UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DESENVOLVIMENTO DE UM MÉTODO DE CONTROLE EM TEMPO REAL DA TEMPERATURA DA BOBINA E DO DESLOCAMENTO DO CONE DE ALTO-FALANTES PARA OPERAÇÃO EM ALTA POTÊNCIA Dissertação submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. CONSTÂNCIO BORTONI Florianópolis, Agosto de 2005. DESENVOLVIMENTO DE UM MÉTODO DE CONTROLE EM TEMPO REAL DA TEMPERATURA DA BOBINA E DO DESLOCAMENTO DO CONE DE ALTO-FALANTES PARA OPERAÇÃO EM ALTA POTÊNCIA Constâncio Bortoni ‘Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Elétrica, Área de Concentração em Comunicações e Processamento de Sinais, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina.’ ______________________________________ Prof. Sidnei Noceti Filho, D.Sc. Orientador ______________________________________ Prof. Alexandre Trofino Neto, Dr. Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Banca Examinadora: ______________________________________ Prof. Sidnei Noceti Filho, D.Sc Presidente ______________________________________ Prof. Rui Seara, Dr. ______________________________________ Prof. Ênio Valmor Kassick, Dr. ______________________________________ Prof. Walter Pereira Carpes Jr., Dr. ______________________________________ Prof. José João de Espíndola, Ph.D. ii AGRADECIMENTOS À minha família, por todo o apoio e incentivo dispensados nesses anos de estudo. Ao Prof. Sidnei Noceti Filho, pela amizade e orientação deste trabalho. Ao Prof. Rui Seara, pela amizade e co-orientação deste trabalho. Ao M.Eng. Rosalfonso Bortoni, por toda a ajuda e pelas muitas discussões envolvendo o presente trabalho, essenciais para a realização do mesmo. Ao Eng. Walter Antônio Gontijo pela ajuda na fase de implementação do controlador usando DSP. Ao Eng. Homero Sette Silva, pela sugestão do tema e pelas muitas discussões envolvendo o presente trabalho, como também alguns esclarecimentos sobre alto-falantes. Aos membros da banca examinadora, pelas valiosas correções e sugestões. Ao CNPq, pelo apoio financeiro. Aos Prof. José João de Espíndola e Eng. Eduardo Márcio de Oliveira Lopes, pela ajuda na parte acústica desse trabalho e por disponibilizarem a câmara anecóica do Laboratório de Vibrações Acústicas do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina para a realização das medidas necessárias. À lingüista Thais Eliane Chaves, pela ajuda na revisão de texto. Aos amigos do LINSE, pelos seis anos de ótimo convívio. A todos os meus amigos que, de alguma forma, ajudaram-me na realização deste trabalho. iii Resumo da Dissertação apresentada à UFSC como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. DESENVOLVIMENTO DE UM MÉTODO DE CONTROLE EM TEMPO REAL DA TEMPERATURA DA BOBINA E DO DESLOCAMENTO DO CONE DE ALTO-FALANTES PARA OPERAÇÃO EM ALTA POTÊNCIA Constâncio Bortoni Agosto/2005 Orientador: Prof. Sidnei Noceti Filho, D.Sc. Co-orientador: Prof. Rui Seara, Dr. Área de Concentração: Comunicações e Processamento de Sinais. Palavras-chave: Alto-falantes, temperatura da bobina móvel, deslocamento do cone, controle de temperatura e deslocamento. Número de Páginas: 81. RESUMO: Com o alto-falante operando em sistema de alta potência (comum em sistemas de sonorização profissional), o superaquecimento da bobina e o deslocamento excessivo do cone são as principais causas de danos e falhas. Esses problemas estão relacionados à baixa eficiência e limitação do deslocamento do cone, respectivamente. Este trabalho apresenta um procedimento de medida e controle digital da temperatura da bobina e do deslocamento do cone usando um processador de sinal digital (DSP). A temperatura da bobina e o deslocamento do cone são obtidos indiretamente pela variação de resistência da bobina para corrente contínua (CC) e através da medida de aceleração do cone, respectivamente. Essa abordagem leva em consideração (através de medidas) as características reais do alto-falante, como suas inerentes não-linearidades. Assim, pode-se obter o máximo do sistema de sonorização, visto que agora pode-se operar sem a consideração da margem de segurança usual requerida para estes sistemas. iv Abstract of Dissertation presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Electrical Engineering. DEVELOPMENT OF A METHOD FOR THE REAL-TIME VOICE-COIL TEMPERATURE AND CONE DISPLACEMENT CONTROL OF LOUDSPEAKERS AT HIGH POWER OPERATION Constâncio Bortoni August/2005 Advisor: Prof. Sidnei Noceti Filho, D.Sc. Co-advisor: Prof. Rui Seara, Dr. Area of Concentration: Communications and Signal Processing. Keywords: Loudspeakers, voice-coil temperature, cone displacement, temperature and displacement control. Number of Pages: 81. ABSTRACT: With loudspeakers operating in a high power environment (common in system of professional sound equipment), the voice-coil overheating and the excessive cone displacement are the main causes of damages and faults. These drawbacks are related to the low efficiency and cone displacement limitation, respectively. This research work proposes a procedure to measure and control both the voice-coil temperature and cone displacement by using a digital signal processor (DSP). The voice-coil temperature and cone displacement are indirectly obtained from the coil DC resistance variation and the cone acceleration, respectively. This approach takes into account (by measuring) some real characteristics of the loudspeaker, as its inherent nonlinearities. Thus, one can obtain the maximum from the sound system, since it may now work without the usual safety margin required for these systems. v SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS.......................................................................................................viii Capítulo 1 - Introdução ......................................................................................................1 Capítulo 2 - Teoria Geral – Alto-falante...........................................................................8 2.1 