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Controles para Motores de Corrente Contínua (MEC176)

Controles de velocidade para pequenos motores de corrente contínua são partes importantes de diversos projetos da área de robótica, modelismo e mesmo equipamentos de laboratórios. Existem muitos dispositivos desenvolvidos em laboratórios de pesquisas que fazem uso de pequenos motores, mas esses exigem controles de velocidade eficientes e até capazes de íazer a reversão de sua rotação. Neste artigo, visando a utilização tanto de motores comuns como dos dotados de caixas de redução, abordamos diversos circuitos de controles de velocidade de grande utilidade.

A forma mais simples de controlarmos a velocidade de um pequeno motor de corrente contínua consiste em se ligar em série com este motor um resistor variável (reostato), de tal forma que possamos alterar a corrente circuIante numa certa faixa de valores, conforme sugere a figura 1.

 

Figura 1 – Controle por reostato
Figura 1 – Controle por reostato

 

No entanto, pelas próprias características do motor e também da ligação, este circuito apresenta algumas desvantagens que merecem ser analisadas.

Uma está no fato de que, formando um divisor de tensão com o motor, o reostato dissipa potência que, na condição mais desfavorável, chega a ser a mesma absorvida pelo motor.

Isso significa que, para motores de alguma potência, precisamos não só utilizar reostatos de fio, com boa capacidade de dissipação, mas também temos que considerar a perda de energia na forma de calor, o que em alimentações por bateria deve ser evitado.

Outro fato que prejudica a eficiência deste tipo de controle é a não linearidade de característica de um motor de corrente contínua típico.

Estes pequenos motores, conforme mostra a figura 2, apresentam impedância dependendo da sua velocidade e da carga movimentada.

 

Figura 2 – A impedância depende da carga
Figura 2 – A impedância depende da carga

 

Assim, rodando “em vazio“, sua resistência é muito mais alta do que quando “carregado" e, do mesmo modo, numa condição de baixa velocidade, sua resistência é maior do que quando em alta velocidade.

Esta não linearidade num controle do tipo reostato torna difícil a obtenção de uma variação constante da velocidade em todo o curso do reostato.

De fato, nas baixas velocidades, a variação da resistência do motor em conjunto com a resistência em série faz com que a rotação e o torque caiam rapidamente, levando o motor a paradas bruscas ou a não partida, senão bruscamente em certo ponto do ajuste, já com boa velocidade.

É evidente que, em certas aplicações envolvendo o controle crítico de movimentos - como em robótica e mesmo modelismo - com maior realismo além dos aparelhos de pesquisa, este tipo de controle não poderá ser usado.

Existem diversas técnicas que permitem superar estes dois problemas e das quais falaremos neste artigo, apresentando inclusive, circuitos de sugestão.

Outro ponto importante que deve ser levado em conta na aplicação dos pequenos motores, é a necessidade de reduções mecânicas, possibilitando a movimentação lenta de peças mais críticas, o que ocorre em modelismo ou robótica.

Um tipo de motor com caixa de redução é mostrado na figura 3.

 

Figura 3 – Caixa de redução com motor
Figura 3 – Caixa de redução com motor

 

Os controles descritos servem perfeitamente para esta caixa de redução e para motores com tensões de alimentação de 3 a 12 V e correntes que chegam a 1 A ou mais.

 

REOSTATO COM UM TRANSISTOR

A maneira mais simples de fazermos o controle tipo reostato, variando a resistência em série com um motor, mas sem necessitar de um resistor variável de alta dissipação, é com um circuito do tipo mostrado na figura 4.

 

Figura 4 – Circuito de controle
Figura 4 – Circuito de controle

 

Neste circuito, o transistor se comporta como resistência variável, dissipando a maior parte da potência nas condições mais desfavoráveis.

A resistência que o transistor apresentará entre o coletor e o emissor e, portanto, a intensidade da corrente no motor que determina sua velocidade, é dada pe!a polarização de base feita por um potenciômetro de 1k.

Com uma resistência de 470 Ω, em série, temos uma corrente máxima para a polarização, perto da saturação, bastante baixa, o que elimina a necessidade de um componente de alta dissipação.

