Os motores CC sem núcleo são amplamente utilizados em diversos setores, graças às suas características de leveza, baixa inércia e elevada eficiência. O controlo da velocidade dos motores CC sem núcleo requer um sistema de controlo cuidadosamente concebido, de modo a otimizar o desempenho e garantir um funcionamento suave.

Neste artigo, explicamos os métodos de controlo de velocidade dos motores CC sem núcleo e, ao fornecer dados sobre as técnicas de controlo mais comuns, aprofundamos a compreensão dos métodos de controlo adequados para diversas aplicações.

Princípios básicos do controlo de velocidade dos motores CC

Para operar um motor CC sem núcleo de forma eficiente, é importante compreender a relação entre a velocidade do motor, a tensão, a corrente e a carga. A velocidade de um motor CC é normalmente proporcional à tensão aplicada.

Os fatores que influenciam o controlo da velocidade são os seguintes:

• Tensão de alimentação (V): ao aumentar a tensão, a velocidade de rotação do motor aumenta; ao diminuir a tensão, a velocidade de rotação diminui.
• Binário de carga (T): quando a carga é pesada, a velocidade de rotação do motor diminui; quando a carga é leve, a velocidade de rotação do motor aumenta.
• Resistência (R): A resistência no circuito, seja interna ou externa, afeta o fluxo de corrente e, consequentemente, a velocidade do motor.
• Força contra-elétrica (E): Quando o motor gira, gera-se uma força contra-elétrica (EMF) que se opõe à tensão de entrada, o que faz com que a velocidade global diminua.

Sobre o controlo da velocidade dos motores CC sem núcleo

O princípio básico de funcionamento de um motor CC sem núcleo consiste na conversão de energia elétrica em energia mecânica. A velocidade do motor é inversamente proporcional à carga e está diretamente relacionada com a tensão aplicada. Por conseguinte, para controlar a velocidade do motor, é necessário ajustar a tensão de alimentação ou gerir o fluxo de corrente no sistema.

Os principais fatores que influenciam a velocidade de um motor CC sem núcleo são os seguintes:

• Tensão de alimentação (V): ao aumentar a tensão, a velocidade de rotação do motor aumenta; ao diminuir a tensão, a velocidade de rotação diminui.
• Binário de carga (T): quando a carga é pesada, a velocidade de rotação do motor diminui; quando a carga é leve, a velocidade de rotação do motor aumenta.
• Resistência (R): a resistência no circuito, seja ela interna ou externa, afeta o fluxo de corrente e, consequentemente, a velocidade do motor.
• Força contra-elétrica (E): Quando o motor gira, gera-se uma força contra-elétrica (EMF) que se opõe à tensão de entrada, o que faz com que a velocidade global diminua.

A fórmula para controlar a velocidade de um motor CC sem núcleo é a seguinte:

Onde:

• n = velocidade de rotação do motor (RPM)
• V = tensão aplicada (V)
• E = força contra-elétrica (V)
• k = constante do motor
• T = binário de carga (Nm)
• C = constante de binário (Nm/A)

Ao controlar estes parâmetros, é possível controlar eficazmente a velocidade do motor.

Métodos de controlo da velocidade dos motores CC sem núcleo

Existem vários métodos de controlo da velocidade dos motores CC sem núcleo, cada um com as suas vantagens e limitações. Vejamos as técnicas mais comuns.

Controlo de tensão (controlo linear)

No controlo de tensão, a velocidade do motor é ajustada através da variação da tensão de alimentação. Trata-se de um método simples de controlo de velocidade, mas apresenta baixa precisão e baixa eficiência em aplicações de alta potência.

Onde:

• V é a tensão de alimentação.
• A força contra-elétrica é a tensão gerada durante a rotação do motor.
• R é a resistência do motor.

Dados do método de controlo de tensão:

Tensão (V)	Velocidade de rotação (RPM)	Eficiência (%)
6	1 500	85
9	2 300	88
12	3 000	90
15	3 750	92
18	4 500	93

Conforme ilustrado na tabela acima, à medida que a tensão aumenta, a velocidade do motor aumenta proporcionalmente; no entanto, quando o motor atinge a velocidade nominal máxima, a eficiência deste método atinge o seu limite.

b. Modulação por largura de pulso (PWM)

A modulação por largura de pulso (PWM) é um método mais eficiente e preciso para o controlo da velocidade de motores CC sem núcleo. Em vez de fornecer uma tensão constante, a PWM alterna rapidamente entre os estados ligado e desligado do motor, ajustando a duração do tempo de ativação (ciclo de trabalho).Este sinal de modulação controla eficientemente a tensão média do motor e, consequentemente, controla a velocidade.

