universidade federal do paranÁ setor de …na especificação de rotores, microcontroladores e...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
SETOR DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DESENVOLVIMENTO DE UM DISPOSITIVO MICROCONTROLADO PARA
CONTROLE DE ROTORES DE ANTENAS
CURITIBA
2015
RAFAEL ANDRÉ SCANDELARI
DESENVOLVIMENTO DE UM DISPOSITIVO MICROCONTROLADO PARA
CONTROLE DE ROTORES DE ANTENAS
Proposta de trabalho de conclusão de curso a ser apresentada como requisito parcial à obtenção do grau de Engenheiro para a disciplina TE105 - Projeto de Graduação. Curso de Engenharia Elétrica, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná.
Orientador: Prof. Dr. James Alexandre Baraniuk
CURITIBA
2015
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à minha família, que sem o seu apoio incondicional e orientações nas horas certas, nada disso teria sido possível. E também à minha namorada Maressa, por toda sua compreensão, carinho e incentivo durante essa
importante fase da minha vida.
RESUMO
O presente projeto tem como objetivo o desenvolvimento de um dispositivo microcontrolado para controle de rotores de antenas voltado para o radioamadorismo, que possibilite o controle preciso e seguro de grandes antenas. Para a realização do projeto proposto foi realizado o levantamento de requisitos que o produto deveria ter para obter precisão e segurança na operação, uma revisão literária do tema, focada na especificação de rotores, microcontroladores e acionamentos de motores. Após o estudo do tema foi iniciado o processo de desenvolvimento e montagem do protótipo, tanto do hardware como firmware. O projeto foi desde o esquemático até o resultado: um protótipo completamente funcional, de acordo com os objetivos propostos, compatível com os tipos mais comuns de rotores de antenas do mercado.
Palavras Chave: Microcontrolador, rotores, antenas, radioamadorismo, produto, controlador.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 4
1.1 JUSTIFICATIVAS ........................................................................................... 6
2 OBJETIVO GERAL .............................................................................................. 7
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................... 7
3 PROCEDIMENTO METODOLÓGICO ................................................................. 8
4 REVISÃO TEÓRICA .......................................................................................... 10
4.1 RADIOAMADORISMO ................................................................................. 10
4.2 MICROCONTROLADOR ............................................................................. 13
4.3 ROTORES ................................................................................................... 16
4.3.1 ROTOR DC............................................................................................ 16
4.3.2 ROTOR AC ............................................................................................ 17
4.4 ACIONAMENTO .......................................................................................... 19
5 DESCRIÇÃO DO PROJETO .............................................................................. 22
6 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ............................................................... 25
6.1 LEVANTAMENTO DE REQUISITOS ........................................................... 25
6.2 DIAGRAMAÇÃO DO CIRCUITO .................................................................. 27
6.3 PROJETO DAS PLACAS ............................................................................. 31
6.4 CONFECÇÃO E MONTAGEM DAS PLACAS ............................................. 33
6.5 TESTES DO CIRCUITO ............................................................................... 35
6.5.1 TESTE DA PLACA DISPLAY ................................................................ 35
6.5.2 TESTE DE ACIONAMENTO DC ........................................................... 35
6.5.3 TESTE DE ACIONAMENTO AC............................................................ 36
6.5.4 TESTE DE LEITURA DE POSIÇÃO ...................................................... 37
6.5.5 TESTE DE COMUNICAÇÃO SERIAL ................................................... 38
6.6 ELABORAÇÃO DO SOFTWARE ................................................................. 39
6.7 MONTAGEM DO SISTEMA COMPLETO EM GABINETE ........................... 46
6.8 TESTES FINAIS E VALIDAÇÃO .................................................................. 48
7 RESULTADOS OBTIDOS .................................................................................. 52
7.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................... 54
8 CONCLUSÕES .................................................................................................. 54
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 56
ANEXO A .................................................................................................................. 59
ANEXO B .................................................................................................................. 60
ANEXO C .................................................................................................................. 61
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Antena Pequena suspensa por mastro e estiradores ................................. 4
Figura 2 - Torre de 36 Metros de Altura com Antena de Grande Porte. ...................... 5
Figura 3 - Prefixo dos indicativos da maioria dos países. ......................................... 11
Figura 4 - Interface do Programa Ham Radio Deluxe ............................................... 12
Figura 5 – Controlador e Rotor de antena da Yaesu modelo G-1000DXA (DC) e Hy-
Gain modelo HAM-IV (AC) ........................................................................................ 12
Figura 6 - Diagrama em blocos do Microcontrolador STM32F103xx ........................ 15
Figura 7 - Diagrama esquemático de um rotor DC (Yaesu G-1000DXA) .................. 17
Figura 8 - Diagrama esquemático de um rotor AC (Hy-Gain HAM-IV) ...................... 18
Figura 9 - Máquina CC alimentada por chopper........................................................ 19
Figura 10 - Diagrama em blocos do OMNIFET ......................................................... 20
Figura 11 - Diagrama de ligação do MOC3020 a uma carga indutiva ....................... 21
Figura 12 - Diagrama geral do projeto ....................................................................... 22
Figura 13 - Conjunto Rotor-Mastro-Antena Fonte: Yaesu (20??) .............................. 23
Figura 14 - Diagrama em blocos do hardware .......................................................... 24
Figura 15 - Diagrama de Desenvolvimento ............................................................... 25
Figura 16 - Circuito de Acionamento AC ................................................................... 28
Figura 17 - Circuito de Acionamento DC ................................................................... 28
Figura 18 - Circuito do Relé....................................................................................... 29
Figura 19 - Transformador ........................................................................................ 29
Figura 20 - Circuito do MAX3232 .............................................................................. 30
Figura 21 - Circuito de Acionamento dos Displays .................................................... 31
Figura 22 - Distribuição dos Componentes na Placa CPU ........................................ 32
Figura 23 - Distribuição dos Componentes da Placa Display .................................... 33
Figura 24 - Placa CPU Produzida e Montada ............................................................ 34
Figura 25 - Placa Display Produzida e Montada ....................................................... 34
Figura 26 - Tensão de Saída para Rotores DC ......................................................... 36
Figura 27 - Tensão de Saída para Rotores AC ......................................................... 37
Figura 28 - Circuito de Adequação para ADC ........................................................... 38
Figura 29 - Início do Firmware ................................................................................... 39
Figura 30 - Função de Inicialização do Microcontrolador .......................................... 40
Figura 31 - Timer no Modo UP .................................................................................. 41
Figura 32 - Loop Principal do Programa .................................................................... 42
Figura 33 - Controle de Posicionamento ................................................................... 44
Figura 34 - Rotina de Interrupção .............................................................................. 45
Figura 35 - Desenho do Gabinete Metálico ............................................................... 46
Figura 36 - Controlador Montado Visto Lateralmente ................................................ 47
Figura 37 - Parte traseira do Controlador .................................................................. 48
Figura 38 - Protótipo do Controlador ......................................................................... 53
Figura 39 - Especificação do Fabricante para Rotores Yaesu .................................. 59
Figura 40 - Especificação do Fabricante para Rotores Hy-Gain - HAM-IV ................ 60
Figura 41 - Protocolo Yaesu GS232A ....................................................................... 61
3
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Protocolo Yaesu GS232A ........................................................................ 43
Tabela 2 - Testes de Posicionamento Automático com Rotor DC ............................. 50
Tabela 3 - Testes de Posicionamento Automático com Rotor AC ............................. 50
4
1 INTRODUÇÃO
Em diversas aplicações em Telecomunicações, existem antenas direcionais
que asseguram a comunicação entre dois pontos. Quando estes pontos não são fixos,
ou são diversos, existe a necessidade de apontar antenas direcionais para a direção
do ponto de destino da comunicação. Quando são utilizadas antenas pequenas ou
leves, os equipamentos para girar e apontar a antenas são compostos por rotores de
pequena capacidade e algum dispositivo de apontamento de direção. Estas antenas
podem ser fixadas por pequenos mastros suspensos com arames ou estiradores
como é possível observar na Figura 1.
