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
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