Determinando as características de pequenos motores de corrente contínua (MEC024)

A maioria dos projetos de robótica e mecatrônica utiliza como fonte principal de força mecânica pequenos motores de corrente contínua, ou motores DC, como também são conhecidos. Estes motores podem ser obtidos com facilidade de brinquedos, eletrodomésticos, eletroeletrônicos e muitos outros equipamentos de uso comum. No entanto, para o montador, a maior dificuldade está na determinação das características de um motor deste tipo. Neste artigo mostramos como descobrir as principais características de um pequeno motor de corrente contínua usando procedimentos ao alcance de todos. (*)

MEC171S

Pequenos motores de corrente contínua podem ser obtidos de brinquedos e aparelhos de uso doméstico com facilidade.

Na verdade, existem até lojas de sucata, como as encontradas na Rua Santa Ifigênia em São Paulo, que são verdadeiras minas desses motores, vendendo-os a baixo custo e de todos os tamanhos e tipos.

No entanto, uma vez de posse destes motores, o maior problema que um projetista de robôs ou dispositivos mecatrônicos encontra é saber suas principais características como:

Qual é a sua tensão de funcionamento (tensão nominal)?

Qual é a corrente que ele drena com determinada carga, ou seja, sua potência?

Os procedimentos que vamos descrever neste artigo permitem determinar com boa margem de precisão (o suficiente para uso num projeto) as características de motores de corrente contínua de 1,5 V a 12 V e correntes até 1 A.

Tensão de Operação

Na verdade, os pequenos motores de corrente contínua são especificados pelos fabricantes para operar com uma determinada faixa de tensões.

A tensão nominal é aquela em que, teoricamente, ele tem o máximo rendimento.

Assim, conforme mostra a figura 1, um motor DC típico especificado para 6 V, pode operar com tensões de 3 a 7 V, sem problemas, quando sua rotação varia em uma determinada faixa, assim como a corrente drenada.

Figura 1 – Faixa de tensões utilizáveis de um motor

Isso significa que este motor, especificado para 6 V vai funcionar perfeitamente com 2 pilhas (3 V) ou 3 pilhas (4,5 V) apenas, “rodando” com um pouco menos de “força”.

O que deve ser evitado é operar com uma tensão acima daquela que seja especificada como limite para o motor. Por exemplo, alimentar um motor de 3 a 7 V (tensão nominal de 6 V) com uma tensão de 9 V.

Mas, para o montador é preciso ter uma idéia de qual seria a tensão que podemos usar num pequeno motor de características desconhecidas.

Isso pode ser feito partindo-se do princípio de que um pequeno motor de corrente contínua funciona também como um dínamo quando forçamos seu eixo a girar, conforme mostra a figura 2.

Figura 2 – Um motor DC funciona como um dínamo

Assim, conforme mostra a mesma figura, se girarmos rapidamente o eixo de um motor deste tipo, tendo na sua saída ligado um multímetro numa escala de tensões contínuas apropriadas (Volts DC), ao girarmos o eixo, a tensão que o multímetro vai marcar no pico deste movimento é aproximadamente a tensão de operação do motor.

Por exemplo, um motor que, ao ser girado, produza um pico de tensão da ordem de 7 V, certamente poderá funcionar bem na faixa dos 4,5 aos 6 V, sem problemas.

Veja, entretanto, que é preciso girar o eixo do motor no sentido correto para que o multímetro indique a tensão gerada. Se a agulha tender para a esquerda, basta trocar de posição as pontas de prova.

O uso de uma ponte de diodos, conforme mostra a figura 3, permite medir a tensão gerada quando giramos o eixo em qualquer sentido.

Figura 3 –Usando uma ponte de diodos

Uma forma mais precisa de se obter esta informação é com o arranjo mostrado na figura 4.

Figura 4 – Usando um segundo motor

O que fazemos é acoplar um motor de características conhecidas ao motor em teste tendo o multímetro ligado na sua saída.

Isso fará com que o motor em teste gire numa velocidade determinada pelo motor de acionamento, o que está mais próximo de seu comportamento real.

Veja, entretanto, que esta prova mede a tensão gerada pelo motor em teste sem carga, ou seja, como ele não faz praticamente esforço algum ao girar ele vai operar com a velocidade máxima.

Teste com Carga

Um teste que pode ser feito, aproveitando a mesma configuração é o teste com carga, ou seja, quando o motor vai rodar numa velocidade menor, já que tem de fazer algum esforço mecânico.

Conforme mostra a figura 5, a rotação de um motor, assim como seu consumo depende do esforço que ele deve fazer.

Figura 5 – Rotação x força

Veja que na condição em que a rotação é zero, ou seja, em que o motor “trava” temos a condição de curto-circuito, que deve ser evitada.

