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Motores elétricos - Motores de Corrente Contínua (CC)

Angelo Luis Ferreira | 06/06/2025 Acessos: 398

1. Motores elétricos para a robótica

Os motores elétricos estão entre os atuadores mais utilizados na robótica. São fundamentais, especialmente devido à sua capacidade de converter energia elétrica em movimento rotacional de forma precisa e controlável. Essa característica os torna ideais para aplicações em sistemas de tração, como rodas de robôs móveis, onde o giro contínuo ou angular é necessário para locomoção. As rodas, por sua vez, funcionam como efetuadores - dispositivos que realizam a ação física resultante da atuação. Além da movimentação de rodas, os motores elétricos também são amplamente utilizados para acionar outros efetuadores mecânicos, como braços articulados, garras, hélices e mecanismos lineares, desempenhando papel essencial na execução das tarefas robóticas.

1.1. Motores Elétricos de Corrente Contínua (CC) na Robótica

1.1.1. Visão Geral

Os motores de corrente contínua (CC ou motores DC – Direct Current) são amplamente utilizados na robótica devido à sua simplicidade de controle, custo acessível, variação contínua de velocidade e capacidade de reversão de rotação. Disponíveis em diversos tamanhos e formatos, esses motores são ideais tanto para projetos educacionais quanto para aplicações industriais e robôs autônomos.

1.1.2. Construção Básica

Um motor CC típico é composto por:

Rotor (ou armadura): Parte móvel, ligada ao eixo.
Estator (stator magnets): Parte fixa que contém o campo magnético (ímãs permanentes ou eletroímãs).
Escovas (brushes): Conduzem corrente elétrica para a armadura por meio de contato com o comutador.
Comutador (comutadora): Inverte a direção da corrente na armadura, mantendo o movimento rotacional contínuo.

🔍 Obs: Existem também motores DC brushless (sem escovas), que usam controle eletrônico para a comutação.

1.1.3. Funcionamento

O princípio de funcionamento se baseia na interação entre campos magnéticos. Quando a corrente elétrica passa pelos enrolamentos da armadura (rotor), cria-se um campo magnético que interage com o campo do estator, gerando força eletromagnética (Lei de Lorentz). Isso provoca a rotação do rotor.

O comutador garante que o torque gerado seja sempre na mesma direção, invertendo a corrente nas bobinas conforme o rotor gira.

Do ponto de vista físico, os motores CC convertem energia elétrica em energia mecânica. Isso é feito por meio da interação de campos magnéticos gerados por ímãs permanentes e bobinas alimentadas por corrente elétrica. Quando a corrente percorre o enrolamento da armadura (rotor), é gerada uma força magnética que faz o eixo do motor girar, produzindo movimento rotacional. Assim, a energia elétrica é transformada em energia cinética.

🔍 Obs: Para que o motor funcione corretamente, é essencial alimentá-lo com tensão elétrica dentro da faixa recomendada pelo fabricante. Tensões excessivamente altas podem resultar em superaquecimento, desgaste prematuro e falha dos componentes.

1.1.4. Características Técnicas Importantes

Torque

Torque é a força de rotação gerada no eixo. O torque determina a capacidade do motor de girar um eixo ou um objeto.
O torque de um motor CC é diretamente proporcional à corrente elétrica que passa pelo enrolamento:

Onde:
- = torque medido em Nm (Newton-metro) ou kgfm (quilograma-força-metro)
- = constante de torque (varia de acordo com o tipo e as características específicas do motor)
- = corrente medido em Ampere (A)

Velocidade de rotação

Quando falamos em velocidade de um motor, estamos nos referindo à velocidade de rotação do seu eixo, também chamada de velocidade angular.
A velocidade de rotação é proporcional à tensão de alimentação e inversamente proporcional à carga aplicada:

Onde:

- = tensão aplicada
- = constante de força contraeletromotriz (back-EMF)
- = velocidade angular
- = resistência do enrolamento
- I = Corrente elétrica
Unidades utilizadas para velocidade de rotação:
- RPM (rotações por minuto) — é a unidade mais comum em aplicações práticas:
  - Exemplo: um motor girando a 3000 RPM completa 3000 voltas completas por minuto.
- Rad/s (radianos por segundo) — é a unidade no Sistema Internacional (SI), usada em cálculos físicos:
  - 1 volta completa = rad.
  - Para converter:

Back-EMF

- À medida que o motor gira, ele gera uma tensão oposta (back-EMF), proporcional à sua velocidade.
- Isso limita a corrente em altas velocidades e protege o motor contra sobrecorrente.

Conclusão prática:

Tensão -> controla a velocidade de rotação (velocidade angular).
Corrente -> controla o torque (força de rotação do eixo).

1.1.5. Carga Aplicada

A carga aplicada em um motor DC (corrente contínua) é toda força resistiva que o motor precisa vencer para realizar o seu trabalho mecânico — ou seja, é o esforço que o motor precisa fazer para girar o seu eixo enquanto aciona algum componente externo, como rodas, engrenagens, braços robóticos, correias, entre outros.

