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Novos controles de motores DC (MEC073)

Um dos pontos mais críticos no projeto de robôs, automatismos ou ainda em dispositivos de mecatrônica é o controle de motores de corrente contínua. Se bem que existam infinitas possibilidades para se fazer isso e nós mesmos nesta revista tenhamos já explorado muitas delas, nunca é demais abordarmos o assunto com novas configurações. Neste artigo damos algumas configurações interessantes que envolvem o uso de relés, reversão e controle de velocidade.

Se bem que o uso de dispositivos eletromecânicos como os relés nem sempre seja bem visto num projeto de robótica ou mecatrônica existem casos em que, por comodidade, custo ou mesmo outras considerações eles se tornam uma solução atraente.

Podendo controlar correntes elevadas e ainda não tendo o problema da dissipação que ocorre com transistores (mesmo os de efeito de campo de potência), os relés são facilmente acionáveis, mesmo a partir dos níveis lógicos de circuitos digitais ou das portas de um PC.

Damos a seguir alguns circuitos interessantes que envolvem o relé no controle de motores de corrente contínua. Os relés recomendados são para tensões de 5 a 12 volts com uma corrente máxima de acionamento de 50 mA.

O primeiro é um circuito simples para o liga/desliga a partir dos níveis lógicos de um circuito TTL, CMOS ou mesmo da porta paralela de um PC. Este circuito, mostrado na figura 1, pode controlar motores com alimentação independente cuja corrente depende apenas dos contactos do relé usado.

 

Liga / Desliga com relé.
Liga / Desliga com relé.

 

Com a entrada no nível alto o relé é ativado ligando o motor. Podemos inverter esta condição com o uso dos contactos normalmente fechados e um relé.

O circuito da figura 2 faz uso de um relé com contactos duplos reversíveis (2 x 2) para reverter a rotação de um motor de corrente contínua.

 

Invertendo a rotação de um motor com relé de 2 X 2.
Invertendo a rotação de um motor com relé de 2 X 2.

 

O relé usado neste caso deve ter uma corrente máxima de 50 mA com tensão entre 5 e 12 volts. O circuito é compatível tanto com as saídas de funções lógicas TTL como CMOS.

A combinação dos dois circuitos, de modo a se obter o liga/desliga e ao mesmo tempo o sentido de rotação é mostrada na figura 3.

 

Controle combinado liga/desliga e sentido de rotação.
Controle combinado liga/desliga e sentido de rotação.

 

Na tabela verdade junto ao diagrama temos as condições possíveis de acionamento para o motor. Os relés são os mesmos recomendados nas duas aplicações anteriores.

Observe que nestes circuitos todos a tensão de alimentação do motor é independente da tensão de acionamento dos relés usados e das próprias tensões dos circuitos digitais usados.

 

Circuitos Sem Relés:

Se o problema do leitor for o uso de relé podemos dar alkgumas versões alternativas para o controle do sentido de rotação usando transistores comuns.

O primeiro circuito é mostrado na figura 4 e tem a desvantagem de exigir o uso de fonte simétrica, ou seja, de duas baterias com tensão de acordo com o motor usado.

 

Acionamento/reversão sem relé.
Acionamento/reversão sem relé.

 

Neste circuito a corrente do motor pode ser de até 500 mA para os BD135/136 e até 2 ampères para s TIP31/32 que nos dois casos devem ser montados em bons radiadores de calor.

Quando a entrada está no nível alto é o DB135/TIP31 que conduz e portanto a bateria B1 que alimenta o motor. Quando a entrada está no nível baixo é o BD136/TIP32 que conduz e, portanto a bateria B2 que fornece energia para o motor.

Veja que não é possível ter um estado intermediário em que os dois transistores conduzem. No entanto, se a entrada for levada a um terceiro estado (circuito aberto) nenhum dos dois transistores conduz e temos a parada do motor.

Para o caso de se necessitar de uma fonte simétrica para alimentação do mesmo circuito a partir da rede de energia, a configuração da figura 5 pode ser usada. Com os 7806/7906 é pssível obter 6+6 V com corrente de até 1 A. Pode-se também usar os 7808-7908 ou mesmo para outras tensões, alterando-se o transformador também. Os eletrolíticos devem ter uma tensão de trabalho de pelo menos 16 V.

 

Fonte de 6 + 6 V (simétrica) x 1 A.
Fonte de 6 + 6 V (simétrica) x 1 A.