Alto-falante........................................................................................................8 2.1.1 Sistema Motor...............................................................................................9 2.1.2 Diafragma......................................................................................................9 2.1.3 Suspensão....................................................................................................10 2.2 Modelo Eletromecânico-acústico do Alto-falante...........................................10 2.2.1 Análise para o baffle infinito.......................................................................15 2.2.2 Análise para caixa sintonizada ...................................................................16 2.3 Conclusões.......................................................................................................18 Capítulo 3 - Características da Temperatura da Bobina e do Deslocamento do Cone do Alto-falante ..................................................................................................................19 3.1 Características da Temperatura da Bobina......................................................19 3.2 Características do Deslocamento do Cone......................................................21 3.2.1 Análise para baffle infinito..........................................................................23 3.2.2 Análise para caixa sintonizada....................................................................24 3.3 Conclusões.......................................................................................................25 Capítulo 4 - Abordagens Inicialmente Testadas ............................................................27 4.1 Abordagem Inicial de Controle de Temperatura da Bobina............................27 4.2 Abordagens Iniciais do Controle de Deslocamento do Cone..........................31 4.2.1 Hard Control...............................................................................................31 4.2.2 Controle Preditivo.......................................................................................33 4.2.3 Controle Adaptativo....................................................................................40 4.3 Conclusões.......................................................................................................47 vi Capítulo 5 - Sistema de Controle da Temperatura da Bobina – Abordagem Usada..48 5.1 Aquisição da Temperatura...............................................................................48 5.2 Controle da Temperatura da Bobina................................................................49 5.3 Conclusões.......................................................................................................51 Capítulo 6 - Sistema de Controle do Deslocamento do Cone – Abordagem Usada ...52 6.1 Aquisição de Dados.........................................................................................52 6.2 Controle e Monitoração do Deslocamento do Cone........................................53 6.3 Conclusões.......................................................................................................57 Capítulo 7 - Resultados de Simulação ............................................................................58 7.1 Controle da Temperatura da Bobina................................................................58 7.2 Controle do Deslocamento do Cone................................................................60 7.3 Atuação Conjunta do Controle de Temperatura da Bobina e de Deslocamento do Cone........................................................................................................................61 7.4 Conclusões.......................................................................................................63 Capítulo 8 - Resultados Experimentais ..........................................................................64 8.1 Controle da Temperatura da Bobina................................................................68 8.2 Controle do Deslocamento do Cone................................................................70 8.3 Conclusões.......................................................................................................72 Capítulo 9 - Conclusões e Sugestões para Futuros Trabalhos .....................................73 Referências Bibliográficas................................................................................................75 Apêndices............................................................................................................................78 APÊNDICE A.....................................................................................................................78 APÊNDICE B.....................................................................................................................80 vii LISTA DE FIGURAS Figura 1. Diagrama geral do sistema de aquisição de dados, controle e monitoração da temperatura da bobina e deslocamento do cone -------------------------------------------------- 6 Figura 2. Vista em corte de um típico alto-falante eletrodinâmico----------------------------- 8 Figura 3. Circuito equivalente eletromecânico-acústico de um alto-falante com uma impedância acústica genérica ----------------------------------------------------------------------11 Figura 4. Componentes da impedância de radiação do ar refletidos para o lado mecânico----------------------------------------------------------------------------------------------12 Figura 5. Circuito equivalente de um alto-falante visto pelo lado elétrico-------------------12 Figura 6. Circuito equivalente de um alto-falante visto pelo lado elétrico, com os componentes agrupados-----------------------------------------------------------------------------13 Figura 7. Curva típica da resistência CC da bobina para a temperatura de 25C de um alto-falante profissional e do módulo de sua impedância, para