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AUMENTO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS HIDRÁULICOS UTILIZANDO
HIDRÁULICA DIGITAL
HENRI C. BELAN1, CRISTIANO C. LOCATELI2, LUCIANO ENDLER3, EDSON R. DE PIERI3 E VICTOR J. DE NEGRI2
1Área de Mecânica, Dep. de Ensino, Instituto Federal de Santa Catarina, Campus Chapecó
89.813-000, Seminário, Chapecó - SC, Brasil 2Lab. de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos, Dep. de Eng. Mecânica, Univ. Fed. de Santa Catarina
88040-900, Trindade, Florianopolis - SC, Brasil. 3 Lab. de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos, Dep. de Automação e Sistemas, Univ. Federal de Santa Catarina
88040-900, Trindade, Florianopolis - SC, Brasil.
E-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract Hydraulic systems are currently used in several applications that require control of large loads and high power den-
sity. However, the energy efficiency of these systems is considerably lower than those presented by electric systems. In an at-
tempt to find solutions, digital hydraulics is a new technology that presents alternatives to increase the efficiency of hydraulic
systems. In this context, the aim of this paper is to present researches that are currently being developed in the area and a new
proposed classification. It is noteworthy that the definitions and classifications remain open according to leading researchers in
digital hydraulics. In this paper a distinct classification of four functional units will be applied, which were previously used for
traditional hydraulic systems. As result, it is expected to stimulate researches in the Brazilian community about digital hydrau-
lics and submit a proposal of common technical terms in Portuguese.
Keywords hydraulic systems, digital hydraulic, energy efficiency.
Resumo Sistemas hidráulicos são atualmente utilizados em diversas aplicações que exigem controle de grandes cargas e alta
densidade de potência. Todavia, a eficiência energética destes sistemas é consideravelmente inferior às apresentadas por siste-
mas elétricos. Na tentativa de encontrar soluções, a hidráulica digital é uma tecnologia que vem apresentando novas alternativas
para ampliar o rendimento de sistemas hidráulicos. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é apresentar as pesquisas que estão
sendo desenvolvidas atualmente na área e uma nova proposta de classificação. Destaca-se que as definições e classificações ain-
da estão em aberto, de acordo com os principais pesquisadores em hidráulica digital. Neste trabalho será aplicado uma classifi-
cação distinta em quatro unidades funcionais que anteriormente eram utilizadas para sistemas hidráulicos tradicionais. Como re-
sultado, espera-se estimular a comunidade brasileira a desenvolver pesquisas no âmbito de hidráulica digital e apresentar uma
proposta para os termos técnicos comuns em português.
Palavras-chave sistemas hidráulicos, hidráulica digital, eficiência energética.
1 Introdução
Sistemas hidráulicos têm como característica inerente
a transmissão de energia por meio de um líquido e
constituem uma das principais formas de transmissão
de força e torque. A baixa relação peso/potência e a
rápida resposta dinâmica são as principais caracterís-
ticas desta tecnologia (Rexroth, 2006, Ivantysynova,
2008, Tanaka and Sakama, 2013). Segundo Achten
(2010), não há alternativa elétrica ou mecânica que
apresente um desempenho similar aos cilindros hi-
dráulicos em termos de robustez, densidade de po-
tência e controlabilidade.
Todavia, contrariando a grande preocupação
atual da sociedade no que diz respeito à sustentabili-
dade, os sistemas hidráulicos também são conhecidos
por apresentar uma baixa eficiência energética
(Linjama, 2009). Por sua vez, a justificativa para o
baixo rendimento do sistema não está diretamente
associada às características dos componentes de atu-
ação, pois estes de maneira geral apresentam uma
boa eficiência (Heikkilä and Linjama, 2013). Como
exemplos, podem ser citados as bombas e os motores
hidráulicos, os quais apresentam atualmente rendi-
mento em torno de 90 % (Achten, 2010).