Figura 1 - Antena Pequena suspensa por mastro e estiradores
Fonte: ARPA – Associação dos Radioamadores do Paraná (2011)
Por outro lado, para antenas de grande porte, com vários metros de
comprimento e pesos que podem chegar a 150 kg, existem vários problemas técnicos
que dificultam o seu posicionamento. Estas antenas são em geral instaladas em torres
que atingem alturas entre 6m e 50m, onde ventos de grande magnitude podem
interferir no posicionamento da antena, dependendo da área vélica da mesma.
Primeiramente há que se considerar a inércia da antena e a força do momento
aplicado sobre o mastro que segura a antena durante o giro. Caso a antena tenha
uma aceleração ou desaceleração muito brusca, o mastro pode se romper e a antena
poderá cair da torre. Para se evitar que isso ocorra, há a necessidade de se aplicar
uma rampa de aceleração no momento da partida e uma rampa de desaceleração no
momento da parada por meio de um controlador de rotor.
5
Outro problema técnico é o posicionamento angular (ou azimutal) da antena.
Após um comando de movimentação para um determinado ângulo ou posição, é
necessário efetuar um controle em malha fechada considerando-se a inercia da
antena para a sua aceleração e parada e a força dos ventos. Nenhuma destas
variáveis é constante, pois os tipos de antenas utilizados são diversos, apresentando
pesos e dimensões variadas e os ventos podem mudar de intensidade e direção em
questão de segundos.
Figura 2 - Torre de 36 Metros de Altura com Antena de Grande Porte.
Fonte: O Autor (2015)
Além destes aspectos físicos, aspectos elétricos também são relevantes. Para
um rotor instalado em uma torre de 50 metros de altura, podemos contar um cabo de
controle de 50 metros (para chegar do topo da torre ao solo) e mais a distância até o
controlador do rotor. Este tamanho de cabo faz com que o mesmo funcione como uma
antena, captando ruídos elétricos que se somam ao sinal de posição do rotor. Para
reduzir este efeito é necessária a filtragem dos mesmos.
O tamanho do cabo de controle impõe ainda outro requisito, que é a necessidade de
proteção do operador e dos equipamentos quanto às descargas elétricas que possam
atingir direta ou indiretamente a torre.
6
Face às questões apresentadas, o problema que se busca resolver com este
projeto vem a ser possibilitar o ajuste da posição de antenas de radioamadores de
forma rápida e precisa, sem que a velocidade excessiva possa causar danos
estruturais no sistema.
1.1 JUSTIFICATIVAS
Como justificativas para a realização deste trabalho pode-se relacionar as
necessidades existentes de controle preciso e seguro de posição de grandes antenas
entre os radioamadores, isso a partir de um dispositivo produzido no Brasil, que irá
possibilitar um controle adequado destas além de ser uma alternativa comercial
atraente. Outro fator motivador é o interesse do autor pelas áreas de eletrônica e
radioamadorismo. O autor é radioamador há 13 anos e participa de competições
mundiais de radioamadorismo em uma estação brasileira de grande porte. Portanto,
existe uma grande motivação pessoal: a partir da implementação de um dispositivo
de controle eficiente de rotores de antenas será possível melhorar o desempenho da
equipe em competições. Por fim, outra grande motivação foi a motivação técnica, o
desejo de produzir um produto desde o seu esquemático, bem como o desafio de
realizar toda a programação em um microcontrolador ARM e desenvolvimento de
gabinete metálico, ou seja: um produto completo.
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2 OBJETIVO GERAL
O presente trabalho é orientado pelo objetivo geral de desenvolver um controlador
digital de rotores, para aplicações em controle de posição de antenas de
radioamadorismo, que efetue o controle preciso e seguro da posição angular, a partir
de comandos de um teclado ou acionado por um computador via um protocolo de
comunicação padronizado.
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
De modo a atingir o objetivo geral, o presente trabalho será composto dos objetivos
específicos relacionados a seguir:
• Realizar a revisão da literatura;
• Desenvolver e produzir um controlador de posição de antenas que seja
compatível com rotores que utilizem motores AC ou DC e que informem sua
posição por meio de um potenciômetro interno.
• Desenvolver o software de controle para o rotor da antena;
• Desenvolver os módulos de potência para controle dos motores AC e DC;
• Testar e validar o projeto.
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3 PROCEDIMENTO METODOLÓGICO
O presente projeto consiste no desenvolvimento de um protótipo funcional de um
controlador de rotor. Para isso, será realizada a revisão teórica do projeto, o
levantamento dos requisitos, a descrição da proposta do projeto, o desenvolvimento
do protótipo e os testes finais.
A revisão teórica, realizada no capítulo 4 deste trabalho foi realizada de forma
a verificar os requisitos impostos pelos rotores existentes assim como os requisitos do
próprio controlador. Para a verificação dos requisitos impostos pelos rotores foram
consultados os sites de diversos fabricantes de rotores, bem como seus respectivos
manuais de instruções com suas especificações técnicas. Para o controlador poder
atender aos requisitos do rotor, foram consultados alguns livros de eletrônica para
verificar quais circuitos e formas de acionamentos seriam desenvolvidas. Para
consultar quais componentes seriam utilizados nesses circuitos, foram verificadas as
especificações de cada um em seus respectivos datasheets, no caso de alguns
componentes foi explicado o motivo da sua escolha.
O levantamento de requisitos foi detalhado no item 6.1. Neste item são
detalhados todos os requisitos do controlador para o controle de rotores AC e DC por
meio do próprio controlador ou por meio de um computador. Também são detalhados
os requisitos de software, que cita as funções que o controlador deverá ter em seu
programa.
A descrição do projeto foi realizada no capítulo 5 e foi elaborada de forma a
mostrar o conjunto em que o controlador de rotores irá fazer parte, e também mostrar,
por meio de um diagrama em blocos, o circuito a ser implementado do controlador e
os circuitos dos rotores a serem controlados.
O desenvolvimento do controlador envolve a confecção de todo o hardware e
software, descrito nos itens 6.2 a 6.7 onde é mostrado, em etapas, o processo para a
implementação do protótipo. Para isso foram detalhadas as seguintes etapas:
diagramação do circuito, projeto das placas, confecção e montagem das placas, testes
do circuito, elaboração do software, montagem do sistema completo em gabinete.
Os testes e validação foram realizados no item 6.5 e no item 6.8. No item 6.5
foram realizados testes dos circuitos de displays, acionamentos, leitura de posição e
9
comunicação com o computador. No item 6.8 foram realizados os testes finais que
foram feitos a fim de validar o funcionamento do controlador já montado em gabinete
sendo realizados testes de hardware e testes práticos de software.
10
4 REVISÃO TEÓRICA
No presente capítulo são apresentados os temas pesquisados para o
desenvolvimento do projeto, bem como o embasamento teórico das soluções
adotadas para a sua implementação. Os itens abordados são: Radioamadorismo;
Microcontroladores; Rotores e Acionamentos.
4.1 RADIOAMADORISMO
Como o controlador de rotores a ser desenvolvido é voltado principalmente para
o controle de rotores de antenas de radioamadores, cabe explicar o que é o
radioamadorismo. Segundo a ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações),
agência que regula as telecomunicações do Brasil
“O Radioamadorismo é o serviço de telecomunicações de
interesse restrito, destinado ao treinamento próprio,
intercomunicação e investigações técnicas, levadas a efeito por
amadores, devidamente autorizados, interessados na
radiotécnica unicamente a título pessoal e que não visem
qualquer objetivo pecuniário ou comercial.” (ANATEL, 2015).
Enfim, o radioamadorismo é um hobby praticado por pessoas do mundo inteiro
e no Brasil segundo a ANATEL o número de radioamadores licenciados é superior a
30.000. O radioamadorismo consiste na comunicação entre radioamadores via um
rádio-transceptor e uma antena. Para obter o Certificado de Operador de Estação de
Radioamador (COER) e se tornar um radioamador é necessária a aprovação em
testes de avaliação. Ao ser aprovado, o radioamador recebe o seu indicativo. O
indicativo é formado por letras e números e será o modo em que ele será chamado
nas frequências de rádio. Pelo indicativo é possível identificar de que país, estado ou
região desse país a pessoa pertence. A Figura 3 mostra qual o prefixo dos indicativos
da maioria dos países.
