Circuitos de mecatrônica e robótica (MEC048)

Os projetos de mecatrônica e robótica existem uma interface apropriada entre a parte eletrônica e a parte mecânica. Na maioria deles esta interface consiste num pequeno motor de corrente contínua. Se bem que estes motores possam ter características diferentes, o importante é o circuito que o controla e para isso existem muitas possibilidades que nem sempre o projetista conhece. Neste artigo descrevemos diversos circuitos de controles de motores de corrente contínua que podem ser usados em projetos de mecatrônica e robótica.

 

Os motores de corrente contínua, com tensões de alimentação entre 3 e 12 volts e correntes de até 1 ampère podem ser usados facilmente para movimentar braços mecânicos, elevadores, esteiras e até mesmo veículos de pequeno porte e robôs alimentados por bateria.

Além da parte mecânica que pode exigir polias, correias ou caixas de redução, um problema que o projetista destes dispositivos encontra é o controle elétrico e eletrônico dos motores.

Como o sentido de rotação do motor depende da polaridade da alimentação e a velocidade da tensão aplicada dentro da faixa permitida, o uso de circuitos eletrônicos não é difícil e para os que conhecem alguns componentes básicos a montagem de controles é relativamente simples.

Damos a seguir diversos circuitos que podem ser adaptados para funcionar como motores de 3 a 12 volts e que exijam correntes de até 1 ampère.

Estes motores tanto podem ser conseguidos de pequenos eletrodomésticos fora de uso (alimentados por pilhas e baterias) como de brinquedos, principalmente carrinhos que podem fornecer unidades de boa potência.

 

Circuito 1

Controle simples de motor

Para acionar um motor a partir de um conjunto de pilhas, bateria ou fonte de alimentação o circuito indicado é o mostrado na figura 1 onde a polaridade da ligação do motor vai determinar o seu sentido de rotação.

 

Controle simples de motor.
Controle simples de motor.

 

O capacitor é usado para amortecer as comutações das escovas do motor tornando seu funcionamento mais suave e evitando a produção de pulsos de transientes no circuito alimentado.

Este componente é especialmente importante quando a bateria usada alimenta outros circuitos ao mesmo tempo, pois sem o capacitor pode ocorrer interferência.

Se o circuito usar um controle remoto, o capacitor é muito importante pois evita a irradiação de interferências. Valores entre 100 uF e 1000 uF com tensão de trabalho um pouco maior que a usada na alimentação podem ser usados, observando-se sua polaridade.

 

Circuito 2

Inversão do Sentido de Rotação

Na figura 2 mostramos como deve ser ligada ma chave de 2 pólos x 2 posições ou HH para fazer a inversão do sentido de rotação de um pequeno motor de corrente contínua.

 

Inversão do sentido de rotação.
Inversão do sentido de rotação.

 

Na mesma figura damos a identificação dos pólos desta chave que pode ser conseguida com facilidade em aparelhos fora de uso ou adquirida em casas especializadas.

Observe que o que esta chave faz é inverter o sentido da corrente que circula no motor. Como a corrente é invertida, o capacitor depois da chave deve ser de poliéster despolarizado de 100 nF. Para uma filtragem melhor com um capacitor eletrolítico de 100 a 1000 uF, sua ligação deve ser feita antes da chave.

Este circuito é indicado para o caso em que se faz o controle de um braço mecânico ou de um robô e ele deve ter movimentos em dois sentidos. A chave pode ficar longe do sistema ligada por fios longos.

 

Circuito 3

Controle de dois motores

Dois motores podem ser ativados alternamente com o circuito da figura 3.

 

Controle de dois motores.
Controle de dois motores.

 

Com a chave na posição 2 o motor M1 é ativado e com a chave na posição 3 é o motor M2 que é ativado. A chave de 1 pólo x 2 posições pode ser conseguida em aparelhos fora de uso ou ainda pode ser usada uma chave HH. No caso da chave HH aproveitamos apenas metade como indicado na figura.

Este circuito combinado com o da figura 2 possibilita o controle de dois motores com rotação nos dois sentidos, ou seja, podemos fazer qualquer um dos motores rodar no sentido desejado no momento em que quisermos.

 

Circuito 4

Motor Pulsante

Este circuito é indicado para a aplicação que o motor não deve simplesmente rodar mas dar um pequeno impulso em algum dispositivos pelo toque num interruptor de pressão. Conforme mostra a figura 4 o que temos é um capacitor de valor muito alto ligado em paralelo com o motor de corrente contínua.

 

Motor pulsante.
Motor pulsante.

