Controle e Monitoramento por Modulação por Largura de Pulso em Banco de Testes para Propulsores Subaquáticos

A Modulação por Largura de Pulso (PWM) é uma técnica digital usada para controlar o valor médio de um sinal analógico, variando a largura dos pulsos enquanto se mantém a frequência constante. A PWM é útil para controlar a potência média ou a amplitude fornecida por um sinal elétrico. A PWM pode controlar uma ampla variedade de dispositivos, desde pequenos LEDs até grandes motores, tornando-a uma solução versátil para diversos sistemas eletrônicos.

Muitas fontes de alimentação utilizam modulação por largura de pulso (PWM) para regular a tensão e a corrente de saída. Ao controlar o ciclo de trabalho do sinal, a PWM ajuda a manter níveis de tensão estáveis em dispositivos eletrônicos sensíveis, como computadores e equipamentos de comunicação.

A equipa PoliTOcean

A equipa PoliTOcean é uma equipa de estudantes da Universidade Politécnica de Turim, especializada em robótica subaquática, e participa na competição MATE ROV. Este concurso internacional realiza-se anualmente nos Estados Unidos, reunindo equipas de todo o mundo. A PoliTOcean representa orgulhosamente a universidade desde 2017. A competição apresenta vários protótipos de veículos operados remotamente (ROV), que são desafiados e avaliados em tarefas subaquáticas complexas.

Com mais de 75 membros ativos na equipa, os desafios nunca faltam, especialmente quando se trata do nosso mais recente e avançado ROV, o EVA, ver Figura 1.

Projetamos e prototipamos todos os componentes internamente, desde os mecânicos aos eletrónicos. A Eurocircuits fabrica as nossas placas de circuito impresso (PCBs), enquanto utilizamos uma impressora Prusa para impressão 3D, o que nos permite fabricar peças personalizadas com filamentos fornecidos pela Filoalfa. O chassis é feito de polietileno de alta densidade (HDPE), um polímero termoplástico derivado do petróleo, e é cortado com uma máquina CNC pertencente ao nosso mentor, Claudio Sansoè.

Membros da equipa que trabalharam neste projeto:

• Giovanni Pellegrino, engenheiro eletrónico e de ciência de dados

• Estudante Gino Marco Fachechi, firmware

• Estudante Mahdi Nassereddine, mecânica

• Estudante Pietro Canta, engenheiro eletrónico, eletrónica

• Estudante Fabio Casini, eletrónica, e Michele Carenini, software

O protótipo EVA

O protótipo EVA possui oito propulsores, garantindo uma manobrabilidade precisa e estável em ambientes subaquáticos. O seu sistema de navegação baseia-se numa IMU acoplada a um filtro de Kalman, suportado por um sensor barométrico para cálculo da profundidade e cinco câmaras que fornecem feedback visual em tempo real. A estrutura do veículo foi construída com HDPE e ligas de alumínio, materiais escolhidos pela sua resistência e capacidade de suportar pressão, permitindo que o EVA opere a profundidades de até 100 metros.

Durante as fases de design e prototipagem do novo ROV, não reinventamos a roda sempre; em vez disso, reutilizamos componentes funcionais, otimizados e amplamente testados de modelos anteriores. No caso específico do EVA, reutilizámos o sistema de alimentação do AIDA, ver Figura 3, o ROV utilizado durante a competição MATE ROV de 2020.

No entanto, embora este sistema não tenha apresentado quaisquer problemas com o ROV anterior, parece ser inadequado para o EVA, especialmente durante manobras mais complexas. O sistema revelou-se pouco fiável ao ponto de provocar desligamentos e impedir a reconexão imediata. Esta falha levanta questões críticas: o problema está na escolha inadequada de componentes, numa interface mal gerida com outros atuadores ou numa falha no design da nossa peça desenvolvida internamente?

Para testar o sistema de propulsão do EVA, necessitávamos de uma bancada de testes capaz de acomodar até oito propulsores, cada um com controlo individual por modulação por largura de pulso (PWM), de forma a realizar testes de aceleração e de potência constante, avaliando simultaneamente a eficiência da Power board.

Os testes foram realizados na piscina do PoliTOcean, conforme mostrado na Figura 4.

O desafio

Em essência, o PWM gera um sinal digital que representa um nível analógico variável. Esta representação é obtida ao ligar e desligar rapidamente um sinal, sendo o tempo “ligado” (ou largura do pulso) uma função do valor analógico desejado.

No entanto, para nós, um desafio significativo foi a falta de equipamento capaz de adquirir dados com precisão em múltiplos níveis de tensão (5 V, 12 V, 48 V). Graças ao SIRIUS-HD-16xLV da Dewesoft e ao software DewesoftX, conseguimos visualizar as formas de onda em tempo real e registar dados de tensão e corrente ao longo de toda a campanha de medição.

