Este artigo é parte do meu livro Mechatronics, Robotics and Artificial Intelligence (esgotado) (*). Aqui eu forneço várias sugestões sobre o uso de controles de movimento, também com base em artigos que publiquei em outras mídias, como revistas em muitos países.
MEC196S
Teoria
A maneira mais simples de adicionar movimento a robôs, dispositivos mecatrônicos e outros equipamentos de automação é usar um motor DC. Eles são baratos, pequenos, eficientes e podem ser encontrados em uma ampla variedade de tamanhos, formas e classificações de potência.
Um motor convencional de corrente contínua é formado por um arranjo de bobinas e ímãs que cria movimento para a energia elétrica. A figura 1 mostra a construção típica de um pequeno motor dc.
Podemos usar esses motores para mover qualquer mecanismo diretamente ou, adicionando engrenagens ou polias, para reduzir a velocidade ou aumentar a potência. As propriedades básicas do motor DC que devem ser consideradas ao usá-las em projetos de robótica ou mecatrônica são discutidas abaixo.
Sentido de rotação
Quando alimentado por uma fonte de alimentação CC (bateria ou outra fonte), o sentido de rotação do eixo depende da direção da corrente que passa pelo motor. Invertendo a corrente, podemos inverter a direção do movimento de qualquer dispositivo acionado por um motor dc.
Velocidade
A velocidade de um motor de corrente contínua, expressa em rotações por minuto (rpm), depende da corrente e da carga. Devemos considerar duas situações ao usar um motor DC. No primeiro caso, o motor opera sem carga (ou com carga constante). A velocidade aumentará até um máximo que depende da tensão aplicada.
No segundo caso, o motor opera com uma carga variável (ou seja, o motor deve alimentar algum tipo de mecanismo com forças que dependem do momento ou da tarefa).
Neste caso, a velocidade depende da carga: maior potência necessária = menor velocidade.
Características
Ao procurar um motor de corrente contínua para uma aplicação específica, o projetista deve determinar suas características. A seguir, considerações importantes.
Tensão
Motores pequenos de corrente contínua podem ser obtidos com classificações de tensão em uma faixa de 1,5 a 48 V.
A tensão especificada indica a tensão nominal, que é a tensão aplicada que a faz funcionar normalmente (ou seja, produzindo energia máxima e consumindo corrente nominal). Na prática, a tensão nominal é importante, pois indica a tensão máxima recomendada que pode ser aplicada ao motor.
Corrente
O fluxo de corrente através de um motor, quando alimentado com a tensão nominal, depende da carga. A corrente aumenta com um aumento na carga. É importante evitar que um motor funcione com cargas excessivas que possam paralisá-lo. Na condição parada, o motor torna-se um curto-circuito para a corrente, e toda a potência aplicada é convertida em calor. O motor pode queimar rapidamente nesta condição. Motores de corrente contínua possuem correntes de operação na faixa de 50 mA a mais de 2 A.
Potência
A potência é dada pelo produto de tensão × corrente. Em projetos envolvendo robôs e mecatrônica, é normal avaliar a quantidade de força que um motor pode gerar em termos de torque (poder de torção). Como mostrado na Figura 2, o torque é a força liberada pelo eixo e depende não apenas das características elétricas e mecânicas do motor, mas também do diâmetro do eixo. Essa especificação é importante, pois a força que um mecanismo alimentado por um motor de CC pode fornecer depende não apenas do próprio motor, mas também do mecanismo acoplado a ele. Portanto, se as caixas de engrenagens forem adicionadas, conforme mostrado na Figura 3, a velocidade pode ser diminuída e a potência aumentada pelo mesmo fator.
Por exemplo, se uma caixa de engrenagens emprega uma engrenagem de redução que é dez vezes o diâmetro da engrenagem de acionamento do motor, a velocidade é reduzida dez vezes, mas a potência também é aumentada em um fator de dez.
Em robótica e mecatrônica, o uso de caixas de câmbio de todos os tamanhos e relações de redução é comumente usado para combinar as características de um motor selecionado para uma tarefa desejada. Portanto, ao usar um motor, é importante conhecer a classificação de torque porque, partindo dessa figura e conhecendo a taxa de redução do mecanismo a ser movido, podemos facilmente encontrar a potência final que pode ser gerada por um sistema.
Velocidade
É normal especificar a velocidade de um motor CC em condições abertas ou sem carga. A velocidade pode estar na faixa de 500 e 10.000 rpm de acordo com o tipo, tamanho e outras características de um motor comum de corrente contínua. Lembre-se que esta velocidade será reduzida por um fator considerável quando o motor estiver operando sob condições carregadas.
Sugestões para projetos
A maneira mais simples de adicionar controle direcional para um robô é usando dois motores. Se os dois motores estiverem ligados, o robô vai em linha reta. Se um motor estiver ligado e o outro desligado, o robô gira na direção do motor que está desligado. O mesmo tipo de controle pode ser fornecido se os motores operarem em velocidades diferentes.
Sistemas mecânicos simples, como mostrado na Figura 4, também podem ser montados com um único motor CC acoplado a uma caixa de engrenagens. O movimento para cima e para baixo e a velocidade podem ser controlados diretamente pelo motor.
Partindo desses conceitos, alguns projetos podem ser sugeridos:
- Projete um circuito de controle para um robô pequeno que possa andar em todas as direções, usando interruptores simples para essa tarefa.
- Projetar um elevador experimental controlado por comutadores.
- Projetar um guindaste usando pequenos motores DC e caixas de engrenagens.
