Mini-Projecto · Sistema de controlo de motor DC com ponte H e monitorização
Contexto
A "OficinaTech", uma pequena empresa de assistência técnica, recebeu um pedido para desenvolver um protótipo de controlo de motor destinado a uma plataforma motorizada de um cliente: um tapete transportador de bancada, usado num pequeno armazém, que precisa de arrancar suavemente, mudar de sentido para inverter o fluxo e parar de forma controlada, com indicação da velocidade real em cada instante.
Foste destacado/a para desenvolver o protótipo eletrónico deste sistema: um circuito de controlo de motor de corrente contínua por PWM, com ponte H para o sentido de rotação e um encoder para monitorizar a velocidade real, entregue com documentação técnica e demonstração de funcionamento.
Trabalhas individualmente ou a pares, com o software de desenho e simulação de circuitos disponível no laboratório, e podes complementar com montagem física se o material estiver disponível.
Requisitos
Funcionais
- Circuito de controlo de um motor DC por PWM, com duty cycle ajustável.
- Ponte H (discreta ou circuito integrado) que permita inverter o sentido de rotação.
- Pelo menos três estados de operação implementados: avançar, recuar e parar (ponto morto ou travagem ativa).
- Díodo(s) de roda livre corretamente posicionados na proteção do circuito.
- Encoder (real ou simulado) a fornecer pulsos proporcionais à rotação do motor.
- Cálculo e apresentação da velocidade real (rpm) a partir dos pulsos do encoder.
- Esquema elétrico completo, desenhado e simulado, com todos os componentes identificados (referência e valor).
Não-funcionais
- Esquema legível, com simbologia normalizada e nós de ligação corretos.
- Escolha de componentes justificada (datasheet ou ficha técnica consultada).
- Documentação com os parâmetros de configuração usados (frequência do PWM, gama de duty cycle, resolução do encoder).
- Registo dos testes realizados e comparação com as especificações pedidas.
Fases
Fase 1 · Levantamento e especificação (1h) Definir as especificações do sistema (tensão do motor, gama de velocidade, tempo de arranque aceitável) e escolher a arquitetura geral (malha aberta com leitura de velocidade apresentada, ou malha fechada).
Fase 2 · Escolha de componentes (2h) Selecionar o transístor/CI de ponte H, o díodo de roda livre e o encoder, consultando datasheets. Justificar cada escolha por escrito.
Fase 3 · Desenho do esquema (3h) Desenhar o esquema completo no software de desenho/simulação: microcontrolador (ou gerador de sinal), ponte H, motor, díodo(s), encoder.
Fase 4 · Circuito de controlo por PWM (2h) Implementar e simular a geração de PWM e a variação do duty cycle, verificando a tensão média aplicada ao motor.
Fase 5 · Ponte H e sentido de rotação (3h) Implementar os três estados (avançar, recuar, parar) e verificar que nunca ocorre a combinação proibida de interruptores. Testar a transição entre estados.
Fase 6 · Encoder e cálculo de velocidade (2h) Implementar a contagem de pulsos do encoder e o cálculo da velocidade real (rps e rpm), comparando com o valor esperado pelo duty cycle aplicado.
Fase 7 · Testes, documentação e apresentação (2h) Correr a bateria de testes, documentar parâmetros e resultados, e apresentar o protótipo à turma.
Critérios de avaliação
| Critério | Peso |
|---|---|
| Escolha e justificação de componentes | 15% |
| Esquema elétrico correto e normalizado | 20% |
| Circuito de PWM funcional (duty cycle e tensão média) | 20% |
| Ponte H com os três estados e sem curto-circuito | 20% |
| Encoder e cálculo correto de velocidade | 15% |
| Documentação e apresentação | 10% |
Erros comuns
- Esquecer o díodo de roda livre e queimar o transístor de comutação nos primeiros testes.
- Permitir, no código ou na lógica de controlo, uma transição direta entre S1+S4 e S2+S3 sem passar por um estado de paragem intermédio (risco de curto momentâneo na ponte H discreta).
- Confundir a resolução do encoder com a velocidade, esquecendo de dividir pelo tempo de contagem.
- Alimentar a lógica e a potência do CI de ponte H com a mesma fonte sem verificar os limites de tensão de cada uma.
- Testar apenas a velocidade máxima, sem verificar o comportamento a duty cycles baixos (onde o motor pode não arrancar por atrito).
- Entregar o esquema sem legenda nem referências dos componentes, dificultando a leitura por terceiros.
Bónus (opcional)
- Acrescentar controlo em malha fechada: usar a leitura do encoder para corrigir automaticamente o duty cycle e manter uma velocidade de referência constante sob variação de carga.
- Implementar uma rampa de aceleração/desaceleração por software, em vez de aplicar o duty cycle final de imediato.
- Adicionar um ecrã ou saída série a mostrar a velocidade (rpm) em tempo real.
- Comparar o protótipo com um VEV comercial para motores de indução, explicando as semelhanças e diferenças de arquitetura (retificador + barramento DC + inversor vs ponte H simples).
Reflexão
No dossiê final, responde: porque é que a combinação S1+S3 (ou S2+S4) numa ponte H nunca pode ser permitida, mesmo por um instante muito curto durante uma transição de sentido? E: se este protótipo tivesse de controlar um motor de corrente alternada em vez de um motor DC, que blocos do circuito mudariam e porquê?