Sebenta · Implementar circuitos de controlo de motores elétricos (UC03884)

Introdução

Um motor ligado diretamente a uma fonte só tem uma velocidade: a nominal. Esta sebenta ensina a controlar eletronicamente motores de corrente contínua e de corrente alternada, variando velocidade, direção e posição com precisão, através de circuitos e dispositivos de eletrónica de potência.

O percurso segue a lógica de um técnico de eletrónica e automação: primeiro os componentes que fazem a comutação de potência (díodos, BJT, MOSFET, IGBT), depois a técnica de PWM que controla motores de corrente contínua, a ponte H que acrescenta o controlo de sentido, os sistemas de malha aberta e fechada com encoders e sensores, e por fim o controlo de motores de corrente alternada com variadores eletrónicos de velocidade (VEV), incluindo motores síncronos e motores de passo.

Objetivos de aprendizagem (referencial): desenvolver e executar circuitos de controlo para motores de corrente contínua através de PWM; desenvolver e executar circuitos de controlo baseados em VEV para motores de corrente alternada; executar sistemas de monitorização e controlo da posição e velocidade de motores elétricos.

1. Semicondutores de potência

O controlo eletrónico de um motor assenta em componentes que funcionam como interruptores comandados, capazes de ligar e desligar correntes elevadas milhares de vezes por segundo.

Componentes base

O díodo de roda livre

Um motor é uma carga indutiva. Quando um transístor corta subitamente a corrente numa bobina, esta gera um pico de tensão que pode destruir o componente de comutação. O díodo de roda livre (flyback diode), ligado em antiparalelo com o motor, dá um caminho seguro a essa corrente no momento do corte.

⚠️ Todo o circuito com uma bobina comutada (motor, relé, solenoide) leva um díodo de roda livre. É o erro nº1 em montagens de laboratório.

BJT, MOSFET e IGBT

Os três funcionam como interruptores comandados, mas diferem no modo de comando, na velocidade de comutação e nas perdas:

Regra prática desta UC: MOSFET para PWM de motores DC de baixa/média potência; IGBT nos inversores dos variadores de frequência, onde as tensões e potências são maiores.

Exemplo resolvido: escolher entre MOSFET e IGBT

Um motor DC de 12 V e 3 A precisa de um transístor de comutação para PWM a 10 kHz.

1. A tensão (12 V) e a corrente (3 A) são baixas para os padrões industriais: dispensa-se o IGBT.
2. O MOSFET tem Rds(on) baixo e comuta bem a 10 kHz, com perdas reduzidas nesta gama.
3. Escolhe-se um MOSFET com Id máximo bem acima de 3 A (margem para picos de arranque) e Vds acima de 12 V com folga.

Conclusão: MOSFET é a escolha correta; o IGBT só se justificaria com tensões de dezenas/centenas de volts, típicas de um VEV.

2. PWM: modulação por largura de impulso

O que é PWM

PWM (Pulse Width Modulation) liga e desliga a alimentação do motor rapidamente, variando a percentagem de tempo ligado em cada período (o duty cycle).

• Duty cycle: percentagem do período em que o sinal está ativo. 0% = sempre desligado, 100% = sempre ligado.
• Frequência do PWM: tipicamente entre 1 kHz e 20 kHz para motores DC, acima do limite audível para evitar ruído.
• Devido à inércia mecânica e elétrica, o motor responde à tensão média aplicada, não aos impulsos individuais.

$$V_{med} \approx D \times V_{alim}$$

Exemplo resolvido: tensão média e duty cycle

Um motor DC de 12 V é controlado por PWM.

1. Com duty cycle de 30%: V_med = 0,30 × 12 = 3,6 V.
2. Para metade da velocidade nominal, é necessário aproximadamente D = 50%: V_med = 0,50 × 12 = 6 V.
3. Para velocidade máxima: D = 100%, V_med = 12 V.
4. Para obter 8 V médios a partir de 12 V: D = 8/12 ≈ 67%.

