Por Lauren Nagel e Charles Blouin
Os motores elétricos são utilizados em muitos veículos e ferramentas. Em drones e aeronaves elétricas, são controlados mais frequentemente através de um controlador de aceleração e de um ESC.
Quando aumenta a aceleração no controlador, está a aumentar a quantidade de energia elétrica retirada da fonte de alimentação (ou seja, da bateria) e fornecida ao motor através do ESC. Se quiser abrandar o motor, reduza a potência; se quiser acelerar o motor, aumente a potência.
Mas qual é o mecanismo por detrás do controlo da velocidade do motor?
Neste artigo vamos abordar:
- Como aumentar (ou diminuir) a velocidade de um motor elétrico
- Fórmula da velocidade do motor elétrico
- A velocidade do motor em termos de ciclo de trabalho PWM e tensão de saída do ESC
- O cálculo do KV do motor para RPM
Figura 1: Motor Xoar T110 montado numa bancada de teste de impulso
Como aumentar (ou diminuir) a velocidade de um motor elétrico
Controlar a velocidade de um motor elétrico é tão “simples” como controlar a quantidade de energia elétrica fornecida ao motor. No artigo seguinte, vamos assumir que estamos a analisar uma condição de estado estacionário, sem aceleração.
Para sermos mais precisos, para uma determinada carga mecânica (ou resistência), é o aumento da tensão que leva ao aumento da velocidade. Alternativamente, podemos reduzir a carga sobre o motor.
Fórmula da velocidade do motor elétrico
Se analisarmos esta equação para a velocidade angular:
ω = velocidade angular
Podemos ver que a velocidade angular, ou seja, a velocidade do motor elétrico, ou seja, as RPM, é proporcional à tensão e inversamente proporcional ao binário.
Portanto, se quisermos aumentar a velocidade do motor, podemos a) aumentar a tensão fornecida ou b) diminuir o binário. Como diminuir o binário exigiria alterar o projeto ou a carga, é muito mais simples aumentar a tensão.
A equação também demonstra que, a uma tensão constante, um binário mais elevado resulta em menos RPM.
Devemos também notar que existem algumas perdas menores no ESC, pelo que a tensão de entrada é superior à tensão de saída para o motor, mas geralmente apenas por alguns por cento.
A velocidade do motor em termos de ciclo de trabalho PWM e tensão de saída do ESC
Também podemos descrever este processo de alteração da velocidade do motor em termos dos protocolos ESC utilizados para fornecer a potência.
Com PWM, por exemplo, o valor enviado pelo controlador (em µs) corresponde a uma percentagem da tensão máxima que pode ser enviada ao motor e ao ESC.
O valor PWM em µs estará entre 1000 (sem aceleração) e 2000 (aceleração máxima). Todos os valores intermédios têm uma duração de sinal em µs, que corresponde a um ciclo de trabalho entre 0 e 100%.
A 0%, não é fornecida potência ao ESC nem ao motor. A 100%, a potência é fornecida constantemente ao ESC e ao motor.
Figura 2: Motor Xoar TA130 montado numa bancada de teste
Existe variação nesta implementação entre os fabricantes de ESC. No entanto, a relação entre o ciclo de trabalho e a velocidade do motor é geralmente aproximadamente equivalente à tensão de saída média do ESC.
O ESC aproxima uma saída de onda senoidal em cada fase. A 50% de saída do ESC, a onda senoidal terá cerca de metade da amplitude da onda senoidal a 100% de saída do ESC. Note que os controladores eletrónicos na maioria dos ESCs têm apenas um estado ligado/desligado, pelo que o sinal real não é tão suave como uma onda senoidal perfeita.
Existem muitas variações entre os fabricantes de motores e ESCs, e os componentes eletrónicos podem introduzir não linearidades. Para aplicações práticas, é melhor caracterizar o motor e o ESC utilizando um dinamómetro.
O futuro da tecnologia ESC
Como mencionado acima, os motores elétricos funcionam através de sinais elétricos que alternam entre os estados ligado/desligado para gerar rotação. Os ESCs convencionais dependem de semicondutores à base de silício, que têm limitações físicas inerentes. À medida que as frequências de comutação aumentam em RPMs mais elevados, os componentes de silício geram uma energia térmica significativa devido às perdas de comutação. Este calor limita a eficiência e a velocidade máxima do sistema, uma vez que o material não consegue suportar a carga elétrica e térmica em RPMs mais elevados.
O nitreto de gálio (GaN) é um semicondutor que proporciona um limiar mais elevado para a tensão e a temperatura em comparação com o silício. Tem uma condutividade elétrica superior, o que permite velocidades de comutação mais rápidas e uma resistência elétrica reduzida durante o funcionamento. Estas características permitem que os controladores à base de GaN mantenham um desempenho estável em ambientes onde, de outra forma, o silício falharia devido a uma sobrecarga térmica ou elétrica excessiva.
O microDRIVE LP da Hargrave Technologies é uma aplicação inicial desta tecnologia na indústria de UAVs. Embora estes dispositivos não superem atualmente os ESCs de alto desempenho à base de silício, representam um campo em desenvolvimento com potencial para aumentar a densidade de potência dos ESCs.
Figura 3: ESC compacto e leve à base de GaN (fonte: Hargrave Technologies)
Clique aqui para saber mais sobre o Funcionamento Interno de um ESC.
Protocolos digitais como Dshot e Oneshot utilizam o mesmo conceito de ciclo de trabalho, mas com uma entrega de sinal muito mais rápida e padrões de entrega de sinal diferentes.
Também poderá ver o ciclo de trabalho escrito como um valor entre 0 e 1024. Isto baseia-se no facto de a tecnologia ter sido desenvolvida em torno de controladores de 8 bits. 2 opções (ligado / desligado) com um sistema de 8 bits → 2¹⁰ → 1024.
Este sistema também pode ser utilizado para determinar a tensão de saída do ESC.
Por exemplo, 796 → 78% ‘ligado’ em relação a uma saída de 100%.
Cálculo do KV do motor para RPM
Numa condição sem carga, pode utilizar o valor KV do motor para estimar a velocidade do motor com base na tensão fornecida.
Como discutido no nosso artigo sobre como calcular o KV do motor, podemos substituir a FEM inversa pela tensão de entrada nesta equação para estimar a velocidade de rotação do nosso motor elétrico.
Vamos utilizar o motor M50C35 EEE 9 KV da MAD Components como exemplo. Tem uma tensão máxima de 400 V e uma classificação KV de 9 KV. Ao inserir estes números na fórmula, obtemos uma velocidade máxima de:
Assim, com aceleração máxima, este motor irá rodar a 3600 RPM. Se aplicássemos apenas 75% de aceleração, correspondente a 300 V, rodaria a uma velocidade de 2700 RPM.
Conclusão
Como demonstrado neste artigo, existem algumas formas de aumentar a velocidade do motor.
A forma mais prática é aumentar a tensão fornecida ao motor através do aumento da aceleração. Também pode diminuir o binário, mas isto é geralmente mais disruptivo para o projeto ou propósito do UAV.
Se tiver mais alguma dúvida sobre como funcionam os motores elétricos e os UAVs, consulte os nossos outros artigos ou deixe-nos um comentário abaixo.