COMANDOS E CONTROLES LÓGICOS - PARTE 1

Comandos e Controles Lógicos

I. Introdução à mecatrônica

Até a metade do século XX, a maioria dos sistemas ou eram mecânicos ou eram eletrônicos: vejam como exemplos, os veículos automotores, rádios, televisões etc. Com o avanço da teoria de controle e das técnicas de projeto tanto de mecanismos mecânicos quanto de dispositivos eletrônicos, surge uma integração destas duas áreas da engenharia. É necessário distingui estes projetos que integram mecânica, eletrônica e informática, dos projetos de dispositivos eletromecânicos como motores, sensores ou atuadores. Estes últimos, na maioria dos casos, são projetos de sistemas para conversão de energia, seja elétrica para mecânica, seja mecânica para elétrica. Não que eles apresentem qualquer tipo de demérito, mas porque eles são claramente diferentes de robôs, sistemas aviônicos, ...

No projeto de sistemas podemos adotar duas abordagens diferentes.

1. O comando do sistema atua sobre o sistema sem realimentação das suas variáveis de estado: sistema não realimentado.
2. O comando do sistema atua sobre o sistema assim como o estado de algumas de suas variáveis de estado: sistema realimentado.

Geralmente, os projetos de mecatrônica estarão agindo nos sistemas realimentados. Um projeto mecânico simples como um sistema de transferência de líquidos pode ter um controle realimentado puramente mecânico como uma bóia acionando um comando de válvulas. Se a precisão e a velocidade do sistema for satisfatória, este sistema é uma solução ótima. Mas num sistema em que pequenas variações podem causar grandes mudanças muita rápidas, nenhum sistema puramente mecânico poderá resolver o problema, nesses casos, o processamento pode ser feito eletronicamente aproveitando a velocidade dos elétrons e das ondas eletromagnéticas. Outra situação importante para se usar uma solução mecatrônica surge quando o função de controle é muito complexa para ser realizada por meios puramente mecânicos ou mesmo eletrônicos, neste caso, o processamento de como os atuadores devem ser acionados para se obter uma determinada resposta devem ser feitos por computadores.

Definição de mecatrônica dada pelo prof. M.M. Polonskii:

Mecatrônica é uma tecnologia de projeto que, à base de níveis modernos de microeletrônica, eletrônica de potência, motores, mecânica de alta precisão e informática, nos dá a possibilidade de executar os projetos, os sistemas eletromecânicos, que são controlados por computador, satisfazendo determinadas condições e com custos mínimos.

Problema: como dividir todas as funções do sistema entre as partes da mecânica, da eletrônica e da informática?

Princípios óbvios para o projeto de sistemas de mecatrônica:

1. minimizar o número de eixos; não usar, se possível, redutores e acoplamentos
2. usar sensores multifuncionais
3. usar sensores com saídas digitais que podem ser ligados ao computador sem transformação adicional da informação
4. usar diretamente o controle digital por computador

II. Sensores

Para se poder automatizar um sistema de produção é necessário coletar informações sobre o estado dos equipamentos, das peças, etc. Esta informação deve ser fornecida de alguma maneira para o computador digital. Para tanto duas fases são necessárias: primeiro, a coleta da informação através de sensores que convertam a informação de estado para um sinal elétrico, e segundo, a conversão do sinal elétrico para um sinal digital compreensível pelos programas manipuladores da informação.

Nesta parte do curso vamos apresentar alguns dos principais sensores usados para a automação de sistemas industriais.

O princípio de funcionamento de um sensor é relativamente simples: o valor de estado de uma grandeza deve ser quantificado por alguma grandeza física, intensidade de luz, calor, som ou posição, força, pressão ou velocidade. Uma variação da grandeza física provoca no sensor uma variação do seu sinal elétrico de saída. Assim, deve-se classificar os sensores segundo:

