UNIVERSIDADE TUIUTI DA PARAN

UNIVERSIDADE TUIUTI DO PARAN

Darci Luiz Tomasi JuniorAPLICAO DE PWM PARA CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DCCuritiba

2010

Darci Luiz Tomasi JuniorAPLICAO DE PWM PARA CONTROLE DE VELOCIDADE EM MOTORES DCTrabalho apresentado disciplina de Eletrnica IV do Curso de Engenharia Eletrnica da Faculdade de Cincias Exatas e de Tecnologia da Universidade Tuiuti do Paran.Orientador: Juliano PachecoCuritiba

2010Agradeo ao professore Juliano Pacheco do Curso de Engenharia Eletrnica pelo incentivo constante no decorrer de todo esse tempo de desenvolvimento do projeto.SUMRIO

1 INTRODUO92 REFERENCIAL TERICO102.1 SUBTTULO TAL112.2 SUBTTULO TAL132.2.1 Subttulo Tal162.2.2 Subttulo Tal182.3 SUBTTULO TAL193 CONLUSO23REFERNCIAS24LISTA DE FIGURASFIGURA 1 TTULO DA FIGURA 112FIGURA 2 TTULO DA FIGURA 214FIGURA 3 TTULO DA FIGURA 316FIGURA 4 TTULO DA FIGURA 418FIGURA 5 TTULO DA FIGURA 520LISTA DE TABELASTABELA 1 TTULO DA TABELA 111TABELA 2 TTULO DA TABELA 213TABELA 3 TTULO DA TABELA 316TABELA 4 TTULO DA TABELA 418RESUMOFazerrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrPalavras-chave: Deficincia Visual; Braille; Modo de Voz; Veculo Motorizado.1 INTRODUO

O trabalho tem por objetivo demonstrar a implementao de um sistema de controle de velocidade para motores de corrente continua (DC), utilizando PWM (Modulao por largura de pulso).O projeto desenvolvido vai ser utilizado como fonte de conhecimento para o futuro desenvolvimento de robs de combate, onde os mesmo utilizam da mesma tcnica para seu controle.

Os pontos de conhecimento abordados pelo projeto foram: Desenvolvimento de Hardware e programao de microcontroladores PIC, utilizao de PWM, Mosfet e Ponte H. Todos estes itens e suas implementaes esto demonstrados no decorrer do trabalho.

2 O MICROCONTROLADOR PIC

O PIC um circuito integrado produzido pela Microchip Technology Inc., que pertence a categoria dos microcontroladores, ou seja, um componente integrado que em um nico dispositivo contem todos os circuitos necessrios para realizar um completo sistema digital programvel.

O PIC pode ser visto externamente como um circuito integrado TTL ou CMOS normal, mas internamente dispe de todos os dispositivos tpicos de um sistema microprocessado, ou seja: Uma CPU (Unidade de Processamento Central) e sua finalidade interpretar as instrues de programa; Uma memria PROM (Memria Programvel Somente para Leitura) na qual ira memorizar de maneira permanente as instrues do programa; Uma memria RAM (Memria de Acesso Aleatrio) utilizada para memorizar as variveis utilizadas pelo programa; Uma serie de LINHAS de I/O (entrada e sada) para controlar dispositivos externos ou receber pulsos.

Neste projeto foi utilizado um microcontrolador da famlia 12FXX, que so microcontroladores de 8 pinos, com tipo de memria de programa Flash e uma imensa variedade de dispositivos implementados por Hardware como CCP(Capture/Compare/PWM Peripherals), conversores ADC, comparadores, Timers, etc.2.1 O MICROCONTROLADOR PIC12F683O PIC utilizado neste projeto foi o PIC12F683, que faz parte da famlia 12FXXX.

Este microcontrolador at o momento no tem uma grande utilizao na rea de sistemas embarcados e hobbies, pois a sua memria de programa no era do tipo Flash, o que dificultava a sua escolha.

