Curso Profissional de Electrónica, Automação e Comando
Disciplina de Electricidade e Electrónica
Módulo: Osciladores
Disciplina: Automação e Comando
Módulo: Robótica

[…continuação]

Modulação por Largura de Impulso (PWM) – Parte 4/4

5. – Controlo da Velocidade de um Motor DC Passo-A-Passo de um Robot

5.1. Funcionamento e Ajustes

A modulação de largura-de-impulso é um método eficiente para ajustar a quantidade de potência entregue a uma carga eléctrica.

Um circuito simples, contendo um circuito integrado inversor, díodos, potenciómetro e condensador, cria um PWM de duty-cycle variável. Uma resistência e um transístor comutam cargas mais elevadas do que o CI 74AC14 conseguiria fazer sozinho.

Digamos que você tem um lindo motor DC rotativo para o seu robot. O problema é que o motor é um pouco rápido demais para depurar/afinar o funcionamento do robot, ou até demasiado rápido para utilização final.

Para afinar, você deseja que o motor rode a 1/3 ou 1/4 da velocidade total. Mas substituir o motor seria caro e desmontá-lo e montar o outro é coisa de ‘doidos’.

Você mede a corrente do motor sem carga (em vazio, sem nada para ‘puxar’), a 5V, e obtém 88 mA.

Nota pois que há uma resistência aparente de 56 ohm (5V / 0,088 A).

Poderá a velocidade do motor ser reduzida para 1/3 se inserir uma resistência de 112 ohm, para que ele receba apenas 2/3 da potência?

Para experimentar com resistências diferentes, insira um potenciómetro de 200 ohm entre o motor e a terra (GND).

Figura 9 – ERRO!

Comece por alimentar o circuito com a resistência configurada para 0 ohm.
De seguida movimente o cursor do potenciómetro até mais ou menos 112 ohm.
O motor é um bocado ‘preguiçoso’, mas parece que funciona e vê-se que está lento.
Desligue agora o circuito.

Quando realimentar o circuito de novo (ainda com o cursor na mesma posição, 112 ohm), o motor não roda mesmo! ESTRANHO!!!

O problema é que um motor é uma carga eléctrica variável.

O motor precisa de muito mais potência na fase de arranque do que depois, quando está já a funcionar em pleno.
A resistência de 112 ohm é muito elevada para o motor conseguir arrancar.
Os motores também precisam de muito mais potência quando um robot vai a subir uma colina ou quando empurra qualquer coisa.

Há uma outra razão pela qual uma resistência não é uma boa escolha para controlar a potência entregue a uma carga de valor elevado:
À medida que as exigências de potência aumentam, rapidamente excederá a potência suportada por uma resistência ou potenciómetro “normais”. O componente electrónico ficará muito quente e depois, muito provavelmente, avaria/queima.

Além disso, uma resistência gasta/consome muita energia na forma de calor (perdas, portanto). Num robot alimentado a pilhas, é mesmo preferível não desperdiçar energia (ou arranjar uma pipa de massa para comprar pilhas).

A modulação de largura-de-impulso é a salvação!

Figura 10 – Esquema de um circuito PWM, modulador de largura-de-impulso, controlando a velocidade de um motor.

Substituindo o potenciómetro por um transístor, a velocidade do motor pode ser controlada através do duty-cycle de uma onda quadrada.

Há duas diferenças entre a parte condutora deste circuito e do do LED:
. O transístor, Q3, deve ser mais potente que um 2N3904. Um 2N2222 está OK, para motores pequenos.
. Um díodo, D3, foi adicionado, para absorver os picos indutivos do motor. Um 1N914 ou um 1N4001 serve, para pequenos motores, mas é preferível um 1N5817.

No esquema acima, repare que o motor pode receber 12V, apesar de o CI 74AC14 ser alimentado a 5V. Isto é possível porque a saída do integrado alimenta a resistência do transístor, e não directamente o motor. A resistência, o transístor e o díodo, em conjunto, ajudam a isolar as tensões lógicas das tensões do motor.

5.2. Limitações Práticas do Controlo do Motor por PWM

Utilizando este circuito PWM, consegui alterar a velocidade do motor GM6 do Solarbotics, de 145 RPM a 5V para um valor tão baixo como 0,18 RPM a 5V.

Como pode imaginar, o consumo de potência diminuiu correspondentemente, pois o motor estava a OFF na maior parte do tempo.

Contudo, duvido que o motor fosse capaz de transportar uma carga (movimentar um robot) com uma tão grande alteração da velocidade do motor. Se precisar realmente de alterar a velocidade do motor de forma drástica, utilize engrenagens ou um motor diferente.

A modulação de largura-de-impulso é difícil abaixo dos 25% no caso dos motores porque eles não alcançam a mesma inércia rotacional em confronto com as resistências estáticas, devido à massa lubrificante, engrenagem, e intervalos entre comutadores.

