadas algumas das características técnicas da célula do tipo Z-250.
27
Tabela 3.4: Dados Técnicos da Célula de Carga Z-250
Capacidade Nominal 250kg
Capacidade de Força 2500N
Erro combinado - % saída nominal <0,03%
Máxima sobrecarga sem alterações
% capacidade nominal
150%
Sobrecarga de ruptura % capacidade
nominal
300%
Excitação VCC ou VCA máxima: 15 recomendada :10
Figura 3.10: Célula de carga Z-250.
28
Figura 3.11: Esquema de fixação de célula de carga no dinamômetro.
A célula do tipo Single Point de alumínio, modelo CDL-10, do fabricante Flexar foi
calibrada e submetida ao peso do reservatório de combustível, conforme a Fig. 3.12. Ela é
utilizada para verificar o consumo de combustível pelo método gravimétrico. Na Tabela 3.5
estão apresentadas algumas das características técnicas da célula de carga CDL-10.
Tabela 3.5: Dados Técnicos da Célula de Carga CDL-10.
Tensão Máxima 15V
Capacidade Nominal 10kg
Capacidade de Força 100N
Sensibilidade 0,03%
Não-linearidade 0,0003
Não-repetibilidade 0,0002
Máxima sobrecarga 1,5
Efeito da temperatura no zero +/- 0,003
Resistência de isolação >5000 Mohms
29
Figura 3.12: Célula de carga do reservatório de combustível
3.2.3 Componentes Eletrônicos
O microcontrolador é do modelo ATMEGA16 do fabricante Atmel Corporation e é
baseado na arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computing) de 131 instruções. Na
Tabela 3.6 estão apresentadas principais características técnicas do microcontrolador.
Tabela 3.6: Dados técnicos do microcontrolador ATMEGA16.
Memória Flash Programável 16 Kbytes
Ciclos de Gravação 10000 ciclos
Contadores 2 x 8 bits e 1 x 16 bits
Canais PWM 2 x 10 bits e 2 x 8 bits
Entradas Analógicas 8 x 10 bits
Porta de Comunicação Serial 1
Entradas Digitais Programáveis 32
Encapsulamento 40 pinos PDIP
Freqüência de Trabalho 0 ~ 16 MHz
Tensão de Operação 4,5 ~ 5,5 V
30
O display do modelo Tech1602b do fabricante Linpo Technology. Apresenta visor
com duas linhas e dezesseis colunas. Tem a função de mostrar ao operador as informações
de estado de operação, tempo de realização do processo, rotação e torque desejados e
rotação e torque de saída do sistema. Na Tabela 3.7 estão apresentadas algumas
características técnicas do display Tech1602b.
Tabela 3.7: Dados técnicos do display Tech1602b
Item Símbolo Min Max Unidade
Tensão VDD-VSS 0 7
Tensão de Entrada Vin VSS VDD
V
Faixa de Operação de Temperatura TOP 0 +50
Faixa de Armazenamento da
Temperatura
TST -20 +60
ºC
A interface serial RS-232 é implementada através do circuito integrado MAX-232
do fabricante Texas Instruments. É um duplo transmissor/receptor contendo um gerador de
tensão capacitivo para suprir os sinais a partir de um fonte de 5 V. Cada receptor converte
os sinais de entrada normalizados TIA/EIA-232-F para os níveis de 5 V. Esses receptores
têm como valor de disparo típico 1,3 V e histerese típica de 0,5 V e aceitam como entrada
valores de até +30 V. O tempo de amostragem de 1 s, o microcontrolador envia todos os
dados envolvidos no sistema da bancada para um microcomputador compatível com IBM-
PC, onde os mesmos são armazenados para posterior estudo e pesquisa.
Foi implementada uma interface (vide Fig. 3.13) onde estão localizados o
microcontrolador, o display, os terminais de aquisição dos sinais dos sensores e transmissão
dos sinais de controle. Uma chave liga/desliga tem como função permitir ou não o início do
processo de controle e dois potenciômetros são utilizados para controlar manualmente a
abertura de borboleta e o nível percentual de freio do dinamômetro.
31
Figura 3.13: Interface com o microcontrolador.
A placa condicionadora de sinais (vide Fig. 3.14) foi confeccionada no LAMECC
(Laboratório de Mecatrônica e Controle) e tem como função tratar os sinais dos sensores
LM35 e das células de carga. É composta pelo amplificador operacional INA126 (vide
dados técnicos na Tabela 3.8) do fabricante Texas Intruments e possui 8 canais. O INA126
é um amplificador com uma boa precisão, um baixo nível de ruído e um ampla faixa de
tensão de funcionamento que varia de ±1,35V a ±18V. A placa foi projetada para possuir
quatro faixas de ganho que são de 5, 10, 100 e 1000 vezes o valor do sinal de entrada. Na
Tabela 3.9 está apresentada a faixa de ganho de cada sensor.
Tabela 3.8: Dados técnicos do amplificador INA126
Corrente Quiescente 175mA
Faixa Larga da Fonte ±1.35V a ±18V
Tensão do Offset 250mV máximo
Drift do Offset 3mV/°C máximo
Ruído 35nV/Hz
Baixa Corrente da Polarização da Entrada 25nA máximo
32
Tabela 3.9: Faixa de ganhos
Sensor Ganho
LM35 da temperatura da água de
entrada do motor. (Arrefecimento)
5
LM35 da temperatura da água de
saída do motor.
5
LM35 da temperatura da água de
entrada do trocador. (Rede)
10
LM35 da temperatura da água de
saída do trocador.
10
LM35 da temperatura da água de
entrada do dinamômetro. (Rede)
10
LM35 da temperatura da água de
saída do dinamômetro.
10
Célula de carga reservatório de
combustível.
100
Célula de carga dinamômetro
1000
Figura 3.14: A placa condicionadora de sinais
A placa condicionadora de corrente (implementada no âmbito do presente trabalho)
mostrada na Fig. 3.15 é utilizada para controlar a intensidade de corrente elétrica aplicada
nas bobinas do dinamômetro. A intensidade de corrente elétrica aplicada no dinamômetro é
controlada por um canal PWM do microcontrolador. Assim, para modelar o funcionamento
33
da placa de potência, diferentes valores de largura de pulso foram aplicados à entrada desta,
permitindo obter diferentes valores de corrente aplicadas ao dinamômetro.
Figura 3.15: Placa de potência
A placa de aquisição de dados NI USB-6009 DAQ do fabricante National
Instruments (vide Fig. 3.16) proporciona capacidades multifuncionais com oito canais de
14 bits na entrada analógica, duas saídas analógicas, 12 linhas de E/S digitais e um
contador. Ambos usam alimentação através do barramento USB, portanto, não necessitam
de uma fonte de alimentação externa para operar. Esta placa é utilizada como conversor de
sinal analógico para digital dos sinais dos LM35 e da célula de carga do tanque de gasolina
e se comunica diretamente com o microcomputador via porta USB. Na Tabela 3.10 estão
apresentadas as principais das características técnicas da placa de aquisição NI USB-6009
DAQ.
