CONTROLE ELETRÔNICO DE SISTEMAS HIDRÁULICOS
À medida que os equipamentos móveis se tornam mais tecnologicamente sofisticados, cresce a necessidade de controle eletrônico dos sistemas hidráulicos.
Os componentes eletrônicos tornaram-se mais confiáveis e robustos. Eles agora podem suportar as duras condições ambientais necessárias para aplicações de equipamentos móveis.
Controladores eletrônicos sofisticados normalmente fornecem apenas sinais de baixo controle de energia. A amplificação do sinal de controle é geralmente necessária para acionar válvulas hidráulicas operadas por solenoides. Os controladores eletrônicos projetados para aplicações hidráulicas normalmente incluirão as funções de amplificação necessárias.
Por que a modulação da largura de pulso (PWM)?
Quando a tensão é aplicada em uma bobina da válvula, a corrente que flui através dela cria um campo magnético que fornece a força para deslocar o carretel ou poppet da válvula. A tensão de entrada dividida pela resistência da bobina é igual ao desenho atual. Isso é muito simples quando usado com válvulas de on/off, mas válvulas proporcionais só são úteis se a posição do carretel pode ser precisamente controlada variando a corrente de entrada.
Um potencialiômetro simples pode ser usado para variar a resistência, que então varia a corrente de entrada. Este é um método de controle ineficiente, e não é prático quando altas correntes são necessárias. Além disso, quando um sinal DC infinitamente variável é usado para operar um solenoide de válvula proporcional, o transistor de saída do amplificador funciona como um resistor variável. Ele reduz a tensão de alimentação até o nível exigido pela bobina solenoide em um determinado momento. A corrente de bobina completa, que pode ser de vários amplificadores, precisa passar por este transistor de saída. O resultado é que o transistor acumula calor que requer um grande dissipador de calor para dissipar.
Modulação da largura de pulso (PWM) é uma técnica de controle que pode superar os problemas descritos acima. Com o PWM, o transistor de saída é usado como um interruptor de liga/desliga, alimentando a bobina solenoide com uma série de pulsos de liga/desliga em uma tensão constante. Os pulsos são definidos em uma frequência constante, tipicamente de 400 a 5000+ Hz. O nível do sinal é determinado variando a duração dos pulsos "ligados" em relação aos pulsos "desligados".
A vantagem desta técnica é que durante o pulso "desligado", o transistor de saída não está passando nenhuma corrente, e durante o pulso "ligado", praticamente não há queda de tensão através do transistor e, portanto, muito pouco calor é criado. Na prática, haverá uma pequena queda de tensão através do transistor durante os pulsos "ligados", e leva uma quantidade finita de tempo para ligar e desligar, de modo que uma pequena quantidade de calor é criada. No entanto, a quantidade de calor é muito menor do que seria produzida por um sinal de saída DC convencional.
O PWM tornou-se o padrão para todos os amplificadores de válvulas, a fim de reduzir o tamanho do amplificador e o desperdício de energia. Não são necessárias modificações no solenoide da válvula para usar esta técnica. PWM é uma maneira eficiente de controlar a corrente para uma bobina de válvula proporcional. Permite o uso de eletrônicos para regulação atual, dither, rampa, proteção contra curto-circuito e eliminação de banda morta.
Como funciona o PWM
Um sinal PWM não é constante, está ligado por um período de tempo e desligado por um período de tempo, como mostrado abaixo.
O ciclo de serviço "D" refere-se à parte "on" do ciclo. O ciclo de serviço pode ser de 0 (sinal sempre desligado) a 1 (sinal sempre ligado). Um "D" de 50% resulta em uma onda quadrada perfeita.
A frequência de sinal PWM pode ser baixa (100 a 400 Hz) ou alta (mais de 5000 Hz). O PWM de alta frequência é mais desejável porque produz uma saída de amperagem mais constante sem ondulações.
Indutância de bobina
A indutância é a característica de um circuito que se opõe à partida, parada ou mudança do fluxo atual. A indução em um sistema elétrico é semelhante à inércia em um sistema mecânico. Seu efeito é introduzir um atraso de tempo na forma de onda de ciclo de serviço. Em teoria, a forma de onda é perfeitamente retangular, subindo imediatamente quando a corrente é aplicada, e caindo imediatamente quando a corrente é retirada. Devido aos efeitos da indutância, a forma real de onda sobe e cai mais gradualmente, como mostrado abaixo.
