Animação interactiva que explica o que é o torque (br) ou binário (pt)

Curso Profissional de Electrónica, Automação e Comando
Disciplina de Electricidade e Electrónica
Módulo: Osciladores
Disciplina: Automação e Comando
Módulo: Robótica

Modulação por Largura de Impulso (PWM)
Neste artigo em quatro partes iremos falar de um circuito muito utilizado para controlo de potência entregue a uma carga, nomeadamente, a motores que equipam os robots/manipuladores/braços robóticos: o PWM, Pulse Width Modulation, Modulação por Largura de Impulso.
Este circuito pode ser obtido de várias formas, com diversas montagens e componentes, como pode facilmente constatar através de uma pesquisa rápida na internet.
No nosso caso, em resumo, trataremos dos seguintes pontos essenciais:
. Esquema de montagem e componentes utilizados
. Explicação geral do funcionamento do circuito
. Explicaçlão detalhada do funcionamento do circuito e de alguns dos seus componentes
. Aplicações do circuito (exemplos)
. Aplicação como controlador do brilho de um LED e de um display de 7-segmentos (leds)
. Aplicação como controlador da velocidade de um motor DC que equipa um robot didáctico

Modulação por Largura de Impulso (PWM) – Parte 1/4

–> Esquema e Explicação Geral do Funcionamento do Circuito

1. Definição

A Modulação por Largura de Impulso, mais conhecida por Pulse Width Modulation, a partir de agora tratada por PWM, é uma técnica digital que permite variar a (quantidade de) potência entregue a um componente electrónico (carga).

Ajustando essa tal de potência entregue, por exemplo a um motor ou a um LED, a velocidade desse motor e o brilho desse LED podem ser controlados.

A maneira mais fácil e flexível de gerar um sinal PWM é através de um microcontrolador.

Mas como existe muita gente que não sabe como programar um microcontrolador, vamos ver outra maneira, mais ‘hardwérica’ de o fazer, utilizando apenas componentes comuns, compráveis em qualquer loja de electrónica.

Vamos começar com um esquema de um circuito baseado num inversor que fornece na saída uma onda quadrada de duty-cycle variável.

Esquemas adicionais pegam nessa onda de saída e controlam um motor DC e um display de 7 segmentos.

2. Construção do PWM Ajustável / Esquema

Um sinal PWM começa com uma tensão que sobe e desce de valor, de uma forma repetida.

O método clássico de criar a oscilação é através de um circuito RC (resistência – condensador). Este circuito utiliza um temporizador RC com um díodo em contraposição para alterar a relação do tempo do impulso a ON versus o tempo do impulso a OFF (o chamado Duty-Cycle, ao fim e ao cabo).

Let´s look at the circuit!

Figura 1 – Esquema de um circuito PWM de Duty-Cycle variável, baseado num Circuito Integrado inversor lógico, o 74AC14.

2.1. Explicação do Funcionamento Geral do Circuito e Respectivos Componentes Utilizados

2.1.1. CI (circuito integrado): 74AC14 –> seis inversores com entradas Schmitt-Trigger.

. O número 74xx14 é o número standard para um encapsulamento de 6 portas lógicas inversoras funcionando entre os vários pinos do integrado (ver pinos de entradas, saídas, e alimentação, no layout dado pelo fabricante).

. A parte do número que aqui aparece como AC tem a ver com a tecnologia usada no caso concreto deste tipo de 7414 (tipo de material semicondutor, tamanho da máscara, etc.). No caso, ‘AC’ quer dizer “Advanced CMOS”. Isso dá-nos a informação que o integrado funciona com tensões entre 2 e 6 V e as saídas são capazes de fornecer até 25 mA por pino.

. Só vamos precisar de 2 das 6 portas inversoras que o CI tem. As outras podem ser usadas para outra coisa qualquer. Se não precisar delas para nada, ligue-as à terra (pino GND – Ground).

. Inversor quer dizer que o sinal que você ligar à entrada (pino de entrada de uma das 6 portas), fará aparecer o valor lógico inverso no correspondente pino de saída.

. Entradas Schmitt-Trigger são entradas especiais projectadas para converter eficientemente sinais analógicos que variam lentamente no tempo.

2.1.2. C1 – Condensador de 0,1 µF

Suaviza a tensão fornecida ao integrado.
Se não colocar este condensador, provavelmente o integrado funcionará, mas poderão verificar-se falhas de tensão intermitentes nas entradas ou picos de tensão nas saídas.