Considerando que existem condições e necessi-
dades para melhora do rendimento sistemas hidráuli-
cos, linhas de pesquisa com estratégias diversificadas
estão surgindo com mais força nas últimas duas dé-
cadas. Neste sentido, a hidráulica digital tem se mos-
trado como uma promissora tecnologia para enfrentar
estes desafios, sendo que, apesar de muitas das ideias
da hidráulica digital terem sido apresentadas há dé-
cadas, somente há poucos anos as pesquisas neste
campo alcançaram um desenvolvimento relevante
(Linjama, 2011).
De acordo com (Scheidl et al., 2012); em seu ar-
tigo “Digital é o futuro da hidráulica?”1 a hidráulica
digital possui consideráveis vantagens quando com-
parada com a tecnologia analógica tradicional, a
exemplo da alta eficiência, robustez e elevada capa-
cidade de padronização dos componentes. Há traba-
1 Tradução dos autores. O termo fluid power em português é ex-
presso como hidráulica e pneumática. Porém o artigo citado trata
de hidráulica somente. Título original: Is the future of fluid power
digital?
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
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lhos que por meio da hidráulica digital conseguiram
comprovar o aumento de rendimento energético
(Linjama, 2009, Heitzig et al., 2012, Kogler et al.,
2013, Theissen et al., 2013, Dell’Amico et al., 2013,
Karvonen et al., 2014, Ketonen et al., 2014).
Em uma das maiores áreas de aplicação da hi-
dráulica, Burget and Weber (2012) apresentam uma
análise positiva sobre o crescimento do mercado mó-
bil mundial e indicam tendências para melhorar de
eficiência das máquinas em até 40%, sendo que entre
as possibilidades está a aplicação da hidráulica digi-
tal e o uso de sistemas híbridos.
Aliando os resultados da eficiência energética às
normas mundiais de redução de poluentes, centros de
pesquisas mundiais estão desenvolvendo trabalhos na
área de hidráulica digital. Neste contexto de inova-
ção, o Brasil está apenas iniciando as pesquisas e
apresenta um grande potencial de crescimento.
Com o intuito de demonstrar à sociedade de pes-
quisa brasileira os benefícios da técnica, este artigo
tem como objetivo apresentar as características e
tendências da hidráulica digital, evidenciando como
esta tecnologia pode melhorar o rendimento dos sis-
temas hidráulicos.
Tendo em vista que não há conhecimento sobre a
existência de referências em português sobre o assun-
to, este trabalho também sugere o uso de alguns ter-
mos técnicos para a tradução. Outrossim, também é
apresentado neste trabalho uma nova proposta de
classificação para os sistemas digitais.
2 Sistemas Hidráulicos Tradicionais
De acordo com Linsingen and De Negri (2012) e
Linsingen (2013) um sistema hidráulico pode ser
entendido como um conjunto de componentes inter-
conectados que permite a transmissão e controle de
força e movimento, sendo que, uma associação apro-
priada destes componentes permite diferenciar as
funções de um circuito tradicional em quatro unida-
des: Conversão Primária, Limitação/Controle, Con-
versão Secundária e Reservatório/Condicionamento.
Na Figura 1 pode ser observado um circuito hi-
dráulico aberto tradicional. O circuito foi subdividido
nas quatro unidades básicas, segundo Linsingen and
De Negri (2012).
A forma mais comumente utilizada em sistemas
hidráulicos atualmente é o controle da pressão e va-
zão por meio de válvulas que possuem orifícios que
restringem a passagem do fluido. Estas válvulas con-
sistem em elementos resistivos que requerem uma
diferença de pressão (perda de carga) para a efetiva-
ção do controle da vazão ou pressão (De Negri et al.,
2014, Scheidl et al., 2008). Neste sentido, o principal
objetivo dos sistemas hidráulicos digitais é a redução
da influência dos elementos resistivos a passagem do
fluido no controle da potência hidráulica, com o in-
tuito de aumentar o rendimento do sistema. O uso da
hidráulica digital amplia as possibilidades de uso de
técnicas regenerativas.