O potenciômetro (P1) poderá ser do tipo comum de carbono.

O diodo em paralelo com o motor tem por finalidade evitar a alta tensão inversa que é gerada pela comutação das escovas do motor com características indutivas.

Esta alta tensão poderia causar a queima do transistor em condições desfavoráveis.

Neste circuito, o transistor Q1 deve ser dotado de um bom radiador de calor e motores com tensões de alimentação de 3 a 12 V e correntes até 500 mA podem ser controlados.

Evidentemente, não temos linearidade de controle nas baixas velocidades, pois se trata de um reostato eletrônico.

 

REOSTATO COM DOIS TRANSISTORES

Numa configuração mais elaborada, podemos ter dois transistores na ligação Darlington a fim de utilizar correntes ainda menores num potenciômetro de controle.

Este é o circuito mostrado na figura 5, que faz uso de um potenciômetro de 10 k ou mesmo maior.

 

Figura 5 – Reostato com dois transistores
Figura 5 – Reostato com dois transistores

 

O princípio de funcionamento deste circuito é o mesmo do anterior.

O transistor Q1 se comporta como uma resistência variável em série com o motor, determinando a intensidade da corrente que circula pelo circuito.

Como a velocidade depende desta corrente, variando a polarização de Q1, variamos também a velocidade do motor.

A polarização de base de Q1 é dada pela corrente de emissor de Q2 que, por sua vez, depende da corrente de base dada pelo ajuste do potenciômetro.

Como a corrente de base do primeiro transistor é multiplicada praticamente duas vezes pelos ganhos dos transistores para ser aplicada ao motor, podemos usar um potenciômetro de controle de muito baixa dissipação.

 

CONTROLE DE CORRENTE CONSTANTE

Este circuito procura eliminar os problemas de variação de corrente de um motor à medida que ele ganha velocidade, quer seja em vista de uma superação da inércia de sua carga, quer por outras características mecânicas do próprio sistema.

Desta forma, podemos obter uma linearidade maior de comportamento, de maneira diferente da obtida por um simples reostato.

O que temos na figura 6 é uma fonte de corrente constante que tem como base um circuito integrado regulador de tensão 7805 ou mesmo 7806.

 

Figura 6 – Controle de corrente constante
Figura 6 – Controle de corrente constante

 

A intensidade da corrente aplicada ao motor depende da tensão de referência, dada pelo integrado, e do resistor R, mostrado no circuito.

A intensidade da corrente será dada por:

I= 5/R

Onde:

I é a corrente, em ampères

R é a resistência, em Ω

No caso do 7806 será dada por 6/R.

Com um potenciômetro de 100 Ω em série com um resistor de 6,8 Ω é fácil calcular a intensidade de corrente na saída deste sistema, que pode ser variada entre:

5/6,8 : 735mA

5/106,8 = 46,8mA

Para uma corrente mínima de menor valor, podemos aumentar o potenciômetro para 220 ou 470 Ω.

Com o segundo valor a corrente mínima obtida será de 10 mA.

Para que este circuito funcione, a tensão na entrada deve ser a tensão do motor acrescida de pelo menos 7 V, no caso do 7805, e 8 V no caso do 7806.

O integrado deverá ser montado num radiador de calor e o capacitor C2 tem por finalidade evitar oscilações do circuito que ocorrem em vista da presença de carga indutiva.

Uma característica importante deste circuito pode ser analisada no caso do controle de motores que movimentam cargas dotadas de certa inércia.

Quando damos a partida no motor, ajustando-o para uma certa velocidade, inicialmente sua movimentação se faz lenta, ganhando velocidade à medida que a inércia de carga vai sendo vencida.

Num controle por reostato comum, à medida que um motor nestas condições ganha velocidade, sua resistência diminui e, conseqüentemente, a corrente aplicada também, o que significa que ele vai perdendo o torque.

A taxa de aumento da velocidade se torna menor ao passo que nos aproximamos do ponto pré-ajustado.

