Artigo Motores CC

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO 
Escola de Engenharia de São Carlos 
 
RICARDO LOPES MOURA 
 
 
 
O USO DE MICROCONTROLADORES 
NO ACIONAMENTO E CONTROLE DE 
MOTORES Brushless DC 
 
 
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à 
Escola de Engenharia de São Carlos, da 
Universidade de São Paulo 
 
Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em 
Sistemas de Energia e Automação 
 
ORIENTADOR: Prof. Dr. Evandro Luís Linhari Rodrigues 
 
 
São Carlos 
2010 
 
3 
 
 
 
Resumo 
Este trabalho apresenta um estudo do acionamento de motores BLDC (Brushless DC). Esses 
motores são utilizados em aplicações diversas devido às vantagens que possuem sobre os motores de 
corrente contínua convencionais e os motores de indução monofásicos. No entanto, por não possuir 
escovas comutadoras, são eletronicamente comutados. Este trabalho foca no seu acionamento 
utilizando sensores de efeito Hall para realimentação da posição do rotor e o controle de velocidade é 
realizado via estratégia de modulação de largura de pulso (PWM). Para tanto, são utilizados 
microcontroladores PIC ou dsPIC, que possuem módulos dedicados ao controle de motores. O uso do 
microcontrolador se estende às interfaces de operação, e os circuitos eletrônicos adjacentes também 
são estudados. 
Palavras chaves: Brushless DC, comutação eletrônica, controle PWM, sensores de efeito 
Hall, dsPIC30F, ponte trifásica. 
 
4 
 
 
 
Abstract 
This paper focuses on Brushless DC (BLDC) motor driving. These motors have many 
applications due to the advantages over the conventional DC and induction ones. However, because 
they don’t use commutation brushes, they are interchanged electronically. This paper discusses the 
motor driving employing Hall effect sensors as rotor position feedback, and a pulse width modulation 
(PWM) strategy for speed control. In order to do so, PIC or dsPIC microcontrollers that have 
dedicated modules to motors control are used. The use of microcontroller spreads to the operational 
interfaces, and the adjacent electronics circuits are also studied. 
Keywords: Brushless DC, electronic commutation, PWM control, Hall effect sensors, 
dsPIC30F, triphase bridge. 
 
5 
 
 
 
Lista de Siglas e Abreviaturas 
ADC Analog to Digital Converter 
BLDC Brushless Direct Current 
CC Corrente Contínua 
CI Circuito Integrado 
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor 
CN Change Notification 
DC Direct Current 
DIP Dual In-line Package 
EC Electronic Commutated 
EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory 
GND Ground 
I2C Inter-Integrated Circuit 
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor 
LCD Liquid Crystal Display 
LED Light-Emitting Diode 
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 
PWM Pulse Width Modulated 
RAM Random Access Memory 
SPI Serial Peripheral Interface 
TTL Transistor-Transistor Logic 
USB Universal Serial Bus 
 
 
6 
 
 
 
 
7 
 
 
 
Lista de Figuras 
 
Figura 1 - Diagrama simplificado de um Motor BLDC. ....................................................................... 15 
Figura 2 - Características Torque x Velocidade. ................................................................................... 15 
Figura 3 - Ponte Trifásica. ..................................................................................................................... 17 
Figura 4 - Diagrama de sequência de chaveamento da ponte trifásica. ................................................. 18 
Figura 5 - Sinais nas saídas PWM do microcontrolador ....................................................................... 20 
Figura 6 - Sequência de sensores Hall e enrolamentos energizados ..................................................... 21 
Figura 7 - Placa Protótipo...................................................................................................................... 23 
Figura 8 - Digrama simplificado do projeto. ......................................................................................... 23 
Figura 9 - Fluxograma Funcional - dsPIC30F2020............................................................................... 26 
Figura 10 - Diagrama de blocos para obtenção da FT teórica. .............................................................. 27 
Figura 11 - Resposta ao degrau unitário do modelo teórico. ................................................................. 28 
Figura 12 - Sinais dos sensores Hall. .................................................................................................... 28 
Figura 13 - Comparação das respostas do sistema real e dos modelos teóricos. ................................... 29 
Figura 14 - Tensões de fase ................................................................................................................... 30 
Figura 15 - Tensão de linha com duty cycle em 100% .......................................................................... 31 
Figura 16 - Corrente de Partida ............................................................................................................. 31 
 
8 
 
 
 
 
 
9 
 
 
 
Sumário 
 
1. Introdução .................................................................................................................................... 11 
2. Motor Brushless DC .................................................................................................................... 13 
2.1 Estator .................................................................................................................................. 13 
2.2 Rotor ..................................................................................................................................... 13 
2.3 Sensores Hall ........................................................................................................................ 14 
2.4 Princípios de operação ........................................................................................................ 14 
2.5 Características Torque x Velocidade ................................................................................. 15 
3. Acionamento ................................................................................................................................ 17 
4. Projeto .......................................................................................................................................... 19 
4.1 Motor .................................................................................................................................... 19 
4.2 Comutação Eletrônica e Controle PWM ........................................................................... 19 
4.2.1 Controle PWM ............................................................................................................. 20 
4.2.2 Comutação Eletrônica ................................................................................................. 20 
4.3 Interface de Operação ......................................................................................................... 22 
4.4 Estrutura de Potência ......................................................................................................... 22 
4.5 Placa Protótipo .................................................................................................................... 23 
4.5.1 PIC18F4550.................................................................................................................. 24 
4.5.2 dsPIC30F2020 .............................................................................................................. 24 
4.5.3 Driver de Potência .......................................................................................................25 
4.5.4 Alimentação ................................................................................................................. 25 
4.5.5 Firmware ...................................................................................................................... 25 
5. Ensaios .......................................................................................................................................... 27 
5.1 Função de Transferência .................................................................................................... 27 
5.2 Grandezas elétricas ............................................................................................................. 30 
5.3 Dificuldades e Sugestões para trabalhos futuros .............................................................. 32 
6. Conclusão ..................................................................................................................................... 34 
Bibliografia ........................................................................................................................................... 36 
Apêndice A – Placa Protótipo ............................................................................................................... 38 
 
