CesRoc's Blog: Controlador de velocidade em motores DC utilizando modulação por largura de pulso (PWM)

O trabalho realizado foi à construção de um controlador para a velocidade de um motor DC utilizando modulação em pulso (PWM). O controle da velocidade dos motores pode ser muito importante em várias áreas de atuação, por exemplo, uma impressora ao puxar o papel necessita de precisão na velocidade do motor tanto para recolher o papel quanto para imprimir, para que não haja falhas na impressão; um scanner precisa ter controle de velocidade do motor que faz passar o feixe óptico durante a captura da imagem.

Na realização do projeto foi necessário identificar quais as variáveis que interferem no funcionamento do motor, no caso do controlador projetado: a tensão de entrada, que tem que ser uma onda pulsante; a largura do pulso, que vai determinar a velocidade do motor.
A utilização da modulação por largura de pulso foi escolhida por ser amplamente utilizada em controladores de servo-motor, por ser de fácil implementação e baixo custo. A PWM é realizada utilizando-se um potenciômetro que quando tem sua resistência variada modifica a corrente na carga e, portanto, a potência aplicada a ela.

Para que se entenda como funciona esta tecnologia no controle de potência, partimos de um circuito simples formado por um interruptor de ação muito rápida e uma carga que deve ser controlada. Quando o interruptor está aberto não há corrente na carga e a potência aplicada é nula. No instante em que o interruptor é fechado, a carga recebe a tensão total da fonte e a potência aplicada é máxima. Como pode-se observar esse processo de chaveamento gera uma onda quadrada. Se quisermos obter, uma potência intermediária de 50% entregue a carga, pode-se fazer com que a chave seja aberta e fechada rapidamente de modo a ficar metade do tempo aberta e metade do tempo fechada, fazendo com que passe 50% da potência inicial. Variando-se a largura do pulso e também o intervalo, de modo a termos ciclos ativos (a razão entre o tempo de pulso e a duração de um ciclo completo) diferentes, podemos controlar a potência média aplicada a uma carga. Assim, quando a largura do pulso varia de zero até o máximo, a potência também varia na mesma proporção. Este é o principio associado ao controle PWM: modular a largura do pulso de modo a controlar o ciclo ativo do sinal aplicado a uma carga e, com isso, a potência aplicada a ela.
No projeto para implementar esse sistema de chaveamento foi utilizado o CI NE555N e a carga citada é o motor DC. O motor DC é conhecido pelo controle preciso de velocidade e por seu ajuste fino. O funcionamento básico do motor DC está fundamentado na Força de Lorentz aplicada em uma carga em movimento dentro de um campo magnético (F=qvB). Consideremos uma espira de corrente inserida em um campo magnético criado por um imã permanente, em que há corrente criada por uma bateria (fonte DC). De uma forma simplificada, a simples passagem desta corrente faz com que apareçam duas forças de sentidos contrários, aplicadas uma em cada lado da espira. Estas forças criam um torque que, obviamente, faz a espira girar, transformando a energia elétrica da corrente em energia cinética num eixo acoplado às espiras. A direção da rotação depende da polaridade da bateria e da direção das linhas de campo magnético criadas pelo imã. Os motores DC são utilizados, por exemplo, em aplicações como o posicionamento do braço de um robô.

O circuito da Figura ao lado foi o circuito montado para o controlador. Durante o projeto estava sendo utilizado uma fonte de entrada de 12V, mas para a melhor funcionalidade das especificações do problema foi utilizada uma fonte de 14V.
A especificação principal do problema era que a onda de saída ficasse o mais uniforme possível, ao utilizar uma entrada de 14V isso foi conseguido. Quando se utilizava 12V era encontrado um pico no topo da onda. Abaixo serão apresentadas fotos do projeto montado no protoboard e da forma de onda obtida no osciloscópio.

A foto ao lado mostra como o circuito apresentado acima foi montado no protoboard. Essa foto foi tirada no laboratório de Eletrônica Digital da Universidade Federal do Amazonas durante a montagem do projeto. Depois da montagem do circuito no protoboard ele foi ligado ao osciloscópio para análise da forma de onda e verificar se atendia as especificações do projeto, depois de visto se atendia ou não é que foi montada a placa. A próxima foto a ser mostrada é a foto do osciloscópio. A figura exatamente abaixo, com a forma de onda mais estreita é a figura que representa o motor quando está com velocidade minima. A figura ao lado, com forma de onda mais larga é a figura que representa o motor com velocidade máxima.