Os dois conversores DC/DC ligados em paralelo na Power board do AIDA (ver Figura 7) fornecem uma potência total de 1200 W, com 600 W de cada conversor. Os nossos oito propulsores consomem no máximo 200 W cada. A potência total não é necessária, uma vez que a competição inclui tarefas de manutenção no fundo do mar que exigem maior precisão, pelo que limitamos a potência a 50% da sua capacidade máxima.

Portanto:

Even if:

As anomalias observadas no EVA, como desligamentos súbitos e ativação da proteção do conversor, não nos permitem excluir a priori um problema na entrega de energia. De facto, com o equipamento Dewesoft, planeamos analisar as formas de onda tanto em regime estacionário como durante transientes.

A solução

Desenvolvemos um banco de testes composto por componentes mecânicos e eletrónicos, ver Figura 7.

Na parte mecânica, montámos oito propulsores T200 da Blue Robotics numa barra de suporte em alumínio. Esta configuração permite submergir simultaneamente todos os propulsores em água, possibilitando a experimentação com diferentes condições de funcionamento, ver Figura 5.

Na parte eletrónica, a equipa utilizou as mesmas placas empregadas no controlo dos motores do ROV. Em particular, a Power board integra dois conversores DC/DC que reduzem a tensão de entrada de 48 V para duas saídas de 12 V e uma saída de 5 V.

A Opto board inclui um conjunto de saídas opto-isoladas e um socket para uma placa Nucleo da STMicroelectronics, que aloja um microcontrolador programado para controlar os oito propulsores através de sinais PWM. A atuação dos motores é realizada por controladores da Blue Robotics, os Electronic Speed Controllers, ESC, que recebem 12 V e sinais PWM para acionar os motores através das suas saídas trifásicas.

Utilizámos o seguinte equipamento:

• SIRIUS-HD-16xLV, módulo de aquisição de dados multicanal, de alta precisão e em tempo real, da Dewesoft

• DS-CLAMP 150DC, pinça de corrente da Dewesoft, capaz de medir correntes contínuas até 150 A

• Power board, desenvolvida internamente pela equipa PoliTOcean

• Nucleo board, para geração dos sinais PWM

• Cabo de 18 metros para alimentação e controlo do ROV

Visão geral das ligações do subsistema

A fonte de alimentação utilizada é a Mean Well RSP-2000-48, 220 V AC, 48 V DC. A Figura 9 mostra a ligação entre a fonte de alimentação e a Power board, realizada através do cabo umbilical de 18 metros do EVA ROV. A fonte fornece um cabo bipolar com 48 V, que é ligado ao cabo umbilical através de um conector Anderson Powerpole, azul. Na outra extremidade, utilizamos um conector XT60, amarelo, para a ligação à Power board.

A Figura 9 mostra também as ligações dos cabos utilizados para as medições de tensão com o sistema SIRIUS HD 16xLV, cabos azul e cinzento.

A Figura 10 mostra a placa de potência AIDA desenvolvida pela equipa, equipada com dois conversores DC/DC. Esta placa foi concebida para receber uma entrada de 48 V e gerar duas saídas de 12 V, utilizadas para alimentar os propulsores, e uma saída de 5 V para a placa ST Nucleo. Conectores XT60, de cor amarela, são utilizados nas linhas de 12 V, pois são adequados para aplicações de alta corrente.

Também são visíveis os cabos de monitorização de tensão, em vermelho e cinzento, que medem a tensão de alimentação nas duas linhas de 12 V dos motores, bem como na linha de 5 V que alimenta a Nucleo. A alimentação de 5 V é obtida diretamente da PCB através de dois fios soldados na placa, cabos azul e cinzento.

A Figura 11 mostra os blocos de terminais utilizados para ligar os cabos que transportam a alimentação de 12 V da Power board a dois grupos, cada um composto por quatro ESCs.

“Decidimos dividi-los em dois grupos”, explica o responsável pela eletrónica, Fabio Casini. “Não só para simplificar a organização dos cabos, mas também porque a Power board possui dois canais de saída de 12 V.” Ele destaca a importância desta escolha: “Isso permite monitorizar a tensão de cada canal de forma independente e distribuir a carga de corrente de maneira mais eficiente. Cada grupo de blocos de terminais transporta +12 V de um lado e o respetivo GND do outro.”