No controle por corrente constante, quando a velocidade do motor aumenta junto com sua resistência, a corrente não diminui de intensidade, mas se mantém constante graças a ação reguladora do circuito.

Isso significa que a taxa de aumento de velocidade até o ponto ajustado se mantém, conforme mostra o gráfico da figura 7.

 

Figura 7 – Curva de variação da velocidade
Figura 7 – Curva de variação da velocidade

 

Em outras palavras, podemos dizer que este circuito consiste num acelerador linear de motores, o que pode ser muito interessante em certas aplicações.

Os controles que vimos têm ainda uma desvantagem em relação ao torque, que depende do ponto em que é feito o ajuste, ou seja, a velocidade ajustada é dada pela redução da potência aplicada ao motor, o que nem sempre é conveniente (figura 8).

 

Figura 8 – Curva de torque
Figura 8 – Curva de torque

 

Um tipo de controle mais sofisticado é o que faz uso de impulsos de amplitude constante mas de relação marca/espaço dada pela velocidade que se deseja obter.

Assim, para uma velocidade menor, o que se faz é ajustar a duraçâo de pulso para um valor mínimo.

Com isso, mesmo na menor velocidade, a tensão aplicada ao motor é máxima e, conseqüentemente, a corrente também naquele curto intervalo de aplicação do pulso, a corrente é máxima e, por conseqüência, o torque se mantém (figura 9).

 

Figura 9 – Trabalhando com pulsos
Figura 9 – Trabalhando com pulsos

 

 

VELOCIDADE MAXIMA

À medida que a largura do pulso vai aumentando, temos uma potência total aplicada maior, que se mantém até atingirmos o valor máximo que nos dá toda a velocidade.

Uma característica muito importante deste circuito é que ele possibilita a partida dos motores mesmo em velocidades muito baixas, pois, no valor mínimo ajustado, temos a aplicação de pulsos de curta duração, capazes de vencer facilmente a inércia do sistema mecânico e fazer o eixo girar.

Com uma caixa de redução como a ilustrada neste artigo, em seu início, conseguimos com um controle deste tipo velocidades incrivelmente baixas, como 1 rpm, quando o máximo se dá com uma velocidade de 40 a 50 rpm.

Trata-se de uma variação linear numa faixa de mais de 40 para 1.

Trata-se, pois, do sistema ideal para quem deseja um controle linear de velocidade na maior faixa possível.

O circuito proposto é mostrado na figura 10.

 

Figura 10 – Circuito de pulsos
Figura 10 – Circuito de pulsos

 

Temos um astável em torno de um integrado 555, mas com uma característica de controle diferente.

As duas seções de P1, um potenciômetro duplo de 100 k, são ligadas de tal maneira que, ao girarmos o eixo do componente, enquanto a resistência de uma aumenta a da outra diminui.

Desta forma, a resistência total se mantém constante e, com isso, a variação final da freqüência não é grande, já que a fórmuIarnos diz que f = 1,45/(Ra + Rb) xC.

A variação de freqüência, conforme podemos perceber, é da ordem de 2 para 1, segundo a expressão acima, mas, em compensação, podemos variar a relação marca/espaço do sinal retangular gerado numa razão melhor que 20 para 1, o que proporciona uma faixa de ajustes de velocidade muito grande, conforme mostram os gráficos da figura 11.

 

Figura 11 – Variação do sinal
Figura 11 – Variação do sinal

 

O sinal retangular obtido, com relação marca/espaço variável, é aplicado à base de um transistor de potência que controla a corrente aplicada ao motor.

Este transistor pode suportar correntes da ordem de 1 A, desde que dotado de um radiador de calor.

O sistema pode ser alimentado com tensões entre 6 e 12 V.

O capacitor C1 é importante, pois determina as durações mínimas dos pulsos e a faixa média de freqüências.

Se usarmos capacitores pequenos, a indutância do enrolamento do motor impede uma resposta rápida, dificultando o controle numa faixa de rotações.

Do mesmo modo, um valor excessivamente grande faz com que os pulsos apareçam na forma de pequenos trancos no motor, que tende a vibrar principalmente nas baixas velocidades.