Quando o motor gira livremente, ele está em rotação sem carga (ou "no load").
Quando ele precisa mover ou sustentar algo (um peso, fricção, etc.), ele está sob carga.

Tecnicamente, a carga influencia:

O torque exigido:
Quanto maior a carga aplicada, maior o torque que o motor precisa gerar para manter o movimento.

O torque de um motor CC é aproximadamente proporcional à corrente elétrica que ele consome. Isso significa:

- - Ao aplicar carga (resistência ao movimento), o motor consome mais corrente para manter a rotação.
  - Para aplicações robóticas que exigem força, é essencial monitorar o consumo de corrente para evitar sobrecarga ou superaquecimento.
O consumo de corrente:
Um motor DC consome mais corrente elétrica quanto maior for a carga. Isso porque precisa gerar mais força (torque) para vencer a resistência.
A velocidade do motor:
Em geral, quanto maior a carga, menor a velocidade do motor (a não ser que se aumente a tensão para compensar).

1.1.6. Relação entre energia, torque e velocidade

A energia que um motor elétrico consome está diretamente relacionada ao trabalho mecânico que ele realiza. Esse trabalho depende de dois fatores principais:

Torque (força de rotação aplicada no eixo),
Velocidade angular (rotação do eixo, geralmente em RPM ou rad/s).

Quantidade de energia:

Motores com maior energia disponível podem realizar mais trabalho — ou seja, girar mais rápido, levantar cargas maiores, ou operar por mais tempo.

A energia que um motor elétrico consome está diretamente relacionada ao trabalho mecânico que ele realiza. Esse trabalho depende de dois fatores principais:

- Torque (força de rotação aplicada no eixo, geralmente em N·m),
- Velocidade angular (rotação do eixo, geralmente em RPM ou rad/s).

Fórmula base da potência mecânica:

Onde:
- = potência mecânica (em watts),
- = torque (em newton-metro, N·m),
- = velocidade angular (em rad/s)
Relação com a energia:

Ou seja, a energia consumida por um motor ao longo do tempo depende de quanto torque ele aplica e a que velocidade ele gira.

Observações

Quando o motor gira sem carga acoplada ao eixo, ele atinge sua velocidade máxima, mas o torque gerado é praticamente zero. Como consequência, a potência de saída também é nula. Esse cenário é conhecido como regime de rotação em vazio.

No extremo oposto, quando o eixo está travado (sem movimento), o motor fornece seu torque máximo de estol, porém a velocidade de rotação é zero. Novamente, a potência mecânica é nula, pois não há deslocamento angular.

A faixa de operação eficiente do motor situa-se entre esses dois extremos — é quando ele fornece torque e velocidade não nulos, suficientes para vencer a carga aplicada e gerar trabalho útil. Nesse ponto, o motor é capaz de movimentar atuadores ou sistemas mecânicos de forma contínua, com conversão eficaz da energia elétrica em energia mecânica.

Eficiência Energética

A eficiência de um motor DC é o quociente entre a potência mecânica de saída e a potência elétrica de entrada. Ela varia conforme o tipo e a qualidade do motor. Motores de alto desempenho, utilizados em aplicações industriais e robóticas avançadas, podem atingir eficiências superiores a 85%. Já modelos mais simples ou de baixo custo, como os usados em robótica educacional ou de entretenimento, podem apresentar perdas significativas — até 50% da energia consumida pode ser dissipada como calor.

Motores especiais em escala micrométrica, como os micromotores eletrostáticos empregados em robótica miniaturizada (por exemplo, robôs biomiméticos e cirúrgicos), tendem a apresentar eficiências menores, devido às limitações físicas e aos efeitos dominantes de perdas por atrito e dissipação elétrica.

1.1.7. Controle de Motores Elétricos de Corrente Contínua (CC)

Motores DC são amplamente utilizados na robótica por sua simplicidade de controle, resposta rápida e fácil integração com microcontroladores como o Arduino. Três aspectos fundamentais do controle são:

🔁 Controle de Velocidade

A velocidade de rotação de um motor DC é diretamente proporcional à tensão aplicada nos seus terminais. Para controlar a velocidade de forma eficiente, utilizamos a técnica de PWM (Pulse Width Modulation), ou modulação por largura de pulso.

PWM (Pulse Width Modulation), ou Modulação por Largura de Pulso, é uma técnica utilizada para controlar a potência ou a velocidade de um dispositivo eletrônico, como um motor ou um LED, variando a largura dos pulsos de um sinal digital. Em vez de fornecer uma tensão constante, o PWM alterna rapidamente entre ligar e desligar a energia, e a quantidade de tempo que o sinal está ligado em relação ao tempo que está desligado (o "Duty Cycle") determina a potência média que chega à carga.
Como funciona o PWM:
- A tensão média fornecida ao motor varia conforme o tempo em que o sinal fica em nível alto (duty cycle).
- Quanto maior o duty cycle, maior a tensão média, e portanto, maior a velocidade do motor.
Vantagens:
- Alta eficiência.
- Controle preciso e suave da velocidade.
- Compatível com microcontroladores de baixo custo.

🔁 Controle de Torque