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Figura 3 - Prefixo dos indicativos da maioria dos países.
Fonte: Andrei Volkov (2015)
Com a definição dos indicativos de cada país, existem programas como o Ham
Radio Deluxe, mostrado na Figura 4 que, entre diversas outras funções, indicam o
ângulo necessário para apontar a antena a partir de sua localização, bastando apenas
colocar o indicativo do radioamador a ser contatado. Esses programas também
enviam, via serial RS-232 um comando para o controlador de rotor girar até o ângulo
desejado. Bastando escolher o protocolo desejado, assim como a porta de
comunicação serial em que o controlador está conectado. Na Figura 4 é possível
observar o ângulo necessário para falar com um radioamador francês de indicativo
F6ARC tendo a Austrália como país de origem.
12
Figura 4 - Interface do Programa Ham Radio Deluxe
Fonte: VK2BYI (201?)
Uma modalidade do radioamadorismo é o de contato de longas distâncias,
sendo possível se comunicar com o mundo inteiro. Para isso são utilizadas antenas
direcionais de alto ganho posicionadas através de um rotor por meio de um controlador
de rotores. Na Figura 5 são mostrados dois rotores comuns no meio radioamadorístico
e são, respectivamente, o rotor DC e o rotor AC abordados no presente trabalho.
Figura 5 – Controlador e Rotor de antena da Yaesu modelo G-1000DXA (DC) e Hy-Gain modelo
HAM-IV (AC)
Fontes: Yaesu (200?) e Hy-Gain (200?)
13
Duas dificuldades presentes na implementação de um controlador de rotores
de antenas são citadas em um artigo feito por Armellini (2006) que diz que “A
dificuldade envolvida é a de garantir um apontamento dinâmico de uma estrutura de
grande porte, e, portanto, de inércia e flexibilidade considerável, com precisão e
resposta dinâmica rápida.”. O primeiro problema, com relação à precisão, segundo
Armellini, é que esta depende da resolução do sensor de posição do rotor que é
responsável pela realimentação de malha fechada. O segundo está relacionado a
“todas as demais imprecisões do equipamento, sejam estas por fatores mecânicos
(folgas e não linearidades), ou por atraso de processamento, ou por ruído elétrico.”
(ARMELLINI, 2006).
4.2 MICROCONTROLADOR
Para implementar um controlador que pudesse reduzir a influência dos
problemas citados por Armellini (2006), suprir as necessidades técnicas e atingir os
objetivos, foi utilizado neste projeto um microcontrolador com um processador ARM
da família Cortex-M3. Segundo a ARM, o processador ARM® Cortex®-M3 é o
processador de 32 bits mais utilizado pela indústria, especialmente desenvolvido para
oferecer a possibilidade de empresas desenvolverem plataformas de alta-
performance a um baixo custo, entre essas plataformas uma delas é a de
microcontroladores. Abaixo estão algumas das vantagens do ARM® Cortex®-M3
segundo a ARM:
• O ARM® Cortex®-M3 conta com a arquitetura ARMv7-M que foi desenvolvida
para sistemas embarcados eficientes, a maioria das aplicações podem ser
programadas em C.
• Nested Vectored Interrupt Controller (NVIC) – o ARM® Cortex®-M3 possui um
controle de interrupção integrado, flexível e eficiente, com uma latência bem
baixa. As funções de tratamento de interrupções (Handlers) podem ser escritas
em C.
• Várias escolhas de protocolos de comunicação de debug - JTAG e Serial Wire
Debug.
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• Cortex-M Software Interface Standard (Cortex-M Interface Padrão de Software)
– CMSIS: Facilita o reaproveitamento e portabilidade de softwares.
O microcontrolador escolhido foi o STM32F103C8T6 da STMicroelectronics que utiliza
o ARM® Cortex®-M3 como processador. Esse microcontrolador foi escolhido devido
ao seu preço acessível e, principalmente, às suas características:
• 72 MHz de frequência máxima de clock;
• 64kbytes de memória Flash;
• 20kbytes de memória RAM;
• Dois conversores analógico-digital de 12 bits em até 10 canais;
• DMA (Direct Memory Access) – periféricos suportados: timers, ADC, SPIs, I²Cs,
USARTs.
• 37 portas de I/O – todas mapeáveis em 16 vetores de interrupção externa e
quase todas com tolerância até 5V;
• Modo de debug: interfaces Serial Wire Debug (SWD) ou JTAG;
• 7 timers:
� 3 timers de 16 bits – Cada um com até 4 IC/OC/PWM ou contador de
pulsos.
� 1 timer PWM de 16 bits com timer PWM para controle de motor com
geração de tempo-morto e parada de emergência.
� 2 timers de Watchdog.
� Timer SysTick de 24 bits decrescente.
• Até 9 interfaces de comunicação:
� 2 interfaces I²C.
� 3 USARTs.
� 2 SPIs.
� Interface CAN.
� Interface USB 2.0 full-speed.
Essas e outras características, como a estrutura do microcontrolador, podem ser
observadas na Figura 6.
15
Figura 6 - Diagrama em blocos do Microcontrolador STM32F103xx
Fonte: STMicroelectronics (2015)
É possível observar que o microcontrolador escolhido atende e supera os
requerimentos para o desenvolvimento do presente projeto. No entanto, todos os
pinos do modelo escolhido foram utilizados. Esse microcontrolador foi escolhido
devido a um conhecimento prévio do autor sobre o seu funcionamento e também
devido ao seu relativo baixo custo (USD 6 no site da Digikey em 11/11/2015).
16
4.3 ROTORES
Os principais rotores utilizados no radioamadorismo são rotores DC e AC de
24V. É possível observar nos Anexos A e B os tempos de rotação de uma volta
completa de rotores para antenas de radioamadorismo realizam uma volta completa
(360º) em um tempo que varia entre 40 segundos ou até 100 segundos para rotores
DC e de 45 a 60 segundos em rotores AC. Portanto a velocidade de rotação, para
uma resposta dinâmica rápida e adequada com as especificações do fabricante seria
uma velocidade em torno de 9 graus por segundo para rotores DC e 8 graus por
segundo para rotores AC.
Nos itens 4.3.1 e 4.3.2 serão detalhados os rotores AC e DC.
4.3.1 ROTOR DC
O rotor DC utilizado para realizar os testes desse projeto é o Yaesu G-1000
DXA, esse rotor funciona com tensões de 11VDC a 24VDC conforme especificado
pelo fabricante (Anexo A). O G-1000DXA tem um arco de rotação de 450º, o que
significa que ele tem 90º de sobre-volta (Ver Anexo A). Nos limites (0º e 450º) o rotor
possui chaves de fim de curso e quando o rotor atinge esses limites essa chave abre
e o rotor para de girar. Como é possível observar no seu esquemático (Figura 7), após
a chave de fim de curso estar aberta, só é possível mover o rotor no sentido contrário
a ela. Para inverter o sentido de rotação de rotores DC, basta inverter a polaridade da
tensão aplicada.
É possível observar no esquemático da Figura 7 o potenciômetro interno do
rotor, que fornece a sua posição absoluta, ele acompanha os 450º de rotação, indo de
0V (terra - conectado no pino 3 da Figura 7) em 0º até a tensão de referência
(conectada no pino 1 da Figura 7) em 450º. O divisor resistivo é conectado no pino 2,
e é a partir dessa tensão que o controlador “lê” a posição do rotor.
17
Figura 7 - Diagrama esquemático de um rotor DC (Yaesu G-1000DXA)
Fonte: YAESU (20??)
4.3.2 ROTOR AC
O rotor AC utilizado para o desenvolvimento do projeto foi o Hy-Gain HAM-IV.
Esse rotor possui um “freio” no seu interior (representado pela bobina na saída de
número dois da Figura 8) que é controlado por meio de um solenoide, para o rotor
poder girar é necessário desacoplar esse freio. Para isso é necessário energizar o
solenoide com uma tensão de 24VAC. O consumo de corrente desse solenoide,
informado pelo fabricante, é de 5A. O rotor funciona com tensão de 24VAC e, segundo
o fabricante, consome 2.25A (ver Anexo B).
