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]

Motores de Corrente Contínua (DC)

Um motor DC simples é apenas constituído por uma bobina que é livre de rodar num campo magnético.

A corrente (contínua) para a bobina é fornecida por uma pilha/bateria, através de duas escovas que, ao movimentar-se, fazem contacto com um anel dividido em partes.
A bobina é colocada perante um campo magnético estacionário, criado, por exemplo, por dois ímanes. As forças provocadas nos fios condutores que transportam a corrente eléctrica criam um
torque na bobina.

Figura 1 Figura 2

A força F num fio de comprimento L, que é atravessado por uma corrente i, quando é posta perante um campo magnético B, é dada por:

F = i x L x B x sen do ângulo entre B e I, que será 90º se o campo for uniforme vertical.

A direcção de F pode ser obtida usando a regra da mão direita, como mostrado na Figura 1.

As duas forças aqui mostradas são iguais e opostas, mas são deslocadas verticalmente, e por isso provocam um torque. (As forças nos outros dois lados da bobina actuam ao longo da mesma linha e por isso não provocam torque.)

(*) Torque não é mais do que uma força rotacional. Pense por exemplo quando está a tentar rodar o volante de um carro para a direita: a mão esquerda faz força para cima e a direita para baixo. Essas forças provocam um torque e fazem o volante rodar.

A bobina pode também ser considerada um dipolo magnético, ou um pequeno íman eléctrico, como é indicado pelas seta S –> N:
Enrole os dedos da sua mão direita na direcção da corrente, e o seu polegar será o pólo Norte.

Na Figura 2, o electroíman formado pela bobina do rotor está representada como um íman permanente, e o mesmo torque (não esquecer que o Norte atrai o Sul e vice-versa) pode ver-se a actuar de modo a fazê-lo alinhar-se com o íman principal/estator.

Repare no efeito das escovas no anel dividido em partes.
Quando o plano da bobina que roda atinge a horizontal, as escovas perdem o contacto com o anel, abrindo-se o circuito, (de qualquer forma, muito pouco é perdido, pois este é o ponto de torque zero – a força actua para o interior).
O momento angular (‘embalagem’) que a bobina carrega consigo fá-la passar este intervalo e a corrente então flui na direcção oposta, o que inverte o dipolo magnético. Assim, depois de passar o ponto de intervalo (ponto morto), o rotor continua a rodar no sentido contrário aos ponteiros de relógio e começa a alinhar-se na direcção oposta, e assim sucessivamente.

O torque gerado num círculo completo varia com a separação vertical das duas forças. Portanto, depende do seno do ângulo entre o eixo da bobina e o campo magnético.
Contudo, devido ao anel dividido em partes, esse torque é sempre no mesmo sentido.

A animação abaixo mostra a sua variação no tempo, e pode pará-la em qualquer ponto e verificar a direcção aplicando a regra da mão direita.