Para a maioria dos motores, conforme suas características, devem ser experimentados capacitores na faixa de 470 nF a 2,2 µF, inclusive eletrolíticos.

 

CONTROLE PULSANTE COM SCR

Uma boa aproximação do comportamento obtido com o circuito anterior pode ser conseguido com um controle de fase com SCR em que, em lugar de ajustarmos a largura de pulsos retangulares, controlamos a largura de pulsos senoidais cortados a partir da própria rede local.

O circuito proposto é mostrado na figura 12.

 

Figura 12 – Controle pulsante com SCR
Figura 12 – Controle pulsante com SCR

 

O potenciômetro em conjunto com o resistor de 1 k e o capacitor C1 retarda o ponto de disparo do SCR num semiciclo da alimentação e, com isso, determinam a parcela da potência a ser aplicada no motor.

Dependendo da tensão de alimentação e das características do motor, deve ser usado o capacitor que proporcione o controle na faixa ideal.

Este capacitor estará entre 100 e 470 nF.

A corrente máxima admitida para este controle é de 2 A.

Na figura 13 temos as formas de onda obtidas para o controle, observando-se que temos uma corrente contínua pulsante.

 

Figura 13 – Formas de onda no controle pulsante
Figura 13 – Formas de onda no controle pulsante

 

O SCR deverá ser montado num radiador de calor e a corrente de secundário do transformador deve ser de acordo com o motor usado.

 

PARTIDA RETARDADA

Na realidade, este não é um controle de velocidade, mas sim de partida.

Trata-se de um sistema que só aciona um motor depois de decorrido um certo tempo, a partir de estabelecida a alimentação.

Este tempo é dado por um oscilador unijunção, cuja constante de tempo é dada aproximadamente por:

t= R x C

onde:

t é o tempo de retardo, em segundos

R é o valor da resistência, em Ω

C é o valor da capacitância associada, em farads

Fazendo R variável podemos ajustar este retardo segundo nossas necessidades. O circuito completo é mostrado na figura 14.

 

Figura 14 – Partida retardada
Figura 14 – Partida retardada

 

O transistor unijunção produz um pulso de disparo após o intervalo programado, acionando o SCR que alimenta o motor.

É importante observar que ocorre uma queda de tensão da ordem de 2 V no SCR em condução, o que deve ser compensado na alimentação.

Retardos de até mais de meia hora podem ser conseguidos com este circuito, lembrando que C1 não deve ser maior que 1000 µF, por motivos de fugas, e P1 não deve ultrapassar 2M2.

 

LIGA/DESLIGA POR PULSOS

Este também é um circuito de controle e não de variação de velocidade, mas pode ter muita utilidade e até ser conjugado aos.outros circuitos propostos neste artigo.

Trata-se de um sistema que permite o acionamento de um motor por um pulso de curta duração.

Este pulso pode vir de um interruptor de pressão, um reed-switch, ou mesmo de um relé.

Para desligar o motor, um pulso de curta duração é produzido por outro interruptor, reed-switch ou relé.

Trata-se de aplicação interessante para se fazer reversões de movimento, acionamentos em fins de curso, com a passagem de modelos, ou quando determinada posição de um objeto é detectada.

Na figura 15 temos o circuito completo, que funciona como um biestável com um SCR;

 

Figura 15 – Liga/desliga por pulsos
Figura 15 – Liga/desliga por pulsos

 

A aplicação de um pulso no gate do SCR provoca o seu disparo, enquanto que um outro pulso curto-circuita o anodo com o catodo, através de um capacitor despolarizado, desligando o motor.

O SCR suporta correntes de até 2 A com um bom radiador de calor e deve ser compensada a queda de tensão da ordem de 2 V que ocorre na sua condução plena.

Por outro lado, os pulsos de corrente que ocorrem nos interruptores são de pequena intensidade (menores que 100 mA), possibilitando a utilização de reeds ou relés de baixa corrente.

 

CONTROLE DE POTÊNCIA COM E UNJUNÇÂO

Uma versão mais sofisticada de controle de velocidade por retardo de disparo com a fase de uma corrente alternada é dado a seguir.