O HAM-IV possui um arco de rotação de 360º e também possui chaves fim-de-
curso em suas extremidades (0º e 360º). O potenciômetro interno desse rotor
acompanha esse arco de rotação indo de 0º a 360º e variando de 0 a 500 Ohms, a
diferença é que ele possui o pino divisor de tensão aterrado como é possível ver na
Figura 8, portanto o controlador utiliza somente um dos lados do potenciômetro,
juntamente com uma resistência fixa, para saber a posição do rotor (Figura 28).
O motor do rotor HAM-IV necessita de um capacitor eletrolítico de partida para
girar e possui duas bobinas. O controle do sentido de rotação é feito por meio delas.
Para girar no sentido horário, é necessário energizar a bobina ligada na saída número
cinco, para girar no sentido anti-horário é necessário energizar a bobina ligada na
saída de número seis (como é possível observar na Figura 8).
18
Figura 8 - Diagrama esquemático de um rotor AC (Hy-Gain HAM-IV)
Fonte: HY-GAIN (20??)
19
4.4 ACIONAMENTO
Para o acionamento de motores DC uma das possibilidades de circuito para
variar sua velocidade é utilizando um circuito chopper. O chopper serve para fornecer
uma tensão DC variável a partir de uma fonte de tensão DC fixa utilizando uma chave,
sendo essa chave geralmente um tiristor ou um transistor. Rashid diz que um circuito
chopper fornece um “controle de aceleração suave, alta eficiência e resposta dinâmica
rápida.” (RASHID, 1999). Para variar a tensão foi escolhido o PWM (Pulse Width
Modulation – Modulação por largura de pulsos) que, como o nome já diz, funciona a
partir da variação da largura dos pulsos, mantendo a frequência fixa. Ao variar a
duração dos pulsos é possível variar a tensão média de saída proporcionalmente a
essa duração.
Figura 9 - Máquina CC alimentada por chopper
Fonte: Rashid (1993)
Para implementar o PWM foi escolhido utilizar um opto-acoplador, ligando o ARM ao
MOSFET escolhido, para separar o ARM da alimentação do rotor. O MOSFET
escolhido foi um MOSFET de potência completamente auto-protegido chamado de
OMNIFET, produzido, também, pela STMicroelectronics. O OMNIFET possui vários
mecanismos internos de proteção como:
• Proteção contra sobre-tensão;
• Circuito limitador de corrente;
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• Proteção contra sobre-temperatura e curto-circuito;
É possível observar um diagrama em blocos do OMNIFET e suas proteções na
Figura 10.
Figura 10 - Diagrama em blocos do OMNIFET
Fonte: STMicroelectronics (2013)
Essas proteções foram levadas em conta para proteger o motor do rotor, pois
caso ocorra alguma eventualidade em que o MOSFET queime, pode acontecer um
curto-circuito entre o dreno e a fonte fazendo com que o rotor gire em velocidade
máxima até chegar na chave de fim de curso do rotor. Isso causaria uma parada
brusca do conjunto rotor-mastro-antena (Figura 13) o que poderia provocar danos a
esses componentes. Portanto ao utilizar o OMNIFET, a chance de isso ocorrer é
reduzida.
Para o acionamento de rotores com motor AC, foi escolhido utilizar um opto-
TRIAC para conectar o microcontrolador a um TRIAC de potência, o Opto-TRIAC
escolhido foi o MOC3020 mostrado na Figura 11.
Em motores AC não será implementado um controle de velocidade, pois a
maneira mais eficiente para esse controle seria a implementação de um inversor, o
que causaria um aumento no tamanho físico do produto assim como um aumento do
seu custo. Outra motivação para não haver um controle de velocidade em motores
21
AC, é que o controlador original desses rotores não faz o controle de velocidade.
Geralmente esses rotores são colocados em antenas menores, em que a ausência de
aceleração e desaceleração não provoca danos.
Figura 11 - Diagrama de ligação do MOC3020 a uma carga indutiva
Fonte: Texas Instruments (1998)
22
5 DESCRIÇÃO DO PROJETO
No diagrama geral da Figura 12 estão representados todos os elementos de
entrada e saída do controlador de rotores. O computador irá se comunicar com o
controlador por meio de interface serial RS-232. O usuário poderá utilizar o controlador
diretamente por meio de botões e potenciômetros assim como por meio do
computador. O controlador por sua vez irá girar o rotor quando ordenado e também
irá ler a posição informada pelo rotor por meio de um potenciômetro no interior do
mesmo.
Figura 12 - Diagrama geral do projeto
Fonte: O Autor (2015)
O rotor, ao girar, irá girar um mastro em que uma antena está fixada, esse
conjunto fica posicionado no topo de uma torre e está ilustrado na Figura 13.
23
Figura 13 - Conjunto Rotor-Mastro-Antena Fonte: Yaesu (20??)
De modo a facilitar a compreensão do projeto é apresentado um diagrama
esquemático na Figura 15, composto pelos seguintes módulos:
• Para acionamento de motores CA será utilizado um TRIAC e para motores CC
será utilizado um MOSFET ligados em uma porta que possa fazer o PWM.
• A informação da posição fornecida pelo rotor por meio de potenciômetro interno
será conectada a um pino que possa fazer a conversão analógico-digital.
• Circuito de alimentação por meio do transformador alimentado com a tensão
da rede, com tensão de saída retificada e filtrada para a alimentação do circuito.
• Portas de comunicação USB e RS-232 para possibilitar o controle via
computador.
• Conexão do microcontrolador com o teclado que serve como uma interface do
usuário com o controlador.
• Conexão do microcontrolador com os displays para possibilitar ao usuário a
visualização do ângulo atual do rotor, bem como outras funções que serão
implementadas no controlador.
• Opto-acoplador utilizado para detecção da passagem da tensão alternada pelo
zero.
24
Figura 14 - Diagrama em blocos do hardware
Fonte: O Autor (2015)
25
6 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
O desenvolvimento do projeto proposto realizou-se por meio de oito etapas,
apresentadas na Figura 15, sendo as etapas: Levantamento de requisitos; Revisão
Teórica; Diagramação do Circuito; Projeto e Confecção das Placas; Elaboração do
Software; Testes do Circuito; Montagem do Sistema Completo e Testes Finais. Neste
capítulo serão explicadas em sequência cada etapa. Apesar do modelo ser
sequencial, algumas etapas foram realizadas simultaneamente à medida que foram
surgindo os desafios, por exemplo, o levantamento de requisitos e a revisão teórica.
Figura 15 - Diagrama de Desenvolvimento
Fonte: O Autor (2015)
6.1 LEVANTAMENTO DE REQUISITOS
Para implementar o controlador inicialmente foram definidos os tipos de rotores
que seriam necessários controlar: AC e DC. Após isso, foi verificado que a maneira
que esses rotores informariam sua posição seria por meio de um potenciômetro
interno. Portanto, devido aos rotores, o circuito do controlador deveria ter um circuito
de acionamento DC e outro circuito de acionamento AC, e um pino de conversão de
tensão analógica para um valor digital no microcontrolador.
26
Para alimentação do circuito e dos rotores, detectou-se a necessidade de um
transformador. Para os rotores seriam necessários 24V (AC e DC), 12V para as
bobinas dos relés e 3,3V para alimentação do microcontrolador. Ficou definido,
portanto, que o transformador teria como entrada 0V-127V-220V, e como saída um
enrolamento de 12V/1A para alimentação do circuito e outro enrolamento de 24V/5A
para alimentação dos rotores.
Outro requisito foi a possibilidade de controlar o controlador por meio de uma
porta serial conectada a um computador. Para isso, foi utilizado o componente
MAX3232 para fazer a adequação dos níveis lógicos do microcontrolador para o
computador (RS232) e vice-versa. Com isso, foi necessário adicionar esse
componente à placa e também verificar que o processador tivesse a função UART
(Universal Asynchronous Receiver Transmitter).
Foi definido que o controlador teria duas placas: Uma placa para o
microcontrolador, acionamentos e comunicação. E outra para os displays botões e
potenciômetros. A primeira foi chamada de Placa CPU e a segunda de Placa Display.