Características atuais do PWM
Com 25% de sinal, "D" é menor do que o tempo que leva a corrente para atingir seu valor máximo. Isso resulta em uma produção de corrente reduzida para a bobina da válvula e, portanto, uma saída hidráulica reduzida da válvula. Se a frequência PWM for baixa o suficiente, a corrente cairá para zero durante o tempo de folga. Isso é descrito como "corrente descontínua", ilustrado abaixo.
Dither (Ripple atual)
A sticção e a histerese podem fazer com que o comportamento de uma válvula proporcional hidráulica pareça errático e imprevisível.
A sticção impede que o carretel da válvula se mova quando as alterações do sinal de entrada são pequenas. Quando o sinal finalmente se torna grande o suficiente para iniciar o movimento, o carretel tenderá a ultrapassar a posição necessária para um controle preciso.
A histerese é a tendência para que a mudança do carretel seja diferente dependendo se a mudança está aumentando ou diminuindo, mesmo quando o valor de entrada do sinal de controle é idêntico.
Dither é um movimento rápido e pequeno do carretel em torno da posição desejada. Pretende-se manter o carretel em movimento para evitar a sticção e a histerese média. A amplitude dither deve ser grande o suficiente e a frequência lenta o suficiente para o carretel responder, e ainda pequeno e rápido o suficiente para evitar criar uma pulsação perceptível na saída hidráulica da válvula.
O dither é causado por "ondulações" de corrente de bobina – variações atuais em torno do valor do sinal de controle desejado. Devido à inércia, o carretel da válvula seguirá ondulações de baixa frequência melhor do que seguirá ondulações de alta frequência. A amplitude das ondulações determina se, ou quão longe, o carretel se moverá em uma determinada frequência.
PWM de baixa frequência
A PWM de baixa frequência, tipicamente inferior a 400 Hz, gera dither (ripple atual) como um subproduto do processo PWM (ilustrado abaixo). A frequência PWM é baixa o suficiente para que a corrente tenha tempo de decadência antes do próximo aumento começar. A quantidade de dither (ondulação) muda à medida que a corrente da bobina média muda. Dither é máximo em 50% "D". Dither diminui para zero a 0% e 100% "D". Isso pode resultar em muita difusão em alguns níveis atuais e não o suficiente em outros.
A amplitude de corrente dither em uma determinada corrente média é uma função de indutor de bobina e frequência PWM. A indutração de uma bobina é em grande parte uma função de sua tensão nominal e wattagem. Uma bobina de baixa potência geralmente terá mais indutores (portanto menos dither subproduto para uma determinada frequência PWM) do que uma bobina de alta wattagem.
Diferentes desenhos de válvulas terão respostas diferentes para a mesma frequência dither e amplitude. A alteração da frequência PWM permitirá ajustar o dither, mas a amplitude e a frequência do dither não podem ser definidas independentemente, como pode ser exigido por vários projetos de válvulas.
PWM de alta frequência
Quando a frequência PWM for alta o suficiente, tipicamente acima de 5000 Hz, a corrente da bobina será constante para todos os fins práticos, como mostrado abaixo. Nenhum dither subproduto será produzido por PWM de alta frequência.
A vantagem de usar PWM de alta frequência é que o dither pode ser gerado separadamente e, em seguida, sobreposto em cima da corrente de saída, ilustrado abaixo. Isso permite que o usuário controle independentemente o nível atual, bem como a frequência e amplitude dither. O dither será, portanto, constante para qualquer nível atual, e sua frequência e amplitude podem ser definidas pelo usuário para otimizar a função da válvula hidráulica específica.
Rampas
As rampas são usadas para diminuir a velocidade da resposta do driver da válvula a uma entrada de comando em mudança. Isso resulta em uma transição suave quando ocorre uma mudança abrupta do sinal de entrada de comando. As rampas não têm efeito se a mudança de sinal de entrada for mais lenta do que a configuração da rampa.
