Automação e Computadores - Mecatrónica

Identificação dos principais tipos de motores eléctricos

Introdução Leis do Electromagnetismo (Lei de Laplace) “A força electromagnética exercida sobre um condutor rectilíneo é directamente proporcional à indução magnética B, à intensidade de corrente I que percorre o condutor, ao comprimento l do condutor e ainda ao seno do ângulo (sem α) formado pelo vecto indução e pelo condutor”

B – Indução, dedo polegar; I – Corrente, dedo médio; F – Força gerada, dedo indicador;

F = B.I.l.senα

l

Criação de um binário de forças gerado numa espira de um motor por efeito da Lei de Laplace

M = F . d d

Exemplo de um motor com várias bobines e

respectivas lâminas no colector...

1 - Motores de Corrente Contínua (CC) 1a – De íman permanente (baixas potências)

1b – De estator bobinado (para aplicações que exigem média e grandes potências)

Motor de CC de excitação independente (o rotor e o estátor têm alimentações independentes)

Constituição de um motor CC

M

DC

excitação série

M

DC

excitação paralelo

Íman permanente

Rotor Escovas

Tensão DC

Curvas características dos motores de Corrente Contínua série

Característica de velocidade: É a curva que representa a variação da velocidade n com a corrente absorvida pelo motor, mantendo constante a tensão de alimentação.

Característica do binário: É a curva que representa a variação do binário motor M com a corrente I absorvida pelo motor, mantendo constante a tensão de alimentação.

Característica mecânica: É a curva que representa a variação do binário motor M com variação da velocidade n do motor, mantendo constante a tensão de alimentação.

2 - Motores de Corrente Alternada / motores de indução ou assíncronos

Princípio de funcionamento Observe a seguinte experiência exemplificativa do princípio de funcionamento do motor de indução assíncrono: 1 - O íman em rotação faz com que o seu campo magnético também rode em torno de uma espira em curto-circuito... 2 – a variação do campo magnético B faz gerar na bobine uma corrente induzida i 3 – como a bobine é um circuito fechado aquela corrente induzida gera por sua vez um segundo campo magnético; 4 – este segundo campo magnético criado na bobine inter- age com o campo magnético do íman permante obrigando a bobine a rodar com uma velocidade inferior ao campo magnético

ns

íman girante/campo magnético B

girante

B ido íman...

espira em curto-circuiton1

Num motor de indução a bobine

rotativa é substituida por uma gaiola de

esquilo, que são barras condutoras...

Estator, que gera o campo magnético rotativo

Rotor, com a gaiola de esquilo

2A - Motores de indução monofásicos (de rotor de gaiola em curto circuito) Para utilizaões de pequena e média potência

estator rotor rotor 2B – Motores de polos sombreados ou de espira em curto circuito

Binário mecânico

2C – Motores Universais Podem ser ligados a CA e CC. São semelhantes a um motor série de CC mas são calculados de modo a operar correctamente em CA monofásica. Em geral têm potências baixas e em vazio podem atingir velocidades bastantes elevadas (vários milhares de rotações por minuto). Têm um estator e um rotor com os enrolamentos/bobines ligados em série através do colector/escovas. O custo do motor universal é relativamente baixo e fornece um bom binário de arranque e por isso é usado em situações que exigem aquele binário de arranque elevado e também baixo peso, como é o caso de máquinas ferramentas (berbequins, serras) e também em electrodomésticos como aspiradores, secadores de cabelo, varinhas mágicas, moinhos de café, máquinas de lavar, etc. A sua grande desvantagem é possuir colector e escovas, orgãos sujeitos a desgaste e susceptíveis a avarias. O controlo da velocidade é obtido por variação da tensão aplicada: quanto maior, maior será a velocidade. Este controlo pode ser realizado, por exemplo, por um circuito gerador de PWM. A inversão do sentido de rotação é obtido por troca da polaridade da tensão de alimentação do rotor em relação ao estator (simultaneamente).

não de ambos

Quando o enrolamento do estator é alimentado, cria um campo magnético que atravessa o enrolamento do rotor. Como o enrolamento do rotor é alimentado em série com o estator, os condutores que estão situados sob o mesmo polo são perocrridos por correntes com o mesmo sentido, sendo portanto, segundo a lei de Laplace, sujeitos a forças com o mesmo sentido. Os condutores situados sob o outro polo são sujeitos a forças iguais mas com sentido oposto. As duas forças criam um binário que faz girar o rotor. Como a alimentação é alternada sinusoidal, em cada período há inversão do sentido da campo magnético do estator e da corrente no rotor, como os enrolamentos dos rotor e do estator estão ligados em série, a inversão acontece em simultâneo, logo o binário não inverte e a máquina roda continuamente no mesmo sentido.