Para ligar a placa Display à placa de CPU foi utilizado um cabo-flat. A placa Display
foi desenvolvida com o intuito de permitir ao usuário visualizar o ângulo atual do rotor
além de permitir o controle do controlador por meio dos botões e potenciômetros.
Como requisitos do microcontrolador verificou-se a necessidade de:
• 15 pinos de output, para os displays sendo oito pinos utilizados para acender
os segmentos, cinco para a alimentação de cada display e dois para o
chaveamento dos relés de freio (para motores AC) e direção.
• Dois pinos de UART para a comunicação serial (Rx e Tx).
• Quatro pinos de entrada para conversão analógico-digital sendo utilizados para
ler: tensão de referência, tensão do divisor resistivo do potenciômetro interno
do rotor, tensão do divisor resistivo dos potenciômetros de velocidade e posição
da placa Display.
• Quatro pinos de entrada para os botões da placa Display.
• Dois pinos de saída para acionamento da alimentação do rotor, um deles será
necessário que haja saída PWM utilizado para rotores DC, o outro será do
modo ON/OFF e será utilizado para acionamento de rotores AC.
• Um Timer.
27
Além das definições de requisitos de hardware foram também definidos os
requisitos de firmware, que são:
• Implementar rampas de aceleração e desaceleração no caso de motores DC,
assim como um potenciômetro para controlar a sua velocidade máxima.
• Implementar, no controlador, a comunicação ao computador por meio de uma
porta serial RS232.
• Point-and-Shoot (“aponta e atira”): O usuário escolhe um ângulo por meio de
um potenciômetro e o controlador gira o rotor até o ângulo escolhido.
• Menu: Implementar um menu de configurações.
• Calibração.
• Limites de Rotação: Possibilidade de o usuário definir limites para que o rotor
não gire além do arco definido.
• Tempo morto (tempo de espera): Tempo que o controlador espera para girar o
rotor no sentido contrário ao que ele estava girando anteriormente.
6.2 DIAGRAMAÇÃO DO CIRCUITO
O desenho do esquemático do controlador de rotor foi implementado no software
Altium Designer. Além de ser um excelente programa para desenvolvimento de placas
de circuito impresso, era o programa em que o autor já tinha experiência de uso.
Para o circuito de acionamento AC foi desenhado o circuito da Figura 16, sendo
o pino PWMAC ligado ao microcontrolador.
28
Figura 16 - Circuito de Acionamento AC
Fonte: O Autor (2015)
Para o circuito de acionamento DC foi desenhado o circuito da Figura 17, sendo
o pino PWM ligado ao microcontrolador.
Figura 17 - Circuito de Acionamento DC
Fonte: O Autor (2015)
Para o controlador poder de ser utilizado por rotores AC e DC é necessário
alterar dois jumpers no circuito da Figura 18: o J4 e o J2. O J4 serve para selecionar
qual a forma de alimentação do rotor: J4 ligando os pinos 1-2 é AC, J4 ligando os
pinos 2-3 é DC. O J2 é curto-circuitado no caso de rotor DC.
Em rotores DC a mudança de sentido ocorre conforme o sentido da corrente
que passa pelo motor, essa mudança de sentido pode ser feita chaveando o relé K21
29
da Figura 18. Em rotores AC, o relé serve para fazer a corrente passar por uma ou
por outra bobina, alterando, dessa maneira, o sentido de rotação desses rotores. As
saídas MOTOR-2 e MOTOR-1 são ligadas ao rotor, a saída DIR-DC, responsável por
atracar o relé, é ligada ao microcontrolador.
Figura 18 - Circuito do Relé
Fonte: O Autor (2015)
O circuito do transformador foi definido como na Figura 19.
Figura 19 - Transformador
Fonte: O Autor (2015)
30
A saída de 12VAC do transformador é retificada, filtrada e regulada para
resultar em 12VDC. Para obter a tensão de 3,3V para o microcontrolador é utilizado
um regulador de 12V para 3,3V. Para motores DC a saída de 24VAC é retificada e
filtrada para ficar em uma tensão DC de aproximadamente 33VDC, sendo ajustada
para 24V por meio de PWM.
O circuito do MAX3232 foi implementado seguindo o datasheet, e foi
implementado como na Figura 20.
Figura 20 - Circuito do MAX3232
Fonte: Texas Instruments (2015)
Os pinos ROUT1 e DIN1 são ligados ao microcontrolador, os pinos RIN1 e
DOUT1 são ligados a um cabo ou conector DB-9 que será ligado à porta serial do
computador.
O circuito de acionamento dos displays foi realizado de acordo com a Figura
21. A placa de Display do controlador possui cinco displays de sete segmentos. Como
os displays são multiplexados, os pinos SA até SP são comuns entre os cinco displays.
Esses segmentos são conectados ao microcontrolador por meio dos pinos SSA até
SSP através de um cabo flat. O microcontrolador acende um display de cada vez em
um intervalo de um milissegundo por meio dos pinos SEG1 a SEG5.
31
Figura 21 - Circuito de Acionamento dos Displays
Fonte: O Autor (2015)
6.3 PROJETO DAS PLACAS
Após ter desenhado o esquemático, houve a necessidade de desenhar o footprint
de alguns componentes, para isso foram utilizadas as medidas fornecidas pelos
datasheets dos mesmos. Após os esquemáticos das placas e os footprints estarem
concluídos, foi possível fazer a placa de circuito impresso (chamada de PCI – Placa
de Circuito Impresso ou em inglês PCB – Printed Circuit Board). Para desenhar a PCI
foi preciso tomar uma atenção especial em qual seria o tamanho disponível para as
placas (CPU e Display) no gabinete metálico, então o tamanho das bordas foram
definidas levando isso em conta.
Após o tamanho das placas estarem definidos, foi definido que em uma das
extremidades da placa de CPU (que encosta na parte traseira do gabinete – parte
superior da placa da Figura 22) iriam ser colocados os conectores USB e MINIFIT,
pois dessa maneira eles ficariam com uma boa base de apoio e não seria necessário
se preocupar em conectá-los do gabinete à placa por meio de algum cabo. Na outra
extremidade (parte inferior da placa da Figura 22) foram posicionados o OMNIFET, o
TRIAC e o regulador de tensão LM7812. Esses são componentes que esquentam ao
serem utilizados, portanto foram posicionados de forma que eles pudessem ser
parafusados ao gabinete de maneira que esse atuasse como um dissipador de calor.
Na extremidade lateral próxima do transformador (parte localizada na extremidade
direita da placa da Figura 22) foram posicionados os conectores bourne em que serão
conectados os fios de saída do transformador.
32
Figura 22 - Distribuição dos Componentes na Placa CPU
Fonte: O Autor (2015)
Após ter definido o posicionamento destes componentes, o restante dos
componentes foi posicionado, e, na maior parte deles, o microcontrolador foi o
componente determinante para a escolha das posições. A distribuição dos demais
componentes de deu de forma que simplificasse o roteamento das trilhas destes ao
microcontrolador.
Para o roteamento das trilhas alguns cuidados foram tomados. O primeiro foi em
relação à largura das trilhas, a largura foi definida proporcionalmente à corrente
máxima que poderia passar pela trilha.
33
A placa Display (Figura 23) foi conectada à placa CPU por meio de um cabo flat
ligando a barra de pino do lado de baixo da placa Display à barra de pino P23 da placa
de CPU (Figura 22).
Figura 23 - Distribuição dos Componentes da Placa Display
Fonte: O Autor (2015)
6.4 CONFECÇÃO E MONTAGEM DAS PLACAS
Após o processo de roteamento das trilhas estar concluído os arquivos em
formato gerber das placas Display e CPU foram enviados para uma empresa
especializada, chamada Circuitel, para que fabricasse algumas placas dos circuitos
projetados.
Após a chegada das placas, elas foram montadas, resultando nas placas
mostradas nas figuras 24 e 25.