Porem com este novo tipo de memria de programa e todas as suas funcionalidades em um pequeno chip de 8 pinos, possivelmente sua utilizao e desenvolvimento tende a aumentar.

Imagem 1 Microcontrolador PIC 12F683

O principal motivo da escolha deste microcontrolador foi devido a seus perifricos internos, onde temos um modulo CCP, que permite a gerao do sinal PWM de sada, e 4 entradas AD, onde feita a leitura da entrada analgica que modula o PWM.

Imagem 2 Caractersticas do PIC 12F683

3 PWM MODULAO POR LARGURA DE PULSOCircuitos digitais s produzem dois nmeros: "0" e "1". J circuitos analgicos podem ter uma infinidade de variaes. Por exemplo, em um circuito digital s podemos ligar ("1") ou desligar ("0") um motor ou uma lmpada, enquanto que em um circuito analgico podemos controlar em infinitos gradientes o brilho da lmpada desde o seu estado total de apagamento at o seu brilho mximo.

Com um motor acontece o mesmo, podemos controlar em infinitos gradientes sua velocidade, desde o seu estado de no rotao at a sua velocidade mxima.

Para um circuito digital poder controlar um circuito analgico - um brilho de uma lmpada ou a velocidade de um motor - h basicamente duas tcnicas.

A converso D/A (Digital/Analgico) e a modulao por largura de pulso (PWM).A converso digital/analgico usa uma quantidade de bits proporcionais quantidade de gradientes (brilhos, velocidades, etc) que pretendemos ter. Por exemplo, se forem usados 4 bits, temos uma possibilidade de 16 (2^4) gradientes de brilho/rotao, de 0000 a 1111.O problema desta tcnica que quanto mais gradientes voc quiser, mais bits so necessrios.

J a tcnica PWM utiliza apenas um bit. Nela gerada uma forma de onda quadrada onde o ciclo de carga (tempo em que a forma de onda permanece em "1") define a velocidade/brilho do sistema analgico.

Por exemplo, supondo uma forma de onda perfeitamente quadrada, onde 50% do tempo ela est em "0" e 50% do tempo ela est em "1", o resultado final ser que a lmpada ter 50% do seu brilho e um motor 50% de sua velocidade.

Em resumo, o PWM uma tcnica para converso digital/analgico usando apenas um bit, onde gerada uma forma de onda quadrada em que o tempo que esta forma fica em "1" define o valor da sada (velocidade/brilho).3.1 FREQUNCIA DO PWM

Como citado acima, o valor analgico lido em uma das entradas no PIC, ser responsvel por mudar o sinal PWM aplicado no circuito.

A forma com que esta modulao ser feita tem um fator muito importante a ser levado em conta, que a Freqncia de operao do PWM.

Imagem 3 Forma de onde de um PWMA imagem 3 mostra uma forma de onda PWM, onde 50% do perodo esta em 1 e 50% em 0.

A forma que definimos o tempo total do perodo atravs da freqncia de operao que o sistema esta trabalhando.

A frmula geral que relacionar freqncia e perodo :

Onde F a freqncia em Hz e T o tempo em segundos.

Portanto para uma freqncia de 2KHz temos:

Desta forma, fazendo a analise da onda do grfico da imagem 3, a onda fica 0,25ms em 1 e 0,25ms em 0.

E por fim importante ressaltar que o item a ser alterado pelo software que modula o PWM o Duty Cycle, que o tempo em que o PWM fica em 1. Tratando-se de sinal PWM, a freqncia de operao nunca deve ser alterada.

4 MOSFET TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO

O princpio bsico do transistor MOS na verdade bem simples e foi proposto e patenteado j em 1928, por Lilienfeld, um homem muito frente do seu tempo. Dizemos frente do seu tempo, pois a realizao fsica do transistor MOS no foi possvel na poca, pela no maturidade tecnolgica.A limitao tecnolgica da poca refere-se ao no controle e alta densidade de estados e cargas de superfcie do semicondutor. Esta alta densidade de estados de superfcie produzia uma blindagem do semicondutor impedindo assim uma modulao da densidade de portadores, portanto, da condutncia entre os contatos de fonte e dreno, pela tenso de porta. Finalmente, apenas em 1960, obteve-se sucesso na fabricao do transistor MOS, na Bell Labs, por D. Kahng e M. Atalla.O transistor MOS um dispositivo de 4 terminais, sendo estes: fonte, dreno, porta e substrato.