 
10 
 
 
 
 
11 
 
 
 
1. Introdução 
Os motores do tipo Brushless (sem escovas) DC são utilizados em aplicações de diversas áreas 
como eletrodomésticos, automotiva, aeroespacial, médica, equipamentos de automação industrial e 
instrumentação. Motores BLDC (Brushless DC) têm muitas vantagens sobre os motores de corrente 
contínua (CC) convencionais e motores de indução monofásicos, dentre as quais se pode destacar uma 
razão maior entre torque e tamanho do motor, tornando-o muito útil em aplicações onde espaço e peso 
são fatores críticos [1]. Além disso, apresentam outras vantagens, tais como: 
- Melhores características de Torque x Velocidade 
- Melhor resposta dinâmica 
- Maior eficiência 
- Menor ruído 
- Grandes faixas (range) de velocidade 
Como implícito no nome, os motores BLDC não possuem escovas para comutação, no entanto 
são eletronicamente comutados. O circuito eletrônico necessário para realizar o acionamento deste tipo 
de motor é complexo e caro, mas existem alguns microcontroladores de baixo e médio custo que 
possuem módulos integrados que dão suporte e facilitam muito o projeto para o acionamento e 
controle deste motor. Em diversas famílias de PICs e dsPICs (Microchip), podemos encontrar os 
periféricos PCPWM (Power Control PWM), ou o PSPWM (Power Supply PWM), ou ainda o 
MCPWM (Motor Control PWM), que funcionam de maneira muito semelhante. Cada um destes 
periféricos pode ser encontrado, por exemplo, no microcontrolador PIC18F4431, no dsPIC30F2020, e 
no dsPIC33FJ128MC506 respectivamente. 
O Capítulo 2 deste trabalho apresenta os aspectos construtivos e os princípios de operação de 
um motor BLDC. O Capítulo 3 apresenta o método de acionamento. O Capítulo 4 trata dos aspectos 
concernentes ao projeto do controlador digital. O Capítulo 5 apresenta ensaios realizados com a placa 
protótipo. E por fim o Capítulo 6 conclui este trabalho. 
 
 
 
 
 
 
 
 
12 
 
 
 
 
13 
 
 
 
2. Motor Brushless DC 
Os motores BLDC são um tipo de motor síncrono. Isto significa que o campo magnético 
gerado no estator e o campo do rotor giram a uma mesma frequência, ou seja, não possuem o 
escorregamento visto em motores de indução. Existem motores BLDC de uma, duas ou três fases, 
sendo que o último é o mais comum e largamente usado. O tipo trifásico é também o foco deste 
trabalho. 
2.1 Estator 
O estator do motor BLDC consiste de lâminas de aço sobrepostas, com bobinas colocadas em 
ranhuras axialmente cortadas ao longo da periferia interna, lembrando o estator de um motor de 
indução, no entanto os enrolamentos são distribuídos de maneira diferente. A maioria dos motores 
BLDC possui três enrolamentos no estator, conectados em uma configuração tipo estrela. Cada um 
destes enrolamentos é formado por várias bobinas interconectadas. Uma ou mais bobinas são alocadas 
por ranhura, e são interconectadas para formar um enrolamento. Cada um dos enrolamentos é 
distribuído na periferia do estator para formar um número par de pólos [1]. 
Existem dois tipos de configurações de enrolamento de estator, senoidal e trapezoidal. A 
diferença consiste basicamente na interconexão entre as bobinas dos enrolamentos para haver 
diferentes tipos de força contraeletromotriz (f.c.e.m), de acordo com o nome dado. Além disso, 
juntamente com a f.c.e.m, a corrente de fase também possui a variante trapezoidal ou senoidal de 
acordo com o respectivo tipo de motor [1]. 
2.2 Rotor 
O rotor do motor Brushless DC é feito de imã permanente e pode ter de um a oito pares de 
pólos, alternados Norte e Sul. 
Baseado na intensidade de campo magnético necessária no rotor, para as condições de 
operação requerida, o material magnético apropriado é escolhido. Imãs de ferrita são tradicionalmente 
usados como imãs permanentes, mas com o avanço da tecnologia, imãs permanentes de ligas de terras 
raras ganharam popularidade. Os imãs de ferrita são menos caros, mas os imãs de terras raras têm uma 
maior densidade de fluxo magnético por volume, portanto permitem obter o mesmo torque com um 
rotor de dimensões e peso menores [1]. 
Imãs de Samário-Cobalto (SmCo) e Neomídio-Ferro-Boro (NdFeB) são exemplos de imãs de 
ligas de terras raras. 
 