34
Figura 24 - Placa CPU Produzida e Montada
Fonte: O Autor (2015)
Figura 25 - Placa Display Produzida e Montada
Fonte: O Autor (2015)
35
6.5 TESTES DO CIRCUITO
Os primeiros testes do circuito foram feitos medindo as tensões de saída dos
reguladores de tensão de 12V e 3,3V. Após verificar que essas tensões estavam de
acordo, os testes seguintes foram feitos paralelamente ao desenvolvimento do
firmware. O desenvolvimento do firmware será detalhado mais à frente. No item atual
iremos assumir que as partes de firmware, necessárias para realização de cada um
dos testes, está desenvolvida.
Cinco testes foram fundamentais para a validação dos circuitos das placas CPU
e Display, estes serão detalhados do item 6.5.1 até o item 6.5.5.
6.5.1 TESTE DA PLACA DISPLAY
Ao conectar a placa Display na placa CPU verificou-se por meio do firmware se
tudo estava funcionando de acordo. Primeiro foram testados os displays de sete
segmentos fazendo com que todos os segmentos ficassem acesos. Após o teste dos
displays foi verificado se os botões estavam sendo lidos corretamente pelo
microcontrolador. Em seguida foram testados os potenciômetros de posição e
velocidade, fora conferido se os pinos do microcontrolador, responsáveis pela
conversão analógico-digital, estavam configurados corretamente. Para correção do
efeito debounce dos botões foi incluído um temporizador de 5ms. Todos os testes
realizados validaram o circuito do display.
6.5.2 TESTE DE ACIONAMENTO DC
Esse teste foi realizado ao verificar a forma e o valor da tensão de saída, o
esperado era uma onda quadrada (devido ao PWM) com tensão de pico equivalente
a tensão 24VAC retificada e filtrada resultando em torno de 33VDC. O resultado é
possível observar na Figura 26 e está de acordo com o esperado.
36
Figura 26 - Tensão de Saída para Rotores DC
Fonte: O Autor (2015)
Com esse teste foi possível validar o funcionamento de diversas partes do
circuito como as ligações:
• Do microcontrolador com o opto-acoplador;
• Do opto-acoplador com o pino de porta do OMNIFET;
• Do motor com o OMNIFET.
6.5.3 TESTE DE ACIONAMENTO AC
Esse teste, feito da mesma maneira do teste anterior, foi realizado ao verificar
a tensão de saída para motores AC, e o esperado seria uma tensão de saída, para o
motor, de 24VAC como é possível observar na Figura 27.
37
Figura 27 - Tensão de Saída para Rotores AC
Fonte: O Autor (2015)
Com esse teste foi possível validar o funcionamento das ligações vistas na
Figura 16:
• Do microcontrolador ao opto-triac;
• Do opto-triac ao triac;
• Do triac ao motor.
6.5.4 TESTE DE LEITURA DE POSIÇÃO
O teste de leitura de posição foi realizado com o uso do potenciômetro interno
do rotor. A tensão de referência, de aproximadamente 3,3V (REF da Figura 28), foi
ligada em uma de suas extremidades, essa tensão também foi ligada a um pino de
ADC do microcontrolador. A outra extremidade do potenciômetro foi conectada ao
terra do circuito. O pino central, onde ocorre a divisão da tensão, foi ligado a outro
pino de ADC.
38
O cálculo da posição é feito levando em conta, além da tensão do divisor de
tensão, a tensão de referência medida, o que aumenta a precisão dessa medida. O
teste foi realizado de modo a verificar o valor do pino POT quando o rotor estava no
fim de curso do sentido horário, portanto o valor da tensão de POT era REF. Em
seguida verificou-se o valor de POT quando o rotor estava mecanicamente na metade
de sua excursão, o valor obtido foi REF/2 o que confirmou o funcionamento do circuito,
sendo possível ver a variação correta do rotor e seu potenciômetro no firmware,
validando o teste.
Figura 28 - Circuito de Adequação para ADC
Fonte: O Autor (2015)
6.5.5 TESTE DE COMUNICAÇÃO SERIAL
Para testar a comunicação serial foi implementada no firmware uma função “eco”
que consiste em transmitir o que foi recebido na porta serial. A porta de comunicação
do conversor USB-SERIAL foi aberta no computador, o baud rate foi configurado em
9600 bps, sem bit de paridade, com oito bits de dados e um bit de parada. Foram
enviadas ao controlador as letras “ABCDE” e como esperado foi recebido de volta
“ABCDE”. Esse teste validou o funcionamento das configurações do firmware assim
como o funcionamento do circuito do MAX3232 bem como sua ligação ao
microcontrolador.
39
6.6 ELABORAÇÃO DO SOFTWARE
O desenvolvimento do software do controlador foi realizado de forma modular,
cada módulo recebe dados de entrada, executa uma função, disponibiliza os
resultados na saída ou modifica variáveis globais. Os principais módulos
desenvolvidos serão detalhados neste item.
Nesse capítulo serão explicadas as três principais partes do programa do
controlador: A hora em que o microcontrolador é ligado, as inicializações e
configurações principais e o loop principal.
Ao ligar o controlador, é feita a inicialização e configuração do microcontrolador,
é feita a leitura da memória flash e são testados os displays de sete segmentos como
é possível observar na Figura 29.
Figura 29 - Início do Firmware
Fonte: O Autor (2015)
A função init() é responsável por toda a configuração do microcontrolador e é
mostrada na Figura 30.
40
Figura 30 - Função de Inicialização do Microcontrolador
Fonte: O Autor (2015)
O Watchdog é um contador que utiliza um clock independente do clock
principal, o seu clock é um circuito RC que oscila em 40kHz como é possível observar
na Figura 6. O Watchdog, portanto é um timer que se não for reiniciado em um período
de tempo, ele manda um comando de reset ao microcontrolador. Isso serve para evitar
que o microcontrolador fique travado no caso de ocorrer algum erro que trave o
funcionamento do programa.
A configuração dos clocks serve para iniciar e definir frequências de clock assim
como habilitar o clock usado pelos periféricos como: ADC’s, timers e UART.
A configuração dos GPIOS serve para definir a função de cada pino do
microcontrolador.
Após, é feita a inicialização e configuração da função de conversão analógico-
digital, fora definido que os dados seriam alinhados a direita, e fora definido qual canal
de ADC seria habilitado.
Na configuração dos timers é definido o período e o pre-scaler, assim como o
modo de contagem, que no caso foi up (Figura 31) e um desses timers foi utilizado
para realizar o PWM.
41
Figura 31 - Timer no Modo UP
Fonte: Pastro (2015)
No timer utilizado para PWM o pino de PWM (Figura 17) é resetado quando o
contador alcança o valor de TACCR1 da Figura 31 e, portanto, a tensão média foi
regulada ao variar o valor de TACCR1. Ao deixar TACCR1 mais próximo de TACCR0
a largura do pulso diminui, diminuindo a tensão média. Ao afastar TACCR1 de
TACCR0 a largura do pulso aumenta, aumentando a tensão média. A frequência do
PWM foi definida em 3,6kHz. O ciclo de trabalho do PWM foi definido conforme a
especificação de tensão do rotor DC mostrada no Anexo A. O fabricante diz que a
tensão do rotor pode variar de 11 a 24Vdc. Como a tensão máxima, depois de retificar
e filtrar a tensão de 24VAC que vem do transformador resultou em 33VDC o PWM foi
configurado de forma que o seu ciclo de trabalho variasse de aproximadamente 36%
até 74% obtendo a variação de 11V a 24V.
Nessa configuração também é configurado outro timer que será utilizado como
um contador de tempo e é habilitado a interrupção global no caso de um estouro do
contador. Também é atribuída uma função para tratar essa interrupção.
Após é configurada a taxa de transmissão e recepção de bits da USART (no
caso 9600bps).
Por ultimo são habilitadas as interrupções externas do sistema (EXTI).
O loop principal mostrado na Figura 32 possui as funções de controle do
controlador.
42
Figura 32 - Loop Principal do Programa
Fonte: O Autor (2015)
A função “Controle Botões”, como o nome já diz, é responsável por responder
quando os botões do controlador são pressionados.
O “Controle Serial” é responsável por interpretar os dados recebidos pela porta
serial. Esses dados por vezes demandam, por exemplo, que o controlador se
movimente para um determinado ângulo, ou que ele pare o movimento atual. Os
dados recebidos também podem servir como uma interrogação para o controlador
informar qual ângulo está apontando. O protocolo utilizado é o Yaesu GS232A (Anexo
C) os comandos que o controlador interpreta segundo esse protocolo são mostrados
na Tabela 1. Os comandos e respostas são todos enviados em formato de caracteres.