Tabela 3.10: Dados técnicos da placa de aquisição NI USB-6009 DAQ
Número Entradas Analógicas 8
Número de Saídas Analógicas 2
Resolução das Entradas (Bits) 14
Taxa de Amostragem (kS/s) 48
Faixa de Valores nas Entradas (V) ±1 a ±20
Resolução de Saída (Bits) 12
Taxa de Saída (Hz) 150
Faixa de Saída (V) 0 a 5
Contador de 32-Bit 1
34
Figura 3.16: Conversor A/D NI USB-6009
Para acionamento das bobinas do motor de passo, as quais necessitam de uma alta
intensidade de corrente contínua, foi utilizada uma interface de potência constituída de
quatro transistores mosfet de IRF640 do fabricante Farchild. Na Tabela 3.11 estão
apresentadas algumas das características técnicas do transistor IRF640.
Tabela 3.11: Dados técnicos do transistor IRF640
Tensão(drain-source) V
DS
200V
Tensão(gate-source) V
GS
±20V
Corrente (drain) I
D
18A
Corrente Máxima(drain) I
DM
72A
Potência Total P
TOT
125W
O gerenciamento da injeção de combustível e da ignição da combustão foi realizado
por uma unidade eletrônica de controle (ECU) Electromotive TEC-II. Este sistema
proporciona ao usuário, um adequado controle sobre as variáveis operacionais do motor. É
composta por um sistema de ignição eletrônica e de um sistema de injeção eletrônica de
combustível, ambos podendo ser programados pelo usuário em ambiente Windows, de
35
acordo com a exigência do motor. A ECU é alimentada por sinais de entrada de um
conjunto de sensores distribuídos no motor e gerencia os atuadores, ou seja, a bomba de
combustível, as bobinas de ignição, o atuador de marcha lenta e os atomizadores de
combustível. Na Fig. 3.17 está representado o diagrama esquemático desta ECU. A unidade
eletrônica de controle Electromotive TECII permite também sua utilização como data-
logger.
Figura 3.17: Diagrama esquemático da unidade eletrônica de controle Electromotive TEC –
II. Adaptado de Electromotive (1998).
Duas fontes chaveadas distintas são utilizadas no experimento. A primeira fonte é
do tipo chaveada variável, modelo PS-6000 do fabricante ICEL. Esta fonte fornece tensões
de 8 V e 5 V. Esta fonte é utilizada para alimentar a placa do microcontrolador e o motor de
passo. Na Tabela 3.12 estão apresentadas as principais características técnicas da fonte de
alimentação PS-6000.
36
Tabela 3.12: Dados técnicos técnicas do da fonte PS-6000
Características Técnicas
Alimentação 115/230V (50/60Hz)
Dimensões e peso: 340X160X260mm, 25Kg
Temperatura e umidade de operação de 0º a 40ºC, menos que 80%
Temperatura e umidade de armazenamento de -10º a 70ºC, menos que 70%
A segunda fonte é do tipo chaveada variável, modelo MPC-303DI do fabricante
Minipa. Esta fonte fornece tensões -10 V e +10 V e é utilizada para alimentar as células de
carga e a placa condicionadora de sinais. Na Tabela 3.13 estão apresentadas principais
características técnicas da fonte de alimentação MPC-303DI.
Tabela 3.13: Dados técnicos técnicas do da fonte MPC-303DI
Características Técnicas:
Display Duplo, 3 1/2 dígitos
Saídas Variáveis 0 ~ 30V DC / 0 ~ 3A DC (2 Fontes Indep)
Saída Fixa Comutaçãodas fontes para 5V / 3A.
Precisão ± (0.5% da Leitura + 2 Dígitos).
Fundo de Escala do Voltímetro 199.9V.
Fundo de Escala do
Amperímetro
19.99A.
Ambiente de Operação 0 ~ 40ºC, RH < 80%.
Alimentação 110 / 220V, 50 / 60Hz
Consumo 400W Máximo.
Dimensões 160(A) x 267(L) x 310(P)mm.
Peso 9.5kg.
3.2.4 Interface Gráfica
Foi desenvolvida em Labview uma interface de fácil utilização e modificação (vide
Fig. 3.19). Ela faz a leitura via serial dos dados do microcontrolador e traça suas curvas,
salvando-as em arquivo. Também permite visualizar os sinais das temperaturas (da entrada
e saída da água de resfriamento do motor, a entrada e saída da água de resfriamento do
37
dinamômetro e a entrada e saída da água de resfriamento do trocador de calor) e do nível de
combustível do reservatório, ambos transmitidos através do conversor A/D NI USB-6009.
A interface permite salvar em arquivo os resultados dos valores de rotação, torque,
nível percentual de freio, abertura da borboleta, potência fornecida pelo motor e o nível de
combustível do reservatório durante a realização de um teste.
Figura 3.19: Interface gráfica implementada através do Labview
4. IDENTIFICAÇÃO EXPERIMENTAL DOS PARÂMETROS E MODELAGEM
Neste capítulo são apresentadas a modelagem e a identificação experimental dos
parâmetros envolvidos no funcionamento do bancada. Este capítulo se divide em duas
partes: identificação das características da célula de carga do dinamômetro e modelagem
dinâmica do sistema.
4.1 Identificação das Características do Dinamômetro.
O dinamômetro é comandado pela interface de potência, que, por sua vez, é
acionada por um canal PWM do microcontrolador. O freio é, portanto, comandado por
pulsos de larguras diferentes sob um mesmo período, como mostrado na Fig. 4.1. Note que
t1 e t2 são exemplos de duas larguras de pulso distintas.
Figura 4.1: Exemplo de diferentes larguras de pulso de um PWM de período T.
O canal PWM do microcontrolador que aciona o a placa de potência que está ligada
ao dinamômetro está configurada para obter 1024 diferentes larguras de pulsos. Alterando-
se esta largura pode-se alterar o duty cycle, que é a razão do tempo em que o sinal
permanece em nível lógico alto com relação ao período.
Para identificar o funcionamento do freio, diferentes valores de largura de pulso
foram aplicados à entrada da placa de potência ligada ao freio, permitindo obter na sua
saída diferentes níveis de corrente DC aplicadas no dinamômetro, como mostrado na
Tabela 4.1. Através deste procedimento foi possível determinar a relação entre a largura do
pulso e o nível de corrente elétrica.
39
Tabela 4.1: Valores de largura de pulso de acordo com a corrente aplicada ao dinamômetro.
Largura de Pulso [s]
Intensidade de
Corrente [A]
0 0
256 0,04348
512 0,17391
768 0,84783
1023 1,75
Com base nos valores mostrados na Tabela 4.1, foi traçado um gráfico que está
apresentado na Fig. 4.2. A partir deste gráfico foi obtida a função:
0255,00008,010.2
26
+−=
−
xxy (4.1)
onde, y é intensidade de corrente elétrica [A] e x é a largura de pulso[s].
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0 200 400 600 800 1000 1200
Largura de Pulso
Intensidade de Corrente [A].
Pontos Adquiridos
Polinômio (Pontos Adquiridos)
Figura 4.2: Corrente elétrica versus largura de pulso do sinal de acionamento do freio.
40
Foi feita a relação entre o nível percentual de freio com a largura de pulso. Essa
relação pode ser visualizada na Tabela 4.2.
Tabela 4.2: Relação Nível Percentual de Freio e Largura de Pulso
Nível Percentual de
Freio [%]
Largura de Pulso [s]
0 0
25 256
50 512
75 768
100 1023
Com base nos dados mostrados na Tabela 4.2 foi traçado o gráfico apresentado na
Fig. 4.3. A partir deste gráfico foi obtida a função:
2,0232,10
+
=
xy
(4.2)
onde,
y
é largura de pulso [s] e
x
é o nível percentual de freio.
