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Driver MOSFET para motor brushless

Resumo

Neste artigo apresento o esquema elétrico e a discussão de um circuito acionador de motor brushless de baixa voltagem e baixa corrente usando transistores MOSFET com proteção contra acionamento incorreto.

Advertências

As informações constantes desta página se destinam apenas a fins educacionais. Não posso assumir quaisquer responsabilidades pelo uso devido ou indevido dessas informações.

De forma alguma estou sugerindo que o circuito apresentado deva ser construído ou utilizado. Quem desejar fazer isso deverá fazê-lo por sua própria conta e riscos. Como em qualquer circuito elétrico, há riscos de choques, queimaduras e outros incidentes. Recomendo que sejam tomadas todas as precauções cabíveis a fim de evitar acidentes.

Em meus artigos apresento apenas circuitos construídos e testados por mim mesmo, mas não posso garantir que outra instância desses circuitos irá funcionar conforme o esperado.

Introdução

Quando eu estava trabalhando no projeto do meu Relógio de ponteiros luminosos com disco rígido, deparei-me com o problema de convencer o disco rígido a permanecer girando sem a presença das cabeças de leitura e gravação. A maioria dos discos rígidos que pude analisar apresenta esse problema, exceto pelos mais antigos que ainda utilizavam motores de passo ao invés do voice coil para acionamento das cabeças. Sem as cabeças, o disco gira por alguns instantes e depois pára.

Até então a composição e o funcionamento dos circuitos controladores desses dispositivos era completamente desconhecida para mim. Depois de algumas horas no Google acumulei uma quantidade razoável de documentação que me permitiu compreender melhor a arquitetura de um disco rígido.

A primeira coisa que descobri é que o motor responsável por girar o disco, também chamado de Spindle, é um motor trifásico de corrente alternada de imã permanente, comumente chamado de motor brushless (Brushless DC Electric Motor), ou Motor de Corrente-Contínua sem Escovas.

Em seguida, aprendi que para acionar esses motores é necessário um circuito acionador (Driver) e um circuito controlador (Controller). O primeiro é basicamente um inversor/amplificador que transforma corrente contínua em corrente alternada e o segundo é responsável por gerar sinais de acionamento e monitorar o funcionamento do motor. A Figura 1 apresenta um diagrama simplificado do motor e seu controlador.

Tipicamente a entrada do controlador determina a velocidade e o sentido de rotação e também o torque requerido para mover a carga conectada ao motor. Com base nesses parâmetros, o controlador determina os sinais necessários e os envia ao inversor.

Há dois tipos básicos de sinais enviados ao motor: senoidais (Figura 2) e trapezoidais (Figura 3), onde às fases A, B e C do motor são aplicados sinais com defasagem de 120 graus. A velocidade de rotação do motor será algum múltiplo inteiro da freqüência dos sinais elétricos. Por exemplo, num motor de 12 polos, para que o motor gire a 3600 RPM (60 rotações por segundo), devemos aplicar 12/2*60 = 360Hz.

O sinal senoidal é melhor pois produz variações mais suaves de torque e diminui as perdas decorrentes a correntes parasitas nos rolamentos do motor. Isso significa menos dissipação de calor, menos vibrações e ruido, o que contribui para aumentar a vida útil do motor. No entanto, a geração de um sinal senoidal por um microcontrolador requer capacidade de processamento substancialmente maior do que o necessário para a comutação trapezoidal. Como o custo do microcontrolador é proporcional à sua capacidade de processamento, não é surpreendente a ampla adoção dos sinais trapezoidais no acionamento de motores trifásicos.

O circuito que apresento neste artigo servirá para ambos os tipos de sinais, contanto que o sinal senoidal seja modulado por largura de pulso (PWM).

Hardware

O circuito que proponho consiste de três meias-pontes H idênticas, conforme o esquema elétrico da Figura 4.

Cada uma dessas meias-pontes possui três entradas digitais: H, L e ENAB/PWM e uma saída, e consiste de duas partes: uma lógica digital nas entradas e transístores MOSFET de potência na saída. O Papel da lógica digital é fazer o acoplamento com o microcontrolador, proteger este componente contra transientes e proteger a etapa de potência contra um comando errado do microcontrolador. Já vi isso acontecer e posso garantir que não é nada bonito.