43
Tabela 1 – Protocolo Yaesu GS232A
Fonte: O Autor (2015)
COMANDO AÇÃO TOMADA PELO CONTROLADOR
R Move o rotor no sentido horário.
L Move o rotor no sentido anti-horário.
C Envia o ângulo do rotor no formato '+0aaa' sendo 'aaa' o ângulo atual.
Maaa Move o rotor para o ângulo ‘aaa’.
A Cessa movimento azimutal.
S Cancela execução de comando.
O “Controle Potenciômetros” serve para tratar as variações nos ADC’s dos
potenciômetros da placa Display. Essas variações informam que o usuário girou um
dos potenciômetros, e a função serve para mostrar na tela o resultado dessa variação.
No caso da variação do potenciômetro responsável por cuidar da velocidade, um
número indo de 1 a 9, no display menor à esquerda, irá aparecer. Já no caso do
potenciômetro utilizado para escolher posição, é mostrado um número de 0 a 359 nos
três displays maiores durante quatro segundos. Se durante esse tempo, o botão
localizado mais a direita for pressionado o controlador irá girar o rotor até o ângulo
escolhido.
A lógica de posicionamento segue o padrão mostrado na Figura 33. O
controlador de rotor acelera até a velocidade 9 (24 VDC), ao verificar que está à 30º
do ângulo escolhido ele diminui a velocidade para 3 (14,5VDC) e ao estar à 15º, o
controlador diminui a velocidade para 1 (11VDC) que é a mínima tensão que o rotor
opera (especificada pelo fabricante do rotor DC utilizado no Anexo A), ao detectar que
o rotor está posicionado no ângulo escolhido, o controlador cessa a alimentação do
rotor. Uma volta completa de 360º em velocidade máxima leva 40 segundos. Os
números de velocidade foram definidos arbitrariamente, a velocidade 1 representa
uma tensão de saída de 11VDC a velocidade 9 representa uma tensão de saída de
24VDC.
44
Figura 33 - Controle de Posicionamento
Fonte: O Autor(2015)
O bloco “Calcula Ângulo” é responsável por fazer um cálculo do ângulo em que
o rotor está apontando em função de uma proporção com os ângulos inseridos na
calibração. A calibração consiste em o usuário inserir o ângulo real que o rotor se
encontra em duas posições azimutais distintas, preferencialmente uma posição no
ponto mais próximo do fim do potenciômetro do rotor na direção anti-horária e a outra
posição no ponto próximo ao fim do potenciômetro na direção horária. Com isso esse
bloco interpreta o valor do potenciômetro interno do rotor e faz uma relação entre a
variação do potenciômetro e variação angular transformando esse valor em um valor
de ângulo real correspondente.
O bloco “Controle de Limites de Rotação” serve para não permitir o rotor passar
de pontos definidos como limites de rotação. Esses pontos podem ser definidos por
meio do menu de configurações, e servem para delimitar um arco de rotação em que
o rotor pode girar, ao chegar no ponto limite o rotor só poderá girar novamente caso a
direção do giro seja contrária à direção que o conduziu até o limite, se comportando
como uma chave fim-de-curso virtual.
A Figura 34 mostra a rotina de interrupção que acontece a cada milissegundo
devido ao overflow do contador.
45
Figura 34 - Rotina de Interrupção
Fonte: O Autor (2015)
Na função que trata essa interrupção, que acontece a cada milissegundo, é feito:
• O decremento das variáveis utilizadas como timer no programa, pois essas ao
serem decrementadas a cada milissegundo se tornam um contador de tempo.
• A leitura dos ADC’s dos potenciômetros da placa Display, assim como a leitura
da tensão de referência e do divisor de tensão do potenciômetro do rotor
(Figura 28).
• Devido à multiplexação, apenas um display fica aceso de cada vez. É nessa
interrupção que se muda o display que está ligado.
• Após ter realizado essas funções a flag de interrupção é resetada e é o fim da
rotina de interrupção.
46
6.7 MONTAGEM DO SISTEMA COMPLETO EM GABINETE
A figura mostra o desenho do gabinete metálico. O desenho do gabinete foi
realizado por uma empresa especializada seguindo orientações do Autor. Após o
desenho estar feito, foi contratada outra empresa para produzir algumas peças do
gabinete metálico.
Figura 35 - Desenho do Gabinete Metálico
Fonte: O Autor (2015)
A montagem do sistema foi realizada de forma sequencial seguindo a seguinte ordem:
1) É fixado o conector do cabo de energia, o porta-fusível e a chave 127-220V.
Essas peças ficam posicionadas na parte traseira do gabinete metálico como é
possível observar na Figura 37.
2) É fixada à placa Display, potenciômetros e chave liga/desliga na parte frontal
do gabinete metálico.
3) É fixado o transformador e são feitas as conexões necessárias com o conjunto:
conector de força – chave 127-220V – Porta fusível – Chave liga/desliga.
4) É fixada a placa de CPU ao lado do transformador.
5) É fixado o conector DB9 (utilizado para comunicação serial) na parte traseira
do gabinete metálico e ligado à placa CPU via cabo flat.
47
6) São conectados os fios de 12V e de 24V de saída do transformador à placa de
CPU.
7) O OMNIFET, o TRIAC e o Regulador de Tensão 12V são fixados ao gabinete
por meio de parafuso e um material isolante elétrico e não-isolante térmico
chamado Mica junto de pasta térmica permitindo a dissipação de calor do
componente por meio do gabinete metálico, sem ter contato elétrico com o
mesmo.
8) Após isso é conectado o cabo flat da placa Display a placa CPU
9) É Fixado o capacitor eletrolítico de partida ao suporte traseiro do gabinete.
A Figura 36 mostra o interior do controlador já montado visto lateralmente.
Figura 36 - Controlador Montado Visto Lateralmente
Fonte: O Autor (2015)
A Figura 37 mostra a parte traseira do controlador.
48
Figura 37 - Parte traseira do Controlador
Fonte: O Autor
Como é possível observar, a Figura 37 está enumerada, a legenda para esses
números se encontra a seguir:
1: Ponto para aterramento
2: Fusível (2A)
3: Alimentação
4: Chave 127V/220V
5: Conector Minifit (para conexão com o rotor)
6: Conector DB9 (para controle via serial do computador)
7: Conector USB 2
6.8 TESTES FINAIS E VALIDAÇÃO
Para testar e validar o projeto proposto foram feitos testes em laboratório ligando
o controlador de rotores em dois tipos de rotores: AC e DC, o modelo desses rotores
são os mesmos analisados na revisão teórica: o rotor DC utilizado foi o Yaesu G-1000
e o rotor AC utilizado foi o Hy-Gain HAM-IV.
Nesses testes finais foi verificado se o controlador estava controlando
corretamente os dois tipos de rotores. Para isso, no rotor DC foi verificado o
funcionamento das rampas de aceleração e desaceleração efetuadas com o PWM.
49
Verificou-se que a tensão estava variando de 11VDC (tensão para velocidade mínima)
à 24VDC (tensão para velocidade máxima), e que o tempo para aumentar a tensão
de 11VDC para 24VDC (aceleração) e diminuir de 24VDC para 11VDC
(desaceleração) estava em torno de três segundos. Com isso foi concluído que os
níveis de tensão, bem como o funcionamento das rampas, estavam corretos.
No rotor AC foi verificado se os acionamentos do freio e do motor estavam sendo
realizados corretamente. Para isso mediu-se as tensões de saída, tanto a tensão de
saída para o freio como a tensão de saída para o motor, o resultado foi 24VAC para
ambos, validando o teste. Após os testes de acionamento, foi verificada a precisão
que o controlador mostra a posição do rotor em graus. A precisão constatada foi de
±1º devido aos displays não terem espaço para casas decimais. A precisão também
depende do estado do potenciômetro interno dos rotores, que podem apresentar mais
ou menos ruído dependendo do seu estado de conservação. Ambos os rotores
testados em bancada apresentaram uma precisão mecânica de ±1º, precisão
resultante foi considerada mais do que suficiente para o apontamento de antenas de
radioamadorismo em que uma precisão de ±5º já seria suficiente.