14 
 
 
 
2.3 Sensores Hall 
Diferentemente dos motores DC com escovas, a comutação de um motor BLDC é controlada 
eletronicamente. Para acionar um motor BLDC, os enrolamentos do estator devem ser energizados de 
acordo com a posição angular do rotor, seguindo uma sequência. A posição do rotor é detectada, de 
modo mais comum, usando-se sensores de efeito Hall localizados no estator. 
A maioria dos motores BLDC possui três sensores Hall. Quando um pólo magnético passa por 
perto dos sensores Hall, eles fornecem um sinal digital alto ou baixo, indicando um norte ou sul 
magnético passando por eles. Baseado na combinação dos sinais dos três sensores a comutação 
conseqüente pode ser determinada [1]. 
2.4 Princípios de operação 
Em cada comutação realizada, uma das três fases é conectada ao terminal positivo da fonte 
(corrente entrando no enrolamento), outra ao terminal negativo (corrente saindo do enrolamento), e a 
terceira fase encontrar-se-á em aberto ou em alta impedância (não circula corrente). Um torque é 
produzido devido à interação entre o campo magnético gerado nas bobinas do estator e o rotor de imã 
permanente. O torque é máximo quando os dois campos estão a 90° um do outro, e cai conforme os 
campos se alinham, até tornar-se nulo. Portanto, para o motor continuar em movimento, o campo 
magnético produzido no estator deve mudar de posição. Os sensores de efeito Hall realimentam o 
sistema de comutação eletrônica, que realiza a energização da bobinas na sequência correta para o 
funcionamento contínuo do motor [1]. 
A cada 60° elétricos de rotação, um dos sensores Hall muda de estado. Logo são necessários 
seis passos para completar um ciclo elétrico. Em sincronia, a cada 60° elétricos a sequência de 
energização das fases deve ser atualizada. No entanto, um ciclo elétrico pode não corresponder a um 
ciclo mecânico (rotação completa do rotor). O número de ciclos elétricos necessários para se 
completar uma rotação mecânica completa é determinado pelo número de pares de pólos do rotor. Para 
cada par de pólos, um ciclo elétrico é realizado, portanto o número de ciclos por rotação é igual ao 
número de pares de pólos [1]. 
É possível determinar o instante de comutação entre as fases do motor monitorando a f.c.e.m 
da fase que se encontra desconectada do barramentode alimentação a cada passo do ciclo. Esta 
estratégia de controle é denominada sensorless, pois não utiliza sensores Hall, embora seja necessário 
“sensorear” a f.e.m no ramo não alimentado. O controle sensorless possui obviamente uma vantagem 
de custo devido à eliminação dos sensores Hall de posição, porém possui várias desvantagens que 
inviabilizam seu uso em muitas aplicações [2]. 
 
 
Figura 1 - Diagrama simplificado de um Motor BLDC
A Figura 1 apresenta o diagrama de um motor BLDC de um par de pólos. A cada passo o rotor 
se desloca 60°. Os enrolamentos
alinhamento com o correspondente campo magnético do estator, e são desativados quando o rotor está 
a 60° do alinhamento ao mesmo tempo em que
[2]. 
2.5 Características Torque x Velocidade
A Figura 2 exemplifica graficamente as características torque/velocidade. 
parâmetros relacionados ao torque usados para 
nominal. Durante o estado de regime permanente, o motor pode ser carregado
nominal, e ele permanecerá constante em uma faixa de velocidade até a velocidade nominal. O motor 
pode operar em velocidades acima da nominal, até aproximadame
uma queda no torque [1]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2 - Características Torque x Velocidade
Diagrama simplificado de um Motor BLDC. Fonte: BROWN, W.
A Figura 1 apresenta o diagrama de um motor BLDC de um par de pólos. A cada passo o rotor 
enrolamentos apropriados do estator são energizados quando o rotor está a 120° do 
alinhamento com o correspondente campo magnético do estator, e são desativados quando o rotor está 
ao mesmo tempo em que o próximo circuito é ativado, e 
Características Torque x Velocidade 
A Figura 2 exemplifica graficamente as características torque/velocidade. 
parâmetros relacionados ao torque usados para definir um motor BLDC, torque de partida e torque 
nominal. Durante o estado de regime permanente, o motor pode ser carregado
, e ele permanecerá constante em uma faixa de velocidade até a velocidade nominal. O motor 
pode operar em velocidades acima da nominal, até aproximadamente 150% do seu valor, mas haverá 
Características Torque x Velocidade. Figura retrabalhada: 
YEDAMALE, P. [1] 
15 
 
 
BROWN, W. [2] 
A Figura 1 apresenta o diagrama de um motor BLDC de um par de pólos. A cada passo o rotor 
são energizados quando o rotor está a 120° do 
alinhamento com o correspondente campo magnético do estator, e são desativados quando o rotor está 
ativado, e o processo se repete 
A Figura 2 exemplifica graficamente as características torque/velocidade. Existem dois 
, torque de partida e torque 
nominal. Durante o estado de regime permanente, o motor pode ser carregado até o valor de torque 
, e ele permanecerá constante em uma faixa de velocidade até a velocidade nominal. O motor 
nte 150% do seu valor, mas haverá 
Figura retrabalhada: 
16 
 
 
 
 
 
Aplicações que exigem frequentes partidas e paradas, ou reversão da rotação com carga no 
motor, demandam mais torque do que o torque nominal. Isto ocorre por um breve período, 
especialmente quando se parte do repouso e durante a aceleração. Durante este período, um torque 
extra é necessário para vencer a inércia da carga e do próprio rotor. O motor pode suprir este torque 
maior até um valor máximo, denominado torque de partida ou torque máximo, como mostrado na 
curva da Figura 2 [1]. 
 