De facto, para que o GM6 rode tão lentamente, tive de reduzir a frequência do PWM a apenas 100 Hz, substituindo o C2 por um condensador de 1 microF. Isto permitiu a cada impulso “ON” tempo suficiente para arrancar o motor com um movimento ligeiro antes da pausa do tempo a “OFF”.

Um outro truque interessante para o controlo do motor com o PWM é aplicar o dobro da tensão standard do motor. Normalmente, o PWM funcionará com um duty-cycle de 50% de forma a que a velocidade total do motor não se altere (o dobro da tensão mas metade do “tempo a ON”).
Mas, com o acrescento de tensão, o robot pode agora ajustar a velocidade do motor acima (ou abaixo) da sua velocidade normal.

Um aspecto estranho do PWM nos motores é que ele pode criar um chiado audível. Basicamente, se escolher uma frequência do PWM na gama audível, o dispositivo mecânico oscilará, muito provavelmente, de forma audível.

Aumentar a frequência para valores superiores a 20 kHz pode silenciar o chiado do motor. Mas, alguns motores, transístores, ou integrados drivers para motores são incapazes de comutar entre ON e OFF a uma velocidade tão elevada.

Precisará de experimentar a escolha da frequência correcta para o seu motor particular, sistema montado, semicondutores, e carga. Eu escolhi 1 kHz porque é provável que funcione com a maioria dos motores, mesmo que não de uma forma silenciosa ou electricamente óptima.

5.3. Vantagens da Modulação de Largura-De-Impulso

Espero que este artigo lhe tenha mostrado como é fácil controlar a velocidade de um motor, o brilho, e potência de um dispositivo eléctrico com a utilização de apenas uma mão-cheia de componentes electrónicos.

Este circuito é melhor do que usar uma resistência fixa ou variável para cargas de valor elevado ou variáveis, tais como motores e displays de LEDs.

Uma solução PWM baseada num microcontrolador utiliza menos componentes e tem a flexibilidade de podermos variar o duty-cycle e a frequência através de software.

Isso pode ser uma vantagem numa batalha de mini-sumo, onde a busca tem de ser desempenhada a uma velocidade do motor muito pequena, mas o duty-cycle precisa de crescer até aos 100% “ON” para empurrar o oponente.

Contudo, pode acrescentar integrados a este circuito se quiser ser capaz de seleccionar uma de entre várias velocidades. Por exemplo, utilizando um demultiplexer ou outro integrado de selecção-de-caminho, pode ligar o caminho entre a saída do 74AC14 e o potenciómetro para passar num de vários potenciómetros com o cursor em várias posições, cada um para uma ocasião, pois.

[FIM]

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[…continuação]

Modulação por Largura de Impulso (PWM) – Parte 3/4

4. Aplicações – Controlo da luminosidade/brilho de um LED e de um display de 7 segmentos (leds)

É agora a altura de pôr este circuito a funcionar com um driver de motor…

Temos um circuito simples para gerar uma modulação de largura de impulso com duty-cycle variável. As próximas secções são dedicadas a aplicações em que esse circuito PWM é ligado a um componente electrónico.

4.1. Controlo do Brilho de um LED

Para efeitos de teste, é melhor começarmos com uma carga simples, pequena e segura. Vamos começar tentar ajustar o brilho de um LED com a onda quadrada modulada em largura de impulso.

Figura 6 – Esquema de um LED ligado à onda quadrada de saída do circuito PWM.

–> Ligue uma resistência de 180 ohm e um LED de qualquer cor ao pino 4 do CI 74AC14, como se mostra no esquema acima.

–> Rodando o cursor do potenciómetro alteramos o valor do “tempo a ON” que o LED recebe, o que lhe modifica o seu brilho.

–> Se o LED não acender, verifique se ele está bem ligado ou se o ligou ao contrário.

–> Se brilhar muito qualquer que seja a posição do potenciómetro, utilize uma resistência de menor valor em série com o LED. Ou, talvez esteja a usar um circuito integrado de saída mais fraca, como o 74HC14, em vez do recomendado 74AC14.

–> O cursor do potenciómetro pode não funcionar exactamente como estava à espera, pois rodá-lo para a esquerda pode fazer o brilho do LED aumentar e não diminuir. Isso é porque a saída da primeira porta lógica inversora está a ser invertida outra vez pela segunda porta lógica. Ou seja, a saída é o oposto do sinal original.
Se pretender pode corrigir este problema, alimentando a saída do pino 4 na entrada do pino 5 (e desligar o pino 5 da terra – GND). Isto inverterá o sinal mais uma vez, de forma a que o pino de saída 6 baterá certo com a polaridade do pino 2. Contudo, não utilize o pino 2 directamente, porque ligar uma carga (o LED) alterará a carga e a descarga do condensador.
Uma outra opção: Em vez de usar uma porta lógica extra, pode rodar o LED e ligar o seu ânodo a +5V em vez de à terra (GND). Ou pode, simplesmente, ignorar esta situação.

