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Monte um controle PWM para motores (MEC092)

O conjunto Lego-Dacta mostra-se extremamente versátil na construção de dispositivos mecatrônicos, robôs e muitos outros sistemas que possibilitam ao professor atender às recomendações dos PCNs tanto para o ensino fundamental como médio. No entanto, se a mecânica do Lego-Dacta não tem limites dependendo apenas da imaginação do professor, isso não ocorre com a eletrônica que tem apenas uma fonte de controle para todos os projetos: o microcontrolador programável que acompanha este conjunto. Neste artigo, e em outros que pretendermos levar aos leitores que usam o Lego-Dacta com finalidades didáticas, vamos agregar eletrônica simples aos projetos, mostrando como este conjunto tanto pode ser usado para ensinar as matérias que costam dos currículos do ensino médio e fundamental como também ir além, abrindo a possibilidade de disciplinas eletivas como a eletrônica dada no nível de iniciação.

 

Projeto montado.
Projeto montado.

 

A grande variedade de tipos de peças e a possibilidade de se construir dispositivos móveis que são limitados apenas pela imaginação da cada um fazem do Lego Dacta uma ferramenta de trabalho de grande valia para professores do ensino fundamental e médio.

De fato, o Lego-Dacta oferece recursos mecânicos ilimitados movidos por dois pequenos motores de corrente contínua controlados por um microcontrolador embutido num bloco que pode ser programado a partir de um PC.

No entanto, se o Lego Dacta oferece possibilidade ampla de se jogar com a imaginação e desenvolver principalmente a coordenação motora fina no trato de pequenas peças com montagens mecânicas existe uma limitação mecânica que pode ser facilmente superada.

Fala-se hoje em dia no ensino da Mecatrônica, onde a Mecatrônica é entendida como a união sinergética da mecânica com a eletrônica, e a cada dia mais escolas procuram incluir esta disciplina em seus curriculos, principalmente como matéria eletiva.

No entanto, através do Lego Dacta temos a mecânica em toda sua amplitude associada a uma eletrônica que embutida num microcontrolador, com poucos recursos externos e que portanto não dá a possibilidade aos que desejam ir além nesta ciência de colocarem em práticas novas idéias ou circuitos.

Nossa idéia, com este artigo é mostrar que os motores do Lego Dacta e mesmo os sensores podem ser associados a circuitos montados pelo próprio professor ou aluno que então poderá colocar em prática novas habilidades.

Pode-se explorar o ensino básico de eletrônica aplicado à mecatrônica usando o Lego Dacta, atendendo assim às exigências do PCN de colocar em prática atividades que ensinem tecnologia a partir de fatos práticos que cercam o nosso dia a dia.

Podemos montar circuitos simples usando eletrônica básica e intermediária que controlem os motores do Lego Dacta e tabém usem seus sensores, sem passar pelo microcontrolador aprendendo assim uma tecnologia mais simples antes de passarmos a tecnologia moderno dos microcontroladores e da programação para robótica.

Assim, neste nosso artigo vamos mostrar como é possível montar um circuito simples de um controle PWM que permite variar a velocidade dos motores do LEGO numa ampla faixa de rotações obtendo-se assim um controle fino do movimento de qualquer montagem mecânica que seja realizada com ele.

Mais ainda, vamos mostrar como podemos agregar um sensor óptico a este circuito de modo a controlar a velocidade do motor com uma lanterna ou mesmo a luz ambiente.

Para os professores que desejam ir além ensinando também eletrônica vai aqui um projeto interessante.

 

Para saber mais sobre os circuitos eletrônicos que usamos nestes projetos sugerimos que os leitores acompanhem nossa série "Eletrônica Para a Mecatrônica" que justamente nesta edição trata dos controles lineares de motores e na próxima falará dos controles PWM. (O artigos desta série estão no site)

 

Usando A Matriz de Contactos

A matriz de contactos pode ser considerada uma especie de "Lego" da eletrônica. Nela podemos encaixar e desencaixar componentes e fios formando circuitos que praticamente não têm limites quanto ao grau de sofisticação ou ao que podem fazer.

Conforme mostra a figura 2, a matriz de contactos consiste numa base de plástico com furos onde podem ser encaixados os terminais de componentes e fios de ligação.

 

Matriz de contato.
Matriz de contato.

 

Os furos dão acessos a contactos elétricos que prendem os terminais dos componentes firmemente dando-lhes uma sustentação mecânica e ao mesmo tempo são interligados segundo o padrão da figura abaixo.

 

 

Padrão de interligação dos furos da matriz de contatos.
Padrão de interligação dos furos da matriz de contatos.