Para compreendermos melhor o funcionamento da ponte, vejamos a sua tabela verdade:

HLENABSaída
X00N/C
X100V
001N/C
0110V
10112V
11112V

onde X=não importa e N/C=ausência de tensão. Como se pode ver, sem a proteção na entrada, quando H=1 e L=1, teríamos o transistor da parte superior e o da parte inferior conduzindo ao mesmo tempo formando um curto-circuito. Nada muito bom para esses transistores.

O transistor MOSFET de canal-P na parte superior conduz quando a tensão de porta está próxima de 0V, acoplamos essa porta a um inversor (1/6 do 74LS06). Por outro lado, o MOSFET de canal-N na parte inferior conduz quando a tensão é de pelo menos 5V acima da tensão do dreno, por isso usamos resistores PULL-UP na sua entrada a fim de garantir essa tensão quando a saída do 74LS09 está em tri-state.

A porta E na parte superior garante que o transistor superior somente será acionado quando seu comando estiver em 1 e a entrada ENAB também estiver em 1.

A porta E na parte inferior tem uma de suas entradas conectada à saída de um inversor e a entrada deste, por sua vez, conectada ao comando da parte superior. Assim o transistor da parte inferior somente será acionado se o comando da parte superior estiver em 0 e o da comando parte inferior em 1. Em particular, evitamos o comando desastroso que acionaria ambos os transístores ao mesmo tempo.

Como em todo caso de acionamento de carga indutiva, os transístores MOSFET devem ser dotados (internamente ou externamente) de diodos shotky a fim de desviar destes componentes as correntes em sentido contrário, decorrentes da oposição à corrente aplicada a cada enrolamento.

Na foto abaixo, vemos um protótipo de um controlador completo de motor trifásico, dotado da ponte-H descrita neste artigo, de um microcontrolador para gerar os sinais de acionamento, de um motor de disco rígido e de um adaptador serial-USB para conexão com o PC. Este permite controlar o motor e analisar seu desempenho a partir de um programa escrito em linguagem de alto nível e com interface amigavel executando no PC.

O microcontrolador utilizado neste projeto é o PIC16F876A, por causa da necessidade de portas adicionais para o display LCD. O mesmo funcionamento poderia ser obtido com o PIC16F819, que é substancialmente mais barato.

Conclusões

O circuito apresentado neste artigo foi montado em proto-board (Figura 5) e seu funcionamento ficou perfeitamente dentro do esperado. Para correntes comutadas de baixa amperagem (até 1-2A), verificamos que os transístores usados (IRF9640 e IRF640B) operam a frio e não requerem dissipador.

Por outro lado, dependendo da corrente aplicada, o motor poderá apresentar algum aquecimento. Isto acontece principalmente em baixas rotações. É preciso certificar-se de não estar aplicando correntes além das especificadas pelo fabricante a fim de não danificar o motor.Em qualquer instante, a corrente circulando pelo motor pode ser determinada medindo-se queda de tensão no resistor shunt de 0,1 Ohm.

A experência me mostrou que a proteção implementada é absolutamente imprescíndivel quando trabalhamos com microcontroladores como os PICs. Estes dispositivos são particularmente suscetíveis a interferências eletromagneticas, mesmo quando todo o cuidado for tomado para protegê-los. Em pelo menos duas instâncias trabalhando com um protótipo desprotegido, tive os transístores danificados (e um dedo queimado) pois o microcontrolador havia se comportado mal. Erros de software também poderiam conduzir ao mesmo resultado.

Por enquanto realizei experiências apenas com motores de discos rígidos, mas pretendo usar este circuito para acionar também motores de CD-ROMs, e outros motores trifásicos de baixa voltagem. Alguém tem um sobrando?

Parece interessante tentar adaptar o circuito para funcionar também em alta tensão, mas no momento não tenho idéia sobre as possíveis implicações.

Referências

  1. Motores elétricos
  2. Motores elétricos de corrente contínua sem escovas
  3. Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso)
  4. Transmissão trifásica de potência

Figuras

Fig. 1 - Diagrama simplificado do controlador - Ampliar figura (25Kb)

Fig. 2 - Sinais senoidais trifásicos - Ampliar figura (16Kb)

Fig. 3 - Sinais trapezoidais trifásicos - Ampliar figura (9Kb)

Fig. 4 - Diagrama esquemático - Ampliar figura (52Kb)

Fig. 5 - Protótipo do circuito - Ampliar figura (565Kb)


Updated on  Mon Jul 15 13:27:35 2013
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