um baffle infinito----------15 Figura 8. (a) Alto-falante montado em uma caixa sintonizada (b) circuito equivalente do sistema ------------------------------------------------------------------------------------------------16 Figura 9. Curva típica da resistência CC da bobina para a temperatura de 25C de um alto-falante profissional e do módulo de sua impedância, para uma caixa sintonizada-----18 Figura 10. Curva típica da resistência CC da bobina versus temperatura--------------------20 Figura 11. Curva da temperatura da bobina em função do tempo e da potência instantânea aplicada -----------------------------------------------------------------------------------------------20 Figura 12. Curvas de temperatura da bobina em função da potência instantânea para diferentes tempos------------------------------------------------------------------------------------20 Figura 13. Curvas de temperatura da bobina em função do tempo para diferentes potências instantâneas-------------------------------------------------------------------------------------------21 Figura 14. Circuito eletromecânico-acústico equivalente de um alto-falante com uma impedância acústica genérica excitado por fonte de tensão------------------------------------21 viii Figura 15. Deslocamento do cone do alto-falante excitado por fonte de tensão para um baffle infinito em função da tensão aplicada e da freqüência----------------------------------23 Figura 16. Deslocamento do cone do alto-falante excitado por fonte de tensão para um baffle infinito em função da freqüência, para diferentes tensões------------------------------24 Figura 17. Deslocamento do cone do alto-falante excitado por fonte de tensão em uma caixa sintonizada em função da tensão aplicada e da freqüência------------------------------25 Figura 18. Deslocamento do cone do alto-falante excitado por fonte de tensão em uma caixa sintonizada em função da freqüência, para diferentes tensões--------------------------25 Figura 21. Curva da temperatura controlada-----------------------------------------------------30 Figura 22. Curva da potência entregue ao alto-falante controlada ----------------------------30 Figura 23. Curva do fator ganho para o controle da temperatura------------------------------30 Figura 24. Curva da potência entregue ao alto-falante desconsiderando o sistema de controle para o deslocamento do cone------------------------------------------------------------32 Figura 25. Curva do deslocamento do cone desconsiderando o sistema de controle para o deslocamento do cone-------------------------------------------------------------------------------32 Figura 26. Curva da potência entregue ao alto-falante com atuação do sistema de controle para o deslocamento do cone-----------------------------------------------------------------------33 Figura 27. Curva do deslocamento do cone com atuação do sistema de controle para o deslocamento do cone-------------------------------------------------------------------------------33 Figura 28. Diagrama de bloco do controle preditivo do deslocamento do cone-------------34 Figura 29. Curva do deslocamento do cone desconsiderando o sistema preditivo de controle------------------------------------------------------------------------------------------------37 Figura 30. Curva da potência entregue ao alto-falante desconsiderando o sistema preditivo de controle--------------------------------------------------------------------------------------------37 Figura 31. Curva da tensão de entrada desconsiderando o sistema preditivo de controle------------------------------------------------------------------------------------------------38 ix Figura 32. Curva do deslocamento do cone em função da potência instantânea entregue ao alto-falante desconsiderando o sistema preditivo de controle----------------------------------38 Figura 33. Curva do deslocamento do cone com atuação do sistema preditivo de controle------------------------------------------------------------------------------------------------38 Figura 34. Curva da potência entregue ao alto-falante com a atuação do sistema preditivo de controle--------------------------------------------------------------------------------------------39 Figura 35. Curva da tensão de entrada com a atuação do sistema preditivo de controle---39 Figura 36. Curva do deslocamento do cone em função da potência instantânea entregue ao alto-falante com a atuação do sistema preditivo de controle-----------------------------------39 Figura 37. Curva do fator de ganho do sistema preditivo de controle ------------------------40 Figura 38. Diagrama de bloco do controle adaptativo do deslocamento do cone-----------41 Figura 39. Curva do deslocamento do cone desconsiderando o sistema adaptativo de controle------------------------------------------------------------------------------------------------43 Figura 40. Curva da potência instantânea entregue ao alto-falante desconsiderando o sistema adaptativo de controle---------------------------------------------------------------------43 Figura 41. Curva do sinal de entrada desconsiderando o sistema adaptativo de controle------------------------------------------------------------------------------------------------44 Figura 42. Curva do deslocamento do cone com a atuação do sistema adaptativo de controle------------------------------------------------------------------------------------------------44 Figura 43. Curva da potência instantânea entregue ao alto-falante com a atuação do sistema adaptativo de controle-------------------------------------------------------------------------------44 Figura 44. Curva do sinal de entrada com a atuação do sistema adaptativo de controle ---45 Figura 45. Curva do fator de ganho do sistema adaptativo de controle-----------------------45 Figura 46. Curva resultante do deslocamento do cone com a atuação do sistema adaptativo de controle com defasagem entre os sinais de tensão e deslocamento do cone--------------46 x