Mostra do Projeto

Hoje apresentamos nosso projeto na II Mostra de Projetos Integradores da Universidade São Francisco. Conseguimos alcançar todas as expectativas, o grupo apresentou o projeto aos professores avaliadores e aos colegas dos cursos de Engenharia da Universidade São Francisco no Campus Swift em Campinas-SP.

Fica aqui o nosso agradecimento aos nossos professores do 6º Semestre de Engenharia Elétrica do 2ºSemestre de 2015, por nos auxiliar nos embasamentos teóricos e explicações das matérias relacionadas ao nosso projeto. Muito Obrigado!

 

Ajustes finais do protótipo

Hoje o grupo se reuniu por 2,5 horas no laboratório de Engenharia Elétrica da Universidade São Francisco em Campinas para finalizar a parte estética do protótipo 

Descrição das Modificações Realizadas

Foram feitas mínimas modificações estéticas e funcionais do circuito de controle, como: utilização de bornes para a alimentação do circuito, sensores e bobina; rearranjo de alguns componentes, fios e da canaleta de cabos inferior (que leva todos os fios do arco para a protoboard pela base do protótipo) para melhor estética e estabilidade do circuito (diminuindo problemas por mal contato).

A imagem a seguir mostra como o circuito de controle ficou após as alterações.

Ao final das modificações, gravamos um vídeo que mostra de forma simples o funcionamento do nosso projeto e protótipo.

LINK PARA O VÍDEO DO PROTÓTIPO EM FUNCIONAMENTO:

https://www.youtube.com/watch?v=dDqr2tMUKMc

Montagem Protótipo e Ajustes Finais no Circuito

No dia 07/11/2015 (Sábado) o grupo se encontrou em uma oficina na Unicamp para a confecção da estrutura final do protótipo, definir algumas alterações em valores de componentes e também realizar ajustes finais no circuito de controle. O tempo dedicado pelos integrantes para a realização dessas tarefas foi de aproximadamente 8 (oito) horas.

Montagem Estrutural do Protótipo para Apresentação

Para a montagem estrutural do protótipo para a apresentação, os integrantes do grupo se dividiram para realizar as diversas etapas da confecção da estrutura do protótipo para a apresentação da II Mostra de Projetos Integradores da Universidade São Francisco, que realizar-se-á na próxima quarta-feira (11/11/2015) na Universidade São Francisco, campus Campinas - Swift, situado na cidade de Campinas - SP.

Base do Protótipo

Para a base do protótipo uma "prancha" de material compensado* foi reciclada à partir de um material que foi deixado para descarte. As dimensões definidas para essa base foram: largura = 48,5 cm, altura = 3 cm e comprimento = 30 cm, conforme a figura à seguir:

Para adequar o material disponível às dimensões definidas, utilizamos de uma serra do tipo tico-tico para ajustar a largura da base.

Uma vez que a base tem os tamanhos definidos inicialmente, a mesma foi lixada e pintada na cor preta por questões de estética. Adicionalmente, aplicamos uma fina camada de papel contact transparente para evitar que a tinta (já seca) fosse riscada, prejudicando a pintura.

* Para a base do protótipo não é necessário utilizar o mesmo tipo de material que foi escolhido nesse projeto, contanto que o material escolhido não absorva linhas de campo eletromagnético, ou seja, que ele não seja um bom condutor de linhas de campo magnético (possua uma baixa permeabilidade magnética). O mesmo se aplica ao material do arco.

Arco do Levitador

Assim como na base do protótipo, para o arco do levitador reaproveitamos um material que estava destinado ao descarte. As medidas definidas para o arco foram: altura: 26 cm e distancia entre as colunas do arco = 10 cm. As medidas da madeira ou material de escolha (conforme mencionado anteriormente) não são importantes. Destacamos aqui as principais medidas que devem ser levadas em conta.

ATENÇÃO: O Posicionamento do LED emissor (esquerda), e dos receptores de referência e objeto (direita) são exclusivos para o nosso projeto. Essas distâncias podem variar devido a uma série de fatores, principalmente aqueles relacionados à bobina do eletroímã, como por exemplo número de espiras, impedância e material do núcleo.

Agora confira como ficou nosso arco montado com todos os componentes necessários:

Alimentação para o Circuito

Todas as alimentações elétricas necessárias para o correto funcionamento do circuito foram extraídas de uma fonte de alimentação de computador adaptada para o nosso projeto. Confira a imagem da fonte à seguir:

Ajustes no circuito de controle

O circuito foi ajustado para melhor performance de acordo com as especificações de nosso projeto (ex. bobina, sensores, objeto de levitação). 

