Control an Do Um Motor Por Driver

8/2/2019 Control an Do Um Motor Por Driver

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Controlando um Motor por Driver

Introdução

Um driver de motor é o circuito q controla e fornece energia ao motor. Ele pode

ser simples usando poucos componentes como um único transistor ou complicado a ponto de

usar chips e vários outros componentes anexados.

Primeiramente será estudado um circuito simples onde com apenas um

transistor será possível ligar ou desligar o motor. Então, desce inicio, será incrementado até a

clássica ponte H o que possibilitará controle bidimensional do motor, coasting e freio elétrico.

Por fim será mostrado como conectar a ponte H a chips lógicos ou microcontroladores que irão

controlar o motor.

Porque Usar um Driver?Porque usar um driver para controlar e n deixar que ele seja controlado

diretamente pelo microcontrolador ou chip lógico?

Microcontroladores são projetados para processamento de dados o que requer

milhões de conexões e microscópicas chaves eletrônicas e geralmente não fornecem voltagem

ou corrente suficiente para ativar motores.

Um driver de motor simplesmente é um circuito usado para alimentar um motor

com voltagem ou corrente suficiente para o funcionamento do mesmo e geralmente funciona

sobre o controle de um microcontrolador;

Um driver de motor alimente alta voltagem e corrente para o motor

Driver de motor isola o circuito lógico de ruídos e picos gerados pelo

motor durante seu uso.

Os Quatro Modos de um Motor

Um motor reversível de corrente continua tem quatro modos fundamentais:

rotação horária, rotação anti-horária, coast, freando.

1- Rotação horária

2- Rotação anti-horária

3- Coasting

4- Freio



Rotação horária

A maioria dos motores tem rotação horária quando o terminal positivo da

bateria conecta o terminal positivo do motor e o negativo da bateria com o negativo domotor.

Rotação anti-horária

Em um motor reversível a rotação anti-horária acontece quando os terminais da

bateria ou do motor são invertidos em relação à polaridade usada na rotação horária.

Um motor reversível permite que um robô se mova para frente e para traz

controlando a polaridade da energia fornecida ao motor.

Coasting

Quando o os terminais do motor estão completamente desconectadas, o motor

pode girar livre.

Freio Elétrico

Com a bateria removida e os terminais do motor eletricamente conectados, o

motor vai começar a frear devido a força magnética que aparece internamente.

Esse modo pode ser usado como um freio de um robô, não tão eficiente quanto

um freio mecânico, porem ainda pode ser útil.

Driver Simples Com um Único Transistor

O mais básico driver de motor é um único transistor funcionando como uma

chave. Com o transistor ligado o motor é conectado à fonte e com ele desligado o motor

é desconectado. Desta forma é possível induzir o motor a girar em apenas uma direção.

Driver de motor com um transistor bipolar NPN

Na figura o transistor Q1 age como uma chave de força para o motor, quando a

chave esta ligada o motor é conectado a 9V e ao terra e ira girar. Quando a chave esta

desligada o motor estará desconectado do terra e não ira girar.

Transistores bipolares são desligados quando nem uma corrente é aplicada em

sua base (B) e serão ligados quando corrente suficiente passa pela base (B).



O resistor R1 serve como proteção à base do

transistor contra voltagens ou correntes muito

grandes. O valor de R1 geralmente é pequeno o

bastante para garantir que flua corrente suficiente na

base (B) e, ao mesmo tempo, e grande o suficientepara prevenir a base de Q1 de receber uma corrente

muito grande que seria capaz de danificar Q1.

O diodo D1 também serve de proteção ao

transistor Q1. Um motor girando possui muita energia em si. Quando o transistor Q1

desliga, a voltagem no motor aumenta e reverte a polaridade por causa de colapsos nos

campos eletromagnéticos. O diodo D1 evita que essa alta voltagem retorne a bateria ou

circule pelo motor. Se D1 não estivesse ali, a voltagem do motor poderia ser forte o

suficiente para forçar passagem pelo Q1 ate o terra, danificando Q1 no processo.

Driver de motor com um transistor bipolar NPN

Em um circuito usando um transistor bipolar PNP é basicamente o mesmo

processo.

A diferença esta na ativação do transistor que é

ligado quando sua base (B) é conectada ao terra

e é desligado quando conectado a uma voltagem

positiva ou desconectado. O motor e o diodo

têm mesma orientação, entretanto estão ligados

ao terra e R2 desempenha o mesmo papel de R1.

Na verdade o transistor Q2 não necessita de ser

conectado ao terra por completo e sim apenas

0.6V abaixo da voltagem positiva para permitir

corrente, entretanto conectá-lo ao terra

aumenta a corrente que passa pela base do

transistor o que permite que o transistor esteja completamente ligado (saturado) parauso de motores que utilizam uma grande carga.

Usando um Driver NPN e PNP em Conjunto

O próximo circuito combina os drivers de motor NPN e PNP. São utilizados neste

os mesmos componentes descritos anteriormente e são conectados também da mesma

forma, única diferença é o motor que será conectado no meio do circuito. Esse arranjo é

chamado de meia ponte.



A Clássica Ponte H Bipolar

Dobrando o circuito visto anteriormente chegamos à clássica ponte H. Esse

circuito é assim chamado pelo fato da disposição dos elementos lembra a letra H.



O circuito pode parecer complicado, mas na verdade são quatro drivers de um único transistor

(dois PNP no topo e dois NPN em baixo) ligados em conjunto e pode controlar o motor em

todos os quatro modos fundamentais: rotação horária, anti-horária, coast, freio.

Rotação Horária com a Ponte H

Quando o resistor R2 é conectado ao terra, o transistor PNP é ligado. Quando o resistor

R3 é conectado a 9V, o transistor NPN é ligado. Isso cria um caminho para a corrente fluir de 9V

por Q2, motor, Q1 e o terra. Assumindo que você tem a parte positiva conectada ao lado da

ponte H com Q2, o motor devera girar no sentido horário.

Rotação Anti-Horária com a Ponte H

Quando o resistor R4 é conectado ao terra, o transistor PNP Q4 liga. Quando o resistor

R1 é conectado a 9V, o transistor NPN Q1 liga. Isso cria um caminho para a corrente de 9V porQ4, motor, Q1 e o terra. Se a parte positiva de seu motor estiver ligado no lado da ponte H que

possui Q1, seu motor deve girar na direção anti-horária.



Reduzindo a Rotação com o Freio Eletrônico usando a Ponte H

Quando R3 é conectado a 9V, o transistor NPN Q3 é ligado. Quando R1 é conectado a 9V, o

transistor NPN Q1 é ligado. Os dois lados do motor estarão conectados ao terra, então os dois

lados do motor estarão efetivamente conectados, o que resultara em uma dissipação de

energia rápida.

É possível o mesmo efeito ligando os transistores PNP Q4 e Q2.



Coasting usando a Ponte H

Por ultimo, se nem um dos resistores estiverem conectados então nem um

transistor será ligado. O motor poderá, assim, girar livremente.

Usando uma Interface

Ate agora os transistores foram ligados ou desligados conectando suas bases a

diferentes voltagens. É possível desligar a parte baixa da ponte H (Q3 E Q1) com 0V eligar fornecendo alguns volts a base através de um microcontrolador de 5V ou 3.3V se o

motor não precisar mais que alguns miliamperes. Você pode também ligar a parte de

cima da ponte H (Q4 e Q2) com 0V, porem para desligar será necessário

aproximadamente a mesma voltagem de emissão (9V no caso ilustrado) e o

microcontrolador fornece apenas 5V.

Será necessário um circuito que permita a um microcontrolador controlar a

parte de cima da ponte H. Esse circuito é chamado de interface.

Usando uma Interface NPN em um PNP

O circuito abaixo é idêntico ao circuito de um único transistor apresentado no

começo exceto que Q5 e R5 foram acrescentados. Q5 agora tem a função de conectar

R2 ao terra ou desconectar R2. R5 apenas protege Q5 como um limitador de corrente.

Quando R5 é conectado ao terra, Q5 desliga, o que causa R2 a ficar

desconectado, e assim Q2 ficara desligado, o que impede o motor de receber corrente,

então o motor não gira. Quando R5 recebe mais que 0.6V, então corrente começa a fluir



na base de Q5 ligando-o. Quando Q5 esta ligado R2 se conecta ao terra ligando Q2.

Quando Q2 esta ligado, o motor recebe corrente e começa a girar.

Finalizando a Ponte H

Com a adição das interfaces NPN nos transistores PNP, a ponte H bipolar esta

finalmente pronta. Um microcontrolador agora pode aplicar alguns volts em R1, R3, R5

ou R6 para ligar ou desligar as chaves e controlar o motor.



Usando Chips de Interface

No lugar dos transistores NPN, é possível usar chips especificamente projetados

para converter baixa voltagem de entrada em alta voltagem de saída.

Esses chips não são diferentes das interfaces NPN, entretanto são melhores elaborados.



Driver de Motor Usando MOSFETs

Ate agora foram usados transistores do tipo bipolar para criar um circuito capaz

de controlar um motor.

Agora iremos estudar como construir a ponte H usando um transistor feito deuma tecnologia diferente os MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect

transistor). Diferente dos transistores bipolares, os MOSFETs precisam estar sempre

conectados a voltagem. Eles não podem ficar desconectados.

Introduzindo o Circuito de Único Transistor MOSFET N-channel

O circuito de transistor canal-n é similar ao

circuito de único transistor NPN apresentado

anteriormente. Aplicando o terra (0V) a comporta(G)

de Q1 desliga o transistor, que eletricamentedesconecta o motor. Aplicando 9V a comporta liga o

transistor Q1, que eletricamente conecta o motor

fazendo-o girar.

