ESC: Características e Funcionamento

Apresentação

Já se perguntou como os motores dos drones, aeromodelos e até mesmo alguns carrinhos de controle remoto são acionados? O componente responsável por essa função é o ESC e vamos falar sobre suas características, aplicações, funcionamento e muito mais. Veja só:

Primeiramente, o que é?

O ESC (Eletronic Speed Controller), como o próprio nome já diz, é um controlador eletrônico de velocidade. Tem como função variar a rotação de um motor elétrico DC, seja através da variação de corrente (motores brushed) ou do controle de acionamento das bobinas (motor brushless) – detalharemos sobre as diferenças logo abaixo, mas não pense que essa é a única função de um ESC! A grande maioria deles também alimentam o receptor do sistema de rádio e os servos com 5V através de um sistema chamado BEC, que vamos detalhar ao longo do post.

Tipos de ESC e Funcionamento

Existem basicamente dois tipos de ESC: os ESCs brushed e os ESCs brushless, mas para explicá-los de maneira melhor, precisamos entender a diferença entre os motores que cada um controla:

Motores Brushed

São os motores DC mais conhecidos por todos. Seu funcionamento é simples e consiste, como representado abaixo, em dois contatos chamados escovas, que podem ser de carvão ou grafite e são conectados direto à fonte de alimentação. São eles quem acionam as bobinas no tempo certo para que o campo eletromagnético ali gerado interaja com o campo magnético dos imãs fixos em sua carcaça, fazendo assim com que o motor gire.

Funcionamento de um motor com escovas (Brushed)

ESC Brushed

Um ESC para motor brushed nada mais é que uma ponte H que não controla apenas o sentido de rotação do motor, mas também sua velocidade. Esse controle é feito via Modulação por Largura de Pulso (PWM) e as diferentes velocidades são atingidas através da variação da corrente. Esse tipo de ESC possui apenas dois terminais em sua saída para o motor e, apesar de pouco utilizado nos dias de hoje, é possível encontra-los principalmente em automodelos de entrada, graças ao seu baixo custo e eficiência satisfatória para sua finalidade.

ESC Brushed usado em automodelos

Motores Brushless

A grosso modo, são motores com um funcionamento muito parecido com os famosos motores de indução trifásicos, principalmente por possuírem enrolamentos que resultam em 3 terminais de alimentação. Sua principal vantagem está na eficiência: esses motores tem um melhor aproveitamento energético, logo são capazes de converter mais energia elétrica em energia mecânica que os motores escovados. Para que seja possível acionar um motor brushless, é obrigatório o uso de um controlador eletrônico, pois é ele quem faz o correto chaveamento das bobinas e é sobre ele que vamos falar agora.

ESC Brushless

Chegamos ao foco principal desse post: apresentar o funcionamento e as aplicações desse modelo de ESC que será utilizado em projetos futuros. O funcionamento de um ESC brushless é muito mais complexo que um brushed. Tudo é controlado por um microcontrolador que possui uma sequência binária pré-definida em seu firmware para o acionamento do circuito de MOSFETs que irão energizar as bobinas na devida sequência. O controle da velocidade é feito através de um sinal PWM recebido e interpretado pelo microcontrolador, que converte em uma frequência diferente de chaveamento, ou seja, quanto maior o valor recebido, mais rapidamente os MOSFETs serão acionados, aumentando a velocidade de rotação do motor.. Veja no modelo abaixo como acontece o acionamento das bobinas de acordo com a lógica binária que o ESC carrega:

Créditos: elabz.com

Mas e o BEC, o que é?

O BEC (Battery Eliminator Circuit), como o próprio nome diz, é um circuito que dispensa o uso de uma fonte externa que seria destinada à alimentação dos circuitos de controle, como o receptor do rádio controle, servos, etc. Sua saída gira em torno dos 5V está presente nas duas configurações de ESC apresentadas e a suas características definem o tipo de ESC, veja abaixo: ESC com BEC: são ESCs que utilizam um BEC simples, de até 2A, onde a obtenção dos 5V de saída se dá de forma linear, desviando parte da tensão que entra no motor e reduzindo através de reguladores de tensão, normalmente os conhecidos 7805. São amplamente utilizados em aeromodelos, automodelos e nautimodelos elétricos. ESC com SBEC (Switching BEC): sua função e aplicações são idênticas à anterior, porém são ESCs com BEC acima de 3A e demandam um circuito mais robusto para o fornecimento de tal corrente, como MOSFETs e indutores. OPTO ESC: São ESCs que não possuem o BEC em seu circuito. Apresentam tamanho reduzido e são muito utilizados em drones profissionais por não haver a necessidade de fornecimento dos 5V para o receptor, já que isso é feito por outros circuitos presentes na aeronave.

OPTO ESC 4x1 acima e módulo único abaixo, ambos de 20A

Dimensionamento

O dimensionamento é feito tomando por base os parâmetros de corrente nominal do motor. Não é recomendado um ESC com corrente muito próxima ou igual à exigida para que não haja desgaste ou até mesmo a queima do componente. Utilize sempre um valor nominal de corrente cerca de 20% maior que o consumido pelo motor, para que não haja problemas.

Acionando um Motor Brushless

Para finalizar, vamos te ensinar a acionar um motor brushless de forma fácil e rápida usando um Arduino. Vamos precisar de: Materiais necessários para o projeto de exemplo

• 1x Uno R3 + Cabo Usb para Arduino
• 1x Protoboard 400 Pontos
• 1x Potenciômetro Linear 1KΩ
• 1x Jumpers - Macho/Macho - 20 Unidades de 20cm
• 1x ESC 30A com BEC
• 1x Motor brushless compatível com o ESC - Usamos um EMAX XA2212/820
• 1x Bateria ou fonte dimensionada de acordo com a corrente e tensão do motor - Usamos uma bateria LiPo 3S 2200mAh

A imagem abaixo trás o esquema de ligação. Utilizamos a saída de 5V fornecida pelo BEC para alimentar o arduino apenas para ilustrar seu funcionamento, não sendo necessário utilizar o fio vermelho caso prