Os motores elétricos são um tipo de dispositivo que transforma a energia elétrica em energia cinética. Ou seja, aplicamos uma tensão em seus terminais e obtemos um movimento em seu eixo.

Assim como as chaves e teclas são um exemplo de dispositivos de entrada em um sistema com Arduino, podemos dizer que os motores são um exemplo de dispositivos de saída.

diagrama1

Em uma aplicação típica com Arduino e motores, usamos algumas entradas para controlar o movimento de um motor elétrico.

Como exemplo podemos ter um sistema que realiza um movimento de eixo de motor toda vez que apertamos um botão:

diagrama2

Neste exemplo estamos usando a transição do sinal da chave para iniciar um movimento no motor assim que ligamos a chave. Podemos fazer o motor “girar” por um tempo definido, com velocidade pré-programada e depois parar.

Podemos ajustar o tempo que o motor fica ligado para que tenhamos um movimento igual a cada vez que ligamos a chave.

Este tipo de aplicação é muito utilizado em máquinas automáticas. Desde grandes máquinas de usinagem e tornos, passando por sistemas de transporte de produtos, e vários outros tipos de máquinas.

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Até pequenas máquinas automáticas de preparar café, encontramos algum tipo de motor elétrico.

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Os robôs também são exemplos de equipamentos que utilizam motores.

Vamos passar agora a descrever alguns tipos mais comuns de motores utilizados em máquinas automáticas.

Nas próximas aulas eu vou mostrar outros exemplos práticos de projetos com Arduino e motores. Por enquanto vamos ficar com a teoria.

 

Motor de passo

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Características

São motores de pequeno ou no máximo médio porte.

O tipo mais comum atualmente é o motor de passo hibrido. Ele tem esse nome por reunir as melhores características de outros dois tipos: imã permanente e relutância variável.

A principal característica dos motores de passo é eles possuírem pequenos degraus (passos) de posicionamento.

O controle de velocidade e posicionamento é feito aplicando-se tensão em suas bobinas de forma sequencial. Desta forma a posição teórica do eixo do motor é sempre conhecida pelo seu controle.

A figura abaixo mostra um exemplo de controle para motor de passo com duas bobinas.

tabelaSM

Neste exemplo temos as duas bobinas representadas pelas letras A e B.

A seta para cima indica corrente no sentido positivo na bobina e a seta para baixo indica corrente no sentido inverso. O sinal – indica que não há corrente circulando na bobina no momento.

Para fazer o motor se movimentar pelas posições temos que aplicar a sequência correta. Por exemplo:

Estando o motor na posição 4, temos corrente negativa na bobina A e corrente positiva na bobina B. Para fazer o motor se mover para a posição 5 temos que desligar a corrente da bobina B e manter a corrente da bobina A no sentido negativo.

É importante sempre seguir a sequência de passos sem pular nenhum passo para não provocar um travamento no movimento do motor. Depois de travado, temos que retirar a energia e recomeçar a sequência correta.

A velocidade do motor será controlada pelo tempo que mantivermos cada posição. Quanto menor o tempo maior a velocidade.

O modelo mais comum de motor de passo possui 200 posições (passos) por volta. Neste caso cada passo representa 1,8 graus.

Driver

O driver para um motor de passo é composto de 2 pontes H. A ponte H é uma montagem feita com transistores ou MosFets:

diagrama3

Este tipo de montagem permite controlar o sentido da corrente da bobina do motor. Lembrando que para o motor de passo necessitamos de duas dessas pontes, uma para cada bobina do motor.

Existem drivers para motores de passo prontos no mercado para utilização em automação.

Estes drives oferecem várias facilidades e vantagens que são indispensáveis para um projeto profissional de máquina automática.

Podemos citar:

  • Proteção contra curto circuito.
  • Controle de corrente inteligente que maximiza a resposta do motor.
  • Aumento artificial do número de passos do motor pelo uso de microsteps.
  • Frequência de chaveamento do motor em frequência inaudível.
  • Controle digital por sinais de pulso e direção.

 

O tipo de controle por sinais de pulso e direção é muito utilizado para controle de motores de passo e de servo motores.

Neste tipo de controle são usados dois sinais para controlar a velocidade, aceleração e posicionamento do motor.

Um destes sinais é chamado pulso. Este sinal é um trem de pulsos que controla o posicionamento do motor pela transição do sinal. A cada transição do sinal, o motor de passo desloca um passo.

O sentido de giro do motor é definido pelo sinal direção. Quando o sinal está em 0, o motor anda no sentido anti-horário. Quando o sinal está em 1, o motor anda no sentido horário.

A velocidade e a aceleração são controladas pela frequência do sinal pulso.

cartaTempoPulsoDirecao

Vantagens

Uma das principais vantagens do motor de passo é a possibilidade de controle preciso da posição do eixo.

Nos casos onde podemos trabalhar com velocidades moderadas e também a força que o motor terá que fazer não é muito alta, o controle de posição do eixo pela sequência de sinais aplicados é bem confiável.

Por exemplo, em um motor de 200 passos podemos dar precisamente 5 voltas quando geramos os sinais para um deslocamento de 1000 passos.

Outra grande vantagem é o preço do conjunto motor/driver, que pode ser baixo.

 

Desvantagens

A principal desvantagem pode ser observada na curva de resposta do torque em função da velocidade do motor de passo:

curva3

Conforme aumentamos a velocidade do motor de passo o torque (força) cai violentamente.