0
200
400
600
800
1000
1200
0 20 40 60 80 100 120
Nivel de Freio [%]
Largura de Pulso.
Pontos da Relação
Linear (Pontos da Relação)
Figura 4.3: Largura de pulso
versus
nível percentual de freio
41
4.2 Identificação das Características da Célula de Carga do Dinamômetro
Para calibração da célula de carga foram conectadas massas de diferentes pesos na
extremidade de uma barra de 0,48m de comprimento fixada ao dinamômetro. Esta barra
tem o mesmo o comprimento do braço de alavanca que prende a célula de carga ao
dinamômetro. A célula de carga tem seu sinal de tensão variado juntamente com a alteração
dos pesos colocados na extremidade da barra. Na Tabela 4.3 pode-se visualizar os valores
de tensão obtidos para a calibração da célula carga.
Com força e distância conhecidas pode-se calcular o torque a partir da Equação 4.3.
dFT
×
=
(4.3)
onde T é o torque [N.m], F é a força [N] e d comprimento do braço de alavanca [m].
Tabela 4.3: Calibração da Célula Carga.
Massa [Kg] Tensão [V]
0 0
1 0,23
2 0,41
3 0,585
4 0,736
10 1,915
11 2,07
12 2,25
13 2,46
14 2,69
Com base nos dados obtidos na Tabela 4.3 foi traçado o gráfico que está apresentado
na Fig. 4.4. A partir deste gráfico foi obtida a função:
0153,01885,0
+
=
xy
(4.4)
onde, y é a tensão [V] e x é a massa [kg].
42
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Massa [Kg]
Tensão [V]
Dados Adquiridos
Linear (Dados Adquiridos)
Figura 4.4: Gráfico da tensão na célula de carga versus massa.
4.3 Características do Motor de Passo
O motor de passo move-se em incrementos angulares (conhecidos como passos) em
resposta a pulsos digitais aplicados a um driver a partir de um controlador digital, no caso,
o microcontrolador. O número de pulsos e a cadência com que estes pulsos são aplicados
controlam a posição e a velocidade do motor, respectivamente.
O motor de passo utilizado no presente trabalho tem como uma das características a
execução 200 passos por volta com o sinal de atuação de passo-completo. O
microcontrolador foi programado para enviar ao motor de passo sinais de atuação de meio-
passo, que resulta no dobro do número de passos por volta (400 passos por volta) e um
torque 1,5 vezes maior. Este torque foi necessário para vencer a mola da borboleta do
acelerador (por isso adotou-se a atuação de meio-passo).
4.4 Identificação e Modelagem Dinâmica do Sistema
Para a modelagem dinâmica do sistema Motor-Dinamômetro foram realizados dois
ensaios como o objetivo de obter uma aproximação dos parâmetros necessários para a
sintonia do controlador PID.
43
A borboleta do acelerador foi fixada em uma posição adequada para manter o motor
com uma rotação fixa e o dinamômetro com o nível percentual de freio próximo a zero. Em
seguida, foi bruscamente aplicada uma ação de frenagem (nível percentual de freio) ao
sistema, no intuito de reproduzir a aplicação de um sinal degrau. Para capturar as
características dinâmicas, foram realizados dois ensaios para a identificação da resposta do
sistema ao sinal degrau.
No primeiro ensaio foi fixada uma rotação de 3000 RPM (314,15928 rad/s) para o
motor e aplicado 65% de nível percentual de freio no dinamômetro. No segundo ensaio foi
fixada uma rotação de 3000 RPM (314,15928 rad/s) no motor e aplicado 60% de nível
percentual de freio no dinamômetro.
Para cada um dos dois ensaios foram levantados os dados experimentais das curvas
de resposta da rotação do motor no tempo. Na Fig. 4.5 pode-se observar as duas curvas dos
ensaios.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
2200
2300
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
3100
Tempo(s)
Rotação(rpm)
Resposta do sistema 65% de nivel de freio
Resposta do sistema 60% de nivel de freio
Figura 4.5: Respostas experimentais da rotação ao longo do tempo do sistema em malha
aberta ao sinal degrau.
44
Uma função de transferência de primeira ordem foi aproximada através da média
das respostas dos dois ensaios. Na Fig. 4.6 pode-se observar as respostas medidas nos
ensaios do sistema Motor-Dinamômetro, a média das duas respostas e a resposta do modelo
teórico da média dos dois ensaios com a aproximação da função de transferência de
primeiro grau da rotação devidamente ajustada, expressa por:
1
5
40
)(
+
=
s
sT
(4.5)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
2200
2300
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
3100
Tempo(s)
Rotação[RPM]
Resposta do sistema 65% de nivel percentual de freio
Resposta temporal apoximada de 1º grau
Resposta do sistema 60% de nivel percentual de freio
Resposta da média dos ensaios
Figura 4.6: Curvas de rotação obtidas através de experimentos e simulação.
A função de transferência obtida para o sistema foi aplicada na programação de um
modelo teórico visando à simulação do comportamento do sistema no auxílio ao
desenvolvimento de um controlador, e será apresentado no Capítulo 5.
5. PROJETO DE CONTROLADORES PARA ROTAÇÃO E POTÊNCIA
Este capítulo trata dos controladores em malha fechada proporcional e PID
(proporcional integral e derivativo) desenvolvidos e aplicados ao sistema e também aborda
o problema da sintonia dos ganhos dos controladores implementados e de sua validação.
5.1 As Ações dos Controladores Adotados
Para a realização efetiva dos ensaios é necessário se obter os valores de torque
disponibilizado pelo motor de combustão interna a determinadas rotações. Isto é feito
através da medição do torque aplicado pelo motor ao dinamômetro que mantém a rotação
aproximadamente constante. Usualmente, o funcionamento do sistema de testes baseia-se
em modular o torque fornecido pelo motor através do controle da abertura da borboleta do
acelerador e o controle da velocidade de rotação através da modulação da intensidade de
corrente elétrica aplicada na bobina do dinamômetro. Assim, é possível obter, diversas
rotações para uma mesma abertura de borboleta.
A seguir na seção 5.2 será descrito o controlador para o torque através da abertura
da borboleta do acelerador e o ajuste do ganho do controlador proporcional. E na seção 5.3
será descrito o controle da rotação através freio do eletromecânico do dinamômetro e o
ajuste dos ganhos do controlador PID.
5.2 Controlador do Torque
Para cada velocidade seguida no teste, controla-se imediatamente o torque
disponibilizado através do valor lido pela célula de carga do dinamômetro. Enquanto o
dinamômetro está seguindo um valor de rotação, abre-se ou fecha-se a borboleta do motor
para seguir o valor de torque necessário para cada velocidade de rotação a ser
disponibilizada nos ensaios.
5.2.1 Controlador Proporcional para o Torque
No diagrama de blocos apresentado na Fig. 5.1 tem-se como entrada a referência, ou
seja, o valor desejado para o torque que será aplicado ao motor de combustão interna e na
46
saída o valor de torque atual, que é subtraído do torque desejado, originando o sinal do
desvio. Este sinal, então, serve como base para que o controlador proporcional tome a
decisão de qual será o sinal de controle que será aplicado ao motor de passo para atuar na
borboleta do acelerador, determinando se o motor de passo deve abrir ou fechar a borboleta
do acelerador e, conseqüentemente, aumentar ou diminuir o torque (e, conseqüentemente, a
potência) aplicado até obter o valor desejado.
