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Controle de movimento (MEC069)

O movimento da maioria dos robôs e dispositivos de Mecatrônica é feito por meio de motores de corrente contínua ou de corrente alternada. Controlar estes motores é um ponto fundamental em qualquer projeto, e isso pode ser feito de maneira muito simples com o uso de recursos eletrônicos. Neste artigo abordamos controles do tipo liga-desliga (ON-OFF), que podem ser implementados com chaves, relés, diodos e capacitores. Os blocos que indicamos são ideais para cursos de Robótica como elementos básicos de projetos.

Os motores de corrente contínua são os elementos propulsores da maioria dos projetos que envolvem robôs e automatismos, tais como os explorados nos cursos de Mecatrônica.

O controle destes motores pode ser feito de muitas formas, daí a sua ampla utilização.

O que fazemos neste artigo é mostrar alguns blocos muito simples de controle, que podem servir de ponto de partida para projetos ou formarem ainda os blocos intermediários de projetos complexos.

Fundamentalmente, levamos em conta nestes projetos as propriedades básicas dos motores de corrente contínua com escovas, que são:

a) O sentido de rotação depende do sentido da corrente. Invertendo o sentido de circulação da corrente, invertemos também o sentido de rotação.

b) O torque depende da intensidade da corrente circulante a qual é dada pela tensão aplicada.

c) A rotação depende da carga que o motor deve movimentar e também é função tanto da corrente como da tensão aplicadas.

Partindo destes elementos, temos então as seguintes possibilidades de controle para analisar:

 

1. Controle simples ON-OFF

O modo mais simples de controlar um motor é através de um interruptor em série, conforme mostra a figura 1.

 

Controle liga/desliga.
Controle liga/desliga.

 

O interruptor, na verdade, pode ser um reed-switch, um micro-switch, um relé ou ainda um sensor de qualquer tipo que tenha a possibilidade de ligar ou desligar a corrente.

 

2. Inversão do sentido da corrente por chave reversível

Para inverter o sentido da corrente podemos usar diversas configurações. Na figura 2 mostramos como uma chave 2 x 2 pode ser empregada para inverter o sentido da corrente e, portanto, o sentido de rotação do motor.

 

Inversão do sentido de rotação com chave (ou relé) 2 x 2.
Inversão do sentido de rotação com chave (ou relé) 2 x 2.

 

Na verdade, a chave pode ser substituída por um relé de 2 contatos reversíveis obtendo-se o mesmo tipo de ação. Com o relé energizado, o motor roda num sentido, e sem energização no sentido oposto. Um sensor acoplado ao relé fará com que o robô inverta seu sentido de movimento sempre que ele for ativado.

 

3. Controle seletivo de motores

Aproveitando a propriedade dos diodos semicondutores de conduzir a corrente num único sentido, podemos acionar um motor ou outro por uma linha de corrente contínua empregando apenas dois fios de ligação.

Isso é feito de acordo com o esquema da figura 3.

 

Controle seletivo de motores.
Controle seletivo de motores.

 

Quando a chave inversora de polaridade está numa posição, a corrente circula de modo a polarizar D1 no sentido direto e, portanto, M1 é acionado. Quando o sentido da corrente é invertido na chave, o diodo D2 é polarizado no sentido direto e o motor M2 é acionado.

Veja que, nesta configuração, temos o acionamento de um motor ou outro apenas num sentido.

Podemos também levar em consideração a possibilidade da inversão do sentido da corrente ser feita por um relé.

 

4. Controle Duplo de Motores

Uma configuração muito interessante que pode ser usada para controlar dois motores de corrente contínua empregando-se apenas um par de fios é a mostrada na figura 4.

 

Controle duplo de motores.
Controle duplo de motores.

 

A fonte de alimentação neste caso é o secundário de um transformador de tensão de acordo com a exigida pelos motores (que devem ser de mesma tensão). O que acontece é que este circuito opera com tensões alternadas.

Quando a chave está na posição 1 conectando o diodo D1 no circuito, a corrente circula num sentido e o motor acionado é M1. Quando a chave vai para a posição 2, o diodo D2 é conectado e o motor 2 acionado. Na terceira posição, o sinal é alternado e os dois motores funcionam.

Observe que os motores são alimentados apenas com os semiciclos da tensão alternada. A instabilidade de funcionamento de cada motor pode ser eliminada com a ligação de capacitores eletrolíticos de 10 a 220 µF em paralelo. A tensão de trabalho destes capacitores deve ser um pouco maior do que a tensão usada na alimentação dos motores.