A Figura 12 mostra a placa Nucleo, localizada na parte central inferior da imagem, montada numa placa personalizada desenvolvida pela equipa PoliTOcean, denominada Opto board. Esta placa integra várias saídas opto-isoladas e inclui um socket dedicado para a Nucleo. Oito dessas saídas opto-isoladas estão diretamente ligadas aos cabos de sinal que transportam os sinais PWM para os ESCs, permitindo o controlo dos propulsores.

Para esta configuração, utilizámos conectores B2C, Board-to-Cable, uma vez que a mesma Opto board também é utilizada no sistema central do ROV, garantindo compatibilidade e modularidade.

Configuração do software

Desenvolvemos a configuração de software especificamente para este evento de testes.

“Com a ajuda de uma interface gráfica, a gestão dos sinais de teste tornou-se rápida e simples”, afirma o responsável pelo firmware, Gino Marco Fachechi, que desenvolveu a interface do gerador de PWM. “Esta GUI permitiu-nos definir o perfil PWM de cada motor introduzindo pontos num gráfico para criar a curva de funcionamento de cada propulsor”, ver Figura 13.

Ao pressionar um botão, os oito sinais PWM são gerados e enviados para os motores, seguindo o perfil definido nos respetivos gráficos.

O software também permite importar perfis de teste, desde que estejam corretamente formatados, funcionalidade que utilizámos para preparar todos os testes antecipadamente com base nas recomendações da Dewesoft.

Os gráficos assim preparados foram depois importados para a GUI no momento de cada teste, minimizando o tempo entre ensaios e reduzindo a probabilidade de erros na criação dos perfis de controlo.

A GUI e a Nucleo, montada na placa do motor, comunicam através de um protocolo desenvolvido pela equipa, que permite a troca de mensagens específicas de controlo e diagnóstico entre as placas EVA.

O resultado

Os resultados obtidos na campanha de medições confirmaram que o design da PCB está correto e funciona conforme esperado, cumprindo os requisitos especificados.

A limitação identificada está relacionada com o conversor DC/DC. Quando o motor exige uma corrente superior ao limite de fornecimento, a tensão sofre uma queda acentuada até um nível crítico, fazendo com que o componente entre em modo de proteção e se desligue.

Este comportamento pode ser observado nas Figuras 14 e 15.

Podemos abordar este problema de comportamento de duas formas: adicionando um conversor DC/DC para distribuir a carga de forma mais eficaz, ou realizando medições adicionais para determinar limites de proteção mais adequados e reduzir o nível de intervenção, uma vez que o componente é programável.

Fatores de sucesso

A utilização da instrumentação Dewesoft foi crucial para o sucesso da nossa campanha de testes. Sem o sistema SIRIUS-HD-16xLV e o software DewesoftX, não teríamos conseguido adquirir múltiplos sinais analógicos de alta resolução em tempo real, com sincronização precisa entre canais. Esta configuração permitiu identificar os momentos em que o conversor DC/DC entrava em modo de proteção, evidenciando fenómenos como quedas de tensão sob carga.

A capacidade de visualizar as formas de onda em tempo real e analisá-las imediatamente após cada teste fez toda a diferença, pois permitiu compreender rapidamente onde intervir e conferiu ao nosso trabalho um nível de precisão que antes não possuíamos.

De facto, sem a Dewesoft, teríamos tido de recorrer a ferramentas menos integradas, como multímetros ou osciloscópios com poucos canais, correndo o risco de perder transientes críticos ou de ter de repetir testes várias vezes para obter dados comparáveis. Além disso, a capacidade de registar e analisar dados offline permitiu diagnosticar problemas com precisão, acelerando assim o processo de iteração no desenvolvimento da placa de potência.

O apoio da Dewesoft, na definição dos perfis de teste e na seleção da instrumentação adequada, revelou-se um valor acrescentado fundamental, reduzindo os tempos de preparação e melhorando a qualidade global do ensaio.

Perspetivas

As medições realizadas constituíram um ponto de partida essencial para o desenvolvimento dos sistemas de eletrónica de potência da PoliTOcean.

Planeamos colaborar com a Dewesoft no futuro para realizar uma nova campanha de testes, com o objetivo de construir uma base de dados extensa. Esta base de dados será utilizada para treinar uma rede neuronal capaz de prever o comportamento elétrico e térmico dos propulsores com base nos perfis de controlo, PWM, tensão de alimentação e condições de funcionamento.

A ideia é desenvolver uma rede neuronal do tipo Multilayer Perceptron, MLP, ou Long Short-Term Memory, LSTM, para modelar com precisão o consumo de energia e a resposta dinâmica dos motores em cenários reais. Esse modelo permitirá simular a eficiência e a fiabilidade do sistema de propulsão ainda na fase de projeto, sem necessidade de testes físicos, otimizando assim a seleção de componentes e as estratégias de controlo.