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Os Microcontroladores não são criados iguais (MIC107)

Em artigo de Adam Reynolds da LineStream Technologies, a Texas Instruments mostra o motivo pelo qual os microcontroladores não são iguais. Traduzimos este artigo, sob permissão da Texas Instruments para que o leitor tenha uma idéia do que ocorre.

 

“Se o homem pode controlar seu pensamento, ele pode encontrar o caminho para iluminação” – Buda

“Se o homem pode controlar seu motor, ele pode sair do escritório na hora certa à noite” – Adam Reynolds.

 

Em outro artigo, começamos por dar uma olhada no controle de velocidade de uma esteira já que se trata de uma aplicação simples. Na verdade, uma esteira é difícil de controlar porque ela está sujeita a perturbações repetidas e deve funcionar sob a uma ampla faixa de carga e velocidades. Existem diversas maneiras de se obter um controle de esteiras, mas focalizaremos as que fazem uso de controladores.

 

Figura 1 – Uma esteira comum
Figura 1 – Uma esteira comum

 

 

O padrão da indústria para o controle de motores é o PI (ou PID). Desenvolvido por um engenheiro chamado Nicolas Minorskyin em nos anos de 1920, o controle PI é baseado no erro do sistema. “P” representa o erro proporcional ou erro presente, e “I” a o termo integral, ou a soma de todos os erros passados. O termo “D” é a derivada, para se considerar já que o sistema é sensível ao ruído.

 

A performance do controlador é medida pelo modo como ele responde às variações do sistema. Podemos medir:

O overshoot do sistema – desvio do ponto de ajuste

O tempo de fixação – tempo de oscilação em torno do ponto de ajuste antes da fixação

 

Numa esteira queremos que a resposta seja imediata para qualquer variação de velocidade do usuário. Overshoot e oscilações são indesejáveis, e não devemos ver qualquer interrupção na velocidade da esteira, qualquer que seja nosso peso, o se estamos caminhando, indo mais rápido (jogging) ou correndo.

 

 

Figura 2 – Faixa de velocidades e pesos
Figura 2 – Faixa de velocidades e pesos

 

 

Considerações sobre o ajuste

Existem diversas formas de ajustar um controlador PI – manual, Ziegle-Nichols, Ferramentas de Simulação, etc., mas todas elas são ad-hoc (para uma finalidade) e exigem bom conhecimento de toda a dinâmica do sistema. Dave Wilson, o Motion Products Evangelista da Texas Instruments, notou que remover a natureza ad-hoc do ajuste PT como indicado em uma série de blogs, pode ajudar a ajustar seu controle PI – e aí está o problema. Ajustar um controlador para operar de maneira confiável em toda a faixa de velocidades e de cargas é Realmente Dificel! Herbert G colocou este comentário em seu blog:

 

I think the greatest misconception about motor / motion control is the constant underestimation of time and resources required for a motion system to become properly tuned, set-up and running.

Penso que a maior idéia errada sobre contrrole de motor ou ovimento é a constante substimação do tempo e recursos necessários para um sistema de movimento ser apriopriadamente ajustado, fixado e rodando.

 

 

Uma abordagem Diferente

Existe um novo algorítmo de controle disponível para substituir o controle PID. O Active Disturbance Rejection Controle (ADRC) estima de modo preciso as perturbações do sistema, compensando as perturbações em tempo real e reduz todos ganhos para um parâmetro único de ajuste eficiente em toda faixa de velocidades e operação. Ele inclui um Extended State Observer qie avalia a dinâmica total do sistema e elimina a necessidade de um controle integral. Ele também inclui um diferenciador de acompanhamento e um filtro de ruído, assim o controle é capaz de antecipar um erro futuro, mesmo que o sistema seja ruidoso.

As esteiras devem operar consistentemente independentemente do peso e do modo como a pessoa faz o exercício. Os projetistas de esteiras não podem considerar todas as dinâmicas possíveis. O ADRC elimina esse desafio. O algoritmo acomoda um alto grão de incerteza do modelo. Devido ao projeto do controlador, os erros resultantes de uma dinâmica do sistema não antecipada ou perturbações são estimados em tempo real e isso torna o controlador extremamente robusto contra variações.

 

 

Comparações de controladores

Topico Controladores PI Active Disturbance Rejection Control (ADRC)
Performance Imprevisível nas faixas de variação de velocidade e cargas Compensa perturbações na faixa de operação
Parâmetros de AJustes Conjuntos múltiplos são necessários para diversos pontos de velocidade e carga Ajuste único tipicamente efetivo em toda a faixa de operação
Processo de Ajuste Complexo e substimado Simples – o processo de identificação leva poucos minutos
Start-up Difícil – exige conhecimento de controle Simples – o conhecimento é embutido
Recuyperação das perturbações Apresenta overshoot e undershoot quando perturbações são introduzidas ou durante transições Rejeição de perturbação avançada torna os pontos de ajuste mais próximos

 

A tabela acima sumariza as diferenças entre os controladores. O ADRC desenvolvido pela LineStream Technology está disponível no TI InstaSPIN™ MOTION da Texas Instruments. Veja a diferença no vídeo: Treadmill video. http://www.ti.com/edn-scblog-treadmill

 

Uma nova abordagem facilita a implementação e proporcional uma melhor performance do sistema. Com ela, você vai poder voltar mais cedo à noite para sua casa.

 

Saiba mais sobre a Texas Instruments’ InstaSPIN™ motor control technology em: http://www.ti.com/instaspin-edn 

 

Para saber mais sobre a LineStream Technologies, vá para: http://linestream.com/ 

 

 

 

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