Como o transistor MOSFET PE controlado por

voltagem e não por corrente, não é necessário um

resistor com função de limitador de corrente. E de

fato, como pouca corrente flui pela comporta, o

circuito é incrivelmente eficiente, pois pouca energiaé gasta para deixar o transistor ligado.

Entretanto a maioria dos transistors MOSFET requer a aplicação de uma

voltagem bem maior para ligar que os bipolares.

Como foi dito os MOSFETs são controlados pela voltagem presente em sua

comporta. De fato, a comporta de um MOSFET se comporta como um pequeno

capacitor. Depois que um MOSFET é carregado ate uma voltagem, desconectá-lo

inicialmente retém a carga onde ela esta.

Um MOSFET que esta ligado não, necessariamente, se desliga quando

desconectado. No lugar a comporta deve ser ligada a uma voltagem diferente para

reduzir a carga na comporta ate a voltagem necessária para desligar o MOSFET.

Ao deixar desconectado um MOSFET você o deixa vulnerável a voltagens

desconhecidas. A comporta pode simplesmente se carregar como descarregar ou

mesmo continuar sem estar carregada. Assim o MOSFET pode oscilar em ligado,

desligado ou parcialmente ligado.



Assim é necessário fornecer um valor padrão para a comporta. Isso é feito

usando um resistor conectado ao circuito.

Criando um Valor Padrão Alto

Usando um resistor R1 disposto como

mostra a figura à esquerda a comporta estará

sempre conectada a 9V (valor padrão definido no

exemplo).

Assim o transistor esta ligado por padrão.

Um resistor nesta função é chamado de pull-

up.

Caso R1 e a comporta de Q1

sejam ligados a uma voltagem igual

(9V no exemplo). O valor padrão

permanece e o transistor continua

ligado.



Caso R1 esteja conectado à voltagem

padrão (9V) e a comporta conectado ao terra,

a carga da comporta e a corrente que passa

por R1 fluem para o terra e, assim, o valor

padrão será sobrescrito desligando Q1.

Entretanto quando o circuito esta

como o apresentado na figura a esquerda,

pouca corrente flui pelo resistor R1.

Criando um Valor Padrão Baixo

Usando um resistor R1 disposto

como mostra a figura a esquerda a

comporta estará sempre conectada ao

terra (valor padrão definido no exemplo).

Assim o transistor esta desligado

por padrão.

Um resistor nesta função é

chamado de pull-down.



Caso R1 e a comporta de Q1

sejam ligados ao terra (0V). O valor

padrão permanece e o transistor

continua desligado.

Caso R1 esteja conectado à 9V e a

comporta concetado ao terra, a corrente

criada entre 9V e o terra carrega a comporta

e, assim, o valor padrão será sobrescrito

ligando Q1.

Quando o circuito esta como o

apresentado na figura a esquerda, pouca

corrente flui pelo resistor R1.



Nossos circuitos N-channel e P-channel incrementados com os resistores de pull-down e

pull-up respectivamente ficarão assim:

Ponte H Usando Circuitos N-channel e P-channel

Uma ponte H usando transistores MOSFET funciona com o mesmo principio dos

bipolares. Juntando quatro circuitos de um único transistor (dois N-channel e dois P-channel).



Diferentemente da ponte H bipolar, esta não precisa dos diodos para evitar corrente

contraria no circuito, uma vez que os próprios transistores possuem um diodo como parte de

sua estrutura. Entretanto ao adicionar um diodo ao circuito diminuindo a energia perdida e

aprimorando a desempenho do driver.

Também é possível adicionar ao circuito capacitores para ajudar no carregamento dacomporta do MOSFET aumentando a velocidade da chave.

Usando Interface com a Ponte H

Assim como os transistores bipolares PNP na parte superior da ponte H bipolar, a parte

superior (p-channel) deve ser suprida de voltagem positiva para se desligarem. Como na ponte

H bipolar é possível usar transistores NPN, n-channel MOSFETs ou chips (open-collector chip).

Note que os resistores pull-up e pull-down foram retirados uma vez que o chip sempre

fornecera uma voltagem aos transistores. Entretanto foram adicionados dois resistores pull-

down na entrada do chip para ajustar o motor para o modo freio eletrônico como padrão ao

ligar o circuito.

Expondo Falhas: Shoot-Through

Existe uma falha no circuito mostrado acima. Porque a parte superior (p-channel) e a

parte inferior (n-channel) estão sendo controladas por um único sinal de voltagem do chip,

então, por um período muito pequeno (1 a 25 nanosegundos), os transistores são ativados ao

mesmo tempo causando um curto no sistema. Por exemplo, com uma fonte de 16V vai existir

um momento onde as comportas p-channel e n-channel terão 8V ao mesmo tempo. As



comportas com 8V com uma fonte de 16V deixara ambos os transistores na condição ligado. E

quando os dois transistores de um lado estiverem ligados ao mesmo tempo causa um curto no

circuito. Essa condição apresentada é chamada de shoot-through.

Esse problema pode ser evitado (se necessário) usando dois chips de interface, um para

cada lado da ponte H.

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