2.1.3. C2 – Condensador de 0,1 µF
Vai ser carregado e descarregado repetidamente, de modo a construir a onda quadrada (impulso). Diminuindo a sua capacidade aumenta a frequência da onda.

2.1.4. R2 – Resistência variável de 10kΩ (potenciómetro)
Esta resistência é variável para permitir alterar os tempos em que a onda quadrada de saída estará a ON e a OFF. Aumentando o valor da resistência aumenta a frequência da onda e vice-versa.

2.1.5. D1 e D2 – Dois díodos –> 1N914 ou 1N4148 são das melhores escolhas possíveis
O D1 cria o caminho para a carga, enquanto o D2 faz o mesmo para a descarga.
Sem estes díodos, a onda quadrada seria gerada na mesma, mas os tempos a ON e a OFF não poderiam ser alterados pois o condensador seria carregado e descarregado através do mesmo caminho, pela mesma resistência. Este tópico, importante no funcionamento do circuito, é mais desenvolvido adiante.

Figura 2 – Modulação por Largura de Impulso (PWM) variável, montado numa placa breadboard, sem soldaduras, portanto.

O circuito montado na breadboard parece diferente do esquema, mas é o mesmo.
O condensador C1 está ligado, mas ficou de fora da fotografia.
O Trimmer/Potenciómetro (R2) fica um pouco mais elevado na placa, de modo que pode ver todos os fios e ligações.

Repare, na fotografia e no esquema, que a onda de saída pulsante surge do segundo inversor, não do primeiro.
A saída do primeiro inversor vai alimentar o segundo inversor, de modo a produzir uma cópia limpinha 🙂

Ligando uma carga (LED, driver de motor transístorizado) à cópia, não alterará a operação de R1, D1, D2 e C2. Contudo, se não tivéssemos feito uma cópia, e tivéssemos ligado uma carga ao pino de saída do primeiro inversor, então a frequência e o duty-cycle do circuito PWM seriam alterados pela carga.

De modo mais simples, fazemos uma cópia do sinal para não estragarmos o sinal original quando ligamos a onda de saída a outros circuitos.

[continua…]

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Disciplina de Automação e Comando
Módulo: Robótica

Apontamentos de Robótica / Ficha de Trabalho 1

Parte 1

Robótica

Automação da Produção

1. História da Robótica

O termo robot foi cunhado pelo escritor checo Karel Capek, que o utilizou pela primeira vez em 1920, numa das suas peças teatrais.
O significado original era “actividade forçada”.
A partir daí a palavra foi sendo cada vez mais utilizada e acabou por ser traduzida para todas as línguas.
Inicialmente, os robots criados ou idealizados apresentavam formas humanas, mas com o aparecimento do computador, este tomou para si a quase totalidade do significado do termo, pois estas máquinas “prometiam” pensar como o ser humano, tida como uma função de nível superior ao “mero” agir como um ser humano.
No entanto tudo isto se passava nas cabeças dos cientistas da cibernética, pois os mais “terra-a-terra” engenheiros industriais criaram os primeiros robots exactamente para agirem como os humanos, designadamente para executarem tarefas difíceis, perigosas e mesmo impossíveis para os humanos. Ou seja, com estas características, estamos mesmo a ver que foram as indústrias quem primeiro se aproveitou dos robots, pois estes aumentavam a produção (e, assim, o lucro), eliminando as tarefas perigosas para os trabalhadores (mais uma forma de poupar, ao fim e ao cabo…)

Hoje em dia, a robótica industrial, como estas bases tão antigas deixam entender, está particularmente desenvolvida, e a maioria das fábricas encontram-se totalmente, ou quase, automatizadas, tendo os poucos humanos que lá trabalham a única tarefa de manter os robots a operarem de forma normal. E isto enquanto a automatização não for total, num devir que em que, eventualmente, a automatização se confundirá com a robótica, com os robots a serem decompostos nas suas partes funcionais mais adequadas para cada operação industrial, formando o todo da fábrica um grande ser omnipresente e omnipotente que tomará conta de si próprio, sem qualquer ajuda humana necessária.
Estes (os actuais) robots industriais são capazes de realizar tarefas, podem ser programados e possuem uma força elevada.
Também existem em desenvolvimento muitos robots com forma humana, ou de outros animais, como, por exemplo, o conhecido Asimo, da Honda, e outros brinquedos do tipo, mas tratam-se sobretudo de robots que se destinam ao entretenimento e a servirem de base a experiências na área, sendo incapazes de realizar tarefas úteis e produtivas.

2. Automação

2.1. Definição:
É uma tecnologia composta por sistemas electrónicos, eléctricos, mecânicos, pneumáticos, hidráulicos e computacionais e destina-se a controlar processos produtivos industriais.