AC ou DC

Rotor

Para inverter o sentido de rotação no motor universal deve-se inverter o sentido da corrente no rotor em relação ao estátor...

220V AC

N (rpm)

M binário M em função da velocidade N

3 – Servomotores Os servomotores são motores eléctricos utilizados em aplicações de posicionamento. Recebem sinais eléctricos que transformam em movimentos de rotação ou em deslocamentos lineares precisos. Há diferentes tipos de servos. Os aqui tratados são usados em posicionamentos de pequena dimensão, braços robotizados, etc. São constituidos por pequenos motores DC, um circuito electrónico de controlo, um pequeno potenciómetro que roda solidário com o eixo do servo, um conjunto de engrenagens e três condutores de ligação. A redução de velocidade obtida através das engrenagens permite não só um posicionamento de preciso como também um binário considerável. O circuito electrónico de controlo e o potênciómetro formam um sistema de realimentação (feedback). O eixo roda entre 0º e 180º. O potenciómetro existente está solidário com o eixo e funciona como sensor de posição: a tensão obtida no cursor do potenciómetro é proporcional à posição angular do eixo. O circuito electrónico permite comparar o sinal recebido com a tensão/posição angular. Se o eixo está na posição correcta o motor não roda; senão, o motor roda até ser obtida a tensão/posição angular adequada. Este processo e circuito designa-se por controlo em malha fechada. A posição angular é determinada pela duração do impulso (tempo ON) que se aplica na entrada de comando, sinal este do tipo PWM (período constante). A largura máxima e mínima dependem do tipo de servo.

Controlo do ângulo de rotação

1ms

1,5ms

2ms

Angulo mínimo

Posição neutra

Ângulo máximo

Oº

9Oº

18O

Exemplo de um Programa Basic de Controlo para Picaxe ciclo: servo 4, 75 ‘ move o servo para uma das posições finais pause 2000‘ espera 2 segundos servo 4, 150 ‘move o servo para a posição central pause 2000 ‘ espera 2 segundos servo 4, 225 ‘move o servo para a posição final oposta pause 2000 goto ciclo ‘ volta para ciclo

Binário O binário (ou torque) permite avaliar a força que os servos são capazes de exercer. Um servo standart tem um binário de 3kg.cm a 4,8V, o que é bastante.

Modificação do servo Pode-se modificar um servo com o objectivo de o tranformar em motor DC. Esta modificação implica remover o potenciómetro (que deverá ser substituido por duas resistências para se manter a divisão de tensão...) e também a fixação deste com o eixo. O seu controlo permanece o mesmo e o servo rodará continuamente pois já não possui o controlo da posição angular. Note-se que a utilização do servo como motor DC significa que o circuito de comando deverá ser capaz de suportar a corrente continuamente.

Fichas técnica de servos HS-311 (http://www.hitecrcd.com)

Exemplo de um circuito de comando de um servo (criação de um sinal PWM)

4 – Motores Passo a Passo PaP (Stepper Motor) O motor passo-a-passo é um dispositivo electromecânico que converte impulsos eléctricos em deslocamentos angulares precisos. A cada impulso de comando o eixo do motor roda um pequeno ângulo (passo) e permence nessa posição até novo impulso. Aplicando-se diversos impulsos sucessivos o motor roda até uma determinada posição, ou, se os impulsos se mantiverem, o motor roda por pequenos saltos com um velocidade proporcional à frequência de impulsos. Devido a estas características estes motores são geralmente associados a sistemas digitais e sistemas robóticos que requeiram um posicionamento angular preciso. Não tem escovas e apresentam um binário razoável a baixa rotação. Podem ser do tipo: íman permanente, relutância variável e hibrido e todos têm uma constituição diferente.

4a – Motor de íman permanente (bipolar) São muito usados em impressoras. Como a força magnética mantem-se mesmo desligados, podem ser identificados por o seu eixo manter-se resistente quando são forçados a rodar. O estátor é formado por duas secções, cada uma com o seu enrolamento e vários conjuntos de pólos magnéticos (com a forma de dentes) dispostos radialmente em torno do rotor. O rotor é formado por conjuntos de ímans permanentes N-S dispostos radialmente em torno do veio. O princípio de funcionamento baseia na atracção e repulsão entre polos magnéticos. Quando os enrolamentos do estator são alimentados, criam pólos N e S nos dentes de cada secção: em todos os dentes superiores de cada secção criam-se polos N e em todos os dentes inferiores, pólos S. Como pólos de nome contrário se atraem, os polos N do rotor que estiverem mais próximos são atraídos pelos dentes do estator com polos S e os polos S do rotor pelos dentes com pólos N, rodando o rotor no sentido do alinhamento dos campos magnéticos.

