Edição atual tal como às 11h53min de 5 de junho de 2023

Arduíno: Acionamento de Cargas e Motores

O Arduíno pode acionar cargas maior potência por meio de relés e controlar motores através de dispositivos chamados ponte H.

Informações sobre Arduíno

Arduino
Arduíno: Entradas e Saídas
Site oficial do Arduíno

Acionamento de Cargas com Relés

Um relé é um interruptor eletromecânico que pode ser utilizado para ligar ou desligar cargas de maior potência conectadas em 127/220V CA.

Muitos relés operam através de uma bobina eletromagnética (eletroímã) utilizada para abrir e fechar o interruptor e para executar a operação mecânica sobre a chave.

Módulos Relés

Para utilização com o Arduíno é comum a utilização de módulos montados em uma placa com terminais que facilitam a prototipagem. Estes módulos trazem montados na placa o circuito de acionamento da bobina, necessário para o funcionamento do relé. Neste caso, o acionamento do relé pelo Arduíno é realizado a partir de uma saída digital, além do fornecimento das tensões 5V e GNG para alimentar a parte lógica do relé.

A carga CA é conectada nos terminais de potência do relé, o qual geralmente apresenta três terminais:

NA - Normalmente Aberto
COM - Comum
NF - Normalmente Fechado

Para acionamento de uma carga simples, como uma lâmpada, utilizar NA-COM como chave liga-desliga.

Circuito de Acionamento de Relés

Para utilização do relé eletromagnético, não montado em um módulo pronto, é necessário um circuito para acionamento e proteção da bobina. Para isso, uma estrutura comum é utilizar um diodo em paralelo com a bobina e uma chave com transistor para acionar a bobina.

O diodo de proteção é importante, pois a bobina é uma carga indutiva e pode gerar altas tensões quando a corrente for interrompida sobre a mesma. Assim, quando o transistor corta a corrente, o diodo fica polarizado diretamente e mantem a corrente circulando por instantes na bobina, suprimindo o surto de tensão. Caso não se utilize esta proteção, o surto de tensão pode danificar o transistor ou o microcontrolador que aciona o circuito de comando.

Laboratório 1: Acionamento de uma lâmpada com relé

LDR e relé

Montar hardware com sensor LDR e um relé para acionamento pelo Arduíno de uma lâmpada 127/220V.
O circuito da lâmpada na rede 127/220 V CA é mostrado na figura abaixo.

Controle de Motores com Ponte H

A ponte H é um arranjo de chaves em forma de H, que serve para inverter o sentido da corrente elétrica em motores de corrente contínua, motores de passo ou outras cargas indutivas, permitindo com isto inverter o sentido de rotação do motor.

O funcionamento da ponte H é baseado na operação combinada de quatro as chaves. Se S1 e S4 estiverem fechadas e S2 e S3 abertas tem-se o motor rodando em um sentido. Já com as chaves S3 e S2 fechadas e S1 e S4 abertas, o sentido do fluxo da corrente sobre o motor é invertido, fazendo com que a rotação do motor também se inverta.

A velocidade de rotação do motor, por outro lado, pode ser controlada variando o nível da tensão contínua aplicada sobre o motor.

Circuitos Integrados e Módulos Ponte H

Existem circuitos integrados monolíticos, de diferentes fabricantes, que implementam pontes H através de chaves transistorizadas, como o L293, L298 e o L9110S.

Também existem diversos módulos (shields) que utilizam circuitos integrados ponte H e oferecem uma plataforma pronta para prototipagem, incluindo terminais de conexão para as cargas e pinos para conexão dos sinais de controle.

Circuito Integrado L298N

O L298N (datasheet) é um circuito integrado ponte H de maior potência, permite controlar velocidade e direção de até 2 motores DC que precisem de até 3 A de corrente contínua, acionados por voltagem de até 50 volts. Ele também pode ser usado para ativar relés, motores de passo e outros.

O funcionamento do L298N (similar ao L293D) segue a seguinte tabela verdade (exemplo para motor A):

1IN	2IN	EnA	Motor A
H	L	PWM¹	Sentido Horário²
L	H	PWM¹	Sentido Anti-horário²
L	L	X	Pára motor
H	H	X	Pára motor
X	X	L	Ponto morto

Obs:

¹ Velocidade controlada pelo sinal PWM,

² O sentido de rotação depende também da forma de conexão dos fios nos bornes do motor.