 

Quando damos um toque no interruptor de pressão o capacitor se carrega e depois se descarrega pelo motor mantendo em funcionamento por alguns segundos, dependendo de sua corrente.

Em lugar de S1 como interruptor comum de pressão podem ser usados sensores como por exemplo relés, reed-switches, micro-switches e outros dispositivos que produzam pulsos curtos de corrente.

 

Circuito 5

Reversão Por Relé

O circuito mostrado na figura 5 inverte o sentido de rotação de um motor enquanto o interruptor S1 for pressionado.

 

Reversão por relé.
Reversão por relé.

 

Veja que S1 pode ser tanto um interruptor de pressão como um sensor de qualquer tipo (reed-switch, chave de fim de curso, sensor de toque, etc.). O relé usado deve ter a mesma tensão usada na alimentação do motor neste circuito, mas nada impede que o relé seja alimentado por um circuito externo de controle.

Se for necessário usar um capacitor para amortecer os transientes devido à comutação do motor ele deve ser ligado em paralelo com a alimentação.

Este circuito pode ser combinado com outros mostrados neste artigo de modo a se obter um comportamento mais complexo do sistema.

 

Circuito 6

Biestável de Controle

Com um toque no interruptor S1 o motor liga e assim permanece até que um toque no interruptor S2 o desliga. O circuito mostrado na figura 6 pode ser usado em muitas aplicações importantes de robótica e mecatrônica.

 

Biestável de controle.
Biestável de controle.

 

Como os interruptores S1 e S2 podem ser sensores, tais como reed-switches, chaves de fim de curso e outros sensores, as aplicações são ilimitadas.

Basta dar um toque num interruptor por exemplo, e uma esteira se move até transportar um objeto até seu final. No final, o sensor S2 é ativado e a esteira para de modo automático.

O SCR não precisa de radiador de calor para motores até 500 mA. Acima disso será conveniente usar uma pequena chapinha de metal para esta finalidade.

O diodo D1 serve como filtro para evitar que pulsos de transientes gerados na comutação das bobinas do motor apareçam sobre o SCR causando seu desligamento em momento indevido.

Se houver tendência ao desligamento mesmo com o diodo, um capacitor eletrolítico de 100 µF a 1 000 µF deve ser ligado também em paralelo com este componente.

Um ponto importante que deve ser observado neste circuito é que há uma queda de tensão da ordem de 2 volts num SCR ligado. Isso quer dizer que a tensão de alimentação deve ser 2 V maior que a exigida pelo motor de modo a compensar esta perda. É por este motivo que a tensão mínima de entrada sugerida para estes circuitos é de 6 volts.

 

Circuito 7

Motor Acionado Por Luz

Um flash de luz dirigido ao LDR faz com que o SCR dispare e o motor seja acionado no circuito da figura 7.

 

Motor acionado por luz.
Motor acionado por luz.

 

Para desligar, o que pode ser feito por um interruptor de pressão, chave de fim de curso, reed-switch ou outro tipo de sensor deve-se ativar S2.

A sensibilidade do circuito é ajustada em P1.

Para se obter maior diretividade e sensibilidade do LDR evitando o acionamento pela luz ambiente ele deve ser instalado num pequeno tubo opaco com uma lente convergente na sua frente.

Se houver tendência ao desligamento errático pela comutação do motor, um capacitor de 100 a 1 000 µF deve ser ligado em paralelo com o motor.

O SCR só precisará de um pequeno radiador de calor se o motor exigir correntes de mais de 500 mA. Este circuito pode controlar correntes de até 2 ampères.

Deve ser lembrada a queda de tensão de 2 volts produzida no SCR em condução.

 

Circuito 8

Motor Acionado Por Sombra

A passagem de um objeto diante do LDR de modo a causar uma sombra momentânea aciona o motor que assim permanecerá até que S1 seja ativado. O circuito mostrado na figura 8 usa como um sensor um LDR ou foto-resistor.

 

Motor acionado por sombra.
Motor acionado por sombra.

 

Da mesma forma que no circuito anterior P1 controla a sensibilidade e para maior diretividade o LDR deve ser montado num tubinho opaco com uma lente a sua frente.

Este circuito pode ser usado para detectar a colocação de um objeto diante de um braço

mecânico acionando sua pinça de modo automático de modo a prendê-lo.

Numa esteira, a colocação de um objeto faz seu acionamento até o momento em que uma chave de fim de curso (S1) a desligue.

Devemos lembrar a queda de tensão de 2 volts no SCR em condução compensando-a na alimentação.