Figura 5.1: Diagrama em blocos para o controle do torque.
No diagrama esquemático da Fig. 5.2 é apresentado o laço de controle em malha
fechada para o torque. No microcontrolador se tem o sinal de referência e o controlador
proporcional, o qual também faz a leitura do sinal de torque aplicado através da célula de
carga e envia o sinal para o motor de passo abrir ou fechar a borboleta do acelerador do
motor.
Figura 5.2: Diagrama esquemático do laço de controle do torque.
47
5.2.2 Ajuste do Ganho do Controlador Proporcional
Para o controlador proporcional foi utilizado primeiramente um ganho unitário, e
como o sistema se comportou satisfatoriamente, não houve a necessidade de alterá-lo.
5.3 Controlador da Rotação
Para cada torque seguido no ensaio, controla-se imediatamente a velocidade de
rotação do sistema disponibilizada através do sensor óptico de rotação. Enquanto a
borboleta do motor de combustão interna esta seguindo um valor de torque, se aumenta ou
diminui a intensidade de corrente elétrica aplicada na bobina do dinamômetro para seguir o
valor de velocidade de rotação necessário para cada torque a ser disponibilizada nos
ensaios.
5.3.1 Controlador PID para Rotação
No diagrama de blocos apresentado na Fig. 5.3 tem-se como entrada a referência, ou
seja, o valor desejado para a rotação do motor de combustão interna e na saída a rotação
atual, que é subtraída da rotação desejada originando o sinal de desvio. Este sinal, então,
serve como base para que o controlador PID calcule qual será o sinal de controle a ser
aplicado ao freio dinamométrico, ou seja, qual será o nível de corrente elétrica aplicado nas
bobinas do dinamômetro para, conseqüentemente, diminuir ou permitir o aumento da
rotação do motor de combustão interna, respectivamente até obter um valor próximo ao
desejado.
Figura 5.3: Diagrama em blocos para o controle de rotação
48
No diagrama esquemático da Fig. 5.4 é apresentado o laço de controle em malha
fechada para o sinal de rotação. No microcontrolador se tem o sinal de referência e o
controlador PID, onde também é realizada leitura do sinal de rotação do sistema através do
sensor óptico e é enviado o sinal de nível percentual de freio para a placa de potência, que
condiciona a corrente elétrica aplicada nas bobinas do dinamômetro.
Figura 5.4: Diagrama esquemático do laço de controle da rotação.
5.3.2 Ajuste dos Ganhos do Controlador PID
Para ajustar adequadamente os ganhos das ações proporcional, integral e derivativa
do controlador foi utilizada uma ferramenta computacional denominada de Simulink
Response Otimization (Otimização de Respostas do Simulink) do software Matlab. Esta
ferramenta proporciona ao usuário a possibilidade de operar com uma interface gráfica que,
através de limites e restrições devidamente inseridos, ajusta automaticamente os ganhos dos
controladores, de acordo com o desempenho necessário do sistema a partir de sua resposta
no tempo. Assim, os valores limites (também chamados de limites de saturação) são
49
aplicados para que determinadas variáveis de controle não excedam os valores físicos reais
ou para que não superem determinados valores operacionais do sistema de controle.
Os ganhos encontrados com a ferramenta de otimização para o sistema de controle
de rotação através de simulações utilizando o modelo desenvolvido que pode ser
visualizado na Fig. 5.5 foram: Kp (ganho proporcional) = 80, Ki (ganho integral) = 0,5 e
Kd (ganho derivativo) = 140.
Figura 5.5: Diagrama de blocos do controlador de rotação do sistema.
No esquema adotado, o desvio é calculado a partir da diferença entre a rotação
desejada e o sinal medido de rotação na saída do sistema. Este desvio é multiplicado pelos
ganhos proporcional, integral e derivativo e a soma destas três ações resultantes
corresponde à ação de controle proporcional-integral-derivativa. O valor desta ação pode,
em determinados momentos, superar os valores máximos e mínimos da faixa operacional
do sistema. Para evitar este problema, os limites de saturação determinam que os valores da
ação de controle sejam mantidos sempre entre 0 e 100 de nível percentual de freio. Neste
caso, os valores correspondem ao mínimo e ao máximo de nível de corrente elétrica que
pode ser aplicada às bobinas do dinamômetro (vide exemplo da Fig. 5.6).
Proporcionalmente ao nível de corrente elétrica aplicada ao dinamômetro ocorre a ação de
frenagem, que altera a rotação da saída medida que é realimentada para um novo cálculo do
desvio, utilizado no controle realimentado.
50
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-50
0
50
100
150
Tempo(s)
Nível da Freio (%)
Sinal de Controle Não Saturado
Sinal de Controle Saturado
Limite Superior de Saturação
Limite Inferior de Saturação
Figura 5.6: Curvas do sinal de controle e do sinal saturado para o caso do controle de
rotação do sistema
5.3.3 Validação dos Ajustes dos Ganhos
Para validar os ajustes dos ganhos calculados, foi realizada uma simulação no
Simulink onde foram aplicadas ao sistema controlado diferentes entradas de referência de
rotação, de modo a verificar a convergência do sinal de saída para o valor desejado.
Pode-se observar através da Fig. 5.7 que os resultados foram satisfatórios, já que os
valores de saída convergiram para os respectivos valores de referência aplicados às entradas
das rotações.
51
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
Tempo(s)
Rotação (rpm)
Sinal de Entrada de 2500 rpm
Sinal de Entrada de 2000 rpm
Sinal de Entrada de 1500 rpm
Figura 5.7: Validação dos ajustes dos ganhos do controlador da rotação do sistema.
6. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Neste capítulo são apresentados os resultados experimentais da atuação dos
controladores implementados com microcontrolador Atmega16 atuando sobre o sistema
Motor-Dinamômetro. Valores desejados de torque e rotação foram especificados para
realizar dois testes do tipo amaciamento de motores. No primeiro teste foi utilizado o motor
já especificado no trabalho, o FIAT 1.6/16V e, no segundo teste, um motor GM151S. O
terceiro teste foi realizado com o motor FIAT 1.6/16V. Este teste foi executado com o
objetivo de testar o controlador na situação em que a referência foi tomada em função da
abertura de borboleta ao invés dos valores desejados de torque. Este teste é do tipo
consumo de combustíveis.
O principal objetivo dos testes realizados é apresentar os resultados do
comportamento dos controladores atuando sobre o sistema Motor-Dinamômetro seguindo
os valores desejados, sejam estes de torque, rotação ou abertura de borboleta.
6.1 Resultados Experimentais de Teste de Amaciamento de Motores – Motor Fiat
1.6/16V
Para a realização dos testes experimentais do sistema de controle implementado,
foram aplicadas em suas entradas valores desejados de rotação e torque conforme a Tabela
6.1, com o objetivo de simular um teste reduzido do tipo amaciamento de motores. A
redução se fez necessária para que não houvesse um desgaste e nem causasse danos ao
motor.
A condição inicial do sistema Motor-Dinamômetro (Fiat 1.6/16V), comumente
chamada de marcha - lenta, é de 1900 RPM (198,967544 rad/s) e torque nulo. Este número
de revoluções por minuto é pré-estabelecido de acordo com a regulagem dos parâmetros do
sistema de injeção eletrônica programável utilizado. Observe que o mesmo é elevado se
comparado com valores tradicionais de motores de quatro cilindros de ciclo Otto, os quais
ficam compreendidos entre 950 RPM (99,483772 rad/s) e 1100 RPM (115,191736 rad/s).