17 
 
 
 
3. Acionamento 
Para se realizar o acionamento do motor, cada fase é ligada a um braço de uma ponte trifásica 
formada por seis chaves controladas, como mostrado na Figura 3. Baseado na tensão de alimentação e 
nível de corrente necessários, estas chaves são escolhidas, podendo ser MOSFETs, IGBTs ou simples 
transistores bipolares. Controlando-se as chaves, pode-se ligar uma fase do motor ao terminal positivo, 
negativo, ou deixá-la desconectada [1]. 
 
Figura 3 - Ponte Trifásica. Fonte: BROWN, W. [2] 
 Como o motor possui uma característica indutiva, faz-se necessário a adição de seis diodos na 
estrutura básica do inversor trifásico apresentado na Figura 3. Os diodos são colocados em antiparalelo 
com cada chave comandada, gerando um interruptor bidirecional em corrente, que permite a 
circulação de corrente durante a abertura das chaves. Esses diodos desempenham o papel de roda-livre 
para a circulação da corrente na carga [3]. 
 O modo de operação desta estrutura será do tipo 120º. Há seis sequências de operação em um 
período da forma de onda da tensão alternada de saída. Em cada passo da sequência, duas chaves 
controladas permanecem em condução, conectando dois dos terminais da carga aos terminais da fonte 
de alimentação CC, enquanto o terceiro permanece flutuando. Por conseguinte, em qualquer instante 
de tempo uma chave controlada do grupo positivo (Ahigh, Bhigh, Chigh) e uma do grupo negativo (Alow, 
Blow, Clow) estão conduzindo. A cada intervalo de 60° uma chave controlada é colocada em condução, 
obedecendo a uma sequência apropriada a fim de gerar um sistema de tensões trifásicas balanceadas 
defasadas de 120°. Verifica-se pelo diagrama de sequência de chaveamento da Figura 4 que a 
possibilidade de curto-circuito neste modo de operação é muito remota, dado o fato que há um 
intervalo relativamente grande de um sexto do período, ou seja, 60° entre a ordem de bloqueio de uma 
chave e a ordem de entrada em condução de outra chave, ambas pertencentes ao mesmo braço inversor 
[3]. 
18 
 
 
 
 
Figura 4 - Diagrama de sequência de chaveamento da ponte trifásica. Figura retrabalhada: 
MARTINS, D. C. [3] 
O controle das chaves semicondutoras pode ser feito por um microcontrolador, que faz a 
leitura dos sensores de posição do rotor e gera sinais para ligar ou desligar as chaves de acordo com a 
sequência de comutação das fases. A velocidade do motor é proporcional à tensão DC, ou tensão 
média de alimentação. Para variar a velocidade, usa-se pulsos com largura modulada (Pulse Width 
Modulated), para acionar as chaves. Assim, a tensão média aplicada ao motor será proporcional a 
tensão do barramento DC e ao duty cycle do PWM. Ou seja, o microcontrolador controla a tensão 
média aplicada ao estator através da porcentagem do duty cycle do PWM, e consequentemente a 
velocidade. Como regra geral, a frequência do PWM deve ser ao menos 10 vezes maior do que a 
maior frequência de rotação do motor [1]. 
Dependendo do tipo de transistor utilizado na ponte, o sinal do microcontrolador não é 
suficiente para acionar a chave diretamente. Neste caso existem várias estratégias para contornar este 
problema. Existem vários circuitos integrados desenvolvidos para esta tarefa, no entanto, para esta 
configuração de inversor trifásico especificamente, é interessante utilizar-se o circuito integrado 
IR2130 ou semelhante. Este CI aceita sinais de entrada com níveis TTL e CMOS e fornece sinais de 
saída com os níveis necessários para ligá-lo às seis chaves da ponte trifásica. Além disso, possui 
proteção de faltas, como sobrecorrente e curto circuito, uma saída de sinalização de falta, e também 
um amplificador de corrente interno, que pode ser usado para gerar um nível de tensão proporcional à 
corrente de armadura para ser lido pelo canal analógico do microcontrolador. O uso de um CI deste 
tipo reduz significativamente o hardware necessário para realizar estas tarefas [4]. 
19 
 
 
 
4. Projeto 
Os itens seguintes deste capítulo tratam dos principais componentes do projeto de um 
controlador para um motor BLDC, que inicialmente foram escolhidos para a construção de uma placa 
protótipo para a realização de estudos e ensaios. Os diagramas esquemáticos da placa são apresentados 
no apêndice A. 
4.1 Motor 
O motor utilizado na realização deste projeto é o Maxon EC22 (266520). Trata-se de um 
motor com um par de pólose três fases conectadas em estrela. Alguns parâmetros elétricos e 
mecânicos encontrados nas especificações técnicas do fabricante são descritos na Tabela 1 a seguir. 
Tabela 1- Parâmetros do motor [5] 
Parâmetros Valor Unidade 
Tensão Nominal 32,0 V 
Corrente Nominal 4,18 A 
Resistência (F-F) 0,363 Ω 
Indutância (F-F) 0,0490 mH 
Torque nominal 28,6 mNm 
Torque de partida 652 mNm 
Velocidade nominal 41100 Rpm 
Máxima eficiência 88 % 
Constante de torque 7,39 mNm/A 
Constante de Inércia 4,63 gcm2 
 
4.2 Comutação Eletrônica e Controle PWM 
No projeto da placa protótipo para estudo, foram utilizados dois microcontroladores 
diferentes. Sendo um para realizar o controle PWM da tensão de alimentação do motor, e o segundo 
para realizar a interface de operação. 
Para realizar a comutação eletrônica e o controle PWM de tensão, foi utilizado o 
microcontrolador dsPIC30F2020. Algumas de suas características principais concernentes ao projeto 
são [6]: 
• Encapsulamento SDIP - 28 pinos 
• 12 KBytes de memória Flash de programa 
20 
 
 
 
• 512 Bytes de memória RAM 
• Módulo Power Supply PWM 
o 4 geradores PWM com 8 saídas 
• SPI/I2C 
• Conversor A/D de 10 bits, 8 entradas. 
 