As rampas podem ser fixas ou ajustáveis, simétricas ou independentes e simples ou duplas. As rampas ajustáveis geralmente operam na faixa de zero a oito segundos e são controladas por um potencialiômetro. Rampas de lado único são geralmente usadas em controles de mudança lenta, onde apenas a aceleração é uma preocupação.
As rampas simétricas (mostradas imediatamente abaixo) são controladas por um único potencialiômetro que ajusta as rampas crescentes e decrescentes de forma idêntica.
Rampas independentes (mostradas imediatamente abaixo) possuem potencialiômetros separados para os lados crescentes e decrescentes, permitindo que a aceleração e a desaceleração sejam definidas independentemente umas das outras.
Os condutores de válvulas bidirecionais de bobina dupla oferecem duas rampas independentes por bobina, para um total de quatro rampas controladas independentemente, mostradas abaixo.
Ganhe ou I-Max.
O ganho de um amplificador é a razão de seu grande sinal de saída (para a válvula) ao seu pequeno sinal de entrada de controle.
Gain = Sinal de entrada ÷ de sinal de saída
O ganho é geralmente ajustado por um potencialiômetro no amplificador. Esse ajuste é geralmente chamado de "I-Max". Ajustando o I-Max. ajusta o ganho do amplificador. Isso pode ser usado para ajustar a saída máxima do amplificador (que controla a configuração da válvula) para sinal de entrada completa.
Ativar / Desativar
Alguns controladores/amplificadores incorporam uma função "Habilitar". Este é um recurso de segurança que requer uma tensão específica para estar presente na conexão habilitada antes que a saída do controlador funcione. A habilitação pode ser usada para um interruptor de parada de emergência ou outro dispositivo de bloqueio de segurança.
Embora seja possível colocar um interruptor de parada de emergência na fonte de alimentação, isso não é recomendado porque as cargas armazenadas nos capacitores podem manter o sinal da válvula por um período de tempo após a abertura do interruptor.
Deadband / I-Min.
As válvulas proporcionais do tipo carretel normalmente terão uma certa sobreposição de carretel que produz banda morta. Para controles de pressão e fluxo, esta banda morta ocorrerá no início do movimento do carretel. Para válvulas direcionais, a banda morta ocorrerá ao redor da posição central. A sobreposição do carretel reduz o vazamento na posição nula e também proporciona um maior grau de segurança em falhas de energia ou situações de parada de emergência. O efeito da sobreposição do carretel requer que um certo nível mínimo de sinal deve estar presente na bobina solenoide antes que qualquer resultado perceptível ocorra no sistema.
Se essa característica for indesejável, a banda morta pode ser eliminada ou reduzida (para controles de pressão e fluxo) definindo uma corrente mínima (I-Min.) no controlador/amplificador. Quando eu-Min. é ajustado acima do ponto zero, o carretel da válvula saltará imediatamente para esta configuração quando a energia for acionada, eliminando a banda morta. Por favor, note que o I-Min. ajuste afetará o I-Max. configuração, por isso deve ser sempre definido primeiro.
Ao controlar válvulas direcionais usando um driver de solenoide multifuncional/duplo, a função de eliminação da banda morta é normalmente ativada usando um interruptor de mergulho. A quantidade de salto de banda morta é tipicamente definida de fábrica, e é específica do aplicativo.
Feedback atual
Quando uma corrente passa por uma bobina solenoide, o calor é gerado. Este calor aumenta a resistência da bobina. Por exemplo, uma bobina pode ter uma resistência de sete ohms a 20°C, e uma resistência de nove ohms a 100°C. Esse aumento da resistência provoca uma redução da potência da bobina, o que resulta em uma configuração de válvula mais baixa.
Para compensar as alterações induzidas pela temperatura, alguns controladores/amplificadores têm uma função conhecida como "Feedback Atual". Um resistor de feedback atual é adicionado ao circuito em série com a bobina solenoide. Isso permite que a corrente solenoide seja proporcional à tensão do sinal de entrada e independente da resistência solenoide. A tensão da fonte de alimentação deve ser suficiente para superar a resistência aumentada