Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Instituto de Informática

Departamento de Ciência da Computação

Informatica II (Engenharia)

Departamento de Ciência da Computação PUC / Minas

2012

Projeto de Programação de Conclusão de Semestre

Controle de Pequenos

Motores de CC

Apresentado por

André Lelis Carvalho Nominato Eduarda Gomes Gustavo Braga Júlio Cesar

Orientador: Prof. Ms. Marcus Brunetta

Controle de Pequenos Motores de CC

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Sumário

Sumário .......................................................................................................................................... 2

1. Objetivos: .................................................................................................................................... 3

2.Fundamentação Teórica: .............................................................................................................. 3

2.1Motores CC: ............................................................................................................................... 3

2.1.1 Princípio de Funcionamento.................................................................................................... 4

2.2 Ponte H ..................................................................................................................................... 5

2.3 Modulação PWM: ...................................................................................................................... 7

2.4 Aspectos de interfaceamento de motores CC com microcontroladores ..................................... 8

3. Desenvolvimento: ....................................................................................................................... 9

4. Conclusão: .................................................................................... Erro! Indicador não definido.

5. Bibliografia: ................................................................................... Erro! Indicador não definido.

Controle de Pequenos Motores de CC

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1. Objetivos

O presente trabalho tem como objetivo implementar a plataforma ARDUÍNO® no acionamento

de Motores CC, utilizando métodos de controle do sentido do giro do motor (Ponte H) e controle

da velocidade do mesmo (PWM).

2. Fundamentação Teórica

2.1 Motores CC

O motor de corrente contínua: converte energia elétrica em energia mecânica, e possui

como principal característica é que este tipo de motor deve ser alimentado com tensão contínua.

Para motores de pequeno porte essa tensão pode ser originada de pilhas e baterias e no caso de

motores de grande porte esta tensão provém da retificação da rede alternada.

Podem-se destacar como principais componentes do motor de corrente contínua o estator,

rotor e comutador:

Estator: composto por um enrolamento estático (denominado campo) localizado ao redor do

rotor¸ este enrolamento é diretamente alimentado por tensão contínua, dependendo do porte

do motor o estator pode ser substituído por um ímã permanente;

Rotor: porção central girante que compostos por um enrolamento (denominado armadura),

alimentado por uma fonte de tensão contínua através do comutador e escovas de grafite;

Comutador: dispositivo mecânico no qual estão conectados os terminais das espiras da ar-

madura, e possui como principal função inverter sistematicamente o sentido da corrente contí-

nua que circula na armadura;

Abaixo temos uma figura que ilustra a estrutura básica de um motor de corrente contínua

elementar com imã permanente no estator. A armadura possui uma espira (dois polos) e o

comutador apenas dois segmentos. As escovas de grafite são fixas, assim quando a armadura dá

uma volta, as escovas entram em contato elétrico com o comutador, ora com uma metade ora com

outra. Desta maneira a corrente que é transportada na espira da armadura ora tem um sentido,

ora o sentido inverso. O mecanismo citado acimo é de suma importância para o funcionamento

correto do motor CC, pois, evita que o rotor fique em equilíbrio.

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Figura 1 Estrutura Básica de um motor de corrente contínua

2.1.1 Princípio de Funcionamento

O funcionamento dos motores CC baseia-se no princípio do eletromagnetismo clássico,

isso é, “Um condutor transportando uma corrente elétrica quando atravessado por um fluxo

magnético fica submetido a uma força de natureza eletromagnética”.

Figura 2 Princípio do Eletromagnetismo

Na figura acima temos o fluxo magnético (B), produzido por um ímã fixo, tendo sentido do

polo norte para o polo sul, a força (F) para cima e a corrente (i) saindo do condutor. Essa três

grandezas estão interligadas podendo o sentido da força (F) mudar se o sentido do fluxo (B) ou o

sentido da corrente (i) também mudar. É importante destacar que as direções destas três

grandezas são sempre ortogonais entre si, isso é, formam sempre um ângulo de noventa graus

(90°) entre si.

Possuindo os sentidos do fluxo e da corrente, o sentido da força será adquirido à partir da

regra da mão esquerda:

Dados os sentidos do fluxo e da corrente, o sentido da força pode ser obtido usando-se a regra

da mão esquerda:

• Coloque o dedo indicador no sentido do fluxo;

• Coloque o dedo médio no sentido da corrente;

• O sentido da força será aquele apontado pelo dedo polegar.