Também foram testadas as funções propostas no levantamento de requisitos
(item 5.1): A função “aponta e atira” em que o usuário escolhe um ângulo e o
controlador move o rotor para o ângulo escolhido foi testada para cada controlador e
a Tabela 2 e a Tabela 3 foram preenchidas com os resultados obtidos com a
realização do “aponta e atira” mostrando o ângulo de partida e o ângulo de destino
escolhido e em qual ângulo o rotor parou. As Tabelas 2 e 3 mostram os controladores
DC e AC respectivamente.
50
Tabela 2 - Testes de Posicionamento Automático com Rotor DC
Fonte: O Autor (2015)
ÂNGULO DE ORIGEM
ÂNGULO DE DESTINO
ÂNGULO DE PARADA
0º 90º 89º
89º 60º 60º
60º 150º 149º
149º 180º 180º
180º 70º 71º
71º 270º 270º
270º 30º 30º
30º 330º 329º
329º 65º 66º
66º 100º 100º
Tabela 3 - Testes de Posicionamento Automático com Rotor AC
Fonte: O Autor (2015)
ÂNGULO DE ORIGEM
ÂNGULO DE DESTINO
ÂNGULO DE PARADA
60º 170º 168º
168º 0º 359º
359º 270º 270º
270º 90º 89º
89º 110º 110º
110º 150º 151º
151º 30º 32º
30º 90º 90º
90º 130º 128º
128º 170º 169º
Com os resultados desse teste verificou-se que o potenciômetro do rotor DC
possui maior qualidade de construção do que o potenciômetro do rotor AC. A
qualidade de construção do potenciômetro faz com que o sinal da tensão do divisor
de tensão seja lido com menos ruídos pelo controlador, quanto mais ruído o sinal vindo
do potenciômetro possuir, o controlador pode interpretar que o rotor chegou ao ângulo
escolhido um pouco antes de o rotor estar no ângulo de fato, o que aconteceu com o
51
rotor AC (Tabela 3). Além disso, foi possível verificar que o rotor AC às vezes passava
do ângulo escolhido, fato que não ocorreu no posicionamento do rotor DC. A razão de
isso ocorrer é o fato de que em rotores AC não é feita uma rampa de desaceleração
como nos rotores DC. Por fim, a precisão de posicionamento constatada nos dois
rotores ficou em ±2º, o que foi considerado aceitável. As demais funções também
foram testadas e funcionaram de acordo com suas descrições.
A comunicação do controlador com um computador e sua resposta aos comandos
enviados no protocolo Yaesu GS232A validou-se por meio do envio dos comandos da
Tabela 1, todos os comandos foram interpretados corretamente. Ao receber ‘R’ ou ‘L’ o
controlador fez o rotor girar para o sentido horário ou anti-horário respectivamente. Ao
receber o comando ‘C’ o controlador enviou a posição do rotor para o computador no
formato ‘+0aaa’ sendo ‘aaa’ o ângulo atual. Ao receber o comando ‘A’ o controlador
cessou o movimento azimutal, e ao receber ‘S’ verificou-se o cancelamento de algum
comando prévio. Ao receber ‘Maaa’ o controlador se moveu para o ângulo indicado
utilizando a função “aponta e atira”. Esses testes validaram o funcionamento da
comunicação do controlador com o computador via serial assim como a correta
interpretação dos comandos recebidos.
52
7 RESULTADOS OBTIDOS
O resultado obtido foi um protótipo funcional de controle de rotores, mostrado na
figura, que realiza o controle de rotores AC e DC por meio dos dispositivos mostrados
no referencial teórico como:
• Microcontrolador: ARM STM32F103C8T6 da STMicroelectronics.
• Para acionamento de motores DC: Opto-acoplador junto com OMNIFET
VNP10N07.
• Para acionamento de motores AC: Opto-Triac MOC3020 Juntamente com um
Triac de potência.
O funcionamento obtido do controlador consiste em:
• Mostrar em seus displays o ângulo em que o rotor está apontando.
• Possibilitar que o usuário gire o rotor manualmente para os sentidos horário e
anti-horário.
• Ter um potenciômetro que possibilita o usuário escolher o ângulo em que ele
quer que o rotor esteja apontando e o controlador irá girar o rotor até o ângulo
escolhido. No caso de rotores DC, é realizado o controle de aceleração e
desaceleração.
• Ter um potenciômetro para controle de velocidade máxima.
• Ter botões para acessar menus de configurações.
O controlador possui as funções destacadas no levantamento de requisitos do
Capítulo 6 assim como a comunicação serial que pode funcionar em conjunto com
programas utilizados pelos radioamadores.
53
Figura 38 - Protótipo do Controlador
Fonte: O Autor (2015)
54
7.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O controlador abre espaço para diversos trabalhos futuros complementares ao
seu funcionamento que podem facilitar ou aprimorar seu funcionamento atual. Uma
das facilidades que poderiam ser acrescentadas seria a remoção dos Jumpers da
Figura 18 e a inserção de chaves acionadas eletricamente como relés ou transistores
para fazer o chaveamento de configuração para rotores AC ou DC.
Além de complementações de hardware, outra sugestão para trabalhos futuros é
o desenvolvimento de aplicativos para os sistemas operacionais Android e IOS para
efetuar o controle do controlador de rotores por meio de comunicação remota via
Bluetooth (sendo necessário acoplar um módulo Bluetooth no hardware)
possibilitando uma maior comodidade para o usuário efetuar o controle do rotor.
Outra sugestão seria um estudo para realizar a proteção do conjunto antena-torre-
rotor utilizando a NBR 5419 que trata da proteção de estruturas contra descargas
atmosféricas.
8 CONCLUSÕES
Como pode ser observado nos itens anteriores, o objetivo geral do trabalho foi
atingido: foi desenvolvido um protótipo funcional de um controlador de rotores que
mostra o ângulo atual do rotor nos seus displays e efetua o controle preciso e seguro
do mesmo, podendo ser controlado por meio de botões e potenciômetros na parte
frontal do próprio controlador ou por meio de um computador ligado no conector DB9
localizado na parte traseira do protótipo.
Assim como o objetivo geral, os objetivos específicos também foram
completamente atendidos. O controlador pode controlar rotores AC ou DC (por meio
de circuitos de acionamentos previamente detalhados) que informem a sua posição
por meio de potenciômetro interno. O software de controle foi desenvolvido com
sucesso, permitindo ao usuário controlar e configurar o controlador de rotores. Todo
o protótipo foi testado e validou-se o seu funcionamento completo.
55
O projeto foi desenvolvido com o intuito de realmente se tornar um produto e
beneficiar os radioamadores brasileiros. Devido a isso as contribuições do controlador
vão além da contribuição acadêmica se estendendo a uma contribuição econômica.
Como contribuição acadêmica, o projeto realizado envolveu soluções de
hardware, software e mecânica. Esse projeto também serviu para demonstrar que o
uso de um microcontrolador com processador ARM se mostra completamente viável
para a realização de um trabalho de graduação, permitindo a adequação do projeto
desenvolvido às exigências de mercado que, para ser competitivo comercialmente,
requer um microcontrolador de qualidade, baixo custo e alta confiabilidade.
56
REFERÊNCIAS
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<http://www.altium.com/altium-designer/features>. Acesso em: 2 de outubro de 2015.
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ANATEL. Sistemas Interativos, consulta de estações licenciadas. Disponível em:
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Cortex-M3 MCU with 64 Kbytes Flash, 72 MHz CPU, motor control, USB and
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58
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1000dxa.html>. Acesso em: 2 de outubro de 2015.
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ANEXO A
Figura 39 - Especificação do Fabricante para Rotores Yaesu
Fonte: Yaesu (200?)
60
ANEXO B
Figura 40 - Especificação do Fabricante para Rotores Hy-Gain - HAM-IV
Fonte: Hy-Gain (200?)
61
ANEXO C
Figura 41 - Protocolo Yaesu GS232A
Fonte: Yaesu (200?)