Logo, é importante salientar que o acerto dos parâmetros desta não é o objeto de análise do
presente trabalho.
53
Na Tabela 6.1 pode-se observar que, para cada intervalo de tempo do teste, se
possui valores de rotação e torque desejados a serem seguidos pelos controladores. Os
intervalos do teste nos quais se deseja um torque nulo (aproximadamente zero) consistem
no ponto que o sistema Motor-Dinamômetro é levado a sua condição inicial (marcha –
lenta). Isso é necessário para haver o intervalo de “descanso do motor”.
Tabela 6.1: Dados para teste reduzido de amaciamento de motor.
Rotação
[RPM]
Torque [N.m]
Tempo de
Estágio [s]
Intervalo de
Tempo [s]
1900 0 60 0 - 60
2300 33,01 60 60 -120
2300 18,86 60 120 - 180
1900 0 60 180 - 240
2600 23,57 60 240 - 300
2000 23,57 60 300 - 360
1900 0 60 360 - 420
3000 18,86 60 420 - 480
3200 28,29 60 480 - 540
1900 0 60 540 - 600
1700 37,72 60 600 - 660
3500 14,14 60 660 - 720
1900 0 60 720 - 780
Os valores desejados aplicados no teste foram escolhidos de maneira a apresentar o
funcionamento dos controladores, assim como as suas atuações sobre o sistema Motor-
Dinamômetro nas seguintes condições:
• Variando rotação e torque.
• Mantendo a rotação fixa e variando o torque;
• Variando a rotação mantendo a toque fixo;
54
Os resultados experimentais da rotação, torque, potência, percentual de abertura de
borboleta, nível percentual de freio e nível de combustível do reservatório podem ser
visualizados nas figuras a seguir.
Nas figuras 6.1 e 6.2, estão apresentados os resultados experimentais da rotação e
torque do sistema Motor-Dinamômetro Fiat 1.6/16V sendo controlado seguindo os valores
desejados de rotação, segundo a Tabela 6.1.
Na Fig. 6.3, pode-se visualizar o gráfico da potência mecânica fornecida pelo motor
de combustão interna Fiat 1.6/16V durante a realização do teste. A potência pode ser
definida a partir da Equação 6.1 a seguir:
60
2 TN
P
×
×
×
=
π
(6.1)
onde P é a potência [W], T é o torque [N.m], N velocidade de rotação [RPM].
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Tempo(s)
Rotação[RPM]
Rotação[RPM]
Rotação Desejada[RPM]
Figura 6.1: Resposta no tempo da rotação - teste de amaciamento de motores no sistema de
controle experimental - Fiat 1.6/16V.
55
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780
0
10
20
30
40
50
60
Tempo(s)
Torque[N.m]
Torque Desejado[N.m]
Torque[N.m]
Figura 6.2: Resposta no tempo do torque - teste de amaciamento de motores no sistema de
controle experimental - Fiat 1.6/16V.
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Tempo[s]
Potência[KW]
Potência[KW]
Figura 6.3: Resposta da potência no tempo - teste de amaciamento de motores no sistema
de controle experimental - Fiat 1.6/16V
56
Nas figuras 6.4 e 6.5, respectivamente, pode-se visualizar os gráficos do valor
percentual da abertura da borboleta e nível percentual de freio aplicados pelos
controladores para seguir os valores de torque e rotação desejados durante o teste. E logo a
seguir, na Fig. 6.6, está apresentado o gráfico do nível de combustível do reservatório do
motor Fiat 1.6/16V, o qual apresenta o consumo de combustível em kg do motor Fiat
1.6/16V, e que pode auxiliar (caso for necessário) nos cálculos de consumo específico de
combustível, que representa a taxa que o motor está convertendo o combustível em
trabalho.
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Tempo(s)
Percentual de Abertura da Borboleta[%]
Percentual de Abertura da Borboleta[%]
Figura 6.4: Gráfico da resposta no tempo da abertura de borboleta - teste de amaciamento
de motores no sistema de controle experimental - Fiat 1.6/16V.
57
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780
0
20
40
60
80
100
Tempo(s)
Nível Percentual de Freio[%]
Nível Percentual de Freio[%]
Figura 6.5: Gráfico da resposta no tempo do nível percentual de freio - teste de
amaciamento de motores no sistema de controle experimental - Fiat 1.6/16V.
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
5
5.1
5.2
Tempo(s)
Combustível[kg]
Nível de Combustível[kg]
Figura 6.6: Gráfico da resposta no tempo do nível de combustível do reservatório
- teste de amaciamento de motores no sistema de controle experimental - Fiat 1.6/16V.
58
A validação dos controladores implantados na bancada de testes de motores se dá
através da convergência da rotação e torque para os valores de referência desejados. Esta
convergência pode ser observada através do comparativo dos resultados obtidos
experimentalmente, os quais são mostrados nas figuras 6.1 e 6.2, onde têm-se rotação e
torque, com os valores da Tabela 6.1. Os sobresinais de torque observados na Fig. 6.2 são
devido à grande diferença de dinâmica dos controladores. Percebe-se a dinâmica do
controlador de torque é muito mais lenta que a do controlador de rotação. Com isso,
verificou-se através dos resultados experimentais que a convergência da rotação para o
valor desejado é mais rápida que a do torque.
Os resultados experimentais apresentam pequenas variações nos valores desejados.
Isso ocorre pela existência de ruídos e de vibrações no sistema Motor-Dinamômetro.
Os resultados obtidos são considerados satisfatórios, os valores de rotação e torque
obtidos se mantiveram próximos dos valores desejados. Pode-se observar também que o
sistema comportou-se adequadamente no seguimento dos valores desejados de torque e
rotação nas condições que foram propostas para o teste.
Nas seções 6.1.1 a 6.1.4 são apresentadas breves considerações de como os
controladores atuaram para que a rotação e o torque convergissem para os valores
desejados nas três condições propostas no teste do Fiat 1.616V.
6.1.1 Condição do Controlador Variando a Rotação e Mantendo o Torque Fixo.
Na Fig. 6.7, apresenta-se a situação onde o torque desejado é mantido e a rotação é
alterada, ou seja, em um primeiro momento a rotação e o torque desejados são
respectivamente, 2600 RPM (272,27 rad/s) e 23,57 N.m e, após certo tempo de
funcionamento, apenas a rotação desejada será alterada para 2000 RPM (209,44 rad/s)
(após 300s do inicio do teste). Durante este período transitório de rotação, o torque deve
permanecer aproximadamente constante. Durante a operação, o controlador de rotação
aumenta o nível percentual de freio com o objetivo de alcançar o valor desejado de 2000
RPM (209,44 rad/s). Essa ação do controlador de rotação resulta em um aumento de torque,
e com isso, o controlador de torque atua de forma a diminuir o percentual de abertura da
59
borboleta, até alcançar o valor de torque desejado novamente. Após convergir para 2000
RPM (209,44 rad/s), e, ao mesmo tempo em que, controlador de torque diminui o
percentual de abertura da borboleta, o controlador de rotação diminuir o nível percentual de
freio a fim de manter a rotação desejada constante. Uma pequena perturbação no torque
pode ser observada. Isto ocorre devido à dinâmica do controlador de torque ser muito mais
lenta do que a do controlador de rotação.
