Controle PWM para Robô de Combate (MEC152)

Um dos projetos de grande sucesso que publicamos é o do robô de combate (MEC093) que tem sido adotado em muitas escolas. Uma possibilidade que torna este robô mais versátil e usar um controle PWM reversível para os motores. É justamente esta aplicação que descrevemos agora.

Uma das limitações do robô de combate, que é o nosso robô que carrega um balão e tem agulhas que devem estourar o balão adversário é o tipo de controle usado, conforme mostra a figura 1.

Figura 1 – O robô original

São utilizadas duas chaves que acionam os motores nos dois sentidos, de modo direto.

Assim, o robô não tem um funcionamento suave, com os motores rodando à toda velocidade para frente e para trás o que torna difícil o seu controle em alguns momentos e também brusco.

A idéia deste projeto é utiliza um controle PWM do tipo anti-fase, que já descrevemos em artigos de nosso site (ART006) que permite dosar o movimento de um motor, tanto para frente para trás.

Controlando os dois motores com potenciômetros, temos um controle mais sua e, portanto, mais preciso na realização dos movimentos.

Poderemos colocar os dois potenciômetros horizontalmente numa caixinha com os botões acionados da forma indicada na figura 2.

Figura 2 – Posicionamento dos potenciômetros

Com os potenciômetros centralizados os motores estão parados.

Avançando ou retrocedendo qualquer dos potenciômetros, o motor correspondente avança ou inverte sua rotação com completo controle.

É claro que este tipo de controle tem alguns tipos de desvantagens em relação a um controle comum, se bem que a principal vantagem esteja na sua simplicidade.

Uma desvantagem está na necessidade de se ter uma fonte de alimentação simétrica, o que no caso de pilhas significa pelo menos 8 pilhas se os motores forem de 6 V.

A segunda desvantagem está no fato de que mesmo parado, o motor apresenta um consumo elevado de corrente, o que no caso de pilhas, diminui sua autonomia.

Como Funciona

A base do circuito é um controle PWM anti-fase, que funciona da seguinte forma:

Neste tipo de controle o sinal aplicado ao motor oscila entre o positivo e o negativo, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 – 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 4.

Figura 4 – 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 5 dá uma idéia do que ocorre.

Figura 5 – 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.

Para produzir os pulsos nas larguras desejadas para controlar o motor utilizamos um astável 555 numa configuração adaptada.

Esta configuração tem dois diodos que determinam o tempo de carga do capacitor e, portanto, o nível alto de saída e o tempo de descarga, que determina o nível baixo, conforme mostra a figura 6.

Figura 6 – A configuração do 555

Com o potenciômetro na posição central o tempo de carga é igual ao de descarga e a potência aplicada ao motor é zero.

Para um lado ou para outro, o potenciômetro altera os tempos e com isso os pulsos mudam de duração fazendo com que o motor gire num sentido outro.

Quanto maior for a diferença entre as durações dos pulsos nos sentidos desejados, maior será a velocidade no sentido correspondente.

Um componente crítico deste circuito é o capacitor C1.

Este componente deve ser escolhido para que o motor não vibre muito dependendo de suas características.

A saída do 555 é aplicada a dois transistores de potência complementares de modo que, com os pulsos positivos conduza um e com os pulsos negativos conduza o outro.

Os transistores usados admitem diversas possibilidades.

Para correntes até 500 mA, podemos usar o par BD135 e BD136. Para correntes maiores podemos usar Darlingtons como os TIP110, TIP11, TIP112, TIUP120, TIP121, TIP122, etc.

Veja que, para alimentar o circuito precisamos de uma fonte simétrica que pode ser obtida com dois conjuntos de pilhas com tensão de acordo com os motores usados.

Também podemos utilizar uma fonte ligada à rede de energia, no entanto, ela tira um pouco a mobilidade do operador.

Na figura 7 damos o diagrama desta fonte.

Figura 7 - Uma fonte simétrica para o robô

O circuito completo do controle para um motor é mostrado na figura 8.

Figura 8 – Controle para um motor

Evidentemente, para dois motores devem ser montados dois circuitos de controle como o mostrado.

A montagem tanto pode ser feita em placa de circuito impresso própria como em placa universal ou matriz de contato.

Na figura 9 temos o padrão para uma placa universal com disposição de matriz de contatos.

Figura 9 – Disposição dos componentes

Uma fonte de alimentação estabilizada é mostrada na figura 10.

Figura 10 – Fonte estabilizada

Esta fonte pode ser montada com a disposição de componentes mostrada na figura 11.

Figura 11 – Montagem da fonte

Para testar o circuito, basta alimentá-lo e verificar se o motor gira nos sentidos ajustados pelas posições do potenciômetro.

Se o motor tender a vibrar e não girar altere o valor do capacitor C2.

No robô final, se alimentado por pilhas, use pilhas médias ou grandes, dada a corrente maior dos motores.

Pilhas recarregáveis são a solução ideal, dada sua possibilidade de usar muitas vezes.

Se usar o par DB135, BD136 troque R2 e R3 por 1k Ω x 1/8 W.