A última fase da simulação tem como finalidade validar todas as fases anteriores, principalmente o controlo efetuado. Pretende-se que, por meio de testes sucessivos, se consiga compreender quais as variáveis e os blocos que necessitam de correção e também testar o desempenho do sistema mediante possíveis situações de funcionamento.
Para tal, monitorizaram-se variáveis de saída do motor, como o binário debitado (comparado com os binários de referência e de carga), a velocidade de rotação, a potência absorvida e a posição angular do motor, as correntes no estator no referencial dq (comparadas com as correntes de referência geradas pelo controlo) e o resultado dos controladores PI (comparados com as tensões feed-forward).
Com o intuito de validar o sistema, geraram-se referências base para o binário do motor, com um binário de carga unitário.
4.3 Teste e validação do sistema 45
O primeiro teste tem como objetivo verificar a resposta do sistema a um binário de referência em rampa, com a duração de 0.5 segundos.
Figura 4.14: Validação do sistema com binário de referência em rampa. De seguida, averiguou-se a evolução do binário do motor com uma referência em degrau (duração de 0.5 segundos).
Figura 4.15: Validação do sistema com binário de referência em degrau. Ainda foi possível validar, com outros parâmetros de simulação, a geração de referências de binário limitadas em função da velocidade máxima do motor.
46 Simulação
A curva de referência geral para o binário e o binário de carga utilizados para a simulação são apresentadas na figura4.16.
Figura 4.16: Curvas de referência para o teste de validação da referência do binário.
Para verificar o cumprimento dos pressupostos deste teste, analisaram-se os gráficos de binário e velocidade do motor, que podem ser encontrados nas seguintes imagens:
4.3 Teste e validação do sistema 47
Figura 4.18: Velocidade de rotação do motor, em r pm, no teste de validação da referência do binário.
Foram monitorizadas também as referências ajustadas, de forma a compreender melhor os resultados obtidos nos gráficos das figuras4.17e4.18:
Figura 4.19: Ajuste da referência para o binário em função da velocidade, no teste de validação da referência do binário.
Neste gráfico é possível visualizar a maneira como a referência é ajustada, permitindo que o motor se mantenha numa gama de velocidades adequada. Também se visualiza que a referência do binário de entrada nesta malha de controlo já se encontra ajustada, neste caso devido à limitação relacionada com a potência, que podemos observar na figura seguinte:
48 Simulação
Figura 4.20: Ajuste da referência para o binário em função da potência, no teste de validação da referência do binário.
Com a realização dos testes mostrados, conseguimos validar o comportamento do sistema, dado que o binário se mantém indiferente às perturbações impostas pelo binário de carga e está alinhado com os valores de referência.
Capítulo 5
Discussão de resultados
Este capítulo procura testar situações de simulação mais específicas, bem como testar situações limite de funcionamento do sistema, de maneira a possibilitar a discussão mais abrangente dos resultados obtidos.
Primeiramente, para efetuar as simulações, é preciso definir um solver no MATLAB-Simulink que nos permita obter resultados fidedignos, uma vez que, em ambiente de simulação, estes acabam por estar, na prática, representados em regime discreto e não em regime contínuo. Como tal, definiram-se os seguintes parâmetros para o solver:
Figura 5.1: Solver do MATLAB utilizado.
Por forma a conseguir efetuar o controlo de forma adequada, surge a necessidade de afinar os ganhos associados aos controladores PI. Tendo como ponto de partida os ganhos inicialmente calculados, com base nos parâmetros do motor (figuras4.8e4.9), as várias iterações da
simulação permitiram chegar ao valor tido como ótimo para os ganhos finais. Estes valores foram obtidos de forma a minimizar os valores de overshoot (afinados com os ganhos P) e de ripple (afinados com os ganhos I) associados ao binário.
50 Discussão de resultados
Os ganhos finais, obtidos após várias tentativas de simulação, são apresentados nas figuras seguintes:
Figura 5.2: Ganhos finais para o controlador PI da corrente d.
Discussão de resultados 51
Com o decorrer das simulações, a monitorização das compensações dos controladores PI e das tensões feed-forward permitiram constatar que os ganhos ideais necessitavam de um fator multiplicativo igual a VDC(no caso, 470 V). Isto resulta da incapacidade do resultado dos
controladores PI em ter algum efeito nas tensões feed-forward Vd e Vqque apresentavam valores
superiores e, como tal, se mostravam indiferentes às alterações aplicadas pelos valores dos controladores. De forma a não alterar as tensões de referência utilizadas para gerar o comando do inversor, dividiu-se o resultado da soma entre os resultados dos controladores PI e das tensões feed-forwardpelo valor nominal de tensão VDC.
Figura 5.4: Comparação entre a corrente d compensada e a tensão feed-forward vd.
Figura 5.5: Comparação entre a corrente q compensada e a tensão feed-forward vq.
A monitorização das correntes no eixo dq, justapostas com as correntes de referência, permitiu também acompanhar o funcionamento do sistema, bem como entender os problemas a ele associados. O funcionamento correto do sistema implica que as correntes tenham uma evolução de acordo com as referências geradas em4.1.2.
