Introdução
Um motor elétrico de corrente contínua convencional gira sempre que é conectado a uma fonte de tensão. Gira mais depressa se a tensão é mais alta e mais devagar se a tensão é mais baixa. A corrente que passa por ele varia conforme a força que devem exercer. Quando o motor é frenado a corrente sobe e, quando deixado rodar livremente, esta passa por um mínimo. Nos motores de passo isso não ocorre. Quando o motor de passo é conectado a uma tensão, seu rotor irá se alinhar com o campo magnético do estator e ficará ali indefinidamente. O enrolamento irá se comportar como uma resistência elétrica de valor bem baixo, podendo superaquecer e queimar. Por isso é importante controlar a corrente que passa pelos enrolamentos.
A corrente pode ser limitada colocando um resistor em série com o enrolamento, mas isso significa que parte da energia disponível será convertida em calor. Se estivéssemos criando um aquecedor de sala, o caminho seria este, mas para um circuito eletrônico, quanto menos calor, melhor.
Usar uma tensão de alimentação adequadamente baixa pode resolver o problema, mas nem sempre esta é uma solução viável. Motores de passo são cargas indutivas, e indutores funcionam de uma forma que parece estranha a primeira vista. Num resistor, quando uma tensão é aplicada, imediatamente surge uma corrente. Esta corrente é diretamente proporcional à tensão aplicada, segundo a lei de Ohm. Quando uma tensão é plicada a um indutor, a corrente não surge no mesmo instante. Leva um tempo. O campo magnético também não surge de repente, ele vai crescendo com a corrente. Quanto mais alta a tensão, mais rapidamente a corrente vai crescer e, por consequência, o campo magnético vai se formar. Num motor de passo, uma resposta rápida de movimento é algo desejável. Portanto, usar tensões baixas pode causar lentidão na operação.
O que precisamos é uma forma de limitar a corrente que atravessa os enrolamentos do motor sem empregar uma tensão de alimentação baixa e sem dissipar energia em forma de calor. Para isso, vamos usar o conceito de PWM.
O que é PWM?
A modulação por largura de pulso ou PWM, do inglês Pulse Width Modulation, é um conceito antigo, fácil de entender e muito poderoso. Trata-se de uma forma de controlar a potência de equipamentos elétricos mantendo o consumo de energia em um mínimo. Para explicar do que se trata, vou usar como exemplo um ferro de passar roupa. A maioria das pessoas já lidou com um ferro de passar. É um eletrodoméstico muito simples. Liga-se na tomada, ajusta-se a temperatura desejada, aguarda-se um tempo até ouvir um clique e pode começar a árdua tarefa de alisar tecido. Após alguns segundos de uso, o ferro esfria um pouco e ouve-se outro clique e ele aquece novamente.
Dentro do ferro de passar roupas há um dispositivo chamado termostato. Existem vários modelos de termostatos, mas o mais comum em ferros de passar consiste de duas lâminas metálicas com coeficientes de dilatação diferentes. Quando ele se aquece, uma lâmina dilata mais que a outra forçando um interruptor a desligar o circuito. Quando ele esfria, ocorre uma retração maior de uma das lâminas forçando o interruptor a ligar novamente. Então, a temperatura do ferro de passar fica oscilando entre os valores que fazem o termostato desligar e ligar novamente.
É importante notar que a temperatura do ferro de passar oscila. Ela aumenta quando o termostato está ligado e diminui quando desligado. Num ferro de passar comum este ciclo costuma durar algo em torno de um minuto. Numa temperatura mais baixa, ele fica mais tempo desligado que ligado, por exemplo 15s ligado para 45s desligado. Numa temperatura média o circuito fica 30s ligado e outros 30s desligado. Quando o botão de ajuste é colocado em uma temperatura mais alta, o termostato fica mais tempo ligado que desligado, digamos 45s e 15s respectivamente. Assim a temperatura média do ferro de passar roupas é uma função da razão do tempo que o circuito fica ligado com relação ao tempo total do ciclo. Estas três situações são ilustradas na figura 1. Na primeira situação o ferro fica ligado 25% do tempo, na segunda 50% e na terceira, 75%.
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Figura 1 |
A fração do tempo na qual a corrente flui pelo circuito é chamada ciclo de trabalho ou duty cycle do sistema PWM. Assim, no exemplo do ferro, temos um duty cycle respectivamente de 25%, 50% e 75%.