M
Unidade de Conversão Secundária
Unidade de Limitação e
Controle
Unidade de Conversão Primária
Unidade de Condicionamento
e Reservatório
Figura 1. Circuito Hidráulico Aberto. Simbologia segundo a nor-
ma ISO 1219 (2006).
Este raciocínio não necessariamente afirma que a
hidráulica tradicional está aproximando-se do seu
limite, mas reforça uma reflexão sobre a necessidade
de oferecer novas possibilidades tecnológicas para a
resolução dos problemas enfrentados pelos sistemas
hidráulicos.
Além do uso da hidráulica digital, outras linhas
de pesquisas estão sendo desenvolvidas com o mes-
mo objeto de aumento de eficiência como, por exem-
plo, o uso de sistemas sensíveis ao carregamento (lo-
ad sensing), transmissões hidrostáticas, sistemas ana-
lógicos de reaproveitamento de energia e desenvol-
vimento componentes mais eficientes (Achten, 2010).
3 Hidráulica Digital
A definição de hidráulica digital e a sua classificação
tem sido fruto de discussões na comunidade acadê-
mica (Achten et al., 2013), deixando estes conceitos
em aberto.
A definição mais referenciada é a proposta por
Linjama (2011), que diz que sistemas hidráulicos
digitais são “sistemas hidráulicos que possuem com-
ponentes discretos os quais controlam ativamente a
saída do sistema”.
Entretanto, as discussões estão um pouco mais
inconclusivas com relação à classificação das abor-
dagens. A exemplo, Wang et al. (2011) comentam
que os sistemas digitais podem ser classificados em
sistemas que aplicam válvulas on/off tradicionais, os
que usam válvulas on/off conectadas em paralelo e os
que utilizam válvulas de rápida comutação (ou rápido
chaveamento2). De qualquer forma, tendo em vista a
ausência de convenções, neste trabalho será proposta
2 A tradução para “chaveado” é referente à adotada em fontes
eletrônicas chaveadas. Por sua vez, o uso do termo “comutação”
faz referência à mudança de posição de válvulas hidráulicas. Ter-
mo em inglês “switching”.
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
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uma classificação de acordo com as quatro unidades
funcionais sugeridas por Linsingen and De Negri
(2012) e Linsingen (2013).
Por sua vez, o objetivo dos sistemas hidráulicos
digitais está claramente definido e almejam reduzir a
dissipação de energia ocasionada pelo uso de elemen-
tos resistivos. Entre as abordagens utilizadas estão
substituição por elementos, ou combinações destes,
que ofereçam menor perda de carga ou o uso de sis-
temas que apresentem indutância como efeito predo-
minante.
Pesquisadores que atuam na área destacam que a
hidráulica digital possui uma série de potenciais van-
tagens em relação aos sistemas tradicionais (Linjama,
2011, Scheidl et al., 2012):
Componentes robustos e confiáveis;
Menor influência de contaminantes;
Redundância a partir do uso da técnica de
conexões em paralelo;
Componente padronizado e de menor custo;
Alta eficiência.
Entretanto, a hidráulica digital também possuí
consideráveis desafios (Linjama, 2011, Achten et al.,
2013):
Ruído e oscilações de pressão;
Durabilidade e vida útil com a técnica de
comutação;
Tamanho físico e preço com a técnica de
conexão em paralelo;
Controle difícil e não convencional.
Nas seguintes seções serão discutidas algumas
das pesquisadas em hidráulica digital.
4 Abordagens em Sistemas Hidráulicos Digitais
Conforme mencionado na segunda seção, as pesqui-
sas existentes serão classificadas de acordo com as
quatro unidades funcionais sugeridas por Linsingen
and De Negri (2012) e Linsingen (2013). Segundo
esta classificação, a energia mecânica de entrada, a
qual é resultado de uma conversão externa de energia
química ou elétrica, sofre uma conversão primária
para energia hidráulica. Utilizando sinais ou informa-
ções do operador ou de outro equipamento a energia
hidráulica é limitada e condicionada, para se tornar
apropriada para a conversão secundária em energia
mecânica por atuadores. Por sua vez, a energia mecâ-
nica é utilizada para movimentar uma carga externa.
A unidade de reservatório e condicionamento inclui
controle de contaminantes e temperatura e não será
abordada neste trabalho (Figura 1).
4.1 Unidades de Conversão Primária
Encaixam-se nesta classificação os conjuntos de
componentes conhecidos na comunidade de pesquisa
internacional como bombas digitais. Atualmente, os
estudos, ainda em fase de protótipo, utilizam um con-
junto de válvulas e bombas para conseguir desempe-
nhar a função de conversão desejada. Este aspecto
pode gerar discussões se as válvulas aqui englobadas
pertencem a esta unidade ou à de limitação e contro-
le. Todavia, optou-se por esta classificação conjunta
por considerar que o objetivo é unicamente o supri-
mento de energia hidráulica e que o produto físico
final será único, a exemplo de bombas com variação
de vazão e compensação de pressão.
A Figura 2 (a) apresenta uma bomba digital ba-
seada no conceito de chaveamento rápido. O conceito
possui uma unidade de deslocamento fixo cuja vazão
é continuamente comutada entre a linha de suprimen-
to e o reservatório. Diferentes técnicas de controle de
chaveamento da válvula podem ser aplicadas
(Schepers et al., 2012).
A bomba digital apresentada na Figura 2 (b)
consiste em um determinado número de bombas de
deslocamento fixo no mesmo eixo, sendo que cada
unidade pode ser conectada ao sistema ou ao reserva-
tório de forma independente. Esta configuração é
baseada em conexões em paralelo e cada unidade
possui uma válvula on/off que define se a unidade
opera com carga ou em vazio. Diferentes sequências
matemáticas podem ser utilizadas para definir o ta-
manho de cada unidade (Linjama, 2011, Uusitalo,
2010).
M
M
1/0
1/0
1/0
a) b)
Figura 2. Configurações de bombas digitais. a) chaveamento
rápido b) Conexões em paralelo.(Linjama, 2011).
Nas bombas digitais do tipo pistão, cada pistão
pode ser controlado por válvulas on/off. Podem ser
classificadas como bomba (Figura 3) ou bomba-
motor. Estas bombas operam de forma similar às
bombas digitais do tipo unidade de deslocamento
fixo, entretanto, podem operar com cursos parciais de
bombeamento (Linjama, 2011). Na configuração
bomba, cada pistão pode operar suprindo vazão para
o sistema ou em vazio. A configuração bomba-motor
diferencia-se por incluir a operação em motor, além
dos modos já citados. Estas configurações necessitam
de contínua comutação das válvulas de controle.
Atualmente, apenas a empresa denominada Ar-
temis3 produz este equipamento em nível comercial.
Há estudos deste equipamento para diversas aplica-
ções, como em energia das marés, veículos pesados,
veículos leves e na área industrial. Rampen (2006)
3 http://www.artemisip.com/.
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
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apresenta um estudo de aplicação desta bomba-motor
em uma turbina eólica.
Figura 3. Bomba de pistões digital. (Linjama, 2011).
A principal vantagem deste tipo de bomba é a al-
ta eficiência em relação aos sistemas tradicionais
(Wadsley, 2011). A potência requerida para geração
de energia hidráulica em uma bomba é resultado da
multiplicação da vazão pela pressão. Neste sentido,
estas bombas digitais reduzem o consumo de energia
reduzindo a vazão de saída da bomba, quando está
não é necessária.
Bombas de deslocamento variável, com compen-
sação de pressão e que operam segundo a pressão
solicitada pelo sistema (load sensing) são uma alter-
nativa analógica para aumento da eficiência. Compa-
rativamente, estudos como o de Merrill et al. (2010)
mostram que as bombas/motores de deslocamento
variável apresentam uma eficiência maior que 90 %
quando operam em máximo deslocamento. Entretan-
to, em deslocamentos da ordem de 20 %, a eficiência
reduz para valores em torno de 60 a 80 %. Esta redu-
ção de eficiência não é observada nas bombas digi-
tais do tipo pistão, as quais apresentam uma eficiên-
cia maior que 90%, mesmo para deslocamentos na
ordem de 20 %.
