Controlo Avançado de Motor DC: PID + PWM – Dicas e Truques de Especialista

Componentes e Materiais

• Arduino Due (ou qualquer Arduino: Uno, Nano, Mega) – 1 unidade
• Motor DC – 1 unidade (ex: 70 mA nominal)
• Sensor de Velocidade Fotoelétrico HC-020K (20 slots) – 1 unidade
• Transistores PNP BC307A – 4 unidades (ponte H discreta) – Nota: NPN BC337 seria melhor para correntes maiores
• Resistores base – 4× 4.75 kΩ (calculados para hFE≈140, VBE=0.62V, VT=3.3V)
• Potenciómetros rotativos 10 kΩ – 4 unidades (ajuste Kp, Ki, Kd, Setpoint)
• Chave deslizante – 1 unidade (seleção direção CW/CCW)
• Display TFT Makeblock Me – 1 unidade (opcional, para gráficos)
• Protoboard, fios, fonte alimentação motor

Software

• Arduino IDE
• Bibliotecas padrão (Servo não necessária)

Sobre o Projeto

Controlo preciso de velocidade e direção de motor DC usando controlador PID com saída PWM, em vez de PWM direto. PWM direto falha devido a atrito e inércia ("os gémeos"): a velocidade real nunca atinge o setpoint. PID compensa dinamicamente.

Controlador PID Implementado

Função genérica reutilizável:

float controllerPID(float _E, float _Eprev, float _dT, float _Kp, float _Ki, float _Kd) {
  float P = _Kp * _E;                                    // Proporcional
  float I = _Kp * 0.5 * _Ki * (_E + _Eprev) * _dT;      // Integral
  float D = _Kp * _Kd * (_E - _Eprev) / _dT;             // Derivativo
  return P + I + D;
}

No loop principal:

E = RPMset - RPM;                           // Erro
float cPID = controllerPID(E, Eprev, dT, Kp, Ki, Kd);
if (RPMset == 0) OutputRPM = 0;
else OutputRPM = OutputRPM + cPID;          // Saída acumulada (velocidade)
OutputRPM = constrain(OutputRPM, _minRPM, _maxRPM);

Circuito de Potência (Ponte H com Transistores)

• PWM1 (pino 3) → T1A + T1B (lado alto/esquerdo) → sentido horário (CW).
• PWM2 (pino 2) → T2A + T2B → sentido anti-horário (CCW).
• Transistores PNP: corrente flui Emissor→Coletor quando base baixa (ativo em LOW).
• Cálculo do resistor de base: R = (VT - VBEon) * hFE / IM.
  Exemplo: IM=70mA, hFE=140, VBEon=0.62V, VT=3.3V → R≈5.36kΩ (usou 4.9kΩ).

Importante: Corrente de arranque do motor pode ser 130%+ da nominal. Inversão de polaridade em movimento causa pico extremo. Solução no código: ao inverter direção, zera ambos PWMs e aguarda motor parar (RPM < _minRPM) antes de aplicar novo sentido.

Leitura de Velocidade (HC-020K)

Sensor alimentado a 3.3V (compatível Due). Função readFrequency(pin, speed) conta flancos descendentes durante janela de tempo (ex: 0.25s para speed=4). RPM = 60 × frequência / 20 slots.

int readFrequency(int pin, float speed) {
  pinMode(pin, INPUT);
  byte curr, prev = 0;
  unsigned long t, t0 = micros();
  float freq = 0;
  if (speed <= 0 || speed > 10) return -1;
  do {
    curr = digitalRead(pin);
    if (prev == 1 && curr == 0) freq++;
    prev = curr;
    t = micros();
  } while (t < (t0 + 1000000/speed));
  return speed * freq;
}

Interface Gráfica (Opcional – Makeblock Me TFT)

• CommandToTFT() – envia comandos série para display.
• Cartesian_Setup() – desenha eixos X(Y) com escalas automáticas.
• Cartesian_ClearPlotAreas() – limpa área de gráfico ao reiniciar tempo.
• Cartesian_Line() – plota setpoint (amarelo) e RPM real (verde) vs tempo.
• Alarmes visuais (caixas vermelhas) para RPM > AHH, AH, AL, ALL.

Afinação do PID (Ziegler-Nichols)

1. Kp=Ki=Kd=0.
2. Aumente Kp até oscilação sustentada → ganho crítico Kc, período Pc.
3. Ajuste: P: Kp=0.5Kc | PI: Kp=0.45Kc, Ki=1.2/Pc | PID: Kp=0.6Kc, Ki=2/Pc, Kd=Pc/8.
4. Afinar finamente.

No projeto, Kp, Ki, Kd são ajustados em tempo real via potenciómetros nos pinos A1–A3 (0–4095 → 0–Kmax).

Resultados

• PWM direto: erro estático grande, não atinge setpoint.
• PID: erro → zero, resposta rápida, mantém velocidade sob carga variável.
• Velocidade mínima atingível: ~5% da nominal (vs 10-20% sem PID).

Nota sobre Transistores NPN vs PNP

Se usar NPN (BC337): corrente Coletor→Emissor. Polarize coletor em +V, emissor no motor. Inverte lógica de drive (ativo em HIGH).

Dois Códigos Fornecidos

1. Com gráficos TFT – versão completa com plotagem, alarmes, display.
2. Sem gráficos – apenas lógica PID + motor + sensor, para estudo/embutir.

Ambos na secção Code do projeto original.

Esquema

Ver secção Schematics (imagem BMP: ponte H discreta 4× PNP, sensor HC-020K, potenciómetros, chave direção, display).