Em breve postaremos um esquemático mais detalhado do circuito com as adaptações que foram necessárias para obter maior performance.

Protótipo Final

Após todas as etapas descritas, organizamos os componentes de nosso protótipo para uma melhor estética. Confira na imagem a seguir como ficou:

LINK PARA O VÍDEO DO PROTÓTIPO EM FUNCIONAMENTO:

https://www.youtube.com/watch?v=1DDHsiV2dlI

Funcionamento do protótipo

Ajustes no circuito e funcionamento do protótipo

Hoje o grupo se reuniu novamente no laboratório de Engenharia Elétrica da Universidade São Francisco em Campinas para para realizar mais ajustes no protótipo. Ontem (05/11) notou-se problemas de estabilidade do circuito por possíveis maus contatos nas ligações dos componentes na protoboard, então foi realizada a troca por uma outra placa e troca de componentes, onde foi substituído o transistor TIP122 por um novo, pois o antigo já estava apresentando alguns defeitos de funcionamento e alterado o resistor de 1K Ohm localizado na malha de controle do circuito por um trimpot de 10K Ohm, onde foi possível um ajuste melhor do funcionamento do protótipo.

Então o grupo conseguiu finalmente finalizar as fases de testes e ajustes no circuito eletrônico do protótipo, conforme imagens:

Vídeo do primeiro funcionamento do protótipo:

Primeiros testes práticos do circuito

Primeiros testes práticos do circuito

Hoje o grupo se reuniu no laboratório de Engenharia Elétrica da Universidade São Francisco em Campinas para para realizar os primeiros testes de funcionamento do protótipo, e depois de diversas tentativas e ajustes no circuito não conseguiu um bom funcionamento do circuito, conseguiu-se um levitamento de objetos metálicos por apenas alguns segundo e apresentava-se muita instabilidade no controle da corrente na bobina. Então, o grupo decidiu reunir-se novamente amanhã para realizar algumas modificações no protótipo, como: troca do protoboard, troca de componentes possivelmente saturados.

Primeira tentativa de montagem do protótipo

Hoje, o grupo se reuniu para iniciar a montagem do protótipo.

As atividades iniciais eram: montagem do circuito na protoboard, fazer um eletroimã, montar estrutura física do protótipo.

O circuito foi montado na protoboard, onde não tivemos dificuldade para realizar tal atividade.

Já o eletroimã, tivemos dificuldade para montá-lo, uma vez que seria preciso ter uma resistência de no máximo 15 Ω e não sabíamos ao certo quantas espiras seriam necessárias. Porém, conseguimos chegar muito próximo do limite, deixando o eletroimã com 14.4Ω.

Núcleo do eletroimã e anéis de plástico

Enrolando o eletroimã com uma bobinadeira

Resistência de 14.4 Ω

Também iniciamos a confecção da estrutura física do protótipo com uma base de madeira, onde precisamos cortá-la para ficar no tamanho adequado.

 Corte da base da estrutura

Por último, o eletroimã foi testado para certificar que estava funcionado.

Alimentando o eletroimã com uma fonte de computador, adaptada para o nosso projeto, objetivemos os resultados nos vídeos abaixo.

Com isso, concluímos que o eletroimã está funcionando, restando apenas testá-lo com o circuito de controle.

Modelamento matemático

Modelamento Matemático

   Para que se tenha devido entendimento do funcionamento de um sistema em seus aspectos totais, é necessária a modelagem matemática do mesmo, para que assim seja possível prever e analisar o comportamento deste sistema ou modelo.

   Na obtenção deste modelo a seguir serão empregadas considerações físicas para facilitação de alguns cálculos sem alteração no modelo. Escrevendo equações parciais em relação ao modelo completo  que juntas  descrevem este sistema como um todo, em todos os instantes de tempo, podemos obter um conjunto de equações diferenciais não-lineares que não necessitarão ser linearizadas graças as considerações físicas descritas do início deste parágrafo.

   Para a escrita das equações tomaremos duas frações do sistema, trabalhando assim com dois subsistemas, um mecânico e um elétrico.