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Em um motor CC, o torque gerado para que o rotor (armadura) entre em movimento, pode

ser explicado a partir da figura abaixo, que ilustra um motor CC de dois polos (o mais simples

possível) em corte transversal:

Figura 3 Motor CC elementar de dois polos

A figura mostra o enrolamento de campo (estator) dividido em duas partes ligadas em série

(a ligação foi omitida na figura por simplicidade) que produzem um fluxo magnético constante no

sentido norte-sul. A armadura (rotor) é constituída por várias espiras enroladas em um núcleo

ferromagnético e cujos terminais são conectados nos dois segmentos do comutador (na parte

central, em vermelho). A corrente que circula na armadura é fornecida por uma fonte CC e injetada

através das duas escovas de grafite. Na situação ilustrada na figura, a corrente sai pela parte

superior da armadura e entra na parte inferior. Aplicando-se a regra da mão esquerda, obtêm-se

os sentidos das forças eletromagnéticas que se estabelecem na parte lateral das espiras, criando

um torque eletromecânico que faz a armadura girar no sentido horário.

2.2 Ponte H

Circuito eletrônico que permite variar velocidades de um motor CC, assim como comutar o

sentido de rotação dos motores, através de um sinal PWM.

O nome ponte H é dado pela forma que assume o circuito quando montado. O circuito é

construído com quatro "chaves" (S1-S4) que são acionadas de forma alternada (S1 e S4 ou S2 e

S3). Para cada configuração das chaves o motor roda num sentido. As chaves S1 e S2 assim

como as chaves S3 e S4 não podem ser ligadas ao mesmo tempo, pois podem criar um curto

circuito.

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Figura 4 Estrutura Básica de uma Ponte H

Temos como exemplo de ponte H, a figura 5 onde as chaves foram substituídas por

transistores. Neste modelo para fazer o motor girar para direita, a corrente sai da bateria, passa

pelo transistor Hi1, pelo motor e pelo transistor Lo2, como mostrado na curva A. Para girar para

esquerda, o transistores Hi1 e Lo2 devem ser desativados, ativando-se o Hi2 e Lo1, fazendo a

corrente percorrer o caminho B.

Para frear o motor existem duas opções, ou usar os transisitores Lo1 e Lo2 (curva C), ou

usar Hi1 e Hi2 (curva D). A frenagem do motor ocorre devido ao fato de toda a energia do motor

estar sendo dissipada somente na resistência interna deste, que é, normalmente, muito pequena,

fazendo com que a energia se dissipe rapidamente, parando o motor.

No exemplo citado foram utilizados transistores do tipo MOSFET.

Figura 5 - Circuito Básico de Ponte H utilizando o transistor MOSFET

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2.3 Modulação de Largura de Pulso - PWM:

A modulação PWM (modulação por largura de pulso), consiste basicamente em aplicar

uma onda quadrada de amplitude Vcc e frequência alta (entre 10Khz e 20Khz) no lugar da tensão

continua (Vcc). A tensão média varia em função do tempo que onda fica em nível alto (Vcc) e do

tempo que onda fica em nível baixo (0V). A relação entre o tempo que a onda fica em nível alto e

o período total é conhecido como Duty Cycle. O Duty Cycle é normalmente expresso em

percentual. Ou seja, para uma modulação PWM com Duty Cycle igual a 50%, metade do tempo a

tensão fica em nível alto (Vcc) e metade em nível baixo (0V). Uma modulação PWM de amplitude

12V e Duty Cycle de 50% produz o mesmo efeito de uma tensão continua de amplitude 6V, isto

porque a tensão média nos dois casos é 6V.

Figura 6 - Onda Quadrada

Figura 7 - Ciclo Ativo em 50%

A grande vantagem do PWM está no fato de se poder variar a tensão média aplicada em

um dispositivo DC utilizando apenas uma saída digital, que é bem mais barata e simples que uma

saída analógica em qualquer controlador. A desvantagem principal é o ruído sonoro provocado

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pelo fato da frequência de comutação estar perto da frequência audível.

O circuito desenvolvido para controlar motores DC utiliza a modulação PWM no controle da

tensão de saída.

2.4 Aspectos de Interfaceamento de Motores CC com

Microcontroladores

O sistema de acionamento é o dispositivo que faz a interface entre o microcontrolador e o

motor. O modelo da placa de acionamento é o Low Voltage H-Bridge S17-3A-LV-HBRIDGE.

Este sistema é constituído basicamente de uma ponte H, que é o conjunto de 4

transistores MOSFET, disposto de uma maneira que permite o controle do sentido e da amplitude

da corrente que circula no motor.

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A amplitude da corrente que circula no motor é definida pelo valor médio do PWM no gate

dos transistores, que funcionam como chaves. Quando o sinal PWM está em seu valor máximo o

transistor permanece fechado, permitindo a passagem da corrente. Quando o sinal PWM está

nulo o transistor permanece aberto. Desta forma a velocidade do motor é uma função do valor

médio da tensão no motor.

