8/3/2019 Driver MOSFET Para Motor Brushless

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Driver MOSFET para motor brushless

ResumoNeste artigo apresento o esquema eltrico e a discusso de um circuito acionador de motorbrushless de baixa voltagem e baixa corrente usando transistores MOSFET com proteocontra acionamento incorreto.

AdvertnciasAs informaes constantes desta pgina se destinam apenas a fins educacionais. No possoassumir quaisquer responsabilidades pelo uso devido ou indevido dessas informaes.

De forma alguma estou sugerindo que o circuito apresentado deva ser construdo ouutilizado. Quem desejar fazer isso dever faz-lo por sua prpria conta e riscos. Como emqualquer circuito eltrico, h riscos de choques, queimaduras e outros incidentes.Recomendo que sejam tomadas todas as precaues cabveis a fim de evitar acidentes.

Em meus artigos apresento apenas circuitos construdos e testados por mim mesmo, masno posso garantir que outra instncia desses circuitos ir funcionar conforme o esperado.

Introduo

Quando eu estava trabalhando no projeto do meu Relgio de ponteiros luminosos com discorgido, deparei-me com o problema de convencer o disco rgido a permanecer girando sem apresena das cabeas de leitura e gravao. A maioria dos discos rgidos que pude analisarapresenta esse problema, exceto pelos mais antigos que ainda utilizavam motores de passoao invs do voice coil para acionamento das cabeas. Sem as cabeas, o disco gira poralguns instantes e depois pra.

At ento a composio e o funcionamento dos circuitos controladores desses dispositivosera completamente desconhecida para mim. Depois de algumas horas no Google acumuleiuma quantidade razovel de documentao que me permitiu compreender melhor aarquitetura de um disco rgido.

A primeira coisa que descobri que o motor responsvel por girar o disco, tambm chamadode Spindle, um motor trifsico de corrente alternada de im permanente, comumentechamado de motor brushless (Brushless DC Electric Motor), ou Motor de Corrente-Contnua

sem Escovas.Em seguida, aprendi que para acionar esses motores necessrio um circuito acionador(Driver) e um circuito controlador (Controller). O primeiro basicamente uminversor/amplificador que transforma corrente contnua em corrente alternada e o segundo responsvel por gerar sinais de acionamento e monitorar o funcionamento do motor. A Figura1 apresenta um diagrama simplificado do motor e seu controlador.

Tipicamente a entrada do controlador determina a velocidade e o sentido de rotao etambm o torque requerido para mover a carga conectada ao motor. Com base nessesparmetros, o controlador determina os sinais necessrios e os envia ao inversor.

H dois tipos bsicos de sinais enviados ao motor: senoidais (Figura 2) e trapezoidais (Figura3), onde s fases A, B e C do motor so aplicados sinais com defasagem de 120 graus. Avelocidade de rotao do motor ser algum mltiplo inteiro da freqncia dos sinais eltricos.Por exemplo, num motor de 12 polos, para que o motor gire a 3600 RPM (60 rotaes por

segundo), devemos aplicar 12/2*60 = 360Hz.O sinal senoidal melhor pois produz variaes mais suaves de torque e diminui as perdasdecorrentes a correntes parasitas nos rolamentos do motor. Isso significa menos dissipaode calor, menos vibraes e ruido, o que contribui para aumentar a vida til do motor. Noentanto, a gerao de um sinal senoidal por um microcontrolador requer capacidade deprocessamento substancialmente maior do que o necessrio para a comutao trapezoidal.Como o custo do microcontrolador proporcional sua capacidade de processamento, no surpreendente a ampla adoo dos sinais trapezoidais no acionamento de motores trifsicos.

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

HardwareO circuito que proponho consiste de trs meias-pontes H idnticas, conforme o esquemaeltrico da Figura 4.

http://www.dm.ufscar.br/~waldeck/pic/hdd-clock/http://www.dm.ufscar.br/~waldeck/pic/hdd-clock/http://en.wikipedia.org/wiki/Spindlehttp://en.wikipedia.org/wiki/Spindlehttp://en.wikipedia.org/wiki/BLDChttp://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Spindlehttp://en.wikipedia.org/wiki/BLDChttp://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulationhttp://www.dm.ufscar.br/~waldeck/pic/hdd-clock/http://www.dm.ufscar.br/~waldeck/pic/hdd-clock/

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Cada uma dessas meias-pontes possui trs entradas digitais: H, L e ENAB/PWM e uma sada,e consiste de duas partes: uma lgica digital nas entradas e transstores MOSFET de potnciana sada. O Papel da lgica digital fazer o acoplamento com o microcontrolador, protegereste componente contra transientes e proteger a etapa de potncia contra um comandoerrado do microcontrolador. J vi isso acontecer e posso garantir que no nada bonito.

