Tecnologias Atuais Para Aquisição de Posição Angular e Velocidade Para Motores CC

Tecnologia por Ripple (SLC)

Uma outra tecnologia utilizada também no mercado é a detecção da velocidade e posição através do ruído elétrico gerado na comutação das escovas sobre as laminas do coletor, chamada e conhecida no mercado como tecnologia Ripple ( ou SLC – Sensor Less Control ). Este tipo de tecnologia tem por principio a utilização da oscilação da corrente na linha de alimentação , para se compreender melhor este sistema precisamos compreender o principio básico do comportamento das escovas sobre o coletor do motor.

Os principais componentes que compõem um motor elétrico DC são:

1 – Imã : Função principal e gerar o campo magnético.

2 – Carcaça : Garantir o Fechamento e fluxo do campo magnético.

3 – Entre Ferro : Garantir o fechamento do fluxo Magnético, e evitar atrito entre induzido e imã.

4 – Induzido : Alojar o enrolamento, e garantir o fechamento do fluxo magnético.

5 – Coletor : Conduzir a corrente para o enrolamento do induzido.

6 – Escova : Conduzir a corrente da fonte (bateria) para o as laminas do coletor.

7 – Buchas : Suportar/Apoiar o eixo do Induzido para garantir o livre giro.

8 – Mancais : Garantir o alojamento das buchas e bom alinhamento do induzido.

9 – Isolação : Garantir a isolação elétrica entre o enrolamento e o pacote de lamelas do induzido.

Na Figura abaixo temos de maneira geral o comportamento da corrente em relação ao ponto de alimentação das escovas sobre o coletor do induzido:

Na Condição 1 (C1) temos a escova tocando sobre duas laminas do coletor neste momento pelo arranjo físico e elétrico do tipo de bobinado do motor as bobinas ficam em paralelo fazendo com que a resistividade total diminua e com isto a corrente se eleva pois a tensão de alimentação é fixa.

Na Condição 2 (C2) temos a escova tocando sobre um lamina do coletor, neste instante teremos então somente uma bobina em seria a alimentação com isto a resistividade total do circuito se elevara e a corrente da linha diminuirá.

Com este arranjo para um motor que tenha 10 laminas no coletor conforme a figura acima teremos então dez oscilações de corrente por volta, estas oscilações é visível no gráfico apresentado na figura acima.

No sistema de detecção por Ripple (ou Sensor Less Control) é dependente de uma arquitetura formada por shunt (Conversor de corrente para tensão elétrica) , amplificador de tensão uma vez que as tensão de saída dos shunts são muito baixa e filtros para eliminação de ruídos de alta freqüência, com isto o sistema como um todo apresenta um custo elevado também devido a quantidade de componentes e operações envolvidas.

Tecnologias Atuais Para Aquisição de Posição Angular e Velocidade Para Motores CC

Iremos abordar algumas tecnologias atuais utilizadas para detecção angular e velocidade em motores CC afim de termos base para comparação assim que iniciarmos testes de nosso protótipo.

Tecnologia por Sensor de Hall

A tecnologia mais comum é através de sensor hall, ou seja um chip eletrônico que através de um estímulo gerado por campo magnético se alternando entre pólos Norte e Sul gera pulsos de tenção de forma quadrática em sua saída. Para se ter uma ideia da técnica do principio será demonstrado no estudo de caso abaixo:

(A)    Sensor hall para captação do campo e geração do pulso em forma de tensão.

(B)    Placa de Circuito Impresso para fixação do sensor hall através de solda por estanho.

(C)    Componente de proteção contra impulsos e ruídos na linha de alimentação do hall (Modelos mais comuns são capacitores, varistores e elementos combinados)

(D)    Imã circular que tem a função de geração de campo para o sensor hall , normalmente se trabalha com ima de 2 a 4 pólos. Exemplo 2 Polos : uma volta se obtem campo (N) + campo (S).

A cada volta do induzido o sensor detecta o numero de pólos gerado e gera pulsos em seu terminal de saída, exemplificando quando aplicado um imã de 4 pólos a cada volta do induzido teremos dois pulsos em nível lógico alto e dois em nível lógico baixo conforme a figura a seguir :

Nota: Sinal analisado através de um Osciloscópio.

Esta arquitetura apresenta boa qualidade de sinal porem o custo de fabricação e desenvolvimento é alto devido a quantidade de componentes envolvidos e a quantidade de operações necessárias para se manufaturar este tipo de sistema.

Máquinas Corrente Contínua

Características Físicas das Máquinas CC

A Figura abaixo ilustra algumas partes físicas de uma máquina CC de dois pólos. Ela possui os terminais 1-2 referentes ao enrolamento de armadura, e os terminais 3-4 referentes ao enrolamento de campo (em alguns motores de baixa potência são ímãs permanentes). 

Bobina de campo – ou enrolamento de campo, ou ainda, enrolamento de excitação – forma os pólos de campo. Produzem o fluxo magnético necessário para a máquina operar como motor ou gerador (máquinas CC operam de modo reversível). São montados no estator, envolvendo o núcleo polar. Algumas máquinas possuem vários conjuntos de enrolamento de campo no mesmo núcleo polar.

Bobina da armadura – ou núcleo da armadura – suporta o enrolamento da armadura que são montados no rotor. É laminado, enquanto que o núcleo polar pode ser maciço, já que a bobina de campo é percorrida por CC (as faces polares são laminadas para diminuir as perdas por correntes parasitas devido à sua proximidade com a armadura).

O comutador é feito de lâminas de cobre e isolados uns dos outros por mica/epóx.

 As escovas são constituídas de eletrodos de grafite com um segmento de fio de cobre flexível engastado.

A máquina de corrente contínua funcionando como motor: alimentação CC pelo enrolamento do estator – ou ímã permanente em motores menores, e o rotor alimentado com tensão contínua através de comutadores.

A máquina de corrente contínua funcionando como gerador: também conhecido como dínamo, a alimentação CC pelo enrolamento do estator, e alimentação mecânica girando o rotor, resultando em tensão induzida nos terminais desse rotor, que será retificada pela comutação.

Principais aplicações: onde é desejável conjugados e rotações variáveis, como em tração elétrica – trens e ônibus.

Exemplos: em brinquedos, para pequenos motores. Em limpadores de para-brisas de automóveis, em motores de tração elétrica e arranque (conjugados de partida altos). Em sistemas de automação e movimentos de robótica.

Entenda o Projeto

O objetivo do projeto é criar um sistema para aquisição de velocidade e posição angular utilizando-se de uma terceira escova adicional ao motor, com este sistema é possível de maneira simples obter sinal pulsante de tensão elétrica de qualquer motor DC e podendo ser utilizado em qualquer tipo de aplicação que se utiliza de motores de corrente continua.

Atualmente para detecção de posição e velocidade angular é utilizado tecnologias como sensor hall e encoders que por  sua vez apresentam alto custo e necessita de aparatos

como placas de circuito impresso para ser possível a sua utilização e de processos de fabricação complexo.

Cada vez mas o mercado busca não somente um motor elétrico e sim motores com funções adicionais, este sistema de baixo custo e fácil integração vem a popularizar a integração de motores a módulos eletrônicos com funções inteligente.

A grande mensagem por traz desta invenção é que a solução estará sempre na busca da não complexidade…em um mundo onde tendemos sempre buscar tecnologias prontas e complexas para solucionar nosso problemas muitas vezes deixamos passar o simples.

Abaixo imagem explodida de um motor de corrente contínua, onde serão aplicados sistema de aquisição de velocidade e posição angular.