4.2.1 Controle PWM 
Como citado na seção 3, para que seja possível variar a velocidade de rotação do motor é 
preciso aplicar uma tensão variável aos terminais dos enrolamentos do motor. Em termos digitais, a 
tensão variável pode ser obtida com diferentes duty cycles de um sinal PWM aplicado aos 
enrolamentos do motor BLDC [7]. O dsPIC30F2020 possui oito saídas PWM independentes, ou 
quatro pares no modo complementar. Obviamente, para esta aplicação, são usadas apenas seis destas 
oito saídas. O sinal PWM será aplicado ao grupo positivo de chaves controladas da ponte trifásica, 
enquanto o grupo negativo é conectado ao GND da fonte. A Figura 5 mostra as saídas PWM do 
microcontrolador no decorrer das etapas do ciclo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.2.2 Comutação Eletrônica 
Para detectar o momento em que se deve realizar cada passo da sequência de comutação das 
chaves controladas, os sensores de efeito Hall são conectados às entradas do dsPIC30F2020 que 
detectam uma mudança de estado (Change Notification (CN) inputs). Uma mudança de estado em um 
desses pinos gera uma interrupção. Na rotina de interrupção CN o programa lê o valor de saída dos 
Figura 5 - Sinais nas saídas PWM do microcontrolador 
21 
 
 
 
sensores Hall e gera os sinais de saída PWM a partir da sequência tabelada associada ao valor lido, 
realizando assim a comutação dos enrolamentos do motor BLDC [7]. Além disso, cada entrada CN 
possui um pull-up interno que pode ser habilitado por meio de um dos seus registradores de controle. 
Isto elimina a necessidade de resistores externos para o funcionamento dos sensores Hall, que 
possuem saídas do tipo coletor aberto. 
O diagrama da Figura 6 apresenta os sinais dos sensores Hall e a energização das bobinas em 
cada passo do ciclo para o acionamento do motor no sentido horário. 
 
Figura 6 - Sequência de sensores Hall e enrolamentos energizados. Figura retrabalhada: 
MAXON [8]. 
 
 As informações contidas na Figura 5 e Figura 6 são associadas na Tabela 2 a seguir, 
construída para uma melhor compreensão da sequência de comutação a ser programada no 
microcontrolador. Vale ressaltar que para mudar o sentido de rotação, basta inverter a polaridade da 
alimentação das fases em cada etapa do ciclo apresentado na tabela. 
 
 
22 
 
 
 
 
Tabela 2 - Sequência para rotação do motor em sentido horário [1]. 
Sequência Entradas dos Sensores Hall Saídas PWM ativas Alimentação das Fases 
# A B C H L A B C 
I 1 0 1 PWM1 PWM2 DC+ DC- Off 
II 1 0 0 PWM1 PWM3 DC+ Off DC- 
III 1 1 0 PWM2 PWM3 Off DC+ DC- 
IV 0 1 0 PWM2 PWM1 DC- DC+ Off 
V 0 1 1 PWM3 PWM1 DC- Off DC+ 
VI 0 0 1 PWM3 PWM2 Off DC- DC+ 
 
 Observa-se também que os valores ‘000’ e ‘111’ não são encontrados na Tabela 2 como 
valores válidos para os sensores Hall. Porém, a leitura de um valor não válido nestas entradas poderá 
ser utilizada para indicar a não conexão ou mesmo uma conexão incorreta do motor. 
4.3 Interface de Operação 
Para realizar a interface de operação foi escolhido o microcontrolador PIC18F4550. Algumas 
de suas principais características destacadas tocantes ao projeto são: 
• Encapsulamento PDIP - 40 pinos 
• 32 Kbytes de memória Flash de programa 
• 2048 bytes de memória RAM 
• 256 bytes de memória EEPROM interna 
• I2C/SPI 
• Transceiver USB integrado 
• Interface para Transceiver USB Off-Chip 
 
4.4 Estrutura de Potência 
 
A estrutura de potência empregada é composta basicamente por uma ponte trifásica formada 
por seis MOSFETs IRF540, e um CI gate driver IR2130. Essa construção é suficientemente robusta 
para suportar uma grande gama de motores do tipo Brushless DC, com suas tensões e correntes 
características, tomando como base tensões e correntes nominais de até 50V e 5A respectivamente. 
 
 
 
 
 
 
4.5 Placa Protótipo
 
O projeto da placa protótipo foi especialmen
ensaios com o motor e os microcontroladores citados. Os diagramas esquemáticos e o layout 
apresentados no Apêndice A, e
placa em estudo com seus principais componentes destac
A Figura 8 a seguir apresenta o diagrama simplificado com os blocos principais que compõe o 
corpo do projeto. 
 