 

5. Reversão num controle por dois fios com diodos

O circuito apresentado na figura 5 usa dois diodos para fazer a reversão do movimento de um motor alimentado por uma fonte de corrente alternada.

 

Reversão com diodos.
Reversão com diodos.

 

Quando a chave está na posição que conecta o diodo D1, o motor gira num sentido, e quando a chave está na posição que conecta o diodo D2, ele gira no sentido oposto. Na terceira posição da chave, o motor está desligado. Um capacitor despolarizado de 10 a 100 µF em paralelo com o motor melhora seu desempenho, já que a operação ocorre apenas com os semiciclos da alimentação alternada e este componente proporciona filtragem.

 

6. Acrescentando inércia

Quando um motor de corrente contínua é alimentado ou desligado, a transição de funcionamento de uma condição para outra é muito rápida, caracterizando uma falta de inércia. Na parada de um robô ou outro tipo de mecanismo, este fato poderá implicar num movimento brusco que irá comprometer a estabilidade do projeto.

Uma idéia interessante a ser explorada é a adição de inércia, o que pode ser conseguido com o circuito da figura 6.

 

Acrescentando inércia.
Acrescentando inércia.

 

Quando o motor é desligado, o capacitor se descarrega através dele mantendo-o em funcionamento por algum tempo. Com sua descarga, o motor reduz sua velocidade suavemente.

O valor do capacitor dependerá da potência do motor. Valores típicos estão entre 100 µF a 4700 µF, e podem ser experimentados.

 

7. Controle duplo com chave reversível

Um outro bloco de aplicação simples para o controle de dois motores é o mostrado na figura 7, que faz uso de diodos e de uma chave 2 x 2 ou relé, conforme a aplicação.

 

Controle duplo com chave reversível.
Controle duplo com chave reversível.

 

Quando a chave reversível está numa posição, o diodo D1 é polarizado no sentido direto e o motor M1 funciona. Quando a chave vai para a outra posição, o outro diodo é polarizado no sentido direto e o motor m2 funciona.

 

8. Onda Completa

Para alimentar um motor de corrente contínua a partir de uma tensão alternada poderemos usar o bloco de ponte com diodos. mostrado na figura 8.

 

Circuito de alimentação de onda completa.
Circuito de alimentação de onda completa.

 

Um capacitor de filtro agregado em paralelo com o motor melhora seu desempenho, já que não só proporciona a filtragem, como estabiliza a tensão num valor mais constante.

 

9. Alimentação de meia onda

Para alimentar um motor de corrente contínua a partir de uma fonte de tensão alternada poderemos usar um diodo e um capacitor, conforme mostra a figura 9.

 

Alimentando um motor com corrente alternada.
Alimentando um motor com corrente alternada.

 

O valor do capacitor dependerá da potência do motor, podendo ficar tipicamente entre 100 µF e 2 200 µF para pequenos motores de 3 a 6 V.

Observe que a tensão no motor ficará próxima da tensão de pico da tensão alternada, em função do valor do capacitor usado.

 

10. Redução de velocidade

Uma queda de tensão na alimentação fará com que o motor reduza sua velocidade (e torque também). O uso de resistores de fio ou potenciômetros de fio para este tipo de controle tem a desvantagem de exigir altas dissipações dos componentes usados.

Poderemos, entretanto, obter reduções de potência com diodos, com dissipações muito menores, veja a figura 10.

 

Reduzindo a velocidade.
Reduzindo a velocidade.

 

Com a chave aberta, a queda de tensão nos diodos faz com que a velocidade do motor seja reduzida (ou normal). Para cada diodo de silício como o 1N4002, temos uma queda de tensão de aproximadamente 0,7 V. Fechando a chave, a alimentação será normal e a velocidade máxima.

Para 4 diodos de silício teremos uma queda de tensão de aproximadamente 2,8 V. Observe que a queda de tensão neste tipo de circuito independe praticamente da corrente do motor, o que não acontece com um redutor do mesmo tipo que use um resistor ou um potenciômetro.

 

11. Outro controle duplo

Uma outra configuração interessante para um controle de dois motores é mostrada na figura 11.

 

Outro controle duplo.
Outro controle duplo.

 

Neste circuito, com a chave numa posição o diodo D1 é polarizado no sentido direto colocando em curto o motor M1. Nestas condições, quem funciona é o motor m2. Na outra posição, o diodo que conduz é D2 e quem funciona é o motor M1.