O duty cycle funciona como o "acelerador" eletrónico do motor de corrente contínua.

Gerar PWM em microcontroladores

Os microcontroladores geram PWM por hardware, através de temporizadores (timers) internos ligados a pinos específicos.

• Nem todos os pinos suportam PWM: só os associados a um timer com saída de comparação (em placas Arduino, marcados com ~).
• O valor do registo de comparação do timer define o duty cycle; a configuração do timer define a frequência.
• Em linguagens de alto nível, funções como analogWrite() abstraem esta configuração, recebendo o duty cycle como número.

Circuito de acionamento

O pino de um microcontrolador não tem corrente para mover um motor diretamente (tipicamente 20 a 40 mA). É necessário um andar de potência:

1. Transístor (MOSFET) de comutação, dimensionado para a corrente e tensão do motor.
2. Driver de gate ou resistência de gate, para comutar depressa sem aquecer.
3. Isolamento galvânico (opto-acoplador), recomendado entre o sinal e a potência.
4. Díodo de roda livre, sempre em antiparalelo com o motor.

3. Controlo de motores de corrente contínua

Circuito básico

Montagem mínima para controlar a velocidade de um motor DC num só sentido:

+Vmotor ──[Motor DC]──┬──[Dreno MOSFET]
                       │
             (Díodo roda livre, antiparalelo com o motor)
                       │
                 [Fonte MOSFET] ── GND
Gate MOSFET ← sinal PWM (via resistência de gate)

O MOSFET liga e desliga o motor à frequência do PWM; o díodo protege o MOSFET nos cortes; a velocidade é definida apenas pelo duty cycle.

Exemplo resolvido: dimensionar o MOSFET

Motor DC de 12 V, 2 A nominais, controlado por PWM a 10 kHz.

1. Corrente de pico a considerar: pelo menos 1,5× a nominal, ≈ 3 A.
2. Escolher MOSFET com Id máximo bem acima de 3 A e Vds com folga (ex. 30 V para uma fonte de 12 V).
3. Verificar Rds(on) baixo: perda por condução ≈ I² × Rds(on). Com Rds ≈ 0,02 Ω: perda ≈ 2² × 0,02 = 0,08 W (baixa).
4. Avaliar necessidade de dissipador com base na potência dissipada e na resistência térmica do encapsulamento.

4. A ponte H

O que é e como funciona

A ponte H é um arranjo de quatro interruptores que permite inverter a polaridade aplicada ao motor, controlando o sentido de rotação além da velocidade.

   +V ──┬────────────┬── +V
        S1           S2
        │            │
        ├── Motor ───┤
        │            │
        S3           S4
   GND ─┴────────────┴── GND

⚠️ Nunca ligar S1+S3 ou S2+S4 em simultâneo: cria um curto-circuito direto na fonte de alimentação. É o erro mais destrutivo e mais caro num laboratório de eletrónica de potência.

Circuitos integrados de ponte H

Na prática usam-se circuitos integrados dedicados em vez de montar os quatro transístores discretos:

• L298N: ponte H dupla, robusta, até vários amperes por canal, muito usada em ensino e robótica. Alimentação de lógica (5 V) separada da alimentação de potência (até 46 V).
• DRV8871 / TB6612FNG: pontes H mais recentes, mais eficientes, menores perdas de condução.

Estes CI incluem tipicamente proteção contra curto-circuito entre braços e, nalguns casos, díodos de roda livre integrados.

Exemplo resolvido: sentido e velocidade combinados

Um sistema usa uma ponte H com PWM aplicado ao par S1/S4. Para inverter o sentido a meia velocidade:

1. Desligar S1/S4 e aguardar o tempo morto de segurança.
2. Aplicar PWM (D = 50%) ao par S2/S3.
3. O motor passa a rodar no sentido inverso a metade da velocidade nominal.