• faixa operacional (range): faixa de medida em que os valores são válidos.
• resolução: menor incremento da grandeza medida que provoca mudanças na saída do sensor.
• sensibilidade: relação entre a variação da grandeza de saída (tensão, corrente, ...) e a variação da grandeza medida.
• linearidade: se a razão entre as variações das grandezas medidas pelas variações das grandeza de saída são constantes, o sensor é linear. Em instrumentos analógicos, isto corresponde a escalas lineares. Uma outra possibilidade muito freqüente é ter-se uma escala logarítmica, o que indica um sensor usando uma conversão de energia exponencial.
• histerese: fenômeno em que ao se alterar uma grandeza numa direção (por exemplo, de um valor baixo para um valor alto), a medida segue uma curva e ao se alterar a grandeza na direção contrária, a curva é diferente. Exemplos, a magnetização de materiais ferromagnéticos com ligas de aço costumam apresentar este efeito e por isso são usados como memória não volátil em diversas aplicações eletrônicas; a folga dos dentes de um sistema de engrenagens faz com que numa direção tenhamos uma medida e ao mudar de direção, tenhamos uma zona morta; o relé da ventoinha de automóveis é ligado numa temperatura mais alta do que a de desligamento.
• exatidão ou erro: diferença absoluta entre o valor medido pelo sensor de uma grandeza física e o valor real dela.
• relação sinal/ruído: relação entre a potência do sinal entregue pelo sensor e a potência do ruído, isto é, a potência de saída caso a grandeza medida não troque nenhuma energia com o sensor.
• resposta em freqüência: as freqüências das variações da grandeza medida que o sensor é capaz de acompanhar. Geralmente, representado por um diagrama ganho vs. freqüência, diagrama de Bode.

1. Sensores de temperatura

• par bi metálico: usa os coeficientes diferentes de dilatação de duas laminas metálicas, em geral não é usado para medir temperatura mas para comutar uma chave elétrica. Exemplo de uso, relé de acionamento de ventoinhas nos automóveis, pisca alerta, cafeteira elétrica.
• resistência elétrica: a resistência elétrica de muitos materiais varia quase linearmente com a temperatura:
  ro = ro0(1+a1dT+a2dT²)
  Onde ro é a resistividade intrínseca do material e dT=T-T0, T0 é a temperatura ambiente. Tipicamente, se usa platina.
• termistores: certos materiais possuem condutividade que varia com o exponencial da temperatura. Caso a resistência aumente com a temperatura, a resistência é dita PTC - coeficiente de temperatura positivo e caso a temperatura diminua com a temperatura, NTC.
  R = AeB/T
  Onde A e B são constantes que dependem do tipo de óxido.
• junção semicondutora: a corrente que atravessa um diodo diretamente polarizado é uma função exponencial da temperatura, as imprecisões associadas com os parâmetros que influenciam as medidas com uma junção fazem com que na prática eles não sejam usados para fins de medidas. Eles são usados contudo como fusíveis ou pseudo-fusíveis em diversas situações quando temperaturas limites são atingidas. Exemplos são os circuitos de proteção de processadores modernos para altas temperaturas, um diodo colocado no chip funciona de sensor de temperatura e um circuito externo deve reduzir ou cortar o relógio quando o processador está superaquecido.
• termopares: a diferença de potenciais eletroquímicos varia com a temperatura. São os sensores de temperatura mais usados. Dois materiais metálicos são colocados em contato provocando uma diferença de tensão entre eles. Eles são principalmente interessantes em altas temperaturas.

 2. Sensores de presença

• micro-switches: pequenas chaves elétricas. São colocadas nos pontos onde se deseja estabelecer a presença de algum objeto.
• reed switches: chaves com contatos em material ferro-magnético que se fecha com a proximidade de um campo magnético (imã).
• sensores óticos: usam diodos emissores de luz (LEDs) e foto-transistores (vide figura).
• sensores indutivos: usam bobinas e a variação da permeabilidade magnética ou variações de campo magnético (imãs) que induzem mudanças na corrente das bobinas.
• sensores capacitivos: usam a variação da capacitância com a aproximação de lâminas carregadas eletricamente ou mudanças na área efetiva das lâminas que induzem mudança na tensão entre as placas.

3. Sensores de Posição

De uma forma geral, os sensores de posição também podem ser usados como sensores de presença, embora o contrário seja falso.

• Sensores potenciométricos: uso de resistências com um cursor metálico que acompanha a posição de um objeto.
• Sensores indutivos e capacitivos
• Encoders (vide figuras)
  Também são chamados de codificadores, são sensores de posição constituídos de um ou mais sensores óticos de barreira que detectam a passagem de uma roda furada. Quando o sensor estiver sobre um furo, vai detectar a luz (estado 1, p.ex.). A roda está ligada mecanicamente ao eixo de um motor ou de uma peça giratória. À medida que o eixo gira, os sensores vão indicando diferentes combinações de 0's e 1's. O encoder incremental usa dois sensores para ir contando os furos e a direção do giro, o que permite determinar uma posição relativa. Para o encoder incremental poder determinar posições absolutas um outro sensor ótico pode ser incluído para avisar que está no ponto de referência.
• Sensores de Ultra-som: usam um emissor de ultra-som, tipicamente, um cristal piezo-elétrico, e um receptor, um microfone. Uma onda de som ultra-sônica, acima de 20 kHz é emitida e refletida por um obstáculo, através do cálculo do tempo de ida e volta é possível determinar a presença dos obstáculos e a sua posição.
• Síncronos e resolvers: sincro é um transdutor de posição e de medida de ângulo de rotação de eixos de precisão (10' de arco). Esses sensores são baseados na indução de tensão alternada entre 2 conjuntos de bobinas, um rotor e um estator. A diferença entre o resolver e o sincro está na implementação do estator, no resolver o estator é constituído de duas bobinas ligadas a 90º, no sincro, são 3 bobinas a 120º.