 

12. Agregando som

O som da comutação das escovas de um motor de corrente contínua pode ser reproduzido diretamente por um alto-falante ligado em série, veja a figura 12.

 

Agregando som.
Agregando som.

 

O alto-falante deve ter uma bobina capaz de suportar a corrente exigida pelo motor. Um modo de proteger um pouco o alto-falante reduzindo a sua potência para o caso de motores de alta corrente, é com a ligação de diodos em paralelo com o alto-falante, conforme ilustra a mesma figura.

 

13. Duas velocidades

Com o circuito apresentado na figura 13, temos o motor "girando" com uma determinada potência, alimentado pela bateria B2. Quando S1 é pressionado ou acionado, entra em ação a bateria B1 de maior tensão, e o motor acelera. S1 pode ser o contato de um relé ligado a algum tipo de sensor ou comando externo.

 

Duas velocidades.
Duas velocidades.

 

Devemos lembrar que o diodo D1, que impede que a corrente da bateria de maior tensão circule pela de menor tensão, provoca também uma queda de tensão da ordem de 0,7 V na tensão da bateria B2.

 

14. Duas velocidades (II)

Um outro circuito de duas velocidades para duas baterias iguais é ilustrado na figura 14.

 

Duas velocidades.
Duas velocidades.

 

Neste caso usamos uma chave de 1 pólo x 2 posições para comutar as baterias e com isso obter duas velocidades para o motor, sem a necessidade de diodos.

 

15. Diversas velocidades

O circuito da figura 15 permite escolher a velocidade de funcionamento de um motor pela seleção da tensão aplicada.

 

Diversas velocidades.
Diversas velocidades.

 

Conforme a chave acionada, teremos a aplicação de uma tensão diferente no motor e com isso uma velocidade. Se duas chaves forem pressionadas ao mesmo tempo, prevalecerá a tensão maior.

As chaves podem ser os contatos de relés ou micro-switches acionados por sensores de movimento, por exemplo.

 

16. Indicador de sentido

Para indicar o sentido de rotação de um motor podemos usar dois LEDs ligados em paralelo, conforme mostra a figura 16.

 

Indicador de sentido - O valor de R dependerá da tensão do motor, podendo ser usada a seguinte tabela para sua escolha.
Indicador de sentido - O valor de R dependerá da tensão do motor, podendo ser usada a seguinte tabela para sua escolha.

 

Dependendo do sentido de circulação da corrente, um ou outro LED é polarizado no sentido direto, acendendo e indicando de que modo gira o motor.

O valor do resistor R dependerá da tensão do motor, podendo ser usada a seguinte tabela para sua escolha:

 

Tensão do Motor

Valor de R

3 V

100 ohms

4,5 V

180 ohms

6,0 V

470 ohms

9 V

820 ohms

12 V

1,2 k ohms

15 V

1,8 k ohms

18 V

2,7 k ohms

24 V

3,3 k ohms

 

17. Controle de duas vias

O mesmo tipo de circuito usado em instalações elétricas para controle de uma lâmpada a partir de dois pontos poderá ser usado com motores, observe a figura 17.

 

Controle de duas vias
Controle de duas vias

 

Neste circuito, dois sensores podem ligar ou desligar um motor conforme sejam acionados de pontos diferentes.

 

18. Redutor sem transformador

Motores de corrente contínua de até 500 mA podem ser alimentados diretamente a partir da rede de energia sem o uso de transformador, com o redutor improvisado mostrado na figura 18.

 

Redutor sem transformador.
Redutor sem transformador.

 

A lâmpada de 40 W fornece até 400 mA na rede de 110 V, enquanto que uma lâmpada de 60 W poderá fornecer um pouco mais de 600 mA.

Este circuito não tem isolamento da rede de energia e só deve ser usado em aplicações em que este fato não comprometa a segurança do projeto. Uma aplicação é no teste de bancada de motores.

 

CONCLUSÃO

Os blocos de controle apresentados neste artigo são extremamente simples e muitas idéias podem surgir em torno de suas configurações. Porém, o importante é que eles não só podem ser usados sozinhos, como podem ser associados das mais diversas formas.

Um bloco de reversão de movimento, por exemplo, pode ser associado ao bloco de duas velocidades ou controle duplo, e neles ainda agregado o de efeitos de som e indicador de direção.

Para os leitores, o importante é ter em mãos as configurações prontas para seu projeto, sem a necessidade de ficar "quebrando a cabeça" para descobrir como isso pode ser feito.

 

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