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

H L ENAB

Sada

X 0 0 N/CX 1 0 0V0 0 1 N/C0 1 1 0V1 0 1 12V1 1 1 12V

onde X=no importa e N/C=ausncia de tenso. Como se pode ver, sem a proteo naentrada, quando H=1 e L=1, teramos o transistor da parte superior e o da parte inferiorconduzindo ao mesmo tempo formando um curto-circuito. Nada muito bom para essestransistores.

O transistor MOSFET de canal-P na parte superior conduz quando a tenso de porta estprxima de 0V, acoplamos essa porta a um inversor (1/6 do 74LS06). Por outro lado, oMOSFET de canal-N na parte inferior conduz quando a tenso de pelo menos 5V acima datenso do dreno, por isso usamos resistores PULL-UP na sua entrada a fim de garantir essatenso quando a sada do 74LS09 est em tri-state.

A porta E na parte superior garante que o transistor superior somente ser acionado quandoseu comando estiver em 1 e a entrada ENAB tambm estiver em 1.

A porta E na parte inferior tem uma de suas entradas conectada sada de um inversor e aentrada deste, por sua vez, conectada ao comando da parte superior. Assim o transistor daparte inferior somente ser acionado se o comando da parte superior estiver em 0 e o dacomando parte inferior em 1. Em particular, evitamos o comando desastroso que acionariaambos os transstores ao mesmo tempo.

Como em todo caso de acionamento de carga indutiva, os transstores MOSFET devem serdotados (internamente ou externamente) de diodos shotky a fim de desviar destescomponentes as correntes em sentido contrrio, decorrentes da oposio corrente aplicadaa cada enrolamento.

Na foto abaixo, vemos um prottipo de um controlador completo de motor trifsico, dotadoda ponte-H descrita neste artigo, de um microcontrolador para gerar os sinais deacionamento, de um motor de disco rgido e de um adaptador serial-USB para conexo com oPC. Este permite controlar o motor e analisar seu desempenho a partir de um programaescrito em linguagem de alto nvel e com interface amigavel executando no PC.

O microcontrolador utilizado neste projeto o PIC16F876A, por causa da necessidade deportas adicionais para o display LCD. O mesmo funcionamento poderia ser obtido com oPIC16F819, que substancialmente mais barato.

ConclusesO circuito apresentado neste artigo foi montado em proto-board (Figura 5) e seufuncionamento ficou perfeitamente dentro do esperado. Para correntes comutadas de baixaamperagem (at 1-2A), verificamos que os transstores usados (IRF9640 e IRF640B) operama frio e no requerem dissipador.

Por outro lado, dependendo da corrente aplicada, o motor poder apresentar algumaquecimento. Isto acontece principalmente em baixas rotaes. preciso certificar-se de noestar aplicando correntes alm das especificadas pelo fabricante a fim de no danificar omotor.Em qualquer instante, a corrente circulando pelo motor pode ser determinadamedindo-se queda de tenso no resistor shunt de 0,1 Ohm.

A experncia me mostrou que a proteo implementada absolutamente imprescndivelquando trabalhamos com microcontroladores como os PICs. Estes dispositivos soparticularmente suscetveis a interferncias eletromagneticas, mesmo quando todo o

cuidado for tomado para proteg-los. Em pelo menos duas instncias trabalhando com umprottipo desprotegido, tive os transstores danificados (e um dedo queimado) pois o

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microcontrolador havia se comportado mal. Erros de software tambm poderiam conduzir aomesmo resultado.

Por enquanto realizei experincias apenas com motores de discos rgidos, mas pretendo usareste circuito para acionar tambm motores de CD-ROMs, e outros motores trifsicos de baixavoltagem. Algum tem um sobrando?

Parece interessante tentar adaptar o circuito para funcionar tambm em alta tenso, mas no

momento no tenho idia sobre as possveis implicaes.