280 290 300 310 320 330 340
1700
1900
2100
2300
2500
2700
Rotação[RPM]
280 290 300 310 320 330 340
10
30
50
70
Torque[Nm]
280 290 300 310 320 330 340
5
6
7
8
9
10
Aber. de Borboleta[%]
280 290 300 310 320 330 340
30
50
70
90
110
Tempo(s)
Nivel Perc.de Freio[%]
Figura 6.7: Resposta no tempo de rotação, torque, abertura de borboleta e nível percentual
de freio.
60
6.1.2 Condição do Controlador Mantendo a Rotação Fixa e Variando o Torque.
Na Fig. 6.8, apresenta-se a situação onde a rotação desejada é mantida constante e o
torque desejado é alterado, ou seja, em um primeiro momento a rotação e o torque
desejados são respectivamente, 2300 RPM (240,86 rad/s) e 30,01 N.m e, após 120s do
inicio do teste, apenas o torque desejado será alterado para 18,86 N.m. Durante este período
transitório de torque, a rotação deve permanecer constante próxima ao valor desejado, ou
seja, o controlador de rotação deverá realizar as compensações necessárias de maneira a
manter a rotação aproximadamente em 2300 RPM (240,86 rad/s). Estas compensações
feitas através da diminuição do nível do percentual de freio. Já, o controlador de torque atua
de maneira a diminuir o percentual de abertura de borboleta, diminuindo assim o torque. As
duas ações conjuntas fazem com que o torque seja alterado, sem interferir na rotação.
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
10
20
30
40
Torque[Nm]
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
5
7
9
11
13
Aber. de Borboleta[%]
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
60
70
80
Tempo(s)
Nivel Perc. de Freio[%]
80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
2200
2300
2400
Rotação[RPM]
Figura 6.8: Resposta no tempo de rotação, torque, abertura de borboleta e nível percentual
de freio
61
6.1.3 Condição do Controlador Variando Torque e Rotação Desejados.
Na Fig. 6.9, apresenta-se outra fase do teste, onde a rotação e torque desejados
também são alterados, ou seja, em um primeiro momento a rotação e o torque desejados
são, respectivamente, 3000 RPM (314,16 rad/s) e 18,86 N.m. Após certo tempo de
operação, a rotação e o torque desejados são alterados para 3200 RPM (335,1 rad/s) e 28,29
N.m (essa alteração ocorre após 480s do inicio do teste). Durante a operação, o controlador
de torque atua aumentando o percentual de abertura da borboleta (assim buscando aumentar
o torque para 28,29 N.m) e o controlador de rotação começa a aumentar o nível percentual
de freio para manter a rotação fixa em 3200 RPM (335,1 rad/s).
430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530
3000
3200
3400
Rotação[RPM]
430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530
0
20
40
Torque[Nm]
450 460 470 480 490 500 510
8
10
12
14
Aber. de Borboleta[%]
430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530
40
50
60
70
80
Tempo(s)
Nivel Perc.de Freio[%]
Figura 6.9: Resposta no tempo de rotação, torque, abertura de borboleta e nível percentual
de freio
62
6.1.4 Condição do Controlador Variando Torque e Rotação Desejados a Partir da Condição
Inicial do Motor.
No instante inicial têm-se a borboleta fechada (percentual de abertura zero) e a
leitura da célula de carga aproximadamente zero, ou seja, torque nulo. Partindo-se então
desta condição inicial (1900 RPM (198,96 rad/s) e torque nulo) para os valores de rotação e
torque desejados (2300 RPM (240,86 rad/s) e 33,01 N.m), o processo de controle é iniciado
(após 60s do inicio do teste). Neste momento o controlador de torque aciona o motor de
passo, o qual altera o percentual de abertura de borboleta, fazendo com eleve o valor de
rotação. Ela se elevará até atingir o valor de rotação desejado de 2300 RPM (240,86 rad/s),
neste momento o controlador de rotação entrará em funcionamento fazendo com que este
valor não seja ultrapassado. Neste segundo momento, o controlador de rotação atua sobre o
dinamômetro, freando o sistema. A frenagem resulta na aplicação de um torque que é
transmitido pelo braço de alavanca à célula de carga. Assim, a medição da força sobre a
mesma permite o cálculo do torque frenante. O percentual de abertura da borboleta será
incrementado pelo controlador de torque até atingir o valor de desejado. Na Fig. 6.10 estão
apresentados os gráficos de rotação, torque, abertura percentual de borboleta e nível
percentual de freio no momento do teste em que acorre a condição descrita. É importante
salientar que, se o valor de torque desejado especificado for nulo, o processo de controle
não terá início, pois, não existindo um torque desejado, o percentual de abertura de
borboleta não será alterado, não elevando então rotação. Assim, não ocorre a necessidade
do controlador de rotação entrar em funcionamento. Além disso, sem frear, nenhum torque
de reação é produzido.
63
40 50 60 70 80 90 100
1800
2000
2200
2400
Rotação[RPM]
40 50 60 70 80 90 100
-10
0
10
20
30
40
Torque[Nm]
40 50 60 70 80 90 100
-2
2
6
10
12
Aber. de Borboleta[%]
40 50 60 70 80 90 100
-10
10
30
50
70
90
110
Tempo(s)
Nivel Perc. de Freio[%]
Figura 6.10: Resposta no tempo de rotação, torque, abertura de borboleta e nível percentual
de freio
6.2 Resultados Experimentais de Teste de Amaciamento de Motores - Motor GM 151S
Este teste foi realizado com o objetivo de observar o desempenho dos controladores
aplicados em outro tipo de motor. O Motor utilizado foi um GM151S de quatro cilindros,
2509 cm
3
e potência bruta de 72,07 kW a 4800 RPM (502,65 rad/s), onde na condição
inicial (marcha-lenta) a rotação é de aproximadamente 1100 RPM (115,19 rad/s).
Na Tabela 6.2 pode-se observar que, para cada intervalo de tempo do teste, se
dispõe de valores de rotação e torque desejados a serem seguidos pelos controladores.
64
Os valores de rotação e torque desejados para o teste do tipo amaciamento de
motores (vide Tabela 6.2) no sistema Motor-Dinamômetro GM151S foram em grande parte
os mesmos valores de rotação e torque utilizado no teste de amaciamento de motores
realizado no motor Fiat 1.6/16V .
Tabela 6.2: Dados para teste reduzido de amaciamento de motor
Rotação
[RPM]
Torque [N.m]
Tempo de
Estágio [s]
Intervalo de
Tempo [s]
1100 0 60 0 - 60
2300 33,01 60 60 -120
2300 18,86 60 120 - 180
1100 0 60 180 - 240
2600 23,57 60 240 - 300
2000 23,57 60 300 - 360
1100 0 60 360 - 420
3000 18,86 60 420 - 480
3200 28,29 60 480 - 540
1100 0 60 540 - 600
1700 37,72 60 600 - 660
3500 14,14 60 660 - 720
1100 0 60 720 - 780
Nas figuras 6.11 e 6.12, estão apresentados os resultados experimentais da rotação e
torque do sistema Motor-Dinamômetro GM151S sendo controlado seguindo os valores
desejados da Tabela 6.2.
65
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Tempo(s)
Rotação[RPM]
Rotação[RPM]
Rotação Desejada[RPM]
Figura 6.11: Resposta no tempo da rotação - teste do tipo amaciamento de motores no
sistema de controle experimental – GM151S.