 

Isso significa que podemos usar as filas horizontais (A e B na figura) para alimentação (positivo e negativo) e as filas verticais para interligar componentes.

Cada fila vertical funciona portanto como um nodo de um circuito que pode ser transferido facilmente do papel para uma versão real.

Como os terminais dos componentes não são soldados eles podem ser retirados facilmente e usados em outros experimentos. Mais do que isso, podemos facilmente experimentar diferentes valores de componentes num projeto que esteja em fase de elaboração para ver os efeitos obtidos.

Usando matrizes de contactos podemos montar blocos construtivos eletrônicos e associá-los facilmente a dispositivos controlados como os motores do Lego Dacta, sensores, fazer o interfaceamento com computadores e muito mais.

 

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 problemas de controle em baixas rotações como por exemplo a perda de torque?

É muito simples: podemos variar a intensidade média da corrente no motor se o alimentarmos com pulsos e controlarmos a duração destes pulsos em lugar de usarmos uma tensão contínua. Analisemos o que ocorre neste caso.

Em lugar de alimentarmos o motor com uma corrente contínua, o que fazemos é usar um elemento qualquer que ligue e desligue rapidamente de modo a produzir pulsos retangulares com a duração e o espaçamento iguais conforme mostra a figura 4. Com isso, 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.

 

Pulsos retangulares com a duração e o espaçamento iguais.
Pulsos retangulares com a duração e o espaçamento iguais.

 

Em outras palavras, se a tensão de entrada for de 6 V, o motor recebe pulsos de 6 V, mas se comporta como 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 5.

 

Aumentando a duração dos pulsos.
Aumentando a duração dos pulsos.

 

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 6.

 

Reduzindo a largura dos pulsos.
Reduzindo a largura dos pulsos.

 

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 componentes semicondutor como um transistor comum (bipolar), um transistor de efeito de campo (MOSFET de potência) ou um SCR.

 

Nosso Circuito

No nosso projeto prático usamos um circuito integrado 555 que consiste num timer ou oscilador astável para gerar os sinais retangulares com a largura variável.

Neste circuito o capacitor C1, juntamente com R1, R2 e o potenciômetro P1 determinam a largura dos pulsos que vão ser gerados.

C1 é um componente importante no projeto pois ele determina a freqüência média dos pulsos. Dependendo do motor usado, pode ser necessário mudar seu valor.

Por exemplo, com o motor do Lego Dacta, com o valor indicado de 680 nF pode ocorrer uma certa vibração em rotações muito baixas. Esta vibração facilita, na realidade vencer a inércia se o mecanismo a ser movimentado for muito complexo.

Se ela for incômoda na aplicação, basta diminuir o valor deste capacitor.

Com a configuração indicada os pulsos negativos é que tem a largura controlada pelo potenciômetro, conforme mostra a figura 7.

 

Os pulsos negativos têm a largura controlada pelo potenciômetro.
Os pulsos negativos têm a largura controlada pelo potenciômetro.

 

Para inverter estes comportamento o 555 controla um transistor de potência PNP que então atua como inversor, ou seja, ele conduz a corrente para o motor nos pulsos negativos, conforme mostra a figura abaixo.

 

O 555 controlando um transistor de potência PNP.
O 555 controlando um transistor de potência PNP.

 

O transistor usado pode controlar correntes de até 500 mA, com motores de 6 a 12 V mas se o leitor desejar controlar motores de maior potência pode usar o TIP32 que suporta até uns 2 amperes mas deve ser dotado de um radiador de calor. Para o motor do Lego Dacta o BD136 pode ser usado até sem radiador de calor se a alimentação ficar entre 6 e 9 V (4 a 6 pilhas).

 

O motor do Lego Dacta é especificado para uma tensão de 9 V, mas como todo motor de corrente contínua ele opera numa ampla faixa de tensões até 9 V, daí a possibilidade de se usar tanto controles lineares como PWM de velocidade.

 

No nosso projeto trabalhamos com 6 V justamente pela possibilidade de encontrarmos suportes de 4 pilhas facilmente o que não ocorre com suportes de 6 pilhas.

 

Montagem do Nosso Circuito

Na figura abaixo temos o diagrama completo do controle PWM usando um circuito integrado 555.

 

Diagrama completo do controle PWM usando um circuito integrado 555.
Diagrama completo do controle PWM usando um circuito integrado 555.

 

A disposição dos componentes na matriz de contactos é mostrada na figura abaixo.

 

Disposição dos componentes na matriz de contatos.
Disposição dos componentes na matriz de contatos.

 

Especial atenção deve ser dada aos componentes polarizados, ou seja, com posição certa para a montagem que são o circuitom integrado, transistor e o capacitor eletrolítico que serve de filtro evitando que o funcionamento do motor interfira no circuito.