–> Assumindo que consegue agora controlar o brilho de um LED, poderá perguntar-se a si próprio para que servirá todo este circuito complexo, quando podia simplesmente ligar um LED a um potenciómetro para controlar o seu brilho.
Bem, tem razão. O exemplo do LED é apenas para efeitos de diagnóstico/teste.

Para que o circuito PWM valha a pena ser montado e mostre todas as suas capacidades insubstituíveis, ele deverá controlar cargas variáveis, ou cargas maiores do que um simples potenciómetro pode fazer.

4.2. Controlo do Brilho de Vários LEDs ou Display de 7-Segmentos (leds)

Vamos começar com um esquema imperfeito de um circuito para controlo de brilho de um LED. Pode tentar utilizar este circuito numa breadboard, mas não o utilize na vida real porque ele não controla o brilho muito bem.

Figura 7 – Esquema de um potenciómetro controlando directamente o brilho de um display de 7-segmentos numérico, feito com leds.

Um display de 7-segmentos numérico pode mostrar números entre 0 e 9, assim como algumas letras e símbolos.

Cada LED individual (segmento) tem uma resistência limitadora de corrente para o proteger contra a possibilidade de brilhar mais do que o suportado, o que corresponde a, digamos, cerca de 20 mA.

Os segmentos (LEDs) são controlados por um CI (um microcontrolador ou um CI específico para o display de leds) que pode ligar e desligar individualmente cada um dos LEDs, aplicando 5V aos seus terminais de ânodo (com a indicação de ‘a’ a ‘g’). Para efeitos de teste, pode esquecer o integrado de controlo do display e ligar simplesmente fios condutores dos 5V para as resistências dos LEDs que quer acender.

Este é um display de cátodo-comum. Isto significa que todos os LEDs partilham o mesmo fio/terminal de terra (GND), 0V, no seu cátodo.

Até agora temos apenas boa engenharia 🙂

Um principiante em electrónica colocou um potenciómetro no lado do cátodo, como se vê na figura, para controlar o brilho.

Com o número ‘1’ iluminado no display (os dois leds mais à direita acesos), o principiante ajusta o brilho para um nível satisfatório.

Agora vem o problema. O número ‘8’ é então mostrado, o que faz acender todos os 7 segmentos do display. O display está agora muito menos brilhante que anteriormente, porque os 7 LEDs estão agora a partilhar a resistência do potenciómetro, que tinha sido ajustada para apenas 2 LEDs 🙁

Concluímos pois que uma resistência variável única não funciona quando a carga muda (de dois LEDs para 7 ou vice-versa).
Em vez de tentar alterar a resistência para modificar o brilho, vamos antes alterar o nosso velho “tempo a ON” e, consequentemente, o “tempo a OFF”.

Figura 8 – Esquema de um modulador de largura-de-impulso (PWM) controlando o brilho de um display numérico de 7-segmentos.

Este circuito é quase igual ao anterior. A diferença é que o potenciómetro foi substituído.

A onda quadrada de duty-cycle variável do circuito PWM é alimentada através de uma resistência (R3) para um transístor (Q3) e para o cátodo comum de todos os LEDs.

O transístor é o interruptor de luz. Quando a onda está HIGH, o transístor liga os LEDs. Quando a onda está LOW, o transístor desliga os LEDs.

Como o PWM é mais rápido do que o olho humano consegue detectar (1 kHz, neste exemplo), o ligar/desligar do transístor (piscar dos leds) não é visível.

Mas a relação global entre o “tempo a ON” e o “tempo a OFF” muda o brilho dos LEDs ao longo do tempo, qualquer que seja o número de LEDs estejam ligados. Esta é uma mudança digital que afecta todos os LEDs da mesma forma (estão ON ou OFF).

Q3: Um transístor bipolar standard, como o 2N3904 ou o 2N2222. O transístor é necessário porque este display pode precisar até 140 mA (7 LEDs x 20 mA cada) e o pino de saída do 74AC14 só consegue fornecer 25 mA. Pode usar um transístor mais potente (Zetex 4 amp ZTX1047A) para displays maiores contendo mais LEDs.
R3: Uma resistência de 1 kohm. Esta resistência limitadora-de-corrente não afecta o brilho. É apenas necessária para evitar que uma corrente muito elevada possa fluir através da base do transístor.
Tem agora à sua disposição, depois de tudo o que foi dito, uma técnica para ajustar a potência entregue a uma carga grande ou a uma carga variável (utilize um transístor e um circuito PWM).

Um motor pode ser considerado ambas as coisas: carga elevada e variável. Vamos tentar…

[continua…]