52 Discussão de resultados
Figura 5.6: Evolução das correntes dq comparadas com as respetivas referências.
O ponto fulcral da discussão de resultados é a evolução do binário do motor consoante as diferentes condições de teste. Pretende-se que o binário do motor siga o binário de referência, independentemente do valor da carga e tendo em conta as limitações em relação à potência e velocidade de rotação do motor impostas pelo fabricante. Assim sendo, os testes principais visaram avaliar a resposta do sistema a vários degraus de binário de carga (representados por 25%, 50%, 75% e 100% do binário nominal), sendo o binário de referência representado por um degrau ou por uma rampa, como referido em4.1.1.
No caso do teste 1, efetuado com uma referência de binário em degrau, os resultados obtidos foram os seguintes:
Figura 5.7: Binário debitado pelo motor comparado com os binários de referência (em degrau) e de carga.
Discussão de resultados 53
Para completar a análise ao comportamento do sistema em relação ao binário debitado, importa também analisar o gráfico da velocidade de rotação. Sendo que, como referido na ficha de características, a gama de velocidades se situa entre os 0 e os 6500 rpm, as leituras do gráfico deverão também estar compreendidas entre esses valores.
Figura 5.8: Velocidade de rotação do motor, em r pm, no teste 1.
Tal como a velocidade, a potência absorvida pelo motor é uma variável de interesse para validar o cumprimento das características do motor. Consultando a sua ficha de características, é possível ver que a potência do motor não ultrapassa os 80 kW (como referido em4.1.1), sendo necessário verificar se o gráfico da potência se enquadra com esses pressupostos.
54 Discussão de resultados
Observando outro teste realizado, com uma referência de binário em rampa, podemos avaliar também a resposta do sistema obtida.
Figura 5.10: Binário debitado pelo motor comparado com os binários de referência (em rampa) e de carga.
Discussão de resultados 55
Figura 5.12: Correntes no eixo dq comparadas com as respetivas referências.
Como foi possível observar nas imagens acima, o sistema apresenta um comportamento dentro do expectável, com o binário a seguir a sua referência, a velocidade a estar dentro da gama de valores aceitável, e as correntes dq, como previsto, a acompanharem também as respetivas referências. No entanto, importa também analisar o valor de ripple associado ao binário:
Figura 5.13: Ripple do binário debitado pelo motor.
Os valores obtidos, no ponto máximo do ripple, rondam os 4 Nm, com o valor médio a
representar-se por volta dos 123 Nm, o que significa que apresenta um ripple de 3 %. Este valor é considerado aceitável, na medida em que se consideram as imprecisões associadas ao ambiente de simulação do MATLAB-Simulink.
Para um teste com o objetivo de verificar o ajuste da referência de binário limitada em relação à potência, utilizando uma referência em rampa e o binário de carga com degraus de 25%, 50%, 75% e 100% da carga nominal, obtiveram-se os seguintes resultados:
56 Discussão de resultados
Figura 5.14: Binário debitado pelo motor comparado com os binários de referência (em rampa) e de carga no teste de potência.
Discussão de resultados 57
Figura 5.16: Potência absorvida pelo motor, em kW , no teste de potência.
58 Discussão de resultados
Podemos constatar, por análise dos gráficos anteriores, que quando a potência chega ao limiar superior previamente definido, a referência do binário é ajustada, tal como apontado em4.1.1. Em geral, salta à vista o cumprimento dos objetivos predefinidos para o controlador, como os resultados demonstrados comprovam. É possível denotar o seguimento da referência de forma satisfatória por parte da curva do binário do motor e o ajuste da referência quando necessário para diferentes condições de teste, tanto para a referência em rampa como para a referência em degrau.
Capítulo 6
Conclusões e Trabalho Futuro
O presente capítulo tem o propósito de registar e avaliar o cumprimento dos objetivos, bem como tirar conclusões acerca dos mesmos, além de mencionar qual o seguimento que poderá ser dado ao trabalho já realizado.
6.1
Avaliação dos objetivos
Os objetivos propostos inicialmente foram cumpridos na sua generalidade. Uma vez que o cerne do trabalho realizado era obter um sistema que funcionasse com controlador e motor, o objetivo primordial foi atingido dados os resultados obtidos. O binário de carga no motor não tem um efeito notório no binário debitado, sendo que este último acompanha os valores de referência de modo satisfatório e durante um período considerável de tempo. No entanto, é necessário ter em consideração que, no ambiente de simulação em MATLAB-Simulink, o ripple associado à medida do binário estará presente, dado que a simulação do funcionamento em regime contínuo é levada a cabo tendo em conta um determinado tempo de amostragem (a configuração do solver foi feita para ser que este fosse o mais pequeno possível).
Além do objetivo principal, foram desenvolvidos, também em ambiente de simulação, dois algoritmos que limitam o pedido de binário em função da velocidade e da potência máximas recomendadas pelo fabricante. As funcionalidades extra valorizam também o trabalho desenvolvido, uma vez que se traduz num acréscimo de qualidade do mesmo.
60 Conclusões e Trabalho Futuro