Imagem 4 Estrutura e simbologia do transistor MOSFET

A utilizao de MOSFET neste sistema de controle de velocidade para motores DC se deu devido facilidade de interligar o sistema gerador de PWM, com o drive de potncia denominado, ponte H.4.1 PONTE H

Apesar de no ser to conhecida, um dos circuitos mais importantes na elaborao de sistemas automatizados a ponte H.

Trata-se de um circuito utilizado para controlar um motor DC a partir de sinais gerados por um microcontrolador. Devido disposio dos seus componentes, torna-se extremamente fcil selecionar o sentido da rotao de um motor, apenas invertendo a polaridade sobre seus terminais. Tambm importante para a utilizao com circuitos digitais, pois como os sinais de sada dos microcontroladores no suportam a corrente necessria e nem possuem a tenso adequada para acionar um motor, necessria uma unidade de potncia que possa aliment-lo convenientemente.

Quando ligamos um motor DC com uma bateria, observamos que ele gira numa velocidade constante e numa nica direo. Para alterarmos o sentido da rotao do motor, basta apenas ligar os terminais do motor de forma invertida. Para que no seja necessrio fazer essa operao manualmente, podemos utilizar uma ponte H.

Pode-se cri-la facilmente com a finalidade de controlar o sentido da rotao de um motor utilizando chaves simples, rels ou transistores, bastando apenas entender o seu funcionamento.

Uma ponte H bsica composta por 4 (quatro) chaves mecnicas ou eletrnicas posicionadas formando a letra H, sendo que cada uma localiza-se num extremo e o motor posicionado no meio.

Imagem 5 Exemplo de ponte H

Neste caso de controle de velocidade, foi implementado uma Ponte H utilizando MOSFET para suportar a corrente necessria solicitada pelo motor, e receber o sinal PWM para controlar a velocidade.

O MOSFET utilizado foi o IRF540 e suas caractersticas esto apresentadas na Imagem 6.

Imagem 6 Caractersticas principais do IRF5405 O CONJUNTO MONTADO

Depois de demonstrar os componentes e conceitos utilizados pelo sistema, podemos esquematizar o projeto em blocos.

3 CONCLUSOO trabalho apresentado buscou demonstrar de forma clara o desenvolvimento de um sistema simples para controle de velocidade em motores DC utilizando um conceito muito utilizado nestes fins denominado PWM.Como apresentado, o sinal PWM foi gerado por um microcontrolador PIC12F683, que j possui uma implementao por Hardware para esta finalidade e tem um custo baixo.

Tomando como base este desenvolvimento, podemos facilmente implementar o mesmo controle aqui utilizado para motores de maior carga, corrente e capacidade, independente do gerador de PWM, capacidade dos MOSFETs ou corrente necessrio pelo motor, o conceito apresentada se enquadra bem em qualquer projeto de controle de velocidade para motores DC.REFERNCIASBERNARDES, A. Princpios Cientficos de Enfermagem. 3 ed. Lisboa: Livros Tcnicos e Cientficos, 1993.

GATES, G. Shakespeare and his Muse. Disponvel em: Acesso em: 01 out. 1996

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN. Sistema de Bibliotecas. Teses, Dissertaes, Monografias e Trabalhos Acadmicos. Curitiba: UFPR, 2001. (Normas para Apresentao de Documentos Cientficos, 2).

UNIVERSIDADE TUIUTI DO PARAN. Normas Tcnicas. Elaborao e Apresentao de Trabalho Acadmico-Cientfico Curitiba: Grfica Capital, 2003.

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