Como Funcionam Motores DC Brushless e ESCs – Visão Técnica Detalhada

Neste tutorial, aprenderemos como funcionam motor brushless e ESC. Este artigo é a primeira parte do vídeo a seguir, onde aprenderemos o princípio de funcionamento de um motor DC brushless e ESC (Controlador Eletrônico de Velocidade), e na segunda parte aprenderemos como controlar motor BLDC usando Arduino.

Você pode assistir ao vídeo a seguir ou ler o tutorial escrito abaixo.

Como Funciona

Um motor BLDC consiste em duas partes principais: um estator e um rotor. Para esta ilustração, o rotor é um ímã permanente com dois polos, enquanto o estator consiste em bobinas dispostas como mostrado na imagem abaixo.

Todos sabemos que, se aplicarmos corrente através de uma bobina, ela gerará um campo magnético e as linhas de campo magnético ou os polos dependem da direção da corrente.

Então, se aplicarmos a corrente apropriada, a bobina gerará um campo magnético que atrairá o ímã permanente do rotor. Agora, se ativarmos cada bobina uma após a outra, o rotor continuará girando devido à interação de força entre o ímã permanente e o eletroímã.

Para aumentar a eficiência do motor, podemos enrolar duas bobinas opostas como uma única bobina de forma que gerará polos opostos aos polos do rotor, assim obteremos força de atração dupla.

Com esta configuração, podemos gerar seis polos no estator com apenas três bobinas ou fases. Podemos aumentar ainda mais a eficiência energizando duas bobinas ao mesmo tempo. Dessa forma, uma bobina atrairá e a outra bobina repelirá o rotor.

Para o rotor fazer um ciclo completo de 360 graus, ele precisa de seis passos ou intervalos.

Se olharmos para a forma de onda da corrente, podemos notar que em cada intervalo há uma fase com corrente positiva, uma fase com corrente negativa e a terceira fase está desligada. Isso nos dá a ideia de que podemos conectar os pontos livres de cada uma das três fases juntos e assim podemos compartilhar a corrente entre elas ou usar uma única corrente para energizar duas fases ao mesmo tempo.

Aqui está um exemplo. Se puxarmos a fase A para High, ou a conectarmos à tensão DC positiva, com algum tipo de interruptor, por exemplo um MOSFET, e do outro lado conectarmos a fase B ao ground, então a corrente fluirá de VCC, através da fase A, o ponto neutro e fase B, para o ground. Então, com apenas um único fluxo de corrente, geramos os quatro polos diferentes que fazem o rotor se mover.

Com esta configuração, na verdade temos uma conexão estrela das fases do motor, onde o ponto neutro é conectado internamente e as outras três extremidades das fases saem do motor e é por isso que motores brushless têm três fios saindo deles.

Então, para o rotor fazer um ciclo completo, só precisamos ativar os dois MOSFETs corretos em cada um dos 6 intervalos e é nisso que ESCs realmente consistem.

Como Funciona um ESC (Controlador Eletrônico de Velocidade)

Um ESC ou Controlador Eletrônico de Velocidade controla o movimento ou velocidade do motor brushless ativando os MOSFETs apropriados para criar o campo magnético rotativo para que o motor gire. Quanto maior a frequência ou mais rápido o ESC passa pelos 6 intervalos, maior será a velocidade do motor.

No entanto, aqui surge uma pergunta importante: como sabemos quando ativar qual fase? A resposta é que precisamos saber a posição do rotor e existem dois métodos comuns usados para determinar a posição do rotor.

O primeiro método comum é usando sensores de efeito Hall embutidos no estator, dispostos igualmente a 120 ou 60 graus um do outro.

À medida que os ímãs permanentes do rotor giram, os sensores de efeito Hall detectam o campo magnético e geram um "high" lógico para um polo magnético ou "low" lógico para o polo oposto. De acordo com esta informação, o ESC sabe quando ativar a próxima sequência de comutação ou intervalo.

O segundo método comum usado para determinar a posição do rotor é através da detecção da força eletromotriz reversa ou back EMF. O back EMF ocorre como resultado do processo exatamente oposto de gerar um campo magnético ou quando um campo magnético móvel ou variável passa através de uma bobina, induz uma corrente na bobina.

Então, quando o campo magnético móvel do rotor passa pela bobina livre, ou aquela que não está ativa, induzirá um fluxo de corrente na bobina e, como resultado, uma queda de tensão ocorrerá nessa bobina. O ESC captura estas quedas de tensão à medida que ocorrem e, com base nelas, prevê ou calcula quando o próximo intervalo deve ocorrer.

Esse é o princípio básico de funcionamento de motores DC brushless e ESCs e é o mesmo mesmo se aumentarmos o número de polos tanto do rotor quanto do estator. Ainda teremos um motor de três fases, apenas o número de intervalos aumentará para completar um ciclo completo.

Aqui também podemos mencionar que motores BLDC podem ser inrunners ou outrunners. Um motor brushless inrunner tem os ímãs permanentes dentro dos eletroímãs, e vice-versa, um motor outrunner tem os ímãs permanentes fora dos eletroímãs. Novamente, eles usam o mesmo princípio de funcionamento e cada um tem seus próprios pontos fortes ou fracos.

Ok, teoria suficiente, então agora vamos demonstrar e ver na vida real o que explicamos acima. Para esse propósito, conectaremos as três fases de um motor brushless a um osciloscópio. Conectei 3 resistores em um único ponto para fazer um ponto neutro virtual e do outro lado os conectei às três fases do motor BLDC.

A primeira coisa que podemos notar aqui são as três ondas senoidais. Estas ondas senoidais são na verdade o back EMF gerado nas fases quando elas não estão ativas.

Podemos ver que, à medida que mudamos o RPM do motor, a frequência das ondas senoidais muda, bem como sua amplitude. Quanto maior o RPM, maiores são a frequência e a amplitude das ondas senoidais de back EMF. No entanto, o que impulsiona o motor são na verdade estes picos, que são as fases ativas que geram o campo magnético variável.

Podemos notar que, em cada intervalo, há duas fases ativas e uma inativa. Por exemplo, aqui temos fase A e B ativas, enquanto fase C está inativa. Então temos fase A e C ativas, enquanto fase B está inativa, e assim por diante.

Aqui, gostaria de dar um reconhecimento à Banggood.com por me fornecer este osciloscópio. É o Rigol DS1054Z e é um dos melhores osciloscópios de nível de entrada pelo seu preço. Tem quatro canais de entrada, largura de banda de 50MHz, que pode ser hackeada para 100MHz, taxa de amostragem de 1GSa/s e profundidade de memória relativamente grande de 24Mpts.

O display é de 7 polegadas e é realmente agradável e brilhante. Apresenta várias funções matemáticas, filtros passa-baixa e passa-alta, decodificação SPI e I2C e muito mais. Então, novamente, muito obrigado à Banggood.com e certifique-se de conferir este osciloscópio na loja deles.

No entanto, esse é o princípio básico de funcionamento do motor brushless. Caso você queira alguns exemplos mais reais e aprender como controlar motores brushless usando Arduino, deve conferir a parte dois deste tutorial.

Espero que você tenha gostado deste tutorial e aprendido algo novo. Sinta-se à vontade para fazer qualquer pergunta na seção de comentários abaixo e não se esqueça de conferir minha coleção de Projetos Arduino.