4. Sensores de Força

• Extensômetros: são baseado na lei de Hooke segundo a qual um material elástico sobre uma deformação linear diretamente proporcional à força aplicada no material (princípio das molas usadas para medir força). Um tipo especial de extensômetro (chamado de strain gauge) usa esta propriedade para medir a força axial ou de tração aplicada a uma peça medindo a deformação através da variação da resistência de um sensor resistivo colado sobre a superfície da peça.

 5. Sensores de Velocidade

• Tacômetro: funciona no mesmo princípio do gerador elétrico, ou seja, tem o funcionamento inverso de um motor elétrico. Uma bobina presa a um eixo dentro de um campo magnético estático gerado por imãs permanentes, faz com que apareça uma tensão nos terminais da bobina que é proporcional à velocidade de rotação do eixo.
• Contadores: um circuito ou programa pode contar furos ou marcas deixadas em distâncias regulares por um certo intervalo de tempo e com isto determinar a velocidade de locomoção das marcas.
• Radares de ultra-som: baseados no efeito Dopper, um sensor de som junto com um emissor de ultra-som podem determinar a velocidade de um objeto.

6. Sensores de Luz

• LDR - resistência sensível à luz, efeito foto-elétrico inerente a todos os materiais descoberto por Albert Einstein.
• Foto-transistor - a corrente através do transistor varia exponencialmente com a quantidade de luz incidente.
• CCD - detetor com carga acoplada, usada em filmadoras e câmaras digitais.

7. Sensores de Pressão

• Sensor capacitivo: uma membrana com uma lâmina metálica sobre uma outra lâmina metálica fixa paralela à primeira forma um capacitor cuja capacitância depende da pressão sobre a membrana. Outra possibilidade é o uso de duas lâminas metálicas paralelas com um material elástico não condutor entre elas, a pressão sobre uma das lâminas fará variar a distância entre as lâminas e, em conseqüência, a capacitância entre as lâminas.
• Transdutor piezo-elétrico: alguns materiais têm propriedade piezo-elétrica, isto é, se eles forem comprimidos, eles geram diferença de potencial em terminais colocados nas suas superfícies. O exemplo mais comum de uso deste efeito é o MagiClick usado em cozinha para acender fogões. O material mais comum, com efeito, piezo-elétrico é o cristal, mas atualmente existem plásticos que também exibem esta propriedade com níveis de tensão muito mais controlados.

8. Sensores de Som

• Microfones: existem pelo menos 3 tipos de microfones: o magnético, o de cristal piezo-elétrico e o de carvão ativado. O magnético funciona com uma bobina presa a uma membrana que vibra com o som. A bobina está dentro de um campo magnético estático criado por imãs ou outras bobinas, assim uma diferença de potencial aparece nos seus terminais se a membrana vibra. O de cristal usa a propriedade piezo-elétrica descrita acima, as ondas sonoras provocam variações de pressão sobre a superfície do cristal piezo-elétrico que gera diferenças de tensão no terminais ligados nas superfícies do cristal. O de carvão ativado era usado nos antigos telefones e funciona com uma membrana pressionando grãos de carvão ativado dentro do microfone de maneira a provocar variações de resistência em dois terminais imersos dentro do carvão.

 9. Acelerômetro

Raramente, num sistema de automação industrial ou num robô será necessário o uso de acelerômetros, mas se eles forem necessários às alternativas são:

• Giroscópio mecânicos ou a laser.
• Uso de medidores de força sobre massa conhecida: F = m * a

10. Sensores de gases

Eles podem ser necessários em automação industrial onde gases tóxicos ou explosivos podem ser liberados e precisam ser controlados. Geralmente, eles dependem do tipo de gás e usa-se algum material (substância) que reaja com o gás e mede-se a reação.