5. Malha aberta e malha fechada

As duas arquiteturas

Malha aberta:  Comando → Controlador → Motor → (sem realimentação)

Malha fechada: Comando → Controlador → Motor → Sensor
                     ▲                            │
                     └──────── realimentação ──────┘

• Malha aberta: define-se o duty cycle e confia-se que o motor executa o comando. Simples e barata, mas sensível a carga, atrito e variações de tensão.
• Malha fechada: um sensor mede o resultado real (velocidade, posição) e o controlador ajusta o comando continuamente para corrigir o erro entre o pedido e o medido.

Quando escolher cada uma

A escolha é um exercício de adequar componentes e configurações à função do circuito: não se usa sempre a solução mais sofisticada.

6. Encoders e sensores de feedback

Encoders

Um encoder converte o movimento de rotação do eixo do motor em sinais elétricos contáveis:

• Incremental: gera pulsos a cada fração de volta. Conta-se o número de pulsos por unidade de tempo para obter velocidade, e acumula-se a contagem para obter posição relativa.
• Absoluto: cada posição do eixo corresponde a um código único, dando a posição real mesmo após desligar e voltar a ligar o sistema.
• Encoders incrementais com dois canais desfasados (A/B) permitem também detetar o sentido de rotação.

Exemplo resolvido: calcular velocidade a partir do encoder

Um encoder de 360 pulsos/volta está acoplado ao eixo do motor. Em 0,5 segundos, o controlador conta 900 pulsos.

1. Rotações no intervalo: 900 / 360 = 2,5 voltas.
2. Velocidade em rotações por segundo: 2,5 / 0,5 = 5 rps.
3. Velocidade em rpm: 5 × 60 = 300 rpm.

Outros sensores de feedback

A escolha do sensor depende da precisão exigida, do custo e do ambiente (vibração, temperatura, ruído elétrico).

7. Motores de corrente alternada e variadores de frequência

Porque um motor CA não se controla por PWM simples

Num motor de indução (CA), a velocidade síncrona depende essencialmente da frequência da tensão de alimentação:

$$n_s = \frac{120 \times f}{p}$$

onde f é a frequência (Hz) e p o número de polos. Para variar a velocidade sem trocar o motor, é preciso variar a frequência que o alimenta: essa é a função do Variador Eletrónico de Velocidade (VEV), também chamado drive ou VFD.

Exemplo resolvido: velocidade síncrona

Motor de indução de 4 polos, alimentado a 50 Hz.

$$n_s = \frac{120 \times 50}{4} = 1500 \text{ rpm}$$

Se o VEV reduzir a frequência para 25 Hz, a nova velocidade síncrona é 750 rpm: metade da velocidade, para metade da frequência.

Blocos internos de um VEV

Rede CA → [Retificador] → [Barramento DC + filtro] → [Inversor IGBT] → Motor CA

• Retificador: converte a CA da rede em DC pulsante.
• Barramento DC: condensadores de grande capacidade alisam e armazenam energia.
• Inversor: bloco de IGBT que reconstrói uma saída CA de frequência e amplitude controladas, usando PWM de alta frequência sobre a onda de saída.

⚠️ O barramento DC de um VEV pode manter tensão perigosa durante minutos após o corte da alimentação de rede, devido à energia armazenada nos condensadores.

8. Configurar o variador de frequência

Parâmetros essenciais

Rampas mal ajustadas causam arranques bruscos (desgaste mecânico) ou paragens demasiado lentas para a aplicação.

Exemplo resolvido: procedimento de arranque de um VEV

Colocar em funcionamento um VEV a controlar o motor de indução de uma bomba.

1. Confirmar a placa de características do motor (tensão, corrente, frequência, polos) e introduzi-la nos parâmetros do VEV.
2. Definir frequência mínima (ex. 20 Hz) e máxima (ex. 50 Hz, nominal).
3. Definir rampas de aceleração/desaceleração adequadas à inércia da carga (ex. 5 s).
4. Ligar em vazio, se possível, e verificar o sentido de rotação antes de acoplar à carga.
5. Aumentar gradualmente a referência e verificar o funcionamento face às especificações definidas.