 
Figura 
Placa Protótipo 
O projeto da placa protótipo foi especialmente desenvolvido para serem realizados
ensaios com o motor e os microcontroladores citados. Os diagramas esquemáticos e o layout 
, e foram desenvolvidos no software Eagle 5.6. 
placa em estudo com seus principais componentes destacados. 
Figura 7 - Placa Protótipo 
a seguir apresenta o diagrama simplificado com os blocos principais que compõe o 
Figura 8 - Digrama simplificado do projeto. 
23 
 
te desenvolvido para serem realizados estudos e 
ensaios com o motor e os microcontroladores citados. Os diagramas esquemáticos e o layout são 
 A Figura 7 apresenta a 
 
a seguir apresenta o diagrama simplificado com os blocos principais que compõe o 
 
24 
 
 
 
 
4.5.1 PIC18F4550 
O primeiro bloco do diagrama da Figura 8 representa o microcontrolador PIC18F4550. Este 
realiza a leitura das teclas, exibe no display o modo de acionamento (direto, reverso ou parado) e a 
velocidade selecionada, e se comunica com o segundo dsPIC30F2020 utilizando três pinos, dos quais 
dois são multiplexados com o módulo I2C em ambos microcontroladores. Deste modo a comunicação 
pode ser realizada tanto de forma codificada, usando os três pinos apenas como I/O digitais, como 
utilizando o módulo I2C. 
Em resumo, podemos destacar os seguintes itens visados no projeto junto ao PIC18F4550. 
• Quatro push buttons para acionamento do motor no modo direto ou reverso e funções de 
incremento e decremento do set point de velocidade. 
• 1 DIP Switch de 5 vias, que possibilita a realização de eventuais configurações manuais. 
• Conector USB. 
• Conexão disponível para display LCD gráfico ou de caracteres. 
• Pinos do módulo I2C ligados ao dsPIC e a uma EEPROM externa para comunicação de 
dados. 
• Sinal analógico de intensidade de corrente ligado a um canal do módulo ADC. 
• LED de sinalização. 
• Conector para gravação in-circuit. 
 
4.5.2 dsPIC30F2020 
Os itens visados no projeto da placa protótipo relacionados com o dsPIC30F2020 são listados 
abaixo: 
• Conector de entrada dos sinais dos sensores Hall no módulo Change Notification Input. 
• 6 saídas PWM ligadas ao gate driver IR2130. 
• Sinal analógico de intensidade de corrente ligado a um canal do módulo ADC. 
• LED de sinalização. 
• Pinos para comunicação I2C. 
• Conector para gravação in-circuit.25 
 
 
 
4.5.3 Driver de Potência 
O bloco de potência da placa protótipo foi projetado utilizando os seguintes itens: 
• IR2130 
o Circuito adjacente desenvolvido com base no documento AN985 (Application Note 
985) da International Rectifier [4]. 
• 6 MOSFETs IRF540 
 
 
4.5.4 Alimentação 
Os itens previstos para a alimentação de energia da placa protótipo são listados a seguir: 
• Conector de alimentação do motor 
• Conector de alimentação do circuito digital 
o Entrada 12V 
� Regulador de tensão 5V 
• Conector para alimentação dos sensores Hall 
o Saída 5V 
 
4.5.5 Firmware 
O fluxograma funcional do programa implementado no dsPIC30F2020 é apresentado na 
Figura 9. A rotina descrita realiza o acionamento e o controle da velocidade em malha aberta e foi 
desenvolvida em linguagem C utilizando o ambiente de desenvolvimento MPLAB® da Microchip™. 
 
 
 
Figura 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 9 - Fluxograma Funcional - dsPIC30F2020 
 
26 
 
 
27 
 
 
 
5. Ensaios 
5.1 Função de Transferência 
Para se obter a função de transferência do motor, primeiramente fez-se necessário a realização 
de um modelo teórico. Utilizando os parâmetros do motor, encontrados na sua folha de dados, fez-se o 
modelo monofásico baseado em um motor CC convencional, utilizando o software Simulink™. A 
Figura 10 mostra o diagrama da planta em estudo. 
 
Figura 10 - Diagrama de blocos para obtenção da FT teórica. 
 Os parâmetros utilizados no diagrama de blocos são descritos na tabela 3. 
Tabela 3 - Valores dos parâmetros utilizados no modelo teórico. 
Símbolo Valor Descrição 
R 0,363 Resistência (Fase – Fase) [ohm] 
L 0,049e-3 Indutância (Fase – Fase) [H] 
Kt 7,39e-3 Constante de Torque [N.m/A] 
J 4,63e-7 Inércia do Rotor [kg.m2] 
Tmec 3,08e-3 Const. de tempo mecânica [s] 
Kb J/Tmec Coef. de atrito viscoso [N.m.s] 
Ke Kb Const. de f.c.e.m [V.s] 
K 30/pi Conversão [rad/s] para [rpm] 
 
 A função de transferência (Equação 1) que relaciona a tensão de alimentação e a velocidade do 
motor em rpm foi obtida a partir do diagrama da Figura 10 e com o auxílio do Matlab™. A resposta ao 
degrau desta função é mostrada na Figura 11. 
��1 � 3,111e09
� � 7733
 � 2,454e06 �1� 
 
28 
 
 
 
 
Figura 11 - Resposta ao degrau unitário do modelo teórico. 
 Com a finalidade de verificar a validade deste modelo, realizou-se um ensaio com o motor 
conectado à placa protótipo já devidamente programada para realizar a comutação eletrônica, a fim de 
se obter a mesma resposta dinâmica da planta em malha aberta. Utilizou-se um osciloscópio com três 
canais disponíveis e com interface de transferência de dados para possibilitar a análise. Primeiramente, 
foi aplicado um degrau de 6 volts ao sistema e cada canal foi utilizado para monitorar o sinal de saída 
de um sensor Hall, os três sinais foram transferidos para o Matlab e são mostrados na Figura 12. 
 
Figura 12 - Sinais dos sensores Hall. 
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
t(s)
n
(rp
m
)
Resposta ao Degrau
 
 
Modelo Teórico
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-5
0
5
10
t(s)
V(
v
ol
ts
)
Sensor Hall 1
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-5
0
5
10
t(s)
V(
v
ol
ts
)
Sensor Hall 2
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-5
0
5
10
t(s)
V(
v
ol
ts
)
Sensor Hall 3
29 
 
 
 
 Baseado no intervalo de tempo entre cada mudança de estado dos sensores Hall, que 
corresponde a um deslocamento angular de 60° do rotor, é possível calcular a velocidade média neste 
intervalo de tempo. 
� �
�
3 ∆�� �rad/s ou � �
�
3 ∆�� #
30
� �
10
∆� �rpm �2� 
 A Figura 13 apresenta o resultado destes cálculos sobrepostos à resposta ao degrau do modelo 
teórico. Os resultados foram normalizados para uma resposta ao degrau unitário. A precisão das 
medidas e os cálculos efetuados afetam significativamente o erro na observação da velocidade, como 
se observa na Figura 13. Porém, fica evidente que o comportamento dinâmico do sistema medido é 
compatível com o modelo teórico obtido anteriormente, a menos das perdas nos MOSFETs e outras 
perdas suplementares. A resistência do MOSFET quando em condução, encontrada na sua folha de 
dados é de 0,044Ω. Adicionando este valor à resistência considerada inicialmente no modelo, temos 
agora & � 0,363 � 0,044 = 0,407. A resposta do segundo modelo teórico, com esta perda 
considerada, é também mostrada no gráfico da Figura 13, e é possível concluir que este modelo pode 
representar o sistema real com bastante precisão. 
 
Figura 13 - Comparação das respostas do sistema real e dos modelos teóricos. 
 A função de transferência do segundo modelo teórico é: 
��2 � 3,111e09
� � 8631
 � 2,746e06 �3� 
 
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
t(s)
n
(rp
m
)
Resposta ao Degrau
 
 
Ensaio
Modelo Teórico 1
Modelo Teórico 2
30 
 
 
 
 
 A Tabela 4 apresenta as características da resposta deste modelo. 
Tabela 4 - Características da resposta ao degrau unitário do sistema. 
Caraterística Valor 
Tempo de Subida 6,6 ms 
Tempo de Acomodação 11,9 ms 
Sobresinal 0% 
Valor final 1132,8 rpm 
 
5.2 Grandezas elétricas 
Também aplicando uma tensão reduzida de 6 volts aos enrolamentos do estator, com um duty 
cycle de 100%, foi feita a aquisição das formas de onda das tensões nas fases simultaneamente. Como 
mostrado na Figura 14, as tensões possuem forma trapezoidal e são defasadas 120° umas das outras. 
Observa-se também que com o duty cycle em 100% a força contraeletromotriz se destaca da forma de 
onda no momento do chaveamento dos MOSFETs. 
 
Figura 14 - Tensões de fase 
 
 
 
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
-5
0
5
Tensões de Fase
t(s)
V(
v
ol
ts
)
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
-5
0
5
t(s)
V(
v
ol
ts
)
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
-5
0
5
t(s)
V(
v
ol
ts
)
31 
 
 
 
Do mesmo modo, foi medida a tensão entre dois terminais do motor. A forma de onda 
observada é mostrada na Figura 15. 
 
Figura 15 - Tensão de linha com duty cycle em 100% 
 A corrente de partida, mostrada na Figura 16, foi medida sobre um resistor shunt de 0,33Ω. 
Observa-se pelo gráfico gerado que esta corrente atinge um valor de aproximadamente dez vezes o 
valor da corrente em regime permanente. 
 
Figura 16 - Corrente de Partida 
 
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Tensão de Linha
t(s)
V(
v
ol
ts
)
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
-6
-4
-2
0
2
4
6
Corrente de Partida
t(s)
I(A
)
32 
 
 
 
