Acionamento de Motores: PWM e Ponte H

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1 Warthog Robotics USP São Carlos Acionamento de Motores: PWM e Ponte H Por Gustavo C. Oliveira, Membro da Divisão de Controle (2014) 1 Introdução Motores são máquinas elétricas que convertem energia elétrica em energia mecânica [1] largamente utilizadas na indústria e que fazem parte de diversos objetos que encontramos no dia-a-dia, desde carros a máquinas de lavar. Nos robôs construídos pelo grupo Warthog Robotics, motores são componentes essenciais, pois o movimento do robô é realizado através do acionamento dos motores ligados a cada roda. Quando se realiza o acionamento de motores através de sinais gerados por um microcontrolador, como é o caso dos robôs do grupo Warthog Robotics, faz-se uso de duas ferramentas importantes: a técnica de modulação por largura de pulso, mais conhecida por PWM do inglês, pulse width modulation, e a Ponte H. Elas permitem, respectivamente, que os motores sejam acionados em diversas velocidades e que o sentido de rotação do rotor possa ser escolhido livremente, requisitos para que os robôs se movimentem de forma adequada. 2 Modulação por Largura de Pulso - PWM A modulação por largura de pulso, PWM, é uma técnica poderosa usada no controle de circuitos analógicos através da saída de processadores digitais e utilizada em diversas aplicações [2], desde inversores de frequência a controles de potência e conversores para servomotor [3]. O controle digital de circuitos analógicos através da técnica PWM diminui custos e o consumo de energia, e o fato de muitos microcontroladores e DSPs incluírem um módulo PWM facilita a implementação [2]. PWM é uma maneira de codificar digitalmente níveis de sinais analógicos [2], regulando a potência total entregue a uma carga. A técnica consiste em balancear os intervalos de tempo nos quais a carga recebe potência total e potência nula, de forma a atingir, na média, um valor intermediário desejado. Para entender como ela funciona, um exemplo se faz necessário. O circuito da figura 1 mostra uma carga ligada à dois pontos cujas tensões valem 0 e 5 volts. Quando a chave está aberta, não ocorre passagem de corrente pela carga, e a potência entregue à mesma é nula. Quando a chave é fechada, a tensão entre os terminais da carga é 5 volts, e a potência entregue à carga é máxima.

2 Figura 1: Circuito exemplo carga associada a uma chave e fonte de alimentação Define-se como t off o intervalo de tempo em que a carga recebe potência nula. Neste exemplo, corresponde ao intervalo de tempo em que a chave permanece aberta. Do mesmo modo, define-se como t on o tempo em que a carga recebe potência máxima. Neste exemplo, corresponde ao intervalo de tempo em que a chave permanece fechada. A soma t on +t off define o período de operação, T. Estes três intervalos de tempo são ilustrados na forma de onda da figura 2. A expressão t on /T x 100 define o ciclo ativo [3], também chamado duty cycle. Deixando-se a chave aberta por todo o período de operação, a carga recebe potência nula, ou seja, permanece desligada. Por outro lado, fechando-se a chave durante todo o período T, a carga recebe potência máxima. E se fosse desejado que a carga operasse com, por exemplo, metade da potência total? Uma saída é fazer com que a chave mude rapidamente, permanecendo 50% do tempo T aberta e 50% do período de operação fechada. Com isso, tem-se que a tensão média sobre a carga, e consequentemente a potência média entregue, é de 50%. [3] Ou seja, na realidade estão sendo aplicadas à carga tensões de zero ou cinco volts, mas o efeito equivalente que se observa é o de 2,5 volts aplicados. Neste caso, diz-se que o duty cycle é de 50%. Figura 2: Forma de onda e intervalos de tempo

