Escolhendo motores para robôs

Os motores DC trabalham em uma faixa especificada de tensão e quanto maior a tensão de entrada, maior é o RPM. Por exemplo, se o motor trabalha na faixa de 6-12V, ele possui o menor RPM na tensão de entrada de 6V e o máximo RPM na tensão de entrada de 12V. O funcionamento das engrenagens desse motor é muito interessante. Baseia-se no princípio da conservação do momento angular. As engrenagens com raio menor cobrem mais RPM do que aquelas com raio maior. Porém, a engrenagem maior dará mais torque à engrenagem menor e vice-versa. A comparação da velocidade angular entre a engrenagem de entrada (aquela que transfere energia) e a engrenagem de saída fornece a relação de transmissão. Quando várias engrenagens são conectadas entre si, ocorre a conservação de energia. O sentido de rotação da outra engrenagem é sempre oposto ao da engrenagem adjacente a ela. Em qualquer motor DC, RPM e torque são inversamente proporcionais. Conseqüentemente, a engrenagem com mais torque fornecerá menos RPM e conversará. Para controlar um motor CC redutor, é aplicada a técnica de modulação por largura de pulso. O torque e as RPM de um motor CC redutor dependem da relação de transmissão. Por exemplo, suponha que um motor CC possa funcionar à velocidade de 12.000 RPM e fornecer um torque de 12 kg-cm. Ao adicionar uma redução de 255:1, a velocidade do motor pode ser reduzida e o torque pode ser aumentado. Assim, ao adicionar uma redução de 255:1, a RPM resultante é reduzida para 53,3 (12.000 rpm / 225) e o torque é aumentado para 22,5 kg-cm (0,1 x 225). O motor agora é capaz de mover significativamente mais peso a uma velocidade razoável.

Fig. 2: Vista aproximada do motor CC com escova (direita) e do motor CC com engrenagem (esquerda)

Para controlar motores CC com engrenagens, o IC do driver do motor L293D é normalmente usado em robôs de hobby. O IC faz interface com um microcontrolador para controlar a direção e a velocidade do motor DC. O controlador do motor atua como dispositivo intermediário entre o motor, o controlador e as baterias. Embora o microcontrolador decida a velocidade e a direção do motor, ele não pode controlar diretamente o motor devido à potência limitada. Até mesmo o controlador do motor pode fornecer energia ao motor, mas não pode instruí-lo em qual direção ele deve girar. Portanto, o controlador do motor e o microcontrolador precisam trabalhar juntos para controlar o motor. Para controlar o motor CC, é necessário um circuito H-Bridge que permite que a tensão seja aplicada a uma carga em qualquer direção. O L293D é um circuito integrado (IC) de driver de motor com ponte H dupla. Os drivers do motor atuam como amplificadores de corrente, pois recebem um sinal de controle de baixa corrente e fornecem um sinal de corrente mais alta. Este sinal de corrente mais alto é usado para acionar os motores. Possui 16 pinos com a seguinte configuração de pinos:

Figura 3: Tabela mostrando a configuração de PINs em um motor DC

O IC pode conduzir até 1 ampere de corrente e operar entre 4,5V e 36V. Para obter mais informações sobre o IC do driver do motor, consulte a referência L293D IC.

Fig. 4: Diagrama PIN do L293D IC usado no motor DC de robôs

Motores pequenos são projetados para aplicações onde a compactação é mais valorizada que o torque. Embora existam pequenos motores de alto torque, eles tendem a ser caros porque usam ímãs de terras raras, alta eficiência rolamentos e outros recursos que aumentam seu custo. Grandes motores podem produzir mais torque mas também requerem correntes mais altas. Motores de alta corrente requerem baterias de maior capacidade e circuitos de controle maiores que não superaquecem e queimam sob a carga. Portanto, para combinar o tamanho do motor com o resto do robô, é aconselhável não sobrecarregar um robô pequeno com um motor grande. Ao decidir o tamanho do motor, o torque disponível após a redução da engrenagem deve ser considerado. A redução da engrenagem sempre aumenta o torque. O aumento no torque é proporcional à quantidade de redução da engrenagem. Como se a redução fosse de 3:1, o torque aumenta cerca de três vezes.

Servo motor –

Servomotores são normalmente usados ​​onde é necessário movimento rotacional preciso. Eles são frequentemente usados ​​em braços robóticos e aplicações de controle de ângulo. Saiba mais sobre servo motores e seu controle no tutorial Servo Motor.

Motor de passo –

Um motor de passo divide a rotação em várias etapas. Assim como o servo motor gira em um ângulo específico, um motor de passo gira em um número específico de passos angulares. Saiba mais sobre motor de passo no Tutorial sobre motor de passo.

