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Motores e Sensores

Autor: José Heitor Linhares Mariano

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Motores

1. Histórico

 Obra de Magnet

Figura 1 – Obra de Magnet

641 a.c. O fenômeno da eletricidade estática já havia sido observado antes pelo grego Tales, ele verificou que ao atritar uma peça de âmbar com pano, esta adquiria a propriedade de atrair corpos (pelos, penas, cinzas, …).

1600 O cientista inglês William Gilbert publicou, em Londres a obra intitulada De Magnete, descrevendo a força de atração magnética.

1663 Foi construída a primeira máquina eletrostática, pelo alemão Otto Guericke, e aperfeiçoada em 1775 pelo suíço Martin Planta.

 1820 O físico dinamarquês Hans Christian Oersted, ao fazer experiências com correntes elétricas, verificou que a agulha magnética de uma bússola era desviada de sua posição norte-sul quando esta passava perto de um condutor no qual circulava corrente elétrica, dando assim, o primeiro passo para em direção ao desenvolvimento do motor elétrico.

Figura 2. Experiencia de Faraday de 1821.

Figura 2. Experiência de Faraday de 1821.

1820 Michael Faraday cria duas experiências para a demonstração de rotação eletromagnética.

1825 O sapateiro inglês William, em paralelo a sua profissão, inventa o eletroímã.

Figura 3 - Rotary por Jedlik, 1827 a 1828.

Figura 3 – Rotary por Jedlik, 1827 a 1828.

1828 Jedlik inventa a primeira máquina rotativa.

1833 O inglês W. Ritchie inventou o comutador construindo um pequeno motor elétrico onde o núcleo de ferro enrolado girava em torno de um ímã permanente.

1838 Com grande sucesso obteve o motor elétrico desenvolvido pelo arquiteto e professor de física Moritz Hermann von Jacobi, aplicou-o a um bote. Alimentados por células de baterias, o bote transportou 14 passageiros e navegou em uma velocidade de 4,8 quilômetros por hora.

O motor DC foi criado a partir do desenvolvimento de geradores de energia (dinamómetros). As bases foram lançadas por William Ritchie e Hippolyte Pixii, em 1832 com a invenção do comutador e, mais importante, por Werner Siemens em 1856 com o double-T, por seu engenheiro-chefe, Friedrich-Alteneck Hefner, em 1872, com o armadura na forma de tambor. Motores DC ainda tem uma posição dominante no mercado hoje no baixo consumo de energia (abaixo de 1 kW) e baixa tensão (abaixo de 60 V).

2. Tipos de Motores

Figura 4 - Motor elétricos parte interna. Photopin.

Figura 4 – Motor elétricos parte interna. Photopin.

Motores são dispositivos que convertem outros tipos de energia em energia mecânica, de forma a dar movimento a máquinas. Os robôs usam motores como propulsores, para a locomoção, como atuadores, para braços ou outros tipos de manipuladores, ou em qualquer componente que realize algum movimento dentro de um espaço de locomoção.

Figura 5 - Motor DC presentes no circuitos do robô. Photopin.

Figura 5 – Motor DC presentes no circuitos do robô. Photopin.

A especificação dos motores caracteriza uma das tarefas mais importantes no desenvolvimento de projetos de robótica, pois são eles que determinam o consumo de corrente elétrica e, consequentemente, os sistemas de alimentação e armazenamento de energia. O tamanho e a maneira de fixar o motor escolhido também influenciam no projeto mecânico do chassi e das eventuais caixas de transmissão e redução.

3. Servomotor

Figura 6 - Projeto de robô que se utilizam Servomotor. Photopin.

Figura 6 – Projeto de robô que se utilizam Servomotor. Photopin.

Características

Os servos motores são usados em várias aplicações quando se deseja movimentar algo de forma precisa e controlada. Sua característica mais importante é a sua capacidade de movimentar a uma posição e mantê-lo, mesmo quando sofre uma força contrária.

Figura 7 - Servomotor.

Figura 7 – Servomotor.

Figura 8 - Estrutura do Servomotor.

Figura 8 – Estrutura do Servomotor.

Suas caraterísticas internas são:

  • Circuito de Controle – responsável pelo monitoramento do potenciômetro acionamento do motor visando obter uma posição pré-determinada.
  • Potenciômetro – ligado ao eixo de saída do servo, monitora a posição do mesmo.
  • Motor – movimenta as engrenagens e o eixo principal do servo.
  • Engrenagens – reduzem a rotação do motor, transferem mais torque ao eixo principal de saída e movimentam o potenciômetro junto com o eixo.
  • Caixa do Servo – caixa para acondicionar as diversas partes do servo.

