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Controles PWM de potência (ART006) - Parte 2


O Controle PWM
Como podemos manter o controle sobre a corrente média de um motor de corrente contínua sem diminuir a tensão que lhe seja aplicada, já que é a diminuição da tensão que nos leva aos problema de controle em baixas rotações? Para responder a esta pergunta, mesmo que o leitor tenha suas dúvidas sobre sua possibilidade, existe uma solução técnica bastante engenhosa. Podemos variar a intensidade média da corrente no motor se o alimentarmos com pulsos e controlarmos a duração destes pulsos. Para que o leitor entenda melhor o que queremos dizer vamos explicar detalhadamente o processo.
Se em lugar de alimentarmos o motor com uma corrente contínua pura, e em seu lugar usarmos um elemento qualquer que ligue e desligue rapidamente o circuito, de modo a produzir pulsos retangulares com a duração e o espaçamento iguais (o que pode ser definido como um ciclo ativo de 50%), conforme mostra a figura 5,
teremos um controle sobre a potência final aplicada a carga. Com esse procedimento, a tensão de cada pulso se mantém igual a máxima da fonte, mas seu valor médio aplicado ao motor será apenas metade do valor de entrada.



Figura 5 – Ligando e desligando de modo controlado, podemos variar a tensão média aplicada a uma carga.

Em outras palavras, se a tensão de entrada for de 6 V, o motor recebe pulsos de 6 V, mas se comporta como se, em média, recebesse uma alimentação de 3 V e através dele circulará uma corrente média que corresponde à metade da máxima, que é aquela que circula quando ele recebe 6 V. O motor, nestas condições vai rodar com metade de sua velocidade máxima.
Para alterar a velocidade do motor podemos alterar os pulsos aplicados de duas formas. Se aumentarmos a duração dos pulsos, ou seja, mantivermos o elemento que liga e desliga mais tempo ligado do que desligado, o motor recebe alimentação por mais tempo e na média podemos dizer que ele tem uma alimentação correspondente a uma tensão maior, conforme mostra a figura 6.


Figura 6 –Com tempos de liga e desliga iguais, a tensão de saída é metade da tensão de entrada.

Nestas condições o motor gira com mais velocidade. Para diminuir a velocidade do motor, basta reduzir a largura dos pulsos ou seja, manter o elemento menos tempo ligado, conforme mostra a figura 7.


Figura 7 – Pulsos mais estreitos significam uma tensão média menor.

Os pulsos aplicados ao motor ainda serão de 6 V, mas na média, como sua duração é pequena, eles correspondem a uma tensão menor e com isso a corrente no motor também será menor, com consequente diminuição da velocidade. Veja o leitor que se pudermos controlar a largura dos pulsos numa faixa de valores que vá de 1% a 99% por exemplo, teremos um excelente controle da velocidade do motor. Não podemos ter 0% ou 100% por motivos óbvios: ou paramos os pulsos com 0 V ou com 6V! O importante neste tipo de controle é que em toda a faixa de velocidades o motor recebe a tensão máxima e com isso o torque não se altera: mesmo com velocidades muito pequenas, a corrente pelo breve instante em que o pulso está presente é suficiente para tirá-lo da imobilidade mantendo o torque. Como controlamos a velocidade através da largura dos pulsos, ou seja variamos ou modulamos a largura dos pulsos, o processo de controle recebe o nome de modulação de largura de pulsos ou do inglês Pulse Width Modulation que abreviado, resulta na sigla PWM.
Na prática, o elemento usado para ligar e desligar a corrente pode ser uma chave (os contactos de um relê, por exemplo) ou ainda um componente semicondutor, como um transistor comum (bipolar), um transistor de efeito de campo (MOSFET de potência) ou um SCR (Diodo Controlado de Silício). Um oscilador é usado para determinar a velocidade do chaveamento, a qual é muito importante nesse tipo de controle, pois deve casar-se com as características do motor controlado e dos componentes usados no seu controle.



6.2 -Vantagens e Desvantagens
Conforme sabemos, os controles lineares têm várias desvantagens como, por exemplo, a de não se conseguir um controle preciso em baixas rotações com a manutenção do torque. Outra desvantagem está no fato de que o transistor ou outro elemento linear usado no controle faz as vezes do reostato e dissipa calor. Assim, quando o motor está na faixa média de rotações o elemento de controle dissipa quase tanta potência quanto ele, o que significa produção de calor e perdas que podem não ser interessantes em muitas aplicações.
No entanto, quando usamos um transistor ou outro semicondutor para ligar e desligar a corrente produzindo pulsos estes problemas não ocorrem de maneira acentuada. Quando o transistor está desligado e portanto a corrente é zero (entre os pulsos), não há dissipação de calor. Da mesma forma, quando o transistor liga e vai a saturação para conduzir a corrente máxima, sua resistência é praticamente zero e a potência que ele dissipa é quase nula.
Na prática, quando o transistor passa de um estado a outro, ou seja, liga e desliga temos uma variação da corrente que significa uma dissipação de certa potência, mas mesmo assim é ela é muitas vezes menor do que num circuito linear, conforme mostra a figura 8.