Motor CC sem escova –

Os motores CC sem escova são semelhantes aos motores CC com escova em construção, mas são acionados por controladores de circuito fechado e requerem inversores ou SMPS para fonte de alimentação. Esses motores possuem ímãs permanentes que giram uma armadura fixa. Em contraste com os motores Brush DC, eles possuem controlador eletrônico de circuito fechado no lugar do conjunto do comutador. Esses motores são normalmente usados ​​em robótica industrial onde é necessário controle preciso sobre movimento e posicionamento. No entanto, esses motores são bastante caros e envolvem construção e eletrônica complexas.

Selecionando um motor para um robô

Para selecionar um motor elétrico adequado é preciso considerar muitos parâmetros diferentes, como a carga que um motor específico pode suportar, o torque necessário para mover o robô sem ser sobrecarregado, as rotações por minuto do motor quando está carregado, etc. Como existem muitos tipos de motores, dependendo da aplicação, um tipo de motor deve ser selecionado. Por exemplo, para operar o braço robótico, normalmente são usados ​​servos. Os robôs com rodas têm design simples e navegam pelo solo por meio de rodas motorizadas. As rodas também são mais fáceis de projetar e construir em comparação com esteiras ou pernas. O uso de rodas tem desvantagens como a navegação sobre obstáculos ou áreas com baixo atrito não é fácil com rodas. Os motores elétricos mais comuns usados ​​em tais robôs são os motores DC. Os motores DC fornecem alto torque e alta eficiência. Ao aplicar torque em resposta à carga, os motores CC podem ser caracterizados pela curva de velocidade e torque. As classificações de tensão comumente preferidas para motores CC usados ​​em robôs de hobby são 3, 6, 12 e 24 Volts. Se um motor for aplicado com uma tensão inferior à tensão indicada na ficha técnica, o torque não superará o atrito interno – principalmente das escovas. Além disso, se uma tensão superior à suportada for aplicada ao motor, ele poderá aquecer e ser danificado.

Combinações de rodas para um carro robótico

De acordo com as leis da física, um peso elevado requer forças fortes para acelerar. Isto significa que um robô mais pesado requer motores mais fortes para acelerar o corpo. Às forças que atuam devido ao peso do robô somam-se as forças de atrito das rodas e o atrito interno no interior do motor. Ao levar em conta que um robô deve subir escadas ou correr em superfícies inclinadas, outras forças também devem ser consideradas, como a força gravitacional. Um motor pode manter uma velocidade constante somente se o torque for maior que as forças combinadas opostas ao movimento do robô. Caso o torque do motor seja menor que o torque de oposição, o motor irá parar e poderá ser danificado, pois a energia elétrica não pode ser convertida em torque. Para a movimentação, os robôs utilizam direção diferencial que aciona as rodas separadamente. O robô pode mudar a direção de rotação de cada roda em velocidades diferentes e, ao adicionar rodas adicionais que não são acionadas por atuadores, o robô pode manter o equilíbrio. Duas rodas mais um rodízio ou quatro rodas são as combinações mais comuns para robôs com rodas. Ambas as combinações de rodas podem girar no lugar e são conhecidas como tração diferencial para a versão de duas rodas, enquanto as quatro rodas devem ser acionadas independentemente para girar no lugar. • Robô de duas rodas e rodízio –

Fig. 5: Imagem mostrando duas rodas e um robô rodízio

• Robô de quatro rodas –

Fig. 5: Um típico robô de quatro rodas

O método de duas rodas e rodízio tem suas vantagens, incluindo a possibilidade de medir o movimento adicionando codificadores. Para o método das quatro rodas, adicionar um codificador pode gerar medições imprecisas em comparação com os movimentos reais do robô, mas, ao mesmo tempo, este sistema é o melhor para controle em circuito fechado e proporciona alta aderência aos pneus.

Cálculo envolvido na seleção de um Motor

Existem muitos cálculos matemáticos envolvidos na localização do motor para o robô com base em muitos parâmetros como torque, velocidade, rpm, etc. Confira os cálculos envolvidos na seleção de um motor no site da Botskool. Usar uma calculadora online é talvez o método mais simples e preciso para descobrir qual motor elétrico é adequado para um projeto. Essas calculadoras requerem dados de entrada com base nas propriedades e capacidades desejadas para um robô, enquanto os resultados são as especificações do motor. Alguns links de sites para cálculo das especificações necessárias do motor são fornecidos abaixo – Calculadora de torque do motor RobotShop Calculadora RMF da Sociedade de Robôs