Em lugar dos pulsos de disparo serem obtidos de uma rede RC variável, eles são gerados por um oscilador de relaxação com transistor unijunção.

A freqüência aleatória dos pulsos gerados em relação à da rede faz com que se obtenha um acionamento médio correspondente a velocidade desejada, conforme mostram os gráficos da figura 16.

 

Figura 16 – Pulsos do controle com unijunção
Figura 16 – Pulsos do controle com unijunção

 

Uma ponte de onda completa nos permite trabalhar com os dois semiciclos da alimentação e obter maior rendimento.

Na figura 17 temos o circuito completo deste controle.

 

Figura 17 – Circuito de controle
Figura 17 – Circuito de controle

 

O SCR pode controlar correntes de até 2A, juntamente com os diodos escolhidos, já que, sendo diodos de 1 A, só conduzem metade do ciclo.

A alimentação de entrada deve ser feita por um transformador com tensão e corrente de acordo com o motor a ser alimentado.

 

CONTROLE DE VELOCIDADE BIDIRECIONAL

Este ó um controle tipo reostato, mas com uma característica especial: com o potenciômetro de controle na posição central o motor permanece parado, girando num sentido ou noutro, com velocidade variável, conforme giramos o potenciômetro para a esquerda ou direita.

Este comportamento é conseguido graças ao uso de uma fonte simétrica e de um amplificador operacional.

Na figura 18 temos o circuito completo do controle, cujo funcionamento é descrito a seguir.

 

Figura 18 – Controle bidirecional
Figura 18 – Controle bidirecional

 

Quando a tensão no cursor do potenciômetro é igual à tensão de referência, dada pelo divisor formado por R3 e R4, a tensão de saída no amplificador operacional é zero.

Temos, então, entre os dois terminais do motor uma tensão nula, o que corresponde a ele parado.

Quando giramos o cursor do potenciômetro no sentido de aumentar a tensão na entrada não inversora (pino 3), a tensão de saída sobe proporcionalmente, polarizando Q1 no sentido da saturação e Q2 no sentido do corte.

O resultado é que a tensão positiva no motor sobe, fazendo-o girar.

A velocidade de subida desta tensão com o giro do potenciômetro é ajustada em P2, que dá o ganho do operacional.

Com P2 na posição de mínima resistência (zero), o amplificador operacional funciona como seguidor de tensão de ganho unitário, caso em que temos a ação mais suave do controle.

Esta ação pode, ainda, ser suavizada com o aumento de R1 e R2 na proporção necessária para o controle desejado.

Quando a tensão no cursor de P1 cai abaixo da referência, a saída do operacional torna-se negativa em relação à resistência de 0 V, polarizando Q2 no sentido da saturação e Q1 no sentido do corte.

O resultado é a aplicação de tensão negativa ao motor, fazendo-o girar em sentido oposto ao obtido anteriormente.

Os transistores de potência usados podem controlar facilmente correntes até 1 A, desde que dotados de bons radiadores de calor, e a tensão de alimentação pode ficar na faixa de 9 a 12 V.

Na verdade, podemos também alimentar motores de 6 V, mas estes estão no limite inferior da alimentação do 741.

 

CONCLUSÃO

O controle total de um pequeno motor de corrente contínua pode ser obtido de muitas maneiras, conforme vimos.

Na realidade, estas não são todas e existem até integrados específicos para estas aplicações, assim como circuitos estabilizadores de velocidade e outros.

No entanto, por limitações de espaço, paramos por aqui, esperando voltar em outras oportunidades com outros aplicativos.

Aos interessados em conhecer melhor as aplicações de pequenas caixas de redução com motores de corrente contínua, sugerimos diversos artigos no site que tratam do assunto

 

Bibliografia

- Projetos eletrônicos com 0 555 - E. A. Parr - Seltron

- 110 Operational Amplifier Projects for the Home Constructor - R. M. Marston - Newnes Tecnical Book

- 110 Montajes con Semiconductores - R. M. Marston - Marcombo

- Banco de Circuitos - Newton C. Braga - Editora NCB

 

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