Num ferro de passar real a temperatura oscila vários graus durante o ciclo de operação, pois a sensibilidade dos termostatos não é muito alta. Imagine, entretanto, que exista um termostato tão sensível que possa detectar uma variação de temperatura de um milésimo de grau. Em lugar de ligar e desligar em um ciclo de um minuto, este termostato faria vários ciclos por segundo, ligando e desligando o circuito de forma a manter a temperatura estável dentro de um intervalo de um milésimo de grau. Portanto, com o aumento da frequência do ciclo de operação do termostato, obtemos uma temperatura mais estável.
Se você entendeu o que eu disse sobre o ferro de passar roupas, você já sabe o que é PWM e suas propriedades:
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PWM é uma forma de controlar a quantidade de energia entregue a um dispositivo elétrico ligando e desligando a tensão.
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O valor médio da quantidade de energia entregue será função da razão entre o tempo ligado e o tempo total.
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Quanto maior a frequência do ciclo, mais estável será o valor obtido na coisa controlada, seja a temperatura do ferro ou a tensão em uma fonte.
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A razão entre o tempo ligado e o tempo do ciclo é ajustada por algum dispositivo de monitoramento.
Perceba que o conceito é bastante abrangente. No caso do ferro de passar, o termostato monitora a temperatura e liga e desliga o circuito para mantê-la no intervalo desejado. Um processo parecido é usado, por exemplo, para controlar a tensão de uma fonte chaveada. Existem outras formas de PWM em que o sensor é o próprio usuário do equipamento. Por exemplo, uma furadeira com gatilho progressivo, onde o você monitora a rotação e aperta mais ou menos o gatilho.
Usar o conceito de PWM que vimos acima pode ser uma solução bastante versátil para o problema do motor de passo. Incorporando a capacidade de ligar e desligar rapidamente a corrente que circula pela ponte H que vimos no item anterior, podemos construir um controlador de motor de passo capaz de operar uma grande gama de motores em várias tensões diferentes.
Gerando um sinal PWM
O sinal PWM nada mais é que uma onda retangular de frequência constante na qual o tempo ligado e desligado variam de forma a estabelecer o ciclo de trabalho desejado. Existem várias formas de se criar este tipo de sinal. Para este projeto vamos usar um simples oscilador com base no integrado 555, conforme ilustrado na figura 2. A frequência é de aproximadamente 40kHz e é determinada pelo trimpot de 10k, o resistor de 100Ω e o capacitor de 1nF, e o ciclo de trabalho é ajustado com o trimpot de 10k.
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Figura 2 |
Como você já deve ter visto, o oscilador 555 opera com base no tempo que um capacitor leva para se carregar e descarregar através de um grupo de resistores. Enquanto o capacitor está carregando, a saída do 555 (pino 3) está em nível alto e, durante a descarga, em nível baixo. Quanto maior for o resistor usado para a carga do capacitor, mais tempo o pino 3 estará em nível alto e quanto maior o resistor da descarga, maior o tempo em nível baixo. Portanto, a frequência do oscilador depende da soma dos resistores de carga e descarga. No circuito da figura 2 a carga do capacitor de 1nF ocorre através do resistor de 100Ω e da parte superior do trimpot de 10k. A descarga ocorre, novamente, através do resistor de 100Ω e da parte inferior do trimpot. Desta forma, sempre que o trimpot for ajustado, a resistência que é removida de um percurso será acrescentada ao outro, mantendo a frequência constante. Para forçar a carga a ocorrer pela parte superior e a descarga pela parte inferior, são usados diodos nos terminais superior e inferior do trimpot.
Agora você deve estar perguntando: Por que tem três diodos no caminho da descarga e apenas um na carga? Porque o 555 não é perfeito! Quando o pino 3 está em nível alto, ele não atinge os 5V da alimentação do circuito. Por causa da forma como foi concebido, a saída dele está sempre 0,7V abaixo da tensão de alimentação. Então, neste caso, o capacitor vai carregar com 4,3V e descarregar ligado ao terra. Mas o 555 usa os 5V da alimentação como referência, e isso causa uma distorção no tempo de carga e descarga. Se nada for feito, a frequência do oscilador varia quando o trimpot é ajustado. Os dois diodos extras acrescentam um potencial de 1,4V que corrigem a distorção criada. Se em lugar do 555 convencional, usarmos o TLC555, que é uma versão CMOS do integrado, os diodos extras devem ser dispensados.