Por fim, uma variação da associação de bombas
e válvulas digitais é o sistema de gerenciamento de
potência hidráulica digital (Figura 4). O Sistema de
gerenciamento de potência hidráulica digital
(DHPMS - Digital Hydraulic Power Management
System) é uma nomenclatura usada por Linjama
(2011) para designar um sistema composto por um
conjunto de bombas/motores de deslocamento fixo
ou variável os quais possuem um determinado núme-
ro de saídas independentes controladas por válvulas
on/off.
Cada saída do DHPMS comporta-se como uma
bomba-motor digital. As pressões e a direção da va-
zão na saída são arbitrárias e praticamente não possui
efeito nas perdas do sistema. Isso significa, por
exemplo, que a energia hidráulica a partir da redução
de uma carga pode ser recuperada para o acumulador
ou enviada para outra saída, mesmo se a pressão do
acumulador é maior que a pressão da carga. Assim, a
capacidade de armazenamento do acumulador pode
ser aproveitada integralmente.
O sistema de gerenciamento de potência pode ser
dividido em três tipos de saídas independentes. A
primeira das saídas é a linha de baixa pressão (LP -
low pressure), a qual normalmente é a linha de retor-
no pressurizada. A segunda, opcional, é a linha de
alta pressão (HP - high pressure), na qual está conec-
tado o acumulador. Por último, têm-se as saídas para
os atuadores (A, B, C e assim por diante), as quais
dependem do sistema a ser controlado (Linjama and
Huhtala, 2010). Uma das possíveis aplicações do
DHPMS é a sua conexão direta com o atuador a fim
de reduzir as perdas do sistema, entretanto, há desa-
fios em relação a sua funcionalidade.
Figura 4. Sistema de gerenciamento de potência hidráulica digital.
(Linjama, 2011).
4.2 Unidades de Limitação e Controle
Conforme já mencionado, o controle e limitação
das variáveis pressão e vazão em sistemas tradicio-
nais são normalmente realizados por controle de ori-
fícios, os quais de forma resistiva provocam uma
perda de carga. Em sistemas digitais a estratégia é
justamente reduzir o efeito resistivo imposto pelos
orifícios.
Uma alternativa é o controle por meio de associ-
ação em paralelo de válvulas. As válvulas conectadas
em paralelo com a finalidade de alimentar uma câma-
ra do atuador são consideradas como Unidade de
controle de vazão digital (DFCU – Digital flow con-
trol unit) (Figura 5 (a)). Como pode ser observado,
depois de cada válvula on/off, há uma restrição, sen-
do esta opcional. A restrição é utilizada para situa-
ções onde se deseja limitar a vazão de uma das válvu-
las para então obter uma determinada sequência de
valores vazão. Visto que no diagrama de circuito
hidráulico é inconveniente apresentar dezenas de
válvulas on/off, a Figura 5 (b) apresenta uma repre-
sentação simplificada de uma DFCU. A Figura 5 (c),
por sua vez, apresenta um esquema de quatro DFCUs
para controlar um atuador. As unidades de controle
de vazão digital B-T e A-T possibilitam que a vazão
seja direcionada das câmaras B e A do atuador para o
reservatório. As DFCUs P-B e P-A permitem que a
vazão da fonte de pressão seja direcionada para as
câmaras B e A do atuador.
Por meio de restrições ou do uso de diferentes
tamanhos de válvulas, pode ser ajustada a capacidade
de vazão de cada válvula que compõem a DFCU.
Logo, pode-se criar uma determinada sequência de
valores de vazão em cada DFCU. Esta sequência
pode seguir diversos padrões, como potência de dois
(1,2,4,8 ...), Fibonacci (1,1,2,3,5, ...), modulação por
número de pulsos (1,1,1,1, ...), dentre outros
(Linjama, 2011, Uusitalo, 2010).