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Tempo(s)
Torque[N.m]
Torque Desejado[N.m]
Torque[N.m]
Figura 6.12: Resposta no tempo do torque - teste do tipo amaciamento de motores no
sistema de controle experimental – GM151S.
66
Os resultados experimentais de potência, percentual de abertura da borboleta e nível
percentual de freio do teste do tipo amaciamento de motores realizado no sistema Motor-
Dinamômetro GM151S estão apresentados na Fig. 6.13.
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780
0
10
20
30
Potência[KW]
Potência[KW]
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780
0
20
40
60
Perc. Abertura de Borboleta[%]
Percentual de Abertura da Borboleta[%]
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780
0
50
100
Tempo(s)
Nivel Percentual de Freio[%]
Nivel Percentual de Freio[%]
Figura 6.13: Resposta no tempo da potência, percentual de abertura da borboleta e nível
percentual de freio - teste do tipo amaciamento de motores no sistema de controle
experimental – GM151S.
Através da comparação dos resultados experimentais de rotação e torque
respectivamente apresentados nas figuras 6.11 e 6.12 com os valores da Tabela 6.2, pode-se
concluir que os resultados alcançados pelo sistema de controle atuando no teste realizado
no motor GM151S são satisfatórios, pois os valores de torque e rotação se mantiveram
próximos dos valores desejados.
67
6.3 Resultados Experimentais de Teste de Consumo de Combustíveis
Nesse teste, níveis percentuais de abertura de borboleta são pré-definidos. Assim,
não é utilizado como realimentação o sinal emitido pela célula de carga. Desta forma não se
controla o torque. É utilizado como realimentação o sinal emitido pelo sensor de posição da
borboleta (TPS – Throttle Position Sensor) para seguir os valores desejados do percentual
de abertura da borboleta. O motor utilizado para a realização desse teste foi o Fiat 1.6/16V.
Com este teste é possível demonstrar a flexibilidade do sistema proposto neste
trabalho, pois com pequenas alterações nas configurações dos controladores diferentes tipos
de testes podem ser realizados.
Na Fig. 6.14 é apresentado o diagrama em blocos do controlador do percentual de
abertura da borboleta, onde se tem como entrada a referência do valor desejado para o a
percentual de abertura de borboleta e como saída o valor do percentual de abertura de
borboleta medido, que é subtraído do valor desejado, originando o sinal do desvio. Este
sinal serve como base para o controlador proporcional tomar a decisão de qual será o sinal
de controle que deverá ser aplicado ao motor de passo para atuar na borboleta do
acelerador.
Figura 6.14: Diagrama em blocos para o controle do percentual de abertura de borboleta.
Para a realização dos testes experimentais do sistema de controle implementado
foram aplicadas em suas entradas valores desejados de rotação e percentual de abertura da
borboleta conforme a Tabela 6.3, com o objetivo de simular um teste reduzido do tipo
consumo de combustíveis. A redução se fez necessária para que não houvesse um desgaste
e nem causasse danos ao motor.
Na Tabela 6.3 pode-se observar que, para cada intervalo de tempo do teste, dispõe-
se de valores desejados de rotação e percentual de abertura da borboleta a serem seguidos
pelos controladores. Os intervalos do teste que se deseja um percentual de abertura da
68
borboleta nulo (aproximadamente zero) consistem nos pontos em que o sistema Motor-
Dinamômetro Fiat 1.6/16V é levado a sua condição inicial (marcha – lenta) isso para haver
um intervalo de “descanso do motor”.
Tabela 6.3: Dados para teste reduzido de consumo de combustíveis.
Rotação
[RPM]
Percentual de
Abertura da
Borboleta [%]
Tempo de
Estágio [s]
Intervalo de
Tempo [s]
1800 0 60 0 - 60
2000 25 60 60 - 120
2000 50 60 120 - 180
2000 75 60 180 - 240
2000 100 60 240 - 300
1800 0 60 300 - 360
2500 25 60 360 - 420
2500 50 60 420 - 480
2500 75 60 480 - 540
2500 100 60 540 - 600
1800 0 60 600 - 660
2500 25 60 660 - 720
3000 50 60 720 - 780
3000 75 60 780 - 840
3000 100 60 840 - 900
1800 0 60 900 - 960
Nas figuras 6.15 e 6.16, pode-se observar o comportamento da rotação e torque do
sistema Motor-Dinamômetro Fiat 1.6/16V sendo controlado seguindo os valores desejados
apresentados na segundo a Tabela 6.3.
69
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
Tempo(s)
Rotação[RPM]
Rotação[RPM]
Rotação Desejada[RPM]
Figura 6.15: Resposta no tempo da rotação - teste do tipo consumo de combustíveis no
sistema de controle experimental – Fiat 1.6/16V.
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960
0
20
40
60
80
100
120
Tempo(s)
Borboleta[%]
Abertura Borboleta[%]
Abertura de Borboleta Desejada[%]
Figura 6.16 Resposta no tempo do percentual de abertura da borboleta - teste do tipo
consumo de combustíveis no sistema de controle experimental – Fiat 1.6/16V.
70
Os resultados experimentais de torque, potência, nível percentual de freio e nível de
combustível do reservatório do teste do tipo consumo de combustíveis realizado no sistema
Motor-Dinamômetro Fiat1.6/16V estão apresentados na Fig. 6.17.
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960
0
50
100
150
Torque[N.m]
Torque[N.m]
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960
0
50
100
150
Nivel Percentual de Freio[%]
Nivel Percentual de Freio[%]
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960
0
2
4
Tempo(s)
Combustível[kg]
Combustível[kg]
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960
0
10
20
30
40
Potência[KW]
Potência[KW]
Figura 6.17: Resposta no tempo do torque, potência, nível percentual de freio e nível de
combustível do reservatório- teste do tipo consumo de combustíveis no sistema de controle
experimental – Fiat 1.6/16V.
Através da comparação dos resultados experimentais de rotação e percentual de
abertura de borboleta, respectivamente apresentados nas figuras 6.15 e 6.16, com os valores
da Tabela 6.3, pode-se observar que os resultados alcançados pelo sistema de controle
atuando no teste realizado no motor Fiat 1.6/16V são satisfatórios, pois os valores de
rotação e percentual de abertura de borboleta se mantiveram próximos dos valores
desejados.
71
Através do resultado experimental de torque obtido no teste do tipo consumo de
combustíveis, observa-se que para as variações de 25%, 50%, 75% e 100% do percentual
de abertura de borboleta em uma mesma rotação, o torque se manteve aproximadamente na
mesma faixa de valores. Logo, pode-se afirmar que o mesmo não se mostrou proporcional
ao percentual de abertura de borboleta.
7. CONCLUSÕES
O presente trabalho trata da automação de um dinamômetro de teste de motores de
combustão interna. Assim, além do levantamento bibliográfico dos temas afins, foram
estudados e descritos alguns dos principais testes realizados em motores de combustão
interna e as principais técnicas de controle e instrumentação que estão sendo desenvolvidas
por pesquisadores sobre o tema de controle de dinamômetro para testes de motores de
combustão interna.
Através da identificação das características de funcionamento do dinamômetro
(Seção 4.1), pôde-se observar que apenas a partir de aproximadamente 50% de nível
percentual de freio a placa condicionadora da intensidade de corrente elétrica ligada ao
dinamômetro inicia o envio de intensidade de corrente suficiente para apresentar uma ação
efetiva de frenagem. Isso pode ser confirmado através dos resultados experimentais
apresentados, pois no momento do teste em que o dinamômetro está realmente atuando
(freando), os níveis percentuais de freio mantêm-se sempre acima de 50%.