5.3 Dificuldades e Sugestões para trabalhos futuros 
Como mencionado anteriormente, a placa protótipo foi projetada para a realização de estudos 
e ensaios. Os ensaios realizados têm como objetivo, além de verificar os resultados esperados, dar 
condição de visualizar questões antes despercebidas, detectar possíveis falhas de projeto ou pontos a 
serem melhorados, a fim de que o projeto definitivo não tenha estas deficiências e apresente a 
qualidade desejada. Este item apresenta os problemas e dificuldades encontradas na placa protótipo e 
as correções e complementações a serem observadas no projeto definitivo da placa de controle de um 
motorBrushless DC. 
A primeira deficiência detectada refere-se à ausência de isolação entre o circuito onde circula 
a corrente de alimentação do motor e o circuito dos componentes digitais. Na placa protótipo o GND 
das duas fontes de alimentação são separados apenas pelo resistor shunt, e por vezes, quando o motor 
é acionado, a regulação da tensão de 5V fica comprometida, ocorrendo queda de tensão e ocasionando 
o reset dos microcontroladores. Para solucionar este problema, ao invés de derivar a tensão de 5V da 
fonte de 12V, deve-se utilizar uma fonte de 5V exclusivamente para o circuito digital, e derivar os 
12V necessários para alimentar o CI IR2130, da fonte de alimentação do motor. Desta forma, os 
circuitos das duas fontes não terão nenhum ponto em comum, e permanecerão completamente 
isolados. 
Outra dificuldade encontrada foi em relação ao controlador PID projetado para realizar o 
controle em malha fechada da velocidade do motor. Após realizar o cálculo da velocidade, o 
microcontrolador calcula o erro, que é o valor de entrada do controlador PID, que por sua vez, com o 
erro calculado, ajusta o duty cycle e o ciclo se repete enquanto o motor permanece ligado. Neste ciclo, 
para que o duty cycle seja ajustado como se deseja, é preciso conhecer o valor da tensão no barramento 
de alimentação do motor. Nos ensaios realizados, foi utilizada uma fonte de bancada, e a tensão pré-
ajustada se elevava no momento em que o motor era acionado, tendo que ser reajustada com o motor 
em rotação. Porém ao implementar o controlador PID, o sistema torna-se instável antes que se possa 
reajustar a tensão, impossibilitando a verificação do desempenho do controlador. Apesar do controle 
em malha fechada não ter sido devidamente testado, pois não foi possível utilizar outra fonte, este 
problema levantou a questão da robustez do controlador, uma vez que pode ocorrer variação na tensão 
de alimentação. Para solucionar este problema, basta utilizar o conversor A/D do microcontrolador 
para ler o valor da tensão no barramento, tomando o cuidado de reduzi-la a níveis apropriados ao canal 
analógico, e utilizar este valor também como entrada do controlador PID. 
Outro ponto a ser observado, é que no projeto da placa protótipo foi colocado um conector 
USB ligado ao PIC18F4550, com o intuito de estabelecer uma comunicação com o PC tornando 
possível a supervisão de grandezas e variáveis ou a configuração de parâmetros e constantes sem a 
33 
 
 
 
necessidade de reprogramação do microcontrolador. Porém após terem sido programadas todas as 
funções concernentes à interface de operação do motor, não restou espaço na memória RAM 
suficiente para se utilizar as bibliotecas referentes à interface USB, então, por hora, esta idéia foi 
descartada. No entanto, no projeto definitivo, torna-se mais conveniente utilizar o 
dsPIC33FJ128MC506, citado no capítulo introdutório. Este microcontrolador possui memória RAM e 
memória Flash suficientes, e outras características que o tornam uma ótima alternativa para 
desempenhar as funções dos dois microcontroladores empregados na placa protótipo. Desta forma, 
pode-se usar um transceiver USB externo ou mesmo a comunicação serial RS-232 para permitir a 
troca de dados com um PC. Além disso, ao utilizar um único microcontrolador, o custo total de 
produção da placa será, possivelmente, reduzido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
34 
 
 
 
6. Conclusão 
Neste trabalho foram abordados os princípios de funcionamento de um motor Brushless DC, e 
seu método de acionamento utilizando um microcontrolador. Porém, o método aqui utilizado não 
focou demasiadamente em um microcontrolador específico, pois o principal objetivo é sim tê-lo como 
aliado no desenvolvimento do projeto, podendo ele ser dos mais diversos fabricantes, tipos e famílias. 
Com isso, o projeto de uma placa controladora, que a princípio aparenta ser uma tarefa complexa, 
torna-se muito mais simples quando se alia um microcontrolador. 
Contudo, pode-se concluir também que as ferramentas computacionais são de essencial 
importância em todas as fases do desenvolvimento do projeto e na obtenção de resultados. O 
comportamento dinâmico do motor foi analisado e um método de obtenção de sua função de 
transferência foi apresentado. A placa protótipo desenvolvida foi posta à prova nos ensaios realizados, 
foi obtido um bom resultado, e algumas propostas de melhorias no hardware também foram 
apresentadas. 
 
35 
 
 
 
 
36 
 
 
 
Bibliografia 
 
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Fundamentals. Disponível em: <http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00885a.pdf> 
Acesso em: Acesso em: 1 Jul. 2010. 
 
2 BROWN, W.; MICROCHIP Technology Inc. AN857: Brushless DC Motor Control Made Easy. 
Disponível em: < http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00857a.pdf>. Acesso em: 1 Jul. 
2010. 
 
3 MARTINS, D. C.; BARBI, I. Introdução ao estudo dos conversores CC-CA. Florianópolis : Ed. 
dos Autores, 2005. 394p. 
 
4 INTERNATIONAL Rectifier. AN985: Six-Output 600V MGDs Simplify 3-Phase Motor Drives. 
Disponível em: < http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-985.pdf>. Acesso em: 3 Jul. 2010. 
 
5 MAXON Motor. Folha de dados. Disponível em: 
<https://shop.maxonmotor.com/maxon/assets_external/Katalog_neu/eshop/Downloads/Katalog_PDF/
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6 MICROCHIP Technology Inc. Folha de dados - dsPIC30F2020. Disponível em: 
<http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70178C.pdf>. Acesso em: 10 Mar. 2010. 
 
7 D’SOUZA, S.; MICROCHIP Technology Inc. AN957: Sensored BLDC Motor Control Using 
dsPIC30F2010. Disponível em: 
<http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/BLDC%20MC%2000957a.pdf>. Acesso em: 5 
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8 MAXON Motor. Catálogo. Disponível em: 
<https://shop.maxonmotor.ch/maxon/assets_external/Katalog_neu/eshop/Downloads/Katalog_PDF/ma
xon_ec_motor/Technik_kurz_und_buendig_08_026-29_e.pdf> Acesso em: 10 Jun. 2010. 
 
37 
 
 
 
 
 
38 
 
 
 
Apêndice A – Placa Protótipo 
 
39 
 
 
 
 
 
 
40