2.2. Exemplos:
2.2.1. Linhas de Montagem Automóvel (fábrica da AutoEuropa, em Palmela)

2.2.2. Linhas de Montagem de Outros Produtos

2.2.3. Máquinas Tipo CNC (Controlo Numérico Computorizado)
São máquinas que realizam o mesmo tipo de tarefas mas que apresentam uma grande flexibilidade e versatilidade. Pense-se no corte de uma chapa, por exemplo. Através de simples programação podemos indicar à máquina o formato e dimensões da peça final que queremos, podendo esses parâmetros serem mudados de valor de uma forma muito fácil através do terminal d o computador. Mais interessante ainda: a mesma máquina, sendo-lhe mudadas algumas peças pode passar a ser uma máquina construção de parafusos com determinadas características, também elas facilmente alteráveis informaticamente.
Este tipo de máquinas usam-se muito também como tornos mecânicos, máquinas capazes de tornear (fazer) peças metálicas, das mais simples às mais complexas, a partir da matéria prima em bruto.

2.2.4. Robots (aka braços robóticos, manipuladores,…)

2.3. Tipo de Automação
Existem três tipos de automação:
– Fixa
– Flexível
– Programável

2.3.1. Automação Fixa
Neste caso, as máquinas são específicas para o produto a ser produzido, pelo que produzem grande quantidade de um único produto ou produtos semelhantes.

Características:
– O volume de produção é elevado
– O custo da máquina é elevado
– O custo do produto é baixo

Exemplos – produção de lâmpadas, fabricação de papel, fabricação de garrafas, etc.

Neste tipo de automação o investimento inicial na máquina é muito elevado, pelo que todo o projecto deve ser muito bem estudado para evitar prejuízos, que é o que acontecerá se a quantidade de artigos vendida não for muito elevada, o que, por sua vez, será uma consequência inevitável se o preço do produto não for competitivo. Por outro lado as vendas devem ser intensivas e rápidas pois o risco de obsolescência, nestes tempos de evolução tecnológica e volatilidade dos gostos, pode ser grande.

2.3.2. Automação Flexível
Está entre os dois outros tipos.

Características:
– O volume de produção é médio e a máquina pode ser programada para produzir
outro produto, ainda que da mesma família;
– O custo do produto e da máquina são médios.

Exemplo de aplicação – Linha de montagem automóvel.

2.3.3. Automação Programável
É a mais flexível das três.

Características
– O volume de produção é baixo;
– Os produtos de elevado valor acrescentado e caros.
– A máquina é altamente programável (assim se adquire a flexibilidade de produção),
os produtos por ela produzidos podem ser muitos e muito diferentes entre si.

Exemplos: máquinas CNC e robots industriais.

A figura seguinte mostra a relação entre o volume de produção e a diversidade de produtos, para os 3 modos de automação. Como se vê, quanto maior uma das características, menor a outra, como já havíamos referido no texto.

Figura 1 – Distribuição dos processos de automação quanto à diversidade de produtos e volume de produção.

A robótica é, de todos os processos de automação, aquele que mais se aproxima da Automação Programável.
Portanto, os volumes de produtos produzidos não são elevados, mas o robot é altamente flexível a adaptável à fabricação de vários produtos diferentes.

O robots são totalmente programáveis, possuem braços móveis, aplicando-se, por exemplo em:

a . Carregamento e descarregamento de máquinas

b. Soldadura a ponto ou outra forma

c. Pintura

d. Processo de conformação ou fabricação

3. Questionário
1. Qual o significado original da palavra robot, no contexto em que foi criada?
2. Por que motivo as formas dos robots passaram dos primordiais em forma humana para outros menos antropomórficos?
3. Quais as funções gerais que, desde o início, foram destinadas aos robots industriais?
4. Quais as principais características que apresentam os robots industriais?
5. O que entende por automação industrial?
6. Qual a diferença entre automação e robótica?
7. Dê três exemplos de utilização prática da automação industrial.
8. Explique o que é e para que serve uma máquina CNC
9. Quais os tipos de automação que conhece?
10. Quais as características da automação fixa?
11. Dê dois exemplos de automação flexível.
12. Os produtos resultantes da automação fixa são apresentam um pequeno valor acrescentado. Porquê?
13. Que tipo de produtos resultam da automação programável? Porquê?
14. Quanto maior a diversidade de produtos fabricados, maior é o volume de produção. Verdadeiro ou Falso?
15. Dê três exemplos práticos de aplicação do braços robóticos.