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1/0 1/0 1/0
a) b)
B-TP-BP-A
A-T
BA
c)
Figura 5. a) Unidade de controle de vazão digital -, b) Simbologia
da DFCU e c) Conjunto de DFCUs para utilização em atuador.
(Linjama, 2011).
Em Linjama and Vilenius (2005) as propriedades
do controle de vazão na entrada e na saída (separate
meter-in and separate meter-out control – SMISMO)
são combinadas com as válvulas on/off, constituindo
quatro DFCU para o controle de dois atuadores em
paralelo. O objetivo dos autores é evidenciar a possi-
bilidade de controle do movimento de um atuador
com uma considerável eficiência energética por meio
do uso de válvulas on/off de baixo tempo de resposta.
Foram obtidos resultados, por meio de simulação,
que apresentam uma redução de 36 % na perda de
potência quando comparado com os sistemas hidráu-
licos tradicionais. Cita-se também os trabalhos de
Huova et al. (2010) e Huova and Linjama (2012)
para reforçar a capacidade de redução da perda de
energia dos sistemas que empregam válvulas digitais
conectadas em paralelo. Estes trabalhos apresentam
índices de redução de perdas em torno de 33 % a 71
%, dependendo do tipo de movimento, carregamento
e método de controle, quando comparado aos siste-
mas hidráulicos tradicionais.
Outra alternativa para o controle da potência hi-
dráulica de forma digital é por meio do uso da
inertância do fluído. Nestes sistemas a proposta é
adaptar as técnicas bem sucedidas de fontes eletrôni-
cas chaveadas para sistemas hidráulicos (Brown,
1987).
O uso de válvulas de rápida comutação é a prin-
cipal característica dos sistemas hidráulicos chavea-
dos (Switching Hydraulic Systems). Ao contrário dos
sistemas digitais paralelos, que utiliza muitas válvu-
las dispostas em paralelo, os sistemas chaveados ne-
cessitam de um pequeno número de válvulas e estas
são comutadas a uma alta frequência.
A saída destes sistemas é determinada pela lar-
gura e frequência dos pulsos de chaveamento da vál-
vula. Algumas técnicas podem ser empregadas para o
controle do chaveamento (Schepers et al., 2012) co-
mo, por exemplo, a técnica de modulação por largura
de pulso (Pulse Width Modulation – PWM).
A Figura 6 (a) mostra o exemplo de um conver-
sor hidráulico chaveado do tipo Step-up ou Boost.
Neste circuito, quando o caminho da vazão for P-T a
pressão interna ( Sinp ) reduz e o fluído é acelerado no
tubo. Quando a válvula é comutada (P-A e T bloque-
ado) o momento de inércia do fluído no tubo causa
um aumento da pressão interna e consequentemente
aumenta a pressão da carga ( Lp ). Na sequência, o
pórtico da carga será fechado enquanto o fluido é
novamente acelerado. A Figura 6 (b) apresenta o
circuito elétrico equivalente e a Figura 6 (c) o sinal
PWM aplicado à válvula de rápida comutação.
pS
P TpSin
qVS
qVT
pT
A
L
(C)
(R)
pL
Carga
Principal
qVL
CL qVML
qVCL
qVI
TswλTsw t
Uc
P-T
0
c)
1
P-A
a)
b)
iS
iTVS CL
LVL
VT
iL iML
iCL
iI
Carga
Principal
Tubo
Longo
Figura 6. Conversor Hidráulico Chaveado - Step-up ou Boost. a)
Circuito Hidráulico, b) Circuito Elétrico e c) Sinal PWM. (De
Negri et al., 2014).
Scheidl et al. (2008) e Kogler and Scheidl
(2008) apresentam outros exemplos para estes tipos
de sistemas. Guglielmino et al. (2010) apresentam
resultados de uma aplicação de um conversor hidráu-
lico do tipo Buck para controle de potência em robó-
tica, na qual obteve ganho de rendimento de até 50%
em relação ao uso de uma válvula proporcional.