Nesta condição toda a energia elétrica aplicada ao motor não se converte em energia mecânica mas sim em calor nos enrolamentos, o que pode causar sua queima.

Também deve-se evitar a operação em velocidades muito baixas, pois nelas, a maior parte da energia aplicada ao motor também converte-se em calor, o que causa o seu sobreaquecimento.

Para carregar o motor, podemos tanto usar recursos mecânicos como elétricos.

A desvantagem de carregar o motor mecanicamente está na necessidade de recursos que nem sempre o montador tem a sua disposição, como por exemplo um “freio” que aplique uma força controlada e medida, conforme mostra a figura 6.

Figura 6 – Usando um dinamômetro

A carga elétrica é mais simples de obter, pois ela pode ser obtida a partir de diversos circuitos simples.

Neste teste, podemos aproveitar para medir a corrente consumida sob a tensão aplicada, o que nos dá uma idéia da potência do motor.

Assim, conforme mostra a figura 7, fazemos uso de dois multímetros, um ajustado na escala mais alta de correntes (que permita ler pelo menos uns 800 mA) e o outro ajustado para a escala apropriada de tensões contínuas.

Figura 7 – Usando dois multímetros

Num primeiro caso, podemos usar resistores como carga, e seus valores vão determinar a corrente no circuito.

Valores típicos para teste são dados na tabela abaixo, assim como as correntes drenadas com 6 V e com 12 V.

Tabela:

Para pequenos motores de 2 a 4 pilhas, sugerimos que os testes sejam feitos com um resistor de 33 ou 47 ohms.

Também pode ser usada como carga uma lâmpada de 6 V de lanterna.

Uma forma mais elaborada de se fazer um teste é usando um reostato eletrônico, cujo circuito completo é mostrado na figura 8.

Figura 8 – Usando um reostato eletrônico

Com este circuito, a corrente drenada pelo circuito pode ser ajustada linearmente através do potenciômetro e medida pelo multímetro.

Cálculo da Potência

Com base nas medidas realizadas e com base na observação da rotação do motor na aplicação desejada, podemos fazer cálculos relativos a sua potência.

Veja que numa aplicação prática devemos sempre ter o motor girando numa velocidade razoável.

Uma velocidade muito baixa indica que o motor está rodando sobrecarregado e que, portanto, a maior parte da energia pode estar sendo perdida na forma de calor nos enrolamentos.

Rodando numa velocidade muito alta, isso significa que o motor está rodando praticamente sem carga, ou seja, que ele pode fornecer muito mais força ao sistema que deve ser movimentado.

Entre os dois extremos temos a condição ideal.

A potência (em watts) é calculada multiplicando-se a corrente (em ampères) medida pela tensão aplicada (em volts).

Onde:

P é a potência em watts

V é a tensão em volts

I é a corrente em ampères

Medida da Rotação

Existem diversas formas de se medir a rotação de um pequeno motor de corrente contínua.

Se o leitor tiver acesso a um osciloscópio, isso pode ser feito de uma maneira muito simples, com o arranjo mostrado na figura 9.

Figura 9 – Medindo a rotação com o osciloscópio

O osciloscópio permite a visualização dos instantes em que as escovas fazem a comutação, o que ocorre uma vez a cada meia volta.

Isso significa que, conforme mostra a figura 10, a distância na tela entre três pulsos nos dá um ciclo completo da rotação ou o tempo de uma volta.

Figura 10 – Imagem obtida no osciloscópio

Por exemplo, se a distância entre as marcas for de 10 ms (0,01 segundos), o número de rotações por segundo será:

Multiplicando por 60 teremos o número de rotações por minuto ou r.p.m.:

Outras formas de medida de rotação são mais complexas como, por exemplo, fazendo usado de um acoplamento óptico

O sinal obtido deste circuito (1 pulso por volta) pode ser medido tanto com a ajuda de um osciloscópio como através de um frequencímetro.

Conclusão

As características dos pequenos motores de corrente contínua que podemos usar em projetos de robótica e mecatrônica variam numa enorme faixa de valores.

Não é apenas o número de pilhas que eles usam na aplicação original ou a tensão de funcionamento que deve ser observada.

Estes motores podem ser encontrados em tamanhos variados o que reflete não só sua potência como também sua velocidade máxima.

Saber medir estas características é de extrema importância para um projeto, principalmente no caso em que precisamos de dois motores que tenham exatamente a mesma força e rotação.

Neste artigo demos algumas ideias práticas de como determinar as características elétricas de um motor DC.

Os procedimentos vistos são bastante simples podendo levar a resultados com uma precisão razoável dentro do exigido para as aplicações comuns.