 

Observamos ainda que os circuitos integrados devem ser dotados de bons radiadores de calor e que a pinagem do 7806 é diferente do 7906 conforme mostra a figura 6.

 

Pinagem dos CIs.
Pinagem dos CIs.

 

Controle Linear de Velocidade

O controle de velocidade de motores de corrente contínua utilizando diretamente potenciômetros (reostatos) tem por dificuldade a necessidade de se usar componentes de alta dissipação (potenciômetros de fio).

Podemos controlar a velocidade de motores de até 2 A usando um potenciômetro comum com o circuito da figura 7.

 

Controle linear de velocidade.
Controle linear de velocidade.

 

Este circuito apresenta alguns problemas que devem ser considerados nas aplicações mais críticas.

O primeiro é que o transistor dissipa uma boa potência em determinada faixa de velocidade devendo ser montado em um bom radiador de calor.

O segundo é a perda de torque nas baixas rotações o que faz com que a força do motor também seja modificada juntamente com a velocidade, o que não acontece com os controles PWM.

Assim, a tendência do motor neste tipo de controle é permanecer inerte mesmo à medida que vamos abrindo o controle de velocidade até que repentinamente ele entra em funcionamento já com uma velocidade considerável. Observamos este tipo de comportamento nos controles de velocidade de autoramas que usam controles resistivos: é muito difícil manter o carrinho em uma condição de baixa velocidade.

É por este motivo que nas aplicações de robótica e mecatrônica mais críticas que envolvem movimentos delicados ou rigorosamente controlados o motor de corrente contínua não é uma boa solução.

 

Controle PWM

Num controle PWM a velocidade do motor é determinada pela largura dos pulsos e intervalo entre eles que lhes são aplicados. Como os pulsos possuem uma amplitude constante eles conseguem acionar o motor mesmo em baixa velocidades ou condições de baixas potências. Os motores não param portanto mesmo quando a potência aplicada é mínima e o ajuste nas baixas velocidades se torna muito mais fácil.

Na figura 8 temos um controle de velocidade PWM que usa um circuito integrado CMOS e um transistor de efeito de campo de potência.

 

Controle PWM de motor.
Controle PWM de motor.

 

Neste circuito temos um oscilador com um circuito integrado 4011 (duas portas NAND) onde a frequência e portanto a potência aplicada ao motor através do ciclo ativo é ajustada por P1.

O capacitor C1 é escolhido de acordo com as característica do motor podendo ter valores entre 33 e 47 nF tipicamente mas em alguns casos pode até ser maior chegando aos 100 nF.

O transistor de efeito de campo admite equivalentes mas deve ser montado em radiador de calor. Na verdade, qualquer transistor de efeito de campo de potência de canal N pode ser usada nesta aplicação, sendo que os tipos comuns podem controlar correntes de vários ampères sem problemas.

A entrada E1 serve para controlar o circuito. No nível baixo ela desabilita o oscilador e então o motor para. No nível alto o oscilador é habilitado e podemos controlar a velocidade do motor.

Uma sugestão interessante para este circuito consiste em se trocar o potenciômetro por um LDR caso em que o controle de velocidade pode ser feito por um sensor de luz.

Este sensor tanto pode fazer parte de um "olho" de robô que então terá sua velocidade aumentada sob condições de maior iluminação como até pode ser parte de um acoplador óptico em que o acionamento seja feito por um LED.

 

Controle Combinado

Podemos combinar um duplo liga-desliga com um controle de velocidade e de sentido de rotação com a configuração mostrada na figura 9.

 

Controle combinado.
Controle combinado.

 

Nela, o liga-desliga tanto pode ser feito pelas entradas E1 como E2 que podem ser ligadas a sensores diferentes.

No primeiro caso o liga desliga é feito por um relé caso em que temos um controle isolado do circuito (o que pode ser interessante em algumas aplicações) enquanto que no segundo caso não há isolamento elétrico do motor em relação ao circuito de controle.

O controle de velocidade é feito pelo potenciômetro de 100 k ? enquanto que a reversão é feita pelo relé através da entrada E2, conforme circuito que mostramos na figura 2.

 

Conclusão

Como as possibilidades de configuração são muitos o que o projetista pode fazer combinando circuitos é infinita. Cabe a cada um saber escolher a configuração que melhor se adapte as finalidades do seu projeto.

Neste caso é importante observar que existem características importantes que devem ser analisadas nos controles de motor tais como as que mexem com a inércia, linearidade de atuação, etc.

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N° do componente 

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