Kogler et al. (2013) também apresentam resultados
equivalentes para simulações com base em parâmetro
específicos e modelos validados sobre um protótipo
desenvolvido na Áustria.
4.3 Unidades de Conversão Secundária
A Figura 7 apresenta configurações de motores
digitais, os quais apresentam semelhanças quando
comparados com as bombas digitais. A configuração
de rápida comutação, evidenciada na Figura 7 (a),
altera continuamente entre torque completo e nulo,
enquanto que a configuração baseada em conexões
em paralelo, Figura 7 (b), possui diversos motores
hidraulicamente independentes no mesmo eixo, no
qual o deslocamento volumétrico do conjunto pode
ser configurado de acordo com as necessidades do
sistema (Linjama, 2011).
Em linhas gerais, as pesquisas com atuadores di-
gitais são majoritariamente focadas em cilindros. Por
meio de uma ótica ideal, os cilindros digitais teriam
as áreas de suas câmaras ajustadas de forma contínua.
Porém, isso é difícil ou talvez impossível. Entretanto,
há soluções que possuem um número definido de
áreas do atuador (Figura 8). Estes atuadores são cha-
mados atuadores multicâmaras pois possuem mais de
duas câmaras.
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
711
a) b)
Figura 7. Motores digitais. a) Sistema Chaveado b) Sistema Para-
lelo. (LINJAMA, 2011).
A Figura 8 (a) mostra um atuador com três câ-
maras, sendo este o caso mais simples. O comporta-
mento deste atuador, assim como o seu método de
controle foi estudado por Huova and Laamanen
(2009). Neste trabalho, a partir do uso de válvulas
digitais e um método de controle inteligente, os auto-
res alcançaram uma redução de até 66 % das perdas
de energia no movimento do atuador quando compa-
rado com os sistemas hidráulicos tradicionais que
utilizam válvulas proporcionais e bombas load sen-
sing.
a) b)
Figura 8. Cilindros digitais. (a) Três câmaras. (b) Quatro câmaras.
(Linjama et al., 2009).
Uma variação é o atuador com quatro câmaras.
A Figura 8 (b) mostra uma equivalência para dois
atuadores ligados em paralelo, mas que também pode
apresentar estrutura compacta, similar à Figura 8 (a).
De acordo com Linjama (2011) quatro câmaras em
uma mesma estrutura de atuador é praticamente o
limite máximo de câmaras. O número de valores de
força possíveis é dado por NM, onde N é o número de
diferentes níveis de pressões de suprimento e M é o
número de câmaras.
A abordagem dos atuadores multicâmaras faz
mais sentido quando válvulas digitais são aplicadas
para o seu controle. Em Linjama et al. (2009) é apli-
cado o método de controle de posição “secondary
control” em um atuador com quatro câmaras, mas
para tanto, utilizando um controle de força em uma
malha interna. São utilizadas duas linhas de pressão
(alta e baixa pressão), em que cada linha pode se
conectar com cada câmara do atuador por meio das
válvulas on/off. Com isso, 16 níveis distintos de força
são obtidos para o atuador, o qual depende do estado
das válvulas on/off e da pressão nas linhas. De acordo
com os autores, foi possível reduzir em mais de 60%
a perda de energia, quando comparado com o sistema
tradicional baseado em load sensing. Este resultado é
possível devido à recuperação de energia e das meno-
res perdas por restrição. Um método de controle si-
milar foi usado por Huova et al. (2010) na aplicação
do atuador multicâmaras para um equipamento mó-
bil, onde foram obtidos resultados equivalentes.
Teixeira (2012) e Dell’Amico et al. (2013) também
apresentam trabalhos utilizando atuadores com qua-
tro câmaras para aplicação em uma retroescavadeira.
Neste último caso foram utilizados três níveis dife-
rentes de pressão, sendo possível obter 81 diferentes
níveis de força.
