Como podemos manter o controle sobre a corrente média de um motor de corrente contínua sem diminuir a tensão que lhe é aplicada? Já que é a diminuição da tensão que nos leva a problemas de controle em baixas rotações como, por exemplo, a perda de torque.
É muito simples: podemos variar a intensidade média da corrente no motor se o alimentarmos com pulsos e controlarmos a duração desses pulsos em lugar de usarmos uma tensão contínua. Analisemos o que sucede neste caso.
Em lugar de alimentarmos o motor com uma corrente contínua, o que fazemos é empregar um elemento qualquer que ligue e desligue rapidamente de modo a produzir pulsos retangulares com a duração e o espaçamento iguais, conforme ilustra a figura 1. Com isso, a tensão de cada pulso se mantém igual à máxima da fonte, mas seu valor médio aplicado ao motor será apenas metade do valor de entrada.
Fig. 1 - Pulsos retangulares com a
duração e o espaçamento iguais.
Em outras palavras, se a tensão de entrada for de 6 V, o motor recebe pulsos de 6 V, mas se comporta como se, em média, recebesse uma alimentação de 3 V, e através dele circulará uma corrente média que corresponde à metade da máxima, que é aquela que circula quando ele recebe 6 V.
O motor, nessas condições, vai rodar com metade de sua velocidade máxima.
Para alterar a velocidade do motor poderemos alterar os pulsos aplicados de duas formas:
- Se aumentarmos a duração dos pulsos, ou seja, mantivermos o elemento que liga e desliga mais tempo ligado do que desligado, o motor receberá alimentação por mais tempo e, na média, poderemos dizer que ele terá uma alimentação correspondente a uma tensão maior, veja a figura 2.
Fig. 2 - Aumentando a duração dos pulsos
Nessa situação, o motor girará com mais velocidade.
- Para diminuir a velocidade do motor bastará reduzir a largura dos pulsos, ou seja, manter o elemento menos tempo ligado, de acordo com a figura 3.
Fig. 3 - Reduzindo a largura dos pulsos.
Os pulsos aplicados ao motor ainda serão de 6 V mas, na média, como sua duração é pequena, eles corresponderão a uma tensão menor e com isso a corrente no motor também será menor, com conseqüente diminuição da velocidade.
Veja o leitor que, se pudermos controlar a largura dos pulsos numa faixa de valores que vá de 1 % a 99% por exemplo, teremos um excelente controle da velocidade do motor. Não podemos ter 0% ou 100% por motivos óbvios: ou paramos os pulsos com O V ou com 6V!
O importante neste tipo de controle é que em toda a faixa de velocidades o motor recebe a tensão máxima e, com isso, o torque não se altera: mesmo com velocidades muito pequenas, a corrente pelo breve instante em que o pulso está presente, é suficiente para tirá-to da imobilidade mantendo o torque.
Como controlamos a velocidade através da largura dos pulsos, isto é, variamos ou modulamos a largura dos pulsos, o processo de controle recebe o nome de modulação de largura de pulsos ou Pulse Width Modulation (do inglês) que, abreviado, resulta na sigla PWM.
Na prática, o elemento colocado para ligar e desligar a corrente pode ser uma chave (os contatos de um relé, por exemplo) ou ainda um componentes semicondutor como um transistor comum (bipolar), um transistor de efeito de campo (MOSFET de potência) ou um SCR.
NOSSO CIRCUITO
Em nosso projeto prático utilizamos um circuito integrado 555, que consiste em um timer ou oscilador astável para gerar os sinais retangulares com a largura variável.
Nesse circuito, o capacitor C1 juntamente com R1, R2 e o potenciômetro P1, determinam a largura dos pulsos que vão ser gerados.
C1 é um componente importante no projeto, pois ele determina a freqüência média dos pulsos. Dependendo do motor usado, poderá ser necessário mudar seu valor. Por exemplo, com o motor do Lego Dacta com o valor indicado de 680 nF poderá ocorrer uma certa vibração em rotações muito baixas. Essa vibração facilita, na realidade, vencer a inércia se o mecanismo a ser movimentado for muito complexo.
Se ela for incômoda na aplicação, bastará diminuir o valor desse capacitor.
Com a configuração indicada, os pulsos negativos é que têm a largura controlada pelo potenciômetro, observe a figura 4.
Fig. 4 - Os pulsos negativos têm a
largura controlada pelo potenciômetro
Para inverter esse comportamento, o 555 controla um transistor de potência PNP que então atua como inversor, ou seja, ele conduz a corrente para o motor nos pulsos negativos, conforme mostra a figura 5.
Fig. 5 - O 555 controlando um
transistor de potência PNP.
O transistor usado pode controlar correntes de até 500 mA, com motores de 6 a 12 V, mas se o leitor desejar controlar motores de maior potência poderá escolher o TIP32 que suporta até uns 2 ampêres devendo ser dotado de um radiador de calor. Para o motor do Lego Dacta, o BD136 poderá ser usado até sem radiador de calor se a alimentação ficar entre 6 e 9 V (4 a 6 pilhas).
Obs.: O motor do Lego Dacta é especificado para uma tensão de 9 V, mas como em todo motor de corrente contínua, ele opera numa ampla faixa de tensões até 9 V, daí a possibilidade de se usar tanto controles lineares como PWM de velocidade. No nosso projeto
trabalhamos com 6 V justamente pela possibilidade de encontrarmos facilmente, suportes de 4 pilhas o que não ocorre com suportes de 6 pilhas.
MONTAGEM DO NOSSO CIRCUITO
Na figura 6 temos o diagrama completo do controle PWM usando um circuito integrado 555.
Fig. 8 - Diagrama completo do controle PWM
usando um circuito integrado 555.
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