 

Circuito 9

Circuito de Tempo Para Motor

Este circuito pode ser usado como um automatismo de tempo para o acionamento de motores em robótica e mecatrônica. O que temos na figura 9 é um circuito que retarda o acionamento do motor que ocorre um certo tempo depois que o interruptor S1 é fechado.

 

Circuito de tempo para motor.
Circuito de tempo para motor.

 

O tempo vai depender tanto do ajuste de P1 como do valor de C1 que pode ficar entre alguns segundos a alguns minutos.

Novamente temos pontos importantes a observar neste circuito:

O primeiro é que uma vez acionado, para desligar é preciso tanto abrir o interruptor S1 como apertar S2 por um instante.

O segundo é que deve ser compensada a queda de tensão da ordem de 2 volts que ocorre no SCR em condução.

Finalmente, se o SCR tender a um desligamento errático ou ainda a instabilidades, um capacitor de 100 a 1000 µF deve ser ligado em paralelo com o motor.

 

Circuito 10

Interruptor de Potência

Alguns sensores delicados como reed-switches e mesmo sensores feitos com chapinhas de metal muito pequenas não suportam as correntes elevadas dos motores e tendem a queimar-se rapidamente não operando mais ou ainda causando problemas de funcionamento intermitente.

Uma maneira de se evitar este problema consiste em se usar um transistor como interruptor de potência e fazer seu acionamento por uma chave de baixa corrente, conforme mostrado no circuito da figura 10.

 

Interruptor de potência
Interruptor de potência

 

Neste circuito S1 pode ser um reed-switch, um interruptor de lâminas de construção caseira ou uma chavinha de fim de curso que operará com alguns miliampères de corrente apenas.

O transistor usado deve ser dotado de um pequeno radiador de calor. Recomendamos o BD135 para motores até 500 mA e o TIP31 para motores até 1 ampère.

Um ponto importante deste circuito é que diversos sensores podem ser ligados em paralelo para fazer o controle do motor.

 

Circuito 11

Interruptor de Potência 2

Uma versão que opera com a circulação de uma corrente muito menor pelo sensor, usando um transistor Darlington de potência, é mostrada na figura 11.

 

Interruptor de potência II
Interruptor de potência II

 

O resistor de 100 k? limita a corrente pelo sensor a valores inferiores a 1 mA o que permite a utilização de sensores de muito baixa corrente sem problemas.

Qualquer Darlington NPN de potência como o TIP110 pode ser usado neste circuito. Este transistor deve ser dotado de um pequeno radiador de calor se o motor exigir corrente maior que 500 mA.

Observamos que, como no circuito anterior, o motor só se manter acionado pelo tempo em que o interruptor S1 estiver fechado. Em outras palavras, diferentemente dos circuitos que usam SCRs, os circuitos transistorizados não possuem trava.

 

Circuito 12

Motor Acionado Por Sombra

A passagem de um objeto diante do LDR produzindo uma sombra ou ainda o apagamento da luz ambiente faz com que o transistor conduza e o motor seja acionado.

Veja que, diferentemente dos circuitos com SCRs em que basta um pulso de luz para se obter o acionamento que se mantém até que um botão de desarme seja acionado, este circuito não possui trava. O motor se mantém acionado apenas enquanto houver sombra sobre o LDR.

O potenciômetro P1 serve para fazer o ajuste do ponto de acionamento.

Como nos demais circuitos que usam este componente, o LDR pode ser montado num tubinho opaco com lente para se obter maior sensibilidade e diretividade. O transistor deve ser dotado de um pequeno radiador de calor se o motor exigir mais de 500 mA de corrente.

Qualquer Darlington de potência NPN com corrente de coletor de 1 A ou mais pode ser usado neste circuito.

 

Motor acionado por sombra.
Motor acionado por sombra.

 


Circuito 13

Controle de Velocidade

A maneira mais simples de se controlar a velocidade de um motor de corrente contínua é dosando a corrente que circula através dele. Isso pode ser feito com um potenciômetro ou reostato mas esta configuração tem um problema: o reostato ou potenciômetro dissipa muita potência e tende a se aquecer.

Isso significa que deve ser usado um componente especial que além de caro não é muito fácil de obter.

Uma possibilidade melhor consiste em se usar um potenciômetro comum num circuito em que um transistor é que dosa a corrente através do motor.

Esta configuração é mostrada na figura 13 e usa um transistor NPN de potência que deve ser montado num pequeno radiador de calor.

 

Controle de velocidade.
Controle de velocidade.