Controle da corrente sobre a carga: Alem dos pinos de controle e saída, o circuito integrado L298 apresenta dois pinos de saída chamados Sense A e Sense B, nos quais devem ser conectados resistores para controlar a corrente sobre a carga (respectivamente para o Motor A e Motor B). O valor dos resistores R_S1 e R_S2 dependem da corrente da carga (Sugestão: R_S1 = R_S2 = 0.5 Ω). Além disto, deve ser conectada a alimentação dos motores em Vs.

Módulo Ponte H L298N

Este módulo utiliza o circuito integrado L298N, oferecendo plataforma pronta para prototipagem para controlar até dois motores de corrente contínua ou um motor de passo e pode ser comandado por microcontroladores como o Arduíno.

^[1]

A referência FelipeFlop. Motor DC com Driver Ponte H L298N apresenta uma descrição detalhada deste módulo e a forma de utilização com o Arduíno.

Laboratório 2: Controle de Motor CC com L298N

Procedimentos práticos: Realizar o laboratório utilizando componentes físicos ou o SimulIDE com os componentes Motor DC e o circuito integrado L298N controlados por um Arduíno.

Montagem do hardware

Utilizar duas saídas digitais do Arduíno (p.ex. 7 e 8) para controlar as entradas 1IN e 2IN da L298N;
Utilizar uma saída PWM do Arduíno (p.ex. 6) para controlar a entrada EnA da L298N;
Conectar o Motor DC nas saídas OUT1 e OUT2 da L298N.
Construir programa exemplo para teste do motor em diferentes velocidades.

Circuito Integrado L293D

O circuito integrado L293D (datasheet) permite controlar velocidade e direção de até 2 motores DC que precisem de até 600 mA de corrente contínua, acionados por voltagem de 4.5 à 36 volts. Ele também pode ser usado para ativar relés, motores de passo e outros.

O funcionamento do L293D segue a seguinte tabela verdade (para cada motor):

Entradas		Saídas
A	EN	Y
H	H	H
L	H	L
X	L	Z

Onde:

H = Nível Lógico Alto (HIGH),

L = Nível Lógico Baixo (LOW),

X = Irrelevante,

Z = Alta Impedância.

O circuito integrado L293D apresenta alimentação separada para a parte lógica (V_cc1) e para a alimentação do motor (V_cc2). Desta forma, quando as entradas de controle A forem acionadas com as tensões lógicas (H e L) as saídas Y recebem as tensões do motor (H e L), respectivamente.

Exemplo para controle do Motor M1

1A	2A	1,2EN	Motor
H	L	PWM¹	Sentido Horário²
L	H	PWM¹	Sentido Anti-horário²
L	L	X	Motor parado

Obs:

¹ Velocidade controlada pelo sinal PWM,

² O sentido de rotação depende também da forma de conexão dos fios nos bornes do motor.

Laboratório 3: Controle de Motor CC com L293D

Procedimentos práticos: Realizar o laboratório utilizando o SimulIDE com os componentes Motor DC e o circuito integrado L293 controlados por um Arduíno.

Montagem do hardware

Utilizar duas saídas digitais do Arduíno (p.ex. 7 e 8) para controlar as entradas 1A e 2A da L293;
Utilizar uma saída PWM do Arduíno (p.ex. 6) para controlar a entrada 1,2EN da L293;
Conectar o Motor DC nas saídas 1Y e 2Y da L293.

Programa de teste

//Programa para teste do motor CC com o L293D
int velocidade = 55; //Velocidade do motor (0 a  255)   
void setup()  
{  
  //Define os pinos como saida  
  pinMode(6, OUTPUT);  
  pinMode(7, OUTPUT);  
  pinMode(8, OUTPUT);  
}   
void loop()  
{  
  analogWrite(6, velocidade);   
  //Aciona o motor  
  digitalWrite(7, LOW);  
  digitalWrite(8, HIGH);  
  delay(3000);  
  //Pára motor  
  digitalWrite(7, LOW);  
  digitalWrite(8, LOW);  
  delay(1000); 
  //Aciona o motor no sentido inverso  
  digitalWrite(7, HIGH);  
  digitalWrite(8, LOW);  
  delay(3000);  
  //Pára motor  
  digitalWrite(7, LOW);  
  digitalWrite(8, LOW);  
  delay(1000); }

Módulo Ponte H L9110S

Permite controlar dois motores de corrente continua ou um motor de passo e pode ser comandado por microcontroladores como o Arduíno.

Este módulo é compacto e permite controlar motores de 2,5 V até 12 V com consumo de 800mA por motor.