Portanto, para fazer rodar o rotor, basta criar um campo magnético rotativo, alimentando sucessivamente os dois enrolamentos do estator (enrolamentos A e B), como se indica.

FASE/ BOBINE A

FASE/ BOBINE B PASSOS Terminal

A1 Terminal

A2 Terminal

B1 Terminal

B2 1 5V 0V 0V 0V 2 0V 0V 5V 0V 3 0V 5V 0V 0V 4 0V 0V 0V 5V

OBS: a tensão de 5V é apenas indicativa da polaridade positiva. Podemos ter outras tensões. Explicação do modelo: Passo 1: o enrolamento A é alimentado, passando a corrente no sentido indicado, sendo criados os polos N-S no estator que atraem os polos S-N do rotor. Não há nenhuma corrente no enrolamento/fase B; Passo 2: idem para o enrolamento B e também para o enrolamento A, pelo que o rotor roda 90º; Passo 3: o enrolamento é novamente alimentado, mas desta vez com sentidos de corrente trocados, o que origina polos no estator contrários aos do passo 1. O rotor roda mais 90º. Não é aplicada corrente no enrolamento/fase B.

1 2

3 4

Passo 4: Ao enrolamento B é novamente alimentado, agora em sentido contrário, criando-se polos no estator com polaridade oposta à criada no passo 2. O rotor é novamente atraído e desloca-se mais 90º. Neste modelo (não real!) uma rotação realiza-se em 4 passos. Para inverter o sentido de rotação, a sequência deve ser também invertida. Repare que o para comandar este motor é necessário garantir os dois sentidos de circulação da corrente em cada bobine de modo a obtermos polaridades inversas em cada uma. Ou seja uma alimentação bipolar. Um motor PaP real de íman permanente não roda por passos de 90º como o “modelo simplificado” sugere, o que seria manifestamente insuficiente em termos de posicionamento. Na prática temos motores de passos menores, como 7,5º. Estes motores possuem um rotor formado por 12 conjuntos de pólos N-S e duas secções no estator, com 12 + 12 pólos cada. No total existem 48 pólos no estator, o que corresponde, em 360º, a 48 passos de 7,5º.

(texto de apoio criado a partir do livro Motores Eléctricos, de António Francisco, editado pela ETEP (Edições Técnicas e Profissionais)

MODELO/EXPLICAÇÂO SIMPLIFICADA

4b – Motor de relutância variável / VR Stepper Motor (unipolar) Nos motores de relutância variável o rotor não é magnetizado, isto é, não apresenta polos, mas é constituido por material de boa permeabilidade magnética; assim, cada extremidade do rotor é atraído pelas extremidades/bobines do estator independentemente da polaridade magnética destas. Uma forma de verificar que o motor é deste tipo é verificar que ele roda livremente quando desligado e forçado a rodar. A corrente circula nas bobines apenas num sentido: chamam-se também por isso unipolares. Os dentes do rotor procuram se posicionar face aos dentes de cada fase/bobine do estator de modo a serem atraídos o mais possível, quer dizer, de modo a que o circuito magnético apresente uma relutância o menor possível.

ESTATOR

ROTOR No estator deste motor existem, tipicamente, três conjuntos de enrolamentos A, B e C, cada qual com duas bobines colocadas em pólos diametralmente opostos e ligadas em série, formando uma fase. Alimentando sucessivamente cada par de bobines opostas do estator o rotor roda.

FASES PASSOS AA BB CC

1 1 0 0 2 0 1 0 3 0 0 1 4 1 0 0 5 0 1 0 6 0 0 1 ... 1 0 0

Passo 1: Quando a bobine A é activada os dentes do rotor procuram a melhor posição, ou seja, os dentes 1 e 3 alinham com os polos N-S da bobine A; Passo 2: Se a seguir for activada a fase B, os dentes 2 e 4 são atraídos pela aquela fase/bobine e o rotor avança 30º; Passo 3: Se a fase C for agora activada são agora atraídos os dentes 1 e 3 e o rotor avança mais 30º; Passo 4: Voltando a activar a fase A..., são novamente atraídos os dentes 2 e 4 e o rotor

1 2

3 4

5 6

Ligação unipolar Já vimos que na ligação unipolar a corrente de excitação circula nos enrolamentos sempre no mesmo sentido.

Comando dos motores PaP

No bloco “controlo” são geradas as sequência de comando, que pode ser constituido por um microcontrolador ou por um CI específico. No driver de potência efectua-e o aumento de potência (tensão e intensidade) a fim de se poder activar adequadamente os enrolamentos do motor. Indicam-se a seguir alguns exemplos de CIs para Controlo e Driver de potência dos motores PaP. Motor Bipolar

DRIVER DE

POTÊNCIA

MOTORPASSO

A PASSO

CONTROLO

Motor Unipolar