domingo, 4 de maio de 2014

Controle de Direcção e Velocidade de Motor em PWM

Modelação por largura de pulso
(Pulse Width Modulation)



 
Transístor MOSFET
(Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor)
 

 
Trata-se de um semicondutor e tem vantagens em relação a um transístor bipolar, a alta impedância de acionamento (gate) e baixa impedância quando em condução saturado, resultando em baixas perdas que seriam manifestadas em calor.
Uma tensão da gate ao source faz variar a corrente que passa do source para o dreno.
Apresentam uma curva linear de ganho desde o corte em que a tensão de gate é zero (em relação ao source), até à sua saturação, esta tensão é positiva no caso de um transístor canal N e negativa no caso de um transístor de canal P.

PWM
(Modelação por Largura de Pulso)

 
Mantém constante a frequência com num sinal rectangular variando o tempo que está activo em relação ao tempo que está em repouso, resultando numa tensão equivalente chamada de duty cycle (ciclo de trabalho).
Ciclo de trabalho (%) = Largura de Pulso / Período (onda completa) x 100
Tensão resultante = Ciclo de trabalho / 100 x Tensão de alimentação
Esta tensão equivalente resultante traduz-se por um alto rendimento devido a haverem poucas perdas por dissipação térmica, o que aconteceria num divisor de tensão resistivo ou mesmo usando um transístor bipolar com controle analógico, em que a queda de tensão teria de ser dissipada e não aproveitada com a finalidade de alimentar uma carga com uma tensão certa.

Ponte H

Circuito constituído por interruptores de modo a encaminhar a corrente e fazer um motor, neste caso, ser alimentado de forma directa ou inversa correspondendo à direcção do rotor.

 
Usando como interruptores Mosfets e controlando por PWM, consegue-se ter um controle total de velocidade e direcção deste motor.

 
Nesta imagem pode-se ver o modo como as gates estão a ser alimentadas e quando estão saturados os transístores de acordo com o tipo de canal.
Nota-se que nos transístores de Canal P, a tensão das gates em relação ao source é negativa para que conduzam.
Assim quando queremos colocar o motor a rodar para a direita, dois transístores da esquerda têm tensão de 0V às gates (correspondendo a -5V no canal P) e é inserido o sinal PWM nos transístores da direita, ficando o transístor canal N a conduzir quando a entrada é positiva (activo). Quando a entrada é negativa (repouso), o transístor Cana P fica a conduzir, tratando-se de um curto na alimentação do motor.
Circuito Geral

 
Desenhado em Eagle, pode-se dividir por blocos o esquema, sendo a fonte de alimentação constituída por um suporte de 3 pilhas tipo AAA de forma a formar 4.5V, esta tensão é importante para que todo o circuito funcione dentro destes parâmetros e sem a necessidade de um regulador de tensão, o que iria originar perdas quando temos uma alimentação por pilhas. Dentro do circuito da fonte existe um interruptor geral de deslize e um condensador que estabiliza a tensão e corrente de 100uF.
A seguir existe o microcontrolador responsável por todas as funções de entrada e saída de dados, apenas com 8kB de memória flash programado em basic, oscilador interno a 4MHz, PWM por hardware e núcleo RISC, conseguindo executar a maior parte das instruções com apenas um ciclo de relógio. Resistência do reset ao VCC para manter um estado lógico positivo nele e um condensador de desacoplamento da alimentação de 100nF.
O teclado tem multifunções desde sentido de rotação do motor, ajuste de velocidade por PWM, arranque e paragem do motor e ainda reset do processo para se poder escolher novo sentido de rotação do motor.
A representação da forma de onda é semelhante ao sinal que é enviado aos mosfets, tratando-se de uma visualização de como é formado um período em PWM, podendo-se ver a relação do tempo em que um sinal está activo ou em repouso, será enviado a uma frequência constante de 1kHZ (1ms) esta forma de onda à ponte H. Para se poupar pinos no microcontrolador, os 22 LEDs são multiplexados a uma velocidade de aproximadamente 120Hz 11 em cima e 11 em baixo, selecionados através de dois transístor NPN enviando 11 cátodos ao GND intercaladamente. Os LEDs têm uma resistência em série com o microcontrolador de forma a limitar a corrente da sua alimentação.
Na ponte H também existe um condensador de 100uF para que a ponte tenha corrente quando necessita perto dela e para que não cause interferências ao resto do circuito.

Layout


Sem grandes comentários em relação ao layout da PCB, apenas uma troca de ligações devido a desconhecer que haviam saídas dedicadas ao PWM por hardware pensando que se podiam escolher no programa; alguns componentes desenhados por não existirem na biblioteca, como o suporte de pilhas, motor, interruptor geral e mosfets, pontes não visíveis, atrasa na programação mas o visual fica melhor, plano de terra geral para evitar interferências, ângulos múltiplos de 45º, diferentes espessuras de circuito quando circulam maiores correntes.




Sem comentários :

Publicar um comentário

Nota: só um membro deste blogue pode publicar um comentário.