Essa característica inviabiliza sua utilização em casos em que necessitamos velocidades médias com realização de uma força média.

Nesses casos perdemos totalmente o controle de posicionamento, pois o motor irá começar a “pular” passos e a posição teórica não será mais confiável.

 

Motor DC com escovas

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Características

O motor DC é talvez o motor mais simples que pode ser utilizado em projetos de automação. Porém tem muitas restrições.

Ele possui apenas uma bobina. É alimentado por tensão continua (DC) e a polaridade da tensão define o sentido de giro do eixo do motor.

A velocidade de giro do motor DC é proporcional à tensão aplicada a seus terminais (bobina) porem deve-se respeitar a tensão máxima de operação definida para cada modelo de motor.

Alguns modelos já vêm com uma redução (caixa de engrenagens) instalada no seu eixo. O modelo à esquerda na figura acima possui este tipo de redução. Com redução o motor ganha torque (força) e fica com a velocidade máxima limitada.

 

Driver

Pode-se usar o mesmo tipo de ponte H usado no driver para o motor de passo, mas diferentemente do motor de passo, o motor DC exige apenas uma ponte já que só tem uma bobina.

O controle de velocidade pode ser feito usando se um sinal PWM.

No sinal PWM (pulse width modulation) temos um trem de pulsos com frequência fixa e a largura do pulso em nível 1 varia conforme um valor de controle.

cartaTempoPWM2

No gráfico acima podemos ver 3 exemplos de ajustes para um sinal PWM.

No primeiro com ajuste de aproximadamente 50%, no segundo com 10% e no terceiro com 90%.

Como podemos ver o período T é o mesmo nos 3 sinais. O que altera é exatamente a largura do pulso.

Quanto maior a largura, maior a tensão DC resultante.

Com este sinal aplicado a um motor DC, fazemos o controle de velocidade ajustando a porcentagem (duty cycle) do sinal PWM.

 

Vantagens

  • Simplicidade do circuito de controle.
  • Tamanho reduzido.
  • Baixo custo

 

Desvantagens

  • Baixo torque.
  • Vida útil reduzida em função da utilização de escovas.

 

Motor AC

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Características

Também conhecido como motor gaiola é muito utilizado na indústria em aplicações de médio e grande porte. Porém, não permite um controle de velocidade e posicionamento muito precisos.

Exigem alimentação trifásica senoidal e podem ser ligados diretamente na rede elétrica industrial tendo somente uma chave disjuntor para ligar e desligar.

Possui uma gama bem ampla de tamanhos e potências, assim como preços moderados para os padrões da indústria.

A velocidade do motor AC é proporcional a frequência da tensão aplicada. Mas a faixa de variação possível é limitada.

Fora da frequência nominal do motor ele tende a esquentar mais.

Quanto maior a diferença entre a frequência aplicada e a nominal, maior é o aquecimento.

 

Driver

Apesar de poder ser ligado diretamente na rede elétrica, existe um equipamento apropriado para fazer o controle de um motor AC.

Esse equipamento é chamado de inversor de frequência ou simplesmente inversor.

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O inversor é alimentado pela rede elétrica trifásica normal de 60 Hz (Brasil) e gera uma tensão trifásica com frequência variável que por sua vez controla a velocidade do motor.

No inversor ajustamos a velocidade, aceleração e desaceleração do motor. A partida é feita por um comando via entrada digital. Quando o inversor recebe um sinal nesta entrada o motor é acelerado até a tingir a velocidade programada e mantém a velocidade até que a entrada seja desligada.

Outra entrada é responsável por controlar o sentido de giro.

Alguns modelos de inversores permitem até uma programação de mais que uma velocidade. Neste caso cada velocidade é acionada por uma entrada diferente.

Outra possibilidade de controlar a velocidade do motor ligado a um inversor de frequência, é através de uma tensão analógica DC na faixa de 0 a 10 volts.

Assim como o motor, o preço do inversor de frequência é considerado baixo para os padrões da indústria.

 

Vantagens

  • Possui torque alto com velocidades altas
  • Preços moderados
  • Facilidade de ajuste e programação

 

Desvantagens

  • Faixa de variação de velocidade limitada
  • Imprecisão no controle de posicionamento

 

Servo motor

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Características

O servo motor é de longe o modelo, dentro desta lista, mais complexo e mais versátil.

E por isso mesmo o mais caro.

Sempre que necessitamos de controle preciso de posicionamento em qualquer faixa de velocidade temos que utilizar o servo motor. Isso é fundamental em máquinas ferramenta, como tornos, fresas e centros de usinagem.

Os robôs industriais também usam este tipo de motor.

Por sua grande complexidade, atualmente o servo motor é empregado em sintonia com o servo drive. Ou seja, temos que usar obrigatoriamente motores e drives do mesmo fabricante e família para ter o desempenho garantido.

Às vezes temos inclusive que usar o PLC da mesma marca e família. E toda a programação dos movimentos é feita na mesma ferramenta de programação do PLC.

Esta característica simplifica o desenvolvimento do projeto de automação de máquinas mais complexas.

A comunicação entre PLC e drive acontece normalmente por rede. Cada fabricante acaba desenvolvendo seu protocolo e meio de comunicação. A forma de programar também varia muito dependendo da marca escolhida.

 

Vantagens

  • Precisão micrométrica de posicionamento do movimento.
  • Alto torque em qualquer faixa de velocidade.
  • Extensa gama de potências disponíveis.

 

Desvantagens

Praticamente a única desvantagem é o custo do conjunto motor/driver.