  

    Tomando a direção vertical como eixo das forças (já que o sistema é de levitação) começaremos os nossos modelamentos:

      Subsistema Mecânico:

Tomemos a força magnética:

Tomemos a força gravitacional:

Tomemos a segunda lei de Newton:

Tendo que as forças magnética e gravitacional se contrapõem, podemos afirmar pela segunda lei de Newton que:

    Onde m é a massa do corpo a ser levitado; g a gravidade terrestre; K a constante de força;  x e i respectivamente a distância do corpo ao eletroímã e a corrente que passa pelo eletroímã, ambos aplicados no instante de tempo t.

    Subsistema Elétrico

    Para o subsistema elétrico, tomaremos o eletroímã como sendo uma bobina de indutância L, em série com um resistor R, e submetidos à tensão aplicada V.

  Escrevendo então a lei das malhas pela Lei de Kirchoff, teremos:

Condição de equilíbrio para o Sistema Total

    

     Após a obtenção de ambos subsistemas podemos utilizá-los para obtenção do modelo geral. Estando no ponto de equilíbrio as derivações no tempo são nulas, logo aplicando tal condição as equações anteriores, encontraremos as equações dos subsistemas mecânicos e elétricos respectivamente representados pelas equações abaixo, em função das variáveis de equilíbrio:

            e

Fazendo os devidos rearranjos encontramos o deslocamento de equilíbrio do corpo levitado:

Tabela de unidades de parâmetros e medidas para os cálculos:

Parâmetros	Definição	Unidades	Valores
Fm	Força Magnética	[N]	-
Fg	Força Gravitacional	[N]	-
m	Massa	[Kg]	-
g	Aceleração da gravidade	[m/s²]	9,81
a	Aceleração	[m/s²]	-
V	Tensão	[V]	-
R	Resistência	[Ω]	-
i	Corrente	[A]	-
L	Indutância	[H]	-
t	Tempo	[s]	-
x	Deslocamento	[m]	-

Nota: Os valores ainda estão sendo estabelecidos por experimentação. 

Embasamento Técnico para o Projeto

O circuito eletrônico que controla a intensidade do campo magnético na bobina que será futuramente implementado em nosso projeto, está sendo baseado no circuito da figura à seguir:

O circuito acima trabalha comparando o sinal entre os sensores infravermelhos utilizando o primeiro amplificador operacional (amp-op) e mandando uma tensão de saída proporcional à diferença (ou erro). O erro passa por uma malha compensadora que atua como um filtro de passa-alta, o que possibilita rápidas mudanças no erro passarem mais facilmente do que mudanças lentas. Este, por sua vez, é necessário para estabilizar a malha de controle e, sem este controle, o objeto iria entrar em um estado de "moto perpétuo, fazendo com que o objeto fique extremamente instável numa região próxima do eletroímã porque sem esse controle o sistema se torna instável. Uma vez que a malha compensadora atenuou o sinal, um novo amp-op é utilizado para elevar o sinal para sua amplitude original. Esse ultimo amp-op ativa então o transistor do tipo Darlington (TIP122), que é o responsável pelo controle da corrente através do eletroímã. O diodo (1N4148) próximo ao transistor tem a função de proteger o transistor contra danos devido à polarização reversa na base. Já os diodos IN4001 norteiam o caminho da corrente elétrica do eletroímã quando o mesmo é desligado, gerando uma corrente reversa, o que é prejudicial ao circuito eletrônico. Os sensores ópticos não são tão sensíveis, eles apenas necessitam de comprimentos de onda relativamente parecidos, e os ângulos de emissão/detecção não são tão agudos. Os LEDs (Light Emitting Diode) infravermelhos são do modelo TIL38, possuindo um pico de onda de 940nm, com 15 graus de abertura do feixe, uma potência máxima de 35 mW e corrente máxima de 100 mA. Os sensores que captam o sinal são do modelo PT204-6B, que são foto-transistores infravermelhos.

Pesquisas e simulações estão sendo feitas a fim de se otimizar o circuito para aplicação em nosso projeto, as quais serão aqui registradas para fins de documentação.

Resumo do Projeto | Project Overview

Levitador Magnético

Esse é um projeto de um levitador magnético simples que suspende objetos metálicos abaixo de um eletroímã à uma distância pré-definida. O conceito físico utilizado nesse projeto é proveniente do magnetismo, em específico da indução eletromagnética em uma bobina. Devido à passagem da corrente elétrica pela bobina de cobre, um campo eletromagnético é gerado, fazendo com que essa bobina se transforme em um eletroímã. A força gerada pelo eletroímã é proporcional à intensidade de corrente elétrica no interior da bobina, e essa força eletromagnética se opõe à força peso do objeto ferromagnético que será levitado pelo eletroímã.