No presente trabalho obteve-se sucesso na implementação experimental do sistema
proposto para o controle do sistema Motor-Dinamômetro. Ressalta-se ainda que grande
parte dos componentes e equipamentos utilizados para a realização dos testes dos motores
de combustão interna e para o sensoriamento do sistema foram desenvolvidos no âmbito do
presente trabalho. Além disso, o condicionamento dos sinais, a calibração do sistema de
medição e o desenvolvimento da interface gráfica do microcontrolador com um
microcomputador foram realizados com sucesso.
O controlador proporcional (P) projetado para o controle de torque não necessitou de
simulações para ajustá-lo devido ao fato de o motor apresentar uma dinâmica
(relativamente) lenta. Este fato também contribuiu para que a convergência do torque para
o valor de desejado não ocasionasse perturbações significativas na rotação.
Para o controle da rotação foi necessário projetar um controlador proporcional,
integral, derivativo (PID). Os ganho deste controlador (repectivamente, K
p
, K
i
e K
d
), foram
ajustados via simulações e sua aplicação no controle do sistema real mostrou-se bastante
73
eficiente, validando tanto a proposta de uso de tal controlador, como da metodologia de
ajuste dos ganhos via simulação.
Foram realizados testes experimentais para determinação da eficiência do sistema de
controle de torque e rotação. A validação dos controladores foi realizada através da
verificação da convergência da rotação e do torque para seus valores de referência
desejados. Assim, apesar da presença de ruídos e vibrações, o sistema de controle
apresentou um comportamento satisfatório, aproximando suficientemente as respostas de
rotação e torque dos valores desejados.
No presente trabalho, pôde-se constatar também a melhora quanto ao tempo de
convergência do torque e da rotação para os valores desejados. Comparando com o método
tradicional (no qual a abertura da borboleta é realizada através da variação manual da
posição de uma alavanca e o ajuste da intensidade da corrente elétrica aplicada ao
dinamômetro é feita através do ajuste manual de um potenciômetro), o sistema
automatizado proposto forneceu uma redução média de aproximada 83% (de 90 segundos
para 15 segundos) do tempo de acomodação.
Uma conclusão importante sobre o comportamento do sistema, obtida a partir da
comparação dos resultados experimentais de torque, é que o mesmo não é proporcional ao
percentual de abertura de borboleta, como foi comprovado no teste do tipo consumo de
combustíveis (Seção 6.3). Isto implica em uma mudança na resolução do torque ao longo
da faixa de atuação do freio, onde no início do percentual de abertura da borboleta temos
uma menor resolução e, esta vai diminuindo exponencialmente à medida que este
percentual de abertura é incrementado. Aproximadamente a partir de 30% até 100% o
torque se manteve praticamente constante.
Conclui-se que o trabalho atingiu as metas propostas de desenvolver um sistema de
controle de torque e rotação para testes de motores testados em bancada dinamométrica.
74
7.1 Sugestões para Trabalhos Futuros
• Aprofundamento da modelagem e do controle do sistema.
• redução dos ruídos (elétricos, eletromagnéticos, vibrações etc.) da bancada.
• melhora da interface gráfica em Labview, desenvolvendo uma nova versão que
permita atuar mais amigavelmente sobre o microcontrolador permitindo dispor de
opções adicionais, como, por exemplo, iniciar o processo de controle, ajustar os
valores de rotação, torque e ajustar o tempo de duração dos testes via interface
gráfica.
• desenvolvimento de um sistema de proteção da operação que deverá monitorar as
temperaturas, pressão de óleo e rotação do motor de combustão interna e
dinamômetro. Assim, quando for necessário, o sistema será levado à condição
inicial do motor (marcha - lenta) ou até mesmo ser desligado.
• substituição do motor de passo por um motor de corrente continua (por exemplo),
tornando a dinâmica do atuador da borboleta mais rápida.
• implementação de um sistema que possa evitar aumentos excessivos de torque e
rotação.
• testes de outros tipos motores de combustão interna.
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Alfa Instrumentos Disponível em: <www.alfainstrumentos.com.br>. Acesso em: 20
abr. 2009.
Atmel Corporation. Disponível em: <http://www.atmel.com>. Acesso em: 20 abr.
2009.
Bosh. Disponível em: <www.bosh.com>. Acesso em: 20 abr. 2009
Cruz M. M. F. e Duarte S. L., 2006, Projeto de implementação de um Sistema de
Controle Pid para o Banco de Ensaio de Motores do Laboratório de Energia e Ambiente,
Universidade de Brasília.
Eletromotive. Disponível em: <www.electromotive-inc.com >. Acesso em: 20 abr.
2009.
Fairchild Disponível em: < www.fairchildsemi.com>. Acesso em: 20 abr. 2009.
Flexar Disponível em: < www.flexar.com.br>. Acesso em: 20 abr. 2009.
Giacosa, D., 1986, “Motores Endotermicos”, 3a edição, Editorial Científico-Médica,
Barcelona.
ICEL. Disponível em: <www.icel-manaus.com.br>. Acesso em: 20 abr. 2009.
Pereira J. C., 1999, Disponível em <http://www.joseclaudio.eng.br/dinos1.html>.
Acesso em: 10 jul. 2008.
Linpo Disponível em: < http://www.linpo.com/LinpoTechnology.htm >. Acesso
em: 20 abr. 2009.
Magneti Marelli. Disponível em: < www.magnetimarelli.com.br>. Acesso em: 20
abr. 2009.
MATLAB Disponível em: < www.mathworks.com> Acesso em: 20 abr. 2009
Minipa. Disponível em: <http://www.minipa.com.br>. Acesso em: 20 abr. 2009.
Moulton N. L, 2007, Performance Measurment And Smulation Of A Small Internal
Combustion Engine, University of Maryland.
National Instruments Disponível em: <www.ni.com>. Acesso em: 20 abr. 2009.
National Semicontuctor Disponível em: <www.national.com>. Acesso em: 20 abr.
2009.
Ogata K, 2000, Engenharia de Controle Moderno, Editora Pearson Rio de Janeiro.
76
Ramalho M, 2006, “Porgramação Básica de Labview” Disponivel em:
http://www.dem.ist.utl.pt/~m_ei/PEB.pdf, Acesso em: 2 abr. 2009.
Rohenkohl P, 2004, “Dinâmica dos Testes de Motores, seus Componentes,
Controles e Validação” Campo Limpo SP.
Roos C. e Montijo A. A., 2005, Projeto de Implementação de um Sistema de
Controle PID para o Banco de Ensaio de Motores do LEA usando Arquiteturas
Reconfiguráveis, Universidade de Brasília.
Simulink Disponível em: < www.mathworks.com> Acesso em: 20 abr. 2009.
SLO-SYN Disponível em: <http://www.superiorelectric.com/slo-syn-seco.htm>.
Acesso em: 20 abr. 2009.
Souza R. D, 2005, Balança Curie e Correntes de Foucault, UNICAMP SP.
Texas Intruments. Disponível em: <http://www.ti.com>. Acesso em: 20 abr. 2009.
Trielli M. A., 2007, Emissões Atmosféricas, EPUSP.
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( http://www.livrosgratis.com.br )
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