9. Motores síncronos e motores de passo

Motores síncronos

No motor síncrono, o rotor roda exatamente à velocidade do campo girante, sem escorregamento. A velocidade depende apenas da frequência de alimentação e do número de polos, tal como no motor de indução, mas sem a folga do escorregamento. Um VEV controla a velocidade de um motor síncrono da mesma forma: ajustando a frequência. É usado onde é preciso velocidade muito estável e precisa (servo-acionamentos).

Motores de passo

O motor de passo (stepper) roda em incrementos fixos e discretos, controlados diretamente por sequências de pulsos:

• Cada pulso enviado ao driver faz o eixo avançar um passo (ex. 1,8° por passo, 200 passos/volta).
• A velocidade é controlada pela frequência dos pulsos; a posição, pela contagem de pulsos enviados.
• Um driver dedicado (ex. A4988, DRV8825) gera as sequências de comutação das bobinas a partir de dois sinais simples: passo e sentido.

Exemplo resolvido: pulsos para um ângulo dado

Motor de passo de 1,8° por passo. Quantos pulsos são precisos para rodar 90°?

$$\frac{90}{1{,}8} = 50 \text{ pulsos}$$

10. Monitorização e controlo de posição e velocidade

Sistema completo

[Referência de posição] → [Controlador] → [Ponte H + PWM] → [Motor DC + Encoder]
                                 ▲                                    │
                                 └──────── posição/velocidade real ────┘

O controlador lê continuamente o encoder, compara com a referência, e ajusta o duty cycle e o sentido na ponte H. É o padrão usado em braços robóticos, eixos de máquinas CNC e plataformas motorizadas.

Monitorizar vs controlar

• Monitorizar: medir e apresentar a velocidade/posição (ecrã, registo de dados), sem necessariamente agir.
• Controlar: usar a medição para ajustar ativamente o comando enviado ao motor.

Um sistema profissional normalmente faz as duas coisas: monitoriza para diagnóstico e histórico, e controla em tempo real para manter o desempenho pedido.

11. Segurança e boas práticas profissionais

Segurança no laboratório de eletrónica de potência

Circuitos de controlo de motores envolvem correntes elevadas, tensões de rede (nos VEV) e trabalho de soldadura, pelo que a segurança acompanha todo o processo, do desenho ao teste final:

• Usar sempre os Equipamentos de Proteção Individual definidos para o laboratório.
• Ligar a extração de fumos durante qualquer operação de soldadura.
• Lembrar que o barramento DC de um VEV pode manter tensão perigosa durante minutos após o corte da alimentação de rede, devido à energia armazenada nos condensadores de filtragem.
• Confirmar sempre a desenergização de um circuito com o multímetro antes de tocar em ligações de potência, nunca confiar apenas no interruptor.
• Consultar o manual técnico e as fichas de segurança dos equipamentos e aparelhos de medida antes de os usar pela primeira vez.

Boas práticas de trabalho

• Interpretar manuais técnicos e datasheets antes de montar qualquer circuito, não depois de algo falhar.
• Interpretar esquemas elétricos e eletrónicos com rigor, confirmando cada ligação antes de energizar o circuito.
• Testar em malha aberta e baixa potência antes de avançar para malha fechada e potência nominal, isolando problemas cedo.
• Documentar os parâmetros de configuração usados (duty cycle, frequências do VEV, resolução do encoder) para reprodutibilidade e manutenção futura.
• No final de qualquer montagem, verificar o funcionamento face às especificações definidas: é o último e mais importante dos critérios de desempenho da UC.

Estas práticas não são um extra opcional: fazem parte das atitudes avaliadas nesta UC, nomeadamente o rigor, o sentido crítico e o respeito pelas regras e normas definidas.