Funcionamento

O servo motor gira conforme a polaridade da tensão aplicada, pois trata-se de um motor de corrente contínua comum. De modo a impedir que ele movimente muito rápido os demais elementos do servo, um sistema simples de engrenagens (ou mesmo correias) pode ser usado. O motor movimenta tanto a alavanca que vai proporcionar o acionamento externo, ou seja, que vai ser acoplada ao dispositivo final como também o eixo de um potenciômetro. O potenciômetro funciona como sensor de posição para o circuito de realimentação. O circuito de realimentação tem por base um comparador de tensão comum. Um comparador de tensão nada mais é do que um amplificador operacional com um ganho muito alto, de modo a haver uma comutação muito rápida de sua saída em determinadas condições.

Figura 9 - Gráfico do funcionamento do Servomotor.

Figura 9 – Gráfico do funcionamento do Servomotor.

A ideia básica do servo é converter um sinal elétrico, por exemplo, uma tensão, num movimento proporcional de uma alavanca ou ainda um cursor. Se um servo pode ter uma alavanca que se movimente de 90 graus, por exemplo, quando a tensão de entrada varia de 0 à 1 volts, as tensões intermediárias aplicadas na entrada do circuito podem levar a alavanca a qualquer posição intermediária cujo ângulo seja proporcional a estas tensões. Esta proporcionalidade entre o movimento e a tensão de entrada também leva estes dispositivos a serem classificados como de controles proporcionais. Em outras palavras, existe uma proporção direta entre o ângulo de giro da alavanca do Servomotor e a tensão aplicada à sua entrada

Vantagens

Uma das principais vantagens do servo motor é a possibilidade de controlar o torque no eixo de forma constante e em larga faixa de rotação.

  • Baixo Custo
  • Suavidade em baixas rotações
  • Sem consumo em paradas
  • Altos torques de pico
  • Operação em altas velocidades

Desvantagens

Em relação com outros tipos de motores podemos destacar os seguintes fatos como desvantagens no uso desses motores.

  • Circuito mais complexo.
  • Baixo desempenho em baixa velocidades.
  • Comutações limitadas.
Figura 10 - Robô construído usando Servomotor. Photopin.

Figura 10 – Robô construído usando Servomotor.

4 Motor de Passo

Figura 11. Rodas que se utilizam de motores servos.

Figura 11. Rodas que se utilizam de motores servos.

Características

O motor de passo é um dispositivo empregado na conversão de pulsos elétricos em movimentos rotativos e possuem três estágios: parado, ativado como rotor travado ou girando em etapas. São utilizados cada vez mais em áreas como informática e robótica, pois possuem uma alta precisão em seu movimento, além de serem rápidos, confiáveis e fáceis de controlar.

Figura 12 - Rodas que se utilizam de motores servos.

Figura 12 – Rodas que se utilizam de motores servos.

Os mais usados são os motores Unipolares que possuem 2 ou 4 bobinas. Nestes, cada fase consiste de um enrolamento com derivação central ou mesmo de dois enrolamentos separados, de forma que o campo magnético possa ser invertido sem a necessidade de se inverter o sentido da corrente. Já os bipolares, exigem circuitos mais complexos por possuírem muitas bobinas na mesma carcaça. Sua grande vantagem é prover maior torque, além de ter uma menor proporção no tamanho. Fisicamente, este motor tem enrolamentos separados, sendo necessário uma polarização reversa durante a operação para o passo acontecer.

Figura 13 - Estrutura interna de um motor de passo.

Figura 13 – Estrutura interna de um motor de passo.

Funcionamento

Figura 14 - Funcionamento do motor de passo.

Figura 14 – Funcionamento do motor de passo.

O funcionamento básico do motor de passo é dado pelo uso de solenóides alinhados dois a dois que quando energizados atraem o rotor fazendo-o se alinhar com o eixo determinado pelos solenoides, causando assim uma pequena variação de ângulo que é chamada de passo. A velocidade e o sentido de movimento são determinados pela forma como cada solenoide é ativado (sua ordem e a velocidade entre cada ativação).

Vantagens

Os motores de passo possuem como vantagem em relação aos outros tipos de motores:

  • Precisão no torque
  • Excelente resposta a aceleração e desaceleração
  • Seguem uma lógica digital
  • Alta precisão em seu posicionamento.

Desvantagens

Figura 15 - Movimentação do motor.

Figura 15 – Movimentação do motor.

Em relação com outros tipos de motores podemos destacar os seguintes fatos como desvantagens no uso de motores de passo:

  • Baixo desempenho em altas velocidades
  • Requer certo grau de complexidade para ser operado
  • Ocorrência de ressonância por controle inadequado.

4.1 Motor de Corrente Contínua

Figura 16 - Projeto de robótica utilizando motor DC.

Figura 16 – Projeto de robótica utilizando motor DC.

Características

Existem diversos tipos de motores DC, tais como os de imã permanente, sem escovas ou ainda de relutância variável. Os mais comuns (e baratos), que podem ser encontrados numa enorme faixa de tamanhos e tensões de trabalho, são os que fazem uso de escovas. Neles, um conjunto de bobinas gira tendo sua corrente comutada por escovas que invertem o sentido da corrente a cada meia volta de modo a manter o movimento.