Figura 8 – O transistor só dissipa potência nos intervalos em que muda de estado.

Em outras palavras, o rendimento de um circuito de controle de potência PWM é muito maior do que um equivalente linear. Podemos usar transistores de menor dissipação para controlar cargas muito maiores! A desvantagem dos controles PWM está na comutação rápida dos transistores que podem ligar e desligar milhares de vezes por segundo, dependendo do tipo de aplicação e que podem causar instabilidades no circuito. A transição rápida de estado destes componentes gera transientes e sinais de altas frequências que são responsáveis por interferências eletromagnéticas (EMI). Esta interferência pode afetar aparelhos que operem com sinais de rádio, que estejam nas proximidades, como mostra a figura 9.


Figura 9 – EMI é o ruído elétrico produzido por circuitos eletrônicos, capazes de interferir em equipamentos de rádio.

Para evitar estas interferências pode ser necessário empregar filtros ou outros recursos que evitem sua propagação. Este mesmo efeito pode também causar instabilidade em circuitos de controle do mesmo aparelho os quais devem ser providos de recursos para se tornar imunes a EMI.


Tipos de PWM
Na prática podemos ter dois tipos de controle PWM que são utilizados em condições diferentes e que o leitor que faz projetos de mecatrônica pode optar para seu projeto.

a) Controle PWM Anti-Fase
Neste tipo de controle o sinal aplicado ao motor oscila entre o positivo e o negativo, conforme mostra a figura 10.



Figura 10 – Num controle anti-fase temos aplicação de pulsos de polaridades opostas.

Assim, temos pulsos positivos e pulsos negativos aplicados ao motor alternadamente numa freqüência que pode variar entre poucos hertz a milhares de hertz dependendo do tipo de motor a ser controlado e de sua potência. Se a largura dos pulsos for igual ao espaçamento, ou seja, se os pulsos positivos tiverem a mesma duração que os pulsos negativos, a média de tensão aplicada ao motor é zero e ele permanece parado. Na prática, ele vai apenas oscilar na freqüência do sinal aplicado. No entanto, se aumentarmos a duração dos pulsos positivos diminuindo ao mesmo tempo a duração dos pulsos negativos, temos a predominância de tensões positivas aplicadas no motor e ele passa a girar no sentido que estes pulsos determinam, conforme mostra a figura 11.



Figura 11 – A relação entre as larguras dos pulsos determinam não só a velocidade como também o sentido de rotação.

Quanto maior for a largura dos pulsos positivos em relação aos negativos, maior será a tensão média positiva no motor e maior sua velocidade no sentido que ela determina.Da mesma forma, se a largura dos pulsos negativos for maior que a dos pulsos positivos, predomina a tensão negativa na média aplicada ao motor e ele passa a girar no sentido oposto. Tanto maior for a largura dos pulsos negativos em relação aos positivos, maior será a velocidade do motor neste sentido.
A figura 12 dá uma idéia do que ocorre.

Figura 12 – Pulsos negativos mais largos do que os positivos fazem o motor girar no sentido reverso.

Se bem que este tipo de circuito tenha a vantagem de possibilitar um controle de velocidade de um motor de corrente contínua em ambos os sentidos, ele tem uma desvantagem: quando o motor está parado ele recebe praticamente a potência máxima, continuando assim a dissipar energia convertendo-a em calor. Veja que a corrente continua circulando com intensidade máxima nos dois sentidos, mesmo estando o motor parado!
Da mesma forma, qualquer que seja a velocidade do motor num sentido ou no outro, a potência aplicada se mantém constante, pois na média, as larguras dos dois pulsos somada se mantém! Por estas características este tipo de controle só se aplica no controle de motores de potências muito baixas, onde não existem problemas de dissipação de calor tanto pelo motor como pelo próprio circuito de controle.

b) Controle Polaridade/Intensidade
Neste tipo de controle temos circuitos separados para a velocidade e para a polaridade que determina o sentido de rotação do motor.
Conforme mostra o diagrama de blocos da figura 12, temos um oscilador que gera o sinal retangular para o controle de velocidade e uma ponte H que determina o sentido de rotação do motor.


Figura 12 – Controle de velocidade PWM e sentido de rotação para um motor.

O oscilador pode ser um multivibrador astável de qualquer tipo e a ponte H pode ser de qualquer tipo comum. A vantagem deste circuito está no fato de que a potência aplicada ao motor, que é a potência que também o circuito absorve, depende da velocidade. Para menores velocidades, a potência diminui, não havendo o desperdício que ocorre nos controles lineares e anti-fase. A grande maioria dos controles práticos de velocidade/sentido PWM usa esta configuração.

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