Pinos de alimentação e controle:

Vcc: (2,5 V até 12V)
GND: (0 V)
A1-A: Controle do motor A (Digital)
A1-B: Controle do motor A (PWM)
B1-A: Controle do motor B (Digital)
B1-B: Controle do motor B (PWM)

Funcionamento do controle dos motores (Exemplo Motor A):

A1-A	Sentido*	A1-B	Velocidade
LOW	Horário	0 -> 255	0 (Parado) -> 255 (Máxima)
HIGH	Anti-horário	255 -> 0	255 (Parado) -> 0 (Máxima)

* O sentido também depende da forma de ligação dos motores nos bornes de conexão.

Há outro módulo no mercado com o L9110S, que denomina os pinos de controle como IA1 e IB1 para o Motor 1 e IA2 e IB2 para o Motor 2, com o mesmo princípio de funcionamento.

Ponte H com Relés

Para acionamento de motores CC que exigem maior tensão e maior corrente pode-se utilizar uma estrutura de ponte H construída com relés e chaveada com transistores de potência.

Funcionamento do circuito

Os relés conectam a tensão de alimentação aos motores, sendo que no primeiro relé a tensão está conectada no terminal NA (normalmente aberto) e o segundo no terminal NF (normalmente fechado);
A alteração do sentido de rotação do motor é realizada chaveando os dois relés ao mesmo tempo, o que altera a polaridade da tensão sobre o motor.
A chave com transistor de potência permite ligar e desligar a corrente no motor.
O chaveamento da corrente sobre o motor com um sinal PWM pode ser utilizado para controlar a velocidade do motor.
Um transistor como o TIP122 permite controlar motores de até 100V/5A.

Laboratório 4: Controle de motor CC através de ponte H com relés

O laboratório pode ser realizado com componentes físicos ou utilizando o SimulIDE.

Montar hardware para controle de motor CC utilizando saídas digitais do Arduíno para controle de uma ponte H montada com dois relés de três pontos (NA, COM, NF) (No SimulIDE, configurar parâmetro DT do relé para true);
Utilizar saída PWM do Arduíno para acionar transistor como chave para controle da velocidade do motor.

Projeto 1: Controle de motores CC com Ponte H

Construir um projeto de controle de motores CC, utilizando ponte H com relés, circuitos integrados ou módulos ponte H. O sistema deve prever mecanismos para inverter a rotação do motor (p.ex. botões ou chaves) e também alteração da velocidade de rotação (p.ex. potenciômetros).

Pense em uma aplicação que o projeto poderia ser utilizado, como um elevador, um guincho, uma máquina para levantar material, um veículo, etc.

O projeto pode ser construído com componentes físicos ou usando o SimulIDE.

Servo Motor

Os servo motores são atuadores utilizados em aplicações onde é necessário fazer o controle de movimento com posicionamento preciso, por exemplo, para controlar um braço de um robô ou o ângulo de abertura de uma chave.

Micro Servo motor SG90

O SG90 tem três fios: alimentação (5 V) na cor vermelho, terra (GND) na cor marrom e o sinal na cor laranja para controle do servo motor.
O controle do servo motor é realizado por uma saída digital PWM, que permite movimentar o braço do servo de 0^o a 180^o. O controle do ângulo é realizado pela largura do pulso PWM (duty cicle), variando entre 1 - 2 ms, para um período de 20 ms (50 Hz).
Para uso com o Arduíno usa-se a biblioteca servo.h, que permite controlar diversos tipos de servo motores.

Laboratório 5: Controle de servo motor

Teste do Servo motor SG90

Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Servo/Sweep para controle do servo motor de 0 a 180 graus.

Controle do Servo motor SG90 com potenciômetro: O laboratório pode ser realizado com componentes físicos e o servo motor SG90 ou utilizando o SimulIDE e o Servo.

Montar hardware conectado a um Arduíno, com servo motor com o sinal conectado a saída digital 9 (PWM) e um potenciômetro com o pino central conectado a entrada analógica A0 para controlar o servo motor.
Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Servo/Knob para controle do servo motor a partir do potenciômetro.
Verifique a utilização pelo programa da biblioteca <Servo.h>.

Referências

↑ FelipeFlop. Motor DC com Driver Ponte H L298N, 2013. https://www.filipeflop.com/blog/motor-dc-arduino-ponte-h-l298n/

Evandro.cantu (discussão) 09h35min de 17 de setembro de 2021 (-03)

[FelipeFlop-1] FelipeFlop. Motor DC com Driver Ponte H L298N, 2013. https://www.filipeflop.com/blog/motor-dc-arduino-ponte-h-l298n/

[1]

Arduino: Acionamento de Cargas e Motores: mudanças entre as edições