Erros comuns

• Esquecer o díodo de roda livre num circuito com motor: pico de tensão e transístor queimado.
• Confundir os pinos do MOSFET (dreno/fonte/gate) com os do BJT (coletor/emissor/base) ao ler um datasheet.
• Ligar S1+S3 ou S2+S4 em simultâneo numa ponte H: curto-circuito direto na fonte.
• Tratar o barramento DC de um VEV como seguro logo após desligar da rede, ignorando a energia armazenada nos condensadores.
• Configurar rampas de aceleração demasiado curtas para a inércia da carga, disparando a proteção de sobrecorrente.
• Confundir resolução do encoder (pulsos/volta) com velocidade real, esquecendo de dividir pelo tempo.
• Montar o circuito todo de uma vez e só testar no fim, em vez de validar por etapas.

Glossário

• PWM · modulação por largura de impulso, controla o valor médio de tensão aplicado ao motor.
• Duty cycle · percentagem do período em que o sinal PWM está ativo.
• MOSFET / IGBT / BJT · transístores usados como interruptores comandados de potência.
• Díodo de roda livre · protege o circuito do pico de tensão gerado ao cortar a corrente numa carga indutiva.
• Ponte H · arranjo de quatro interruptores que inverte a polaridade aplicada ao motor.
• Malha aberta / malha fechada · controlo sem realimentação, ou controlo com medição e correção contínua.
• Encoder incremental / absoluto · sensor que converte rotação em pulsos contáveis (incremental) ou num código de posição único (absoluto).
• VEV / VFD · Variador Eletrónico de Velocidade, controla motores CA variando a frequência de alimentação.
• Curva V/f · relação entre tensão e frequência aplicada por um VEV, mantém o binário do motor.
• Motor de passo · motor controlado por sequências de pulsos discretos (passo e sentido).
• Barramento DC · secção interna do VEV com tensão contínua filtrada, entre o retificador e o inversor.
• BOM (Bill of Materials) · lista de materiais que liga o esquema aos componentes reais a adquirir e montar.
• ERC (Electrical Rule Check) · verificação automática de regras elétricas no software de desenho, antes de simular ou fabricar.

Síntese

O controlo eletrónico de motores segue sempre a mesma lógica: componentes de potência (díodo, BJT, MOSFET, IGBT) → PWM para variar a tensão média de um motor DC → ponte H para acrescentar o sentido → malha aberta ou fechada, com encoders e sensores a fechar a malha → para motores CA, um VEV faz o mesmo trabalho variando a frequência, com a mesma lógica aplicada a motores síncronos e adaptada nos motores de passo. Tudo isto assenta em rigor, segurança e verificação sistemática face às especificações definidas.

Exercícios resolvidos

1. Um motor DC de 24 V é controlado por PWM com duty cycle de 40%. Qual a tensão média aplicada?

Resolução: V_med = D × V_alim = 0,40 × 24 = 9,6 V.

2. Que componente falta num circuito que liga um MOSFET diretamente a um motor DC, sem mais nada, e porquê?

Resolução: falta o díodo de roda livre em antiparalelo com o motor. Sem ele, o corte da corrente na bobina do motor gera um pico de tensão que pode destruir o MOSFET.

3. Numa ponte H, que combinação de interruptores nunca se deve fechar em simultâneo?

Resolução: S1+S3 ou S2+S4 (os dois interruptores do mesmo lado da fonte). Cria um curto-circuito direto entre +V e GND.

4. Um motor de indução de 6 polos é alimentado a 50 Hz por um VEV. Qual a velocidade síncrona?

Resolução: n_s = (120 × 50) / 6 = 1000 rpm.

5. Um encoder de 500 pulsos/volta conta 250 pulsos em 0,1 segundos. Qual a velocidade em rpm?

Resolução: rotações = 250/500 = 0,5 volta; em rps = 0,5/0,1 = 5 rps; em rpm = 5 × 60 = 300 rpm.

6. Explica a diferença entre malha aberta e malha fechada com um exemplo de cada.

Resolução: em malha aberta define-se o comando (ex. duty cycle) sem medir o resultado, como numa ventoinha simples. Em malha fechada um sensor (ex. encoder) mede o resultado real e o controlador ajusta o comando para corrigir o erro, como num braço robótico de precisão.