4.4 Associação de Bombas e Válvulas Digitais
A associação de bombas e válvulas digitais con-
siste na união das tecnologias apresentadas nas Se-
ções 4.1 e 4.2 para controlar diretamente o movimen-
to de um ou mais atuadores.
O uso de unidades de deslocamento fixo associ-
adas às válvulas on/off para controlar diretamente o
atuador é estudado atualmente pelo IFAS (Institute
for fluid power drives and controls). Os circuitos
hidráulicos propostos podem ser vistos na Figura 9, a
qual mostra a proposta de sistema hidráulico digital
em circuito aberto (Heitzig et al., 2012). Os autores
também propõem um sistema em circuito fechado
que pode operar em modo bomba, motor e em vazio.
Heitzig and Theissen (2011) realizam compara-
ções entre o uso de bombas analógicas e digitais.
Também é analisado o uso compartilhado de uma
bomba digital, onde uma bomba digital é utilizada
para o controle de dois ou mais atuadores. As carac-
terísticas do sistema para diferentes números e tama-
nhos das bombas também são investigadas. De acor-
do com os estudos apresentados, as bombas digitais,
tanto na configuração compartilhada ou não, apresen-
tam uma relevante eficiência quando comparada com
as bombas tradicionais de deslocamento variável. É
importante comentar que as bombas de deslocamento
variável analógicas possuem perdas consideráveis
quando operam abaixo da sua capacidade de máxima
carga. Já as bombas digitais são o oposto. Suas per-
das dependentes da pressão, como vazamentos e atri-
to, são reduzidas quando a bomba opera em condi-
ções parciais de carga. O trabalho de Heitzig et al.
(2012) apresenta estudos que comparam as gradua-
ções de bombas de potência de base dois e três em
relação à precisão, eficiência e comutação das válvu-
las. Também é realizado um estudo sobre os tempos
de atraso das válvulas para o acionamento e desliga-
mento, de forma a melhorar o desempenho do siste-
ma e evitar curtos-circuitos.
Figura 9. Proposta de sistema hidráulico digital (Heitzig et al.,
2012).
Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
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4 Conclusão
Conforme apresentado, é possível vislumbrar que a
hidráulica digital apresenta várias potencialidades,
todavia ainda existem inúmeros desafios. Apesar de
diversos trabalhos teóricos e experimentais, até o
presente momento existem poucas aplicações fora da
fase de protótipos.
O tamanho e o preço dos componentes podem
ser citados como um dos desafios que devem ser su-
perados para uma ampla aplicação da hidráulica digi-
tal (Linjama, 2011). Todavia, pesquisas como as
apresentadas em Paloniitty et al. (2014) e Lantela et
al. (2014), indicam a possibilidade de obtenção de
válvulas com tamanhos reduzidos e com custo mais
acessível quando implementada sua produção em
massa (Scheidl et al., 2012). Outros desafios associa-
dos à hidráulica digital são ruído, picos de pressão e
controle não convencional (Achten et al., 2013).
De forma geral, existem dois centros de pesquisa
que iniciaram a nova geração de estudos na área de
hidráulica digital, sendo um deles é em Linz, na Áus-
tria e outro em Tampere na Finlândia. Não menos
importante, há várias universidades que estão em
processos avançados de pesquisa, como Bath na In-
glaterra, Linköping na Suécia, Minnesota nos Estados
Unidos e Aachen na Alemanha.
Neste sentido, uma das ideias do presente traba-
lho é fortalecer no Brasil o desenvolvimento de sis-
temas que usem os princípios da hidráulica digital.
Nacionalmente, o Laship4 da Universidade Federal
de Santa Catarina está iniciando pesquisas na área,
atuando em conjunto com o Center for Fluid Power
and Motion Control (PTMC, Bath) (De Negri et al.,
2014) e o Division of Fluid and Mechatronic Systems
(FLUMES, Linköping) (Teixeira, 2012, Locateli et
al., 2014a, Locateli et al., 2014b).
Agradecimentos
Os autores são gratos ao CNPq (Conselho Nacional
de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) pelo
suporte financeiro.
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