3 Figura 3: Formas de onda com diferentes duty cycles Do mesmo modo, é possível fazer o chaveamento de forma que a tensão média, e consequentemente a potência entregue, represente qualquer outra fração da tensão máxima. Assim sendo, o duty cycle representa a fração da potência total entregue à carga durante o período de operação. Chaveando-se com maior ou menor frequência, obtém-se diferentes valores de duty cycle, alguns deles ilustrados pelas formas de onda da figura 3. É possível codificar qualquer valor analógico com PWM, dada uma largura de banda suficiente. [2] Isso significa que, mesmo utilizando fontes de tensão com valores fixos, como é o caso de uma bateria, por exemplo, é possível fornecer diferentes valores de tensão média. No caso dos motores, o uso do PWM implica a possibilidade de fornecer variadas tensões médias de alimentação, e como consequência, a possibilidade do funcionamento do mesmo em diversas velocidades. 3 Ponte H A ponte H é um dos circuitos mais importantes na construção de sistemas automatizados, e sua função é realizar o controle de um motor de corrente contínua a partir de sinais gerados por um microcontrolador. [4] Através dela, é possível fornecer a tensão e corrente necessárias para o acionamento do motor e ao mesmo tempo obter flexibilidade de operação ao permitir a inversão do sentido de movimento do eixo do motor sem a necessidade de inverter manualmente os terminais de alimentação. Uma ponte H simples é composta de quatro elementos chaveadores, normalmente transistores bipolares ou FETs [5], posicionados formando a letra H, com a carga no centro. Para cada um dos elementos chaveadores, é associado um diodo em paralelo, geralmente do tipo Schottky [5], como elemento de proteção do circuito. O nó superior da ponte é conectado à uma fonte de alimentação, e o nó inferior é aterrado. A configuração da ponte é ilustrada na figura 4. Para acionar o motor posicionado no centro da ponte, basta ligar um par de elementos chaveadores diagonalmente opostos. Isso faz com que um dos terminais do motor seja ligado à tensão de alimentação, enquanto o outro é ligado ao terra. Deste modo, a corrente flui pelo motor, colocando o eixo em movimento. Para inverter o sentido de rotação, basta ligar o outro par de elementos chaveadores. [4] Isso faz com que a corrente flua no sentido oposto, e o motor inverta o sentido de movimento do eixo.

4 Figura 4: Configuração da Ponte H É extremamente importante destacar que a ponte nunca pode estar com os dois elementos chaveadores de um mesmo lado ligados ao mesmo tempo. Esta situação cria um caminho de baixíssima resistência entre o terra e a fonte de alimentação, resultando numa alta corrente que pode danificar os componentes do circuito. [5] Na construção de uma ponte H, pode-se utilizar tanto chaves mecânicas quanto eletrônicas. Dentre as chaves eletrônicas, os transistores são muito utilizados por sua funcionalidade e fácil aplicação. [4] Ao polarizar a base de um transistor, ele é capaz de conduzir uma corrente entre o seu coletor e o seu emissor que pode ser usada para acionar o motor. Com este intuito, podemos ligar a base do transistor à uma saída digital de um microcontrolador, utilizando um resistor para controle de corrente. Para transistores NPN, um nível lógico alto em sua base permite a passagem de corrente, fechando a chave. Já um nível lógico baixo impede a passagem de corrente, abrindo a chave. [4] Quando se deseja que o motor opere com velocidades variadas, as saídas digitais que controlam os transistores da ponte são sinais do tipo PWM, [5] que chaveiam os transistores da ponte continuamente de forma a entregar a tensão média desejada. Durante o tempo em que o sinal de PWM está em nível lógico alto, para transistores NPN, acionam-se os transistores diagonalmente opostos de acordo com o sentido de movimento desejado, permitindo a passagem de corrente pelo motor. Já quando o sinal de PWM está em nível lógico baixo, para transistores NPN, ainda é necessário que haja um caminho para que a corrente do motor flua, visto que ele é basicamente uma carga indutiva que não permite a mudança instantânea na corrente. [5] Nesta situação existem duas opções. Uma delas é desligar o primeiro par de transistores diagonalmente opostos e acionar o segundo. A segunda é acionar os dois transistores da parte superior ou os dois transistores da parte inferior, criando um eficiente mecanismo de freio. [4] Num circuito real, é impossível acionar os transistores de forma totalmente sincronizada. Isso implica que, momentaneamente, podem existir situações em que a corrente do motor não possui um caminho para fluir. Nestes pequenos intervalos de tempo, os diodos em paralelo com os transistores oferecem um caminho para a corrente, evitando que a voltagem sobre o motor cresça excessivamente. Os diodos geralmente não são utilizados para conduzir a corrente durante todo o tempo de nível baixo do sinal PWM por causa da dissipação de calor. [5]

5 4 Considerações Finais Tanto a técnica de modulação por largura de pulso quanto o circuito da ponte H são bastante populares entre os projetistas. Como prova de sua popularidade, hoje existem microcontroladores que já possuem um módulo especialmente dedicado para gerar sinais PWM. Além disso, apesar de ser possível construir uma ponte H com componentes discretos, [4] estão disponíveis no mercado uma ampla variedade de circuitos integrados com uma ou mais pontes H encapsuladas num mesmo chip. Em suma, a técnica de modulação por largura de pulso e o circuito da ponte H são duas ferramentas poderosas que, utilizadas em conjunto, oferecem uma maneira eficaz e para o acionamento de motores de corrente contínua com controle feito através de sinais digitais. 5 Referências Bibliográficas [1] Sen, P. C., Principles of electric machines and power electronics. 2ed. [2] Barr, M., Introduction to Pulse Width Modulation (PWM). Disponível em [3] Apostila sobre Modulação PWM. Disponível em [4] Montagem de uma ponte H. Disponível em [5] Tantos, A., H-Bridges The Basics. Disponível em