O controle do posicionamento do objeto sujeito à levitação é feito através de dois sensores infravermelhos controlados por um circuito eletrônico. Esse sistema diminui a corrente elétrica na bobina conforme o objeto se aproxima do eletroímã (interrompe o feixe entre os sensores) e aumenta a corrente elétrica conforme o objeto se distancia do eletroímã (o feixe entre os sensores é reestabelecido porque a força peso do objeto é maior do que a força eletromagnética da bobina, fazendo com que o objeto desça).

Magnetic Levitator

This is a project of a simple magnetic levitator, which suspends metallic objects bellow an electromagnet by a set distance. The physics behind this project comes from magnetics, specifically the electromagnetic induction in a coil. The flow of electric current through the coil creates an electromagnetic field, which makes this coil to become an electromagnet. The electromagnetic force crated by the coil is directly proportional to the intensity of the electrical current flow inside the coil, and this force opposes to the gravitational force of the object levitated by the electromagnet.

A couple of infrared sensors controlled by an electronic circuit does the positioning control of the levitated object. This system reduces the electric current through the coil as the levitated object become closer to the electromagnet, which position is detected by the infrared sensors that have its infrared light beam interrupted by the object. As the object falls (gravitational force is greater than the electromagnetic force) the system increases the electric current inside the coil because the infrared light beam between the infrared sensors is re-established, making the electromagnetic force become stronger than the gravitational one.

Vídeo de um levitador magnético em funcionamento

Este vídeo ilustra um levitador magnético com um sistema de controle semelhante ao que usaremos em nosso projeto.

Fonte: https://www.youtube.com/watch?t=51&v=tl0h4ivFIYA

Cronograma de Atividades

O grupo reuniu-se para discussão sobre o andamento do projeto e durante estas reuniões foram colocados em pauta quais seriam os componentes iniciais necessários e qual seria a estratégia para a conclusão do projeto no tempo estipulado. Para um melhor controle foi elaborado um cronograma como é visto abaixo:

Apresentação dos Idealizadores do Projeto

Nome: Diego Vilani

Formação: 

• Formado Eletricista de Manutenção pelo Curso de Aprendizagem Industrial no Senai Roberto Mange - Campinas;
• Ex-Aluno Intercambista do Programa Ciência sem Fronteiras na Universidade de Toronto - UofT.
• Matriculado no 6º Semestre de Engenharia Elétrica pela Universidade São Francisco - Campinas , mas Cursando Disciplinas em Diversos Cursos e Períodos (Conclusão Prevista para Dez. 2017).

Nome: Fábio George Mazzarella

Formação: 

• Formado Técnico em Meio Ambiente - ETECAP;
• Ex-Estagiário no CTI Renato Archer na Divisão de Análise e Qualificação de Produtos Eletrônicos;
• Matriculado no 8º semestre de Engenharia Elétrica pela Universidade São Francisco (USF).

Nome: Igor Fernandes Namba

Formação:

• Formado em Técnico em Eletrônica pela ETEC Bento Quirino, do Centro Paula Souza - Campinas
• Cursando 6° Semestre de Engenharia Elétrica pela Universidade São Francisco - Campinas.

Nome: Leandro Costa Cruz


Formação:


• Formado em Técnico em Eletrotécnica pela ETEC Bento Quirino, do Centro de Paula Souza - Campinas;
• Formado em Técnico Em Projetos Mecânicos Assistidos por Computador pelo Cotuca - Campinas;
• Cursando 6º Semestre de Engenharia Elétrica pela Universidade São Francisco - Campinas.

Nome: Lucas Ventura Rocha

Formação:

• Formado em Técnico em Mecânica pelo SENAI "Roberto Mange" - Campinas;
• Formado em Eletricista de Manutenção pelo Curso de Aprendizagem Industrial na escola SENAI "Roberto Mange" - Campinas;
• Cursando 6° Semestre de Engenharia Elétrica pela Universidade São Francisco - Campinas.

Nome: Matheus de Marco Gonçalves

Formação: 

• Formado em Técnico em Mecatrônica pelo Senai Roberto Mange - Campinas;
• Cursando 6º Semestre de Engenharia Elétrica pela Universidade São Francisco - Campinas.