O sentido da corrente é definido pelo par de transistores que serão submetidos ao sinal

PWM. Quando o transistor superior esquerdo e o inferior direito estão submetidos ao sinal PWM, o

motor gira em um sentido e quando o transistor superior direito e inferior esquerdo estão

submetidos ao PWM, o motor gira no outro sentido.

Desta forma a placa de acionamento é capaz de alimentar o motor além de permitir o

controle do seu sentido e da sua velocidade.

3. Desenvolvimento

Para o desenvolvimento do projeto foi utilizado como microcontrolador a plataforma ARDUÍNO®.

O ARDUÍNO®. é uma plataforma de prototipagem eletrônica open-source, baseado em um

microcontrolador que se conecta ao computador pessoal através de uma porta serial ou USB, isso

depende do modelo utilizado. Ele possui uma linguagem de programação própria, a linguagem é

baseada em Wiring, que é implementada em um ambiente de desenvolvimento (IDE), também

próprio,baseado em Processing, e que pode ser utilizada em vários sistemas operacionais.

A linguagem de programação do ARDUÍNO® é simples e sua sintaxe se assemelha muito

ao C++ e ao Java. Um programa típico possui duas funções básicas, o “void setup()”, que é

executada logo no início do programa, e o “void loop()”, que é a função executada repetidamente

pelo microcontrolador.

Para controlar os motores cc através do ARDUÍNO®, são necessários uma ponte H para

possibilitar que o motor funcione em ambas as direções e o PWM que vai controlar o ciclo da

frequência.

Para efetuar tal controle, a ponte H é conectada em um protoboard, e em seguida tem os

pinos do CL conectados ao terra. Liga-se pinos á tensão de 5V normalmente do ARDUÍNO®, e o

próximo passo é ligar um pino cuja função é alimentar o motor. Essa ligação vale prestar bastante

atenção para evitar transtornos.

Depois de todas as ligações feitas, liga-se a ponte H aos pinos do PWM do ARDUÍNO®.

Assim será possível o controle de velocidade do motor cc.

Abaixo temos o exemplo do CI L293D que já é uma ponte H e o sistema de ligação junto

ao ARDUÍNO®, para o acionamento de um motor cc.

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Figura 8 – CI L293D ligação junto ao ARDUÍNO®

Legenda: M1 e M2 motores (direita e esquerda);

Pinos 5, 6,10,11: equivalem aos pinos do ARDUÍNO®;

Tensão Vin, GND e 5V : correspondem também a pinos do ARDUÍNO®;

Após conectar o CI junto ao protoboard devem-se fazer as seguintes conexões como

mostra a figura:

Pinos 4 e 5, 12 e 13 do CI ligados ao GND do ARDUÍNO®.

Em seguida liga-se os pinos 1, 9 e 16 ao pino de 5V do ARDUÍNO®;

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Agora o pino 8 do CI será ligado ao Vin, que também é conectada a fonte de tensão CC, o

pino 8 é que fornece a tensão para o circuito;

Agora os motores DC, os motores devem ser ligados nos pinos 3 e 6, 11 e 14 de acordo

com a figura abaixo;

Por fim ligamos a ponte H aos pinos PWM do arduino. No CI são os pinos 2, 7, 10 e 15. Na

figura os pinos 2 e 7 foram conectados aos pinos 12 e 11 do ARDUÍNO® e o 10 e o 15 aos pinos

6 e 5 do ARDUÍNO®.

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Fluxograma do Sentido de Rotação do Motor CC através de Ponte H

O fluxograma acima mostra a atuação da ponte H junto ao acionamento do motor

cc. No programa primeiramente lê o sentido do motor, se este for para DIREITA, deixa o P1 em

nível lógico 1 e o P2 em nível lógico 0. Se o sentido for destinado a ESQUERDA, o P1 fica em

nível lógico 0 e o P2 em nível lógico 1. Se não for selecionada em nenhumas das rotações, aciona

a função FREAGEM, que tem por objetivo para a rotação do motor.

4. Conclusão

O projeto apresentado pelo nosso grupo demonstrou através de algoritmos como controlar

a velocidade e a rotação de um motor cc, utilizando a plataforma ARDUÍNO® que faz com que

o PWM gere pulsos, alterando a frequência, que por consequência alterando a velocidade do

motor. Para obter o sentido de rotação do motor, utilizamos a ponte H, que por acionamento

de certos conjuntos de rotação do mesmo.

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5. Bibliografia

Monografia de Rafael Pouzada Arduino

http://www.slideshare.net/rafaelpouzada/monografia-arduino http://makebits.net/ligar-motores-dc-com-uma-ponte-h-ao-arduino/ http://renatoaloi.blogspot.com.br/2012/05/codigo-fonte-ponte-h-via-pwm.html http://www.mmaciel.com.br/tag/eletronica/

http://riobotz.com.br/rc_interface.pdf