 

O potenciômetro P1 controla a corrente de base do transistor (de pequena intensidade) que, por sua vez, controla a corrente de coletor que é a corrente principalmente do motor (de maior intensidade).

Combinando este circuito com o inversor de rotação podemos controlar de modo perfeito um motor, levando-o à qualquer velocidade em qualquer sentido de rotação.

 

Circuito 14

Controle de Velocidade 2

No circuito da figura 13 usamos um potenciômetro de 1 k ?. Podemos usar um potenciômetro maior ainda, com corrente menor de controle, usando o controle da figura 14 que emprega dois transistores na configuração Darlington.

 

Controle de velocidade.
Controle de velocidade.

 

Neste circuito a corrente do transistor Q1 é controlada pelo transistor Q2 que, por sua vez, é controlada pelo potenciômetro de 10 k?.

Desta forma a corrente no motor e portanto sua velocidade pode ser ajustada com precisão pelo potenciômetro. Uma vantagem do uso de um componente de baixa corrente é que podemos usar fios longos e finos para ligá-lo. Isso significa que o potenciômetro de controle pode ficar bem longe do aparelho controlado, instalado numa pequena caixa ou painel, por exemplo.

 

Circuito 15

Motor Acionado Por Toque

O simples toque dos dedos num sensor faz com que este circuito acione um motor que entra em funcionamento imediato. O circuito mostrado na figura 15 usa dois transistores na configuração Darlington.

 

Motor acionado por toque.
Motor acionado por toque.

 

O acionamento pode ser feito de duas formas:

A primeira consiste no toque simultâneo em duas chapinhas de metal, uma próxima da outra, ligadas em X e Y. A corrente circulante pelos dedos de quem toca é suficiente para acionar o circuito.

A segunda consiste em se ligar o ponto X à terra (qualquer objeto de metal de grande porte em contacto com a terra). Neste caso, basta tocar em Y para que o motor entre em funcionamento.

O transistor deve ser dotado de um pequeno radiador de calor, e conforme a sensibilidade desejada ou o ganho do transistor de potência pode se necessário reduzir o resistor de 10 k ? até um valor mínimo de 1 k ?.

 

Circuito 16

Controle PWM

PWM é a abreviatura de Pulse Width Modulation ou Modulação Por Largura de Pulso.

O que se faz neste circuito é aplicar pulsos de corrente no motor de que a potência total depende da duração desses pulsos.

Assim, se os pulsos forem curtos e bem espaçados a potência é pequena e o motor gira devagar. Se a duração do pulso aumenta, aumenta a potência e motor gira mais rápido.

A vantagem deste sistema é que, como os pulsos tem intensidade constante (só a duração muda) o torque do motor se mantém e consegue-se ajustara a velocidade em valores muito baixo o que não é possível nos circuitos que usam reostatos.

O circuito mostrado na figura 16 é então um oscilador que produz pulsos cuja duração pode ser ajustada em um potenciômetro.

 

Controle PWM
Controle PWM

 

Aplicando os pulsos num transistor de potência ele consegue controlar um motor de maneira bastante eficiente.

Os circuitos deste tipo são especialmente recomendados para os controles de precisão em que se necessita de baixas rotações sem a perda de torque como por exemplo em braços de robôs.

O transistor usado pode ser qualquer PNP de potência com pelo menos 1 ampère de corrente de coletor e deve ser montado num radiador de calor, conforme o motor controlado.

O valor do capacitor C2 deve ser escolhido conforme o tipo de motor de modo que não ocorram oscilações ou "soquinhos" no funcionamento. O próprio montador deve fazer experiências com diversos valores deste componente até obter o que dê melhor desempenho.

 

Circuito 17

Acionamento Temporizado

O circuito da figura 17 consiste num timer para motor que pode produzir acionamentos de até mais de 15 minutos.

 

Acionamento temporizado
Acionamento temporizado

 

Pressionando-se por um instante S1 (que pode ser um sensor tipo reed-switch, uma chave de fim de curso ou outro) o circuito dispara e o motor entra em funcionamento por um tempo determinado pelo ajuste do potenciômetro.

O valor do capacitor C2 também vai determinar o tempo e pode ficar entre 1 uF e 1 000 uF. Com o potenciômetro de 1 M? e um capacitor de 1 000 uF consegue-se um tempo máximo da ordem de 15 minutos.

Depois deste tempo o motor desliga automaticamente e fica a espera de um novo acionamento por S1.

O transistor deve ser dotado de um pequeno radiador de calor e admite equivalentes.

 

 


Localizador de Datasheets


N° do componente 

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Opinião

Entrando em dezembro (OP207)

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