O potenciômetro usado foi do tipo de encaixe na matriz, mas se for usado um potenciômetro comum basta soldar fios nos seus terminais e encaixá-los nos furos correspondentes da matriz.

 

A Parte Mecânica

Utilizando as partes do Lego Dacta e o motor de corrente contínua montamos um mecanismo simples com reduções por engrenagem e transmissão por correias.

Este mecanismo pode ser apresentado como uma "máquina para balanceamento de rodas" em miniatura como as encontradas em oficinas especializadas.

 

Máquina para balanceamento de rodas.
Máquina para balanceamento de rodas.

 

No entanto, qualquer mecanismo acionado pelos motores do Lego Dacta podem ser controlados pelo circuito que descrevemos.

 

Controlando Pela Luz

Uma opção muito interessante que temos para o nosso controle PWM é substituir o potenciômetro por um foto-sensor do tipo LDR (foto resistor ou light dependent resistor).

Com esta substituição podemos controlar a velocidade do motor a partir da intensidade da luz que incide no sensor.

Com maior iluminação a velocidade do motor aumenta e com menor iluminação a velocidade diminui.

Um projeto muito interessante usando este recurso seria montar um pequeno robô contendo dois sensores deste tipo montados de forma cruzada, conforme mostra a figura 12.

 

Sugestão de montagem de robô.
Sugestão de montagem de robô.

 

Com igual grau de iluminação nos sensores o robô segue em linha reta em direção à fonte de luz.

No entanto se mudarmos a posição da fonte de luz, um sensor recebe mais luz que o outro acelerando assim um dos motores de modo a girar o robô que então "procura" a luz e segue em sua direção.

Quando o robô se aproximar da fonte de luz ele vai acelerar, pois é maior a intensidade luminosa sobre os sensores.

Este mesmo controle pode ser usado para se elaborar um robô que siga uma linha branca pintada num chão escuro.

 

Lista de Material

CI-1 - 555 - circuito integrado, timer

Q1 - BD136 - transistor PNP de uso geral

D1 - 1N4002 ou equivalente - diodo de silício

P1 - 100 k ? - potenciômetro comum

R1, R2, R3 - 1 k ? x 1/8 W - resistores (marrom, preto, vermelho)

C1 - 220 nF a 1 µF - capacitor de poliéster (valor sugerido para o Lego Dacta = 680 nF)

C2 - 470 µF x 12 V - capacitor eletrolítico

B1 - 6 V - 4 pilhas pequenas

Diversos: fios, matriz de contacto de 550 pontos, suporte de pilhas, Lego Dacta, etc.

 

Atividades Escolares com o Controle

O controle de velocidade PWM pode ser usado em diversas atividades relacionadas com o currículo do ensino fundamental e médio,atendendo à recomendações dos PCNs.

Vamos sugerir algumas:

 

Ensino Fundamental

* Conceito de Velocidade de Rotação

O conjunto que descrevemos a montagem ou qualquer outro em que tenha peças giratórios pode ser usado para introduzir o conceito de velocidade de rotação. Com o ajuste fino pode-se até contar o número de voltas em cada minuto num experimento prático.

* Conceito de sentido de rotação de engrenagens

A velocidade baixa de rotação que se consegue com o controle PWM possibilita a fácil observação dos sentidos de rotação de diversas engrenagens acopladas.

 

Ensino Médio

* Conceito de Mudança de Velocidade

A contagem dos dentes das engrenagens acopladas e a possibilidade de se contar a rotação com as velocidades mais baixas permite introduzir o conceito de mudança de velocidade de engrenagens acopladas (caixas de redução). O aluno pode contar os dentes das engrenagens, calcular a taxa de reduçãom e depois conferir com a medição na experiência prática

* Alteração de torque

O torque é alterado na proporção inversa da velocidade. Assim, associado ao experimento anterior pode-se medir o torque final de um conjunto de engrenagens comparando com os valores calculados. O torque pode ser medido com um dinamômetro comum, disponível no laboratório de física.

* Disco Estroboscópico

Acoplando-se ao motor um disco raiado e iluminando-o com uma fonte de luz pulsante (fluorescente, por exemplo) pode-se programar experimentos relacionados com o efeito estroboscópico. O ajuste fino da velocidade facilita a realização dos experimentos.

 

 

Veja mais:

* Controle PWM para motores (CIR038)

* Amplificador PWM (ART317)

* Como funciona o PWM (ART006)

* Controle DC PWM (MEC004)

* Ponte H com controle PWM (MEC009)

* Outros artigos com LEGO no site

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Opinião

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