Figura 17 - Parte de um motor de corrente continua.

Figura 17 – Parte de um motor de corrente continua.

Estes motores possuem um rendimento razoável quando usados em projetos de Robótica e Mecatrônica, sendo por este motivo os preferidos de muitos projetistas. Eles podem ser encontrados numa ampla faixa de tensões nominais, tipicamente entre 1,5 e 48 volts.

Funcionamento

Os motores de corrente contínua (CC) ou motores DC (Direct Current), como também são chamados, são dispositivos que operam aproveitando as forças de atração e repulsão geradas por eletroímãs e imãs permanentes.

Figura 18 - Rotação do motor DC.

Figura 18 – Rotação do motor DC.

Quando passar correntes elétricas por duas bobinas próximas, os campos magnéticos criados poderão fazer com que surjam forças de atração ou repulsão. Partindo então da posição inicial, em que os pólos da bobina móvel (rotor), ao ser percorrida por uma corrente e alinhados com o imã permanente temos a manifestação de uma força de repulsão. Esta força de repulsão faz o conjunto móvel mudar de posição. A tendência do rotor é dar meia volta para seu pólo Norte se aproxime do polo Sul do imã permanente e seu polo Sul se aproximará do polo Norte pelo qual será atraído.

Figura 19 - Rotação do Motor DC.

Figura 19 – Rotação do Motor DC.

No entanto, no eixo do rotor, por onde passa a corrente que circula pela bobina, existe um comutador. A finalidade deste comutador é inverter o sentido da circulação da corrente na bobina, fazendo com que os pólos invertam-se. O resultado disso será uma transformação da força de atração em repulsão, o que fará com que o rotor continue seu movimento em outro sentido. Mais meia volta, e quando isso poderia ocorrer, a nova posição faz com que o comutador entre em ação e temos nova comutação da corrente. Com isso os pólos se invertem.

Figura 20 - Rotação do Motor DC.

Figura 20 – Rotação do Motor DC.

O resultado disso é que o rotor não para, pois deve continuar em busca de sua posição de equilíbrio. Evidentemente isso nunca vai acontecer, e enquanto houver corrente circulando pela bobina o rotor não vai parar. A velocidade de rotação deste tipo de motor não depende de nada a não ser da força que o rotor tenha de fazer para girar. Desta forma, os pequenos motores de corrente contínua têm uma velocidade muito maior quando giram livremente do que quando girar fazendo algum tipo de esforço (movimento de alguma coisa). Igualmente, a corrente exigida pelo motor depende da oposição que o rotor encontra para sua movimentação. Fazendo mais força, o consumo aumenta.

Normalmente, as velocidades de operação dos pequenos motores são elevadas e para os casos em que necessitados de mais força e de um movimento mais lento, precisamos contar com recursos chamada de redução.

Figura 21 - Motor usando sistema de redução baseado em correia.

Figura 21 – Motor usando sistema de redução baseado em correia.

A redução é facilmente calculada bastando para isso medir o diâmetro do eixo do motor e o diâmetro da polia maior. A relação entre os dois valores indica a taxa de redução e portanto o fator pelo qual ficará multiplicado o torque do motor.

A exemplo, considere um eixo de 5 mm e uma polia de 5 cm de diâmetro teremos uma taxa de redução de 10 para 1. Isso significa que a força fica aumentada em 10 vezes e a velocidade fica reduzida em 10 vezes. Sistemas mais sofisticados incluem o uso de engrenagens como, por exemplo, a caixa de redução ou sistema de correia.

Vantagens

A principal forma de propulsão de muitos dispositivos que tenham partes mecânicas como robôs, braços mecânicos, videocassetes, automação, é o motor elétrico corrente contínua. Os motores de corrente contínua consistem numa forma simples e barata de se obter propulsão mecânica para dispositivos eletromecânicos.

Figura 22 - Motor de corrente continua do tipo sem escova.

Figura 22 – Motor de corrente contínua do tipo sem escova.

Desvantagens

Figura 23 - Robô que utiliza motores DC.

Figura 23 – Robô que utiliza motores DC.

No entanto, sua variedade de características e o seu princípio de funcionamento exigem recursos especiais para que eles possam ser utilizados corretamente. Estes motores possuem um rendimento razoável quando usados em projetos de Robótica e Mecatrônica.

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2 comments

  1. Rogério Lemos

    Olá,

    gostaria de saber como fazer um programa em arduino, para controle de posição de um motor dc com um potenciômetro, sem utilizar um servo motor pronto.

    Obrigado.

  2. Dedicated servers

    Para gerenciamento de motores, sensores de velocidade informam a posicao do eixo da arvore de manivelas e do eixo comando de valvulas. Essa informacao fornece a base para o moderno controle de motor, para a regulagem dos tempos de ignicao e injecao e entrada e saida de gases.

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