O ciclo de trabalho determina a tensão média fornecida e é calculado da seguinte forma:

Onde:

• Vavg = tensão média
• Vin = tensão de entrada
• D = ciclo de trabalho (%)

Por exemplo, se a tensão de entrada for de 12 V e o ciclo de trabalho for de 50%, a tensão média fornecida ao motor é de 6 V.

Dados do método de controlo PWM:

Rácio de ciclo de trabalho (%)	Tensão média (V)	Velocidade de rotação (RPM)
20	2,4	1 000
40	4,8	2 000
60	7,2	3 000
80	9,6	4 000
100	12	5 000

Conforme se pode ver na tabela, ao aumentar o ciclo de trabalho, a tensão média aumenta e a velocidade do motor aumenta proporcionalmente.

c. Controlo da corrente

O controlo de corrente é outra forma de ajustar a velocidade dos motores CC sem núcleo. Neste método, controla-se a corrente fornecida ao motor, o que afeta diretamente o binário e a velocidade. Esta tecnologia é amplamente utilizada em setores que requerem gestão do binário e controlo da velocidade, como a robótica e os dispositivos médicos.

Dados relativos ao método de controlo de corrente:

Corrente (A)	Velocidade de rotação (RPM)	Binário (Nm)
0,5	1 000	0,1
1,0	2 000	0,2
1,5	3 000	0,3
2,0	4 000	0,4
2,5	5 000	0,5

3. Sistema de retroalimentação de velocidade

Em aplicações mais avançadas, os motores CC sem núcleo são frequentemente combinados com sistemas de retroalimentação para permitir o controlo de velocidade em circuito fechado. O método mais comum consiste na utilização de um codificador que monitoriza a velocidade do motor em tempo real e ajusta os parâmetros de entrada para manter a velocidade desejada.

a. Controlo em circuito fechado com encoder

• Codificador: é um sensor que deteta a posição ou a velocidade do motor. A informação de retroalimentação proveniente do codificador é enviada para o controlador, que ajusta a tensão ou a corrente de entrada para fazer o motor rodar à velocidade pretendida.

O circuito de retroalimentação é essencial para manter a consistência da velocidade, especialmente em situações em que a carga ou a tensão de entrada variam.

b. Controlo proporcional, integral e derivativo (PID)

Nos sistemas de circuito fechado, são geralmente utilizados controladores PID para melhorar o desempenho da velocidade do motor. O controlador PID efetua ajustes em tempo real, em função do desvio entre a velocidade alvo e a velocidade real (erro), alterando assim a velocidade do motor.

• Proporcional (P): corrige o erro atual
• Integração (I): corrige o erro somando os erros passados ao longo do tempo
• Derivativa (D): prevê o erro futuro com base na taxa de variação

Dados de controlo PID de um motor CC sem núcleo:

Tempo (s)	Velocidade de referência (RPM)	Velocidade real (RPM)	Erro (RPM)
0	3 000	2 800	200
1	3 000	2 900	100
2	3 000	3 000	0
3	3 000	3 000	0

Conforme se pode ver na tabela, o controlador PID reduz gradualmente o erro e atinge a velocidade pretendida em menos de 2 segundos.

Resumo comparativo dos métodos de controlo de velocidade

Método de controlo	Complexidade	Eficiência	Custo	Exemplos de aplicação
Controlo de tensão	Baixa	Médio	Baixa	Aplicações simples, equipamentos de baixa precisão
Controlo PWM	Médio	Elevado	Médio	Robôs, drones, automóveis, equipamentos de precisão
Controlo de corrente	Elevado	Baixo	Elevado	Aplicações que privilegiam o binário, robótica
PID + encoder	Muito alto	Muito alto	Elevado	Equipamentos de alta precisão, equipamentos médicos

Conclusão

Para o controlo da velocidade dos motores CC sem núcleo, é necessário selecionar o método adequado com base na aplicação, nos requisitos de potência e na precisão do controlo. Em aplicações em que o controlo preciso da velocidade e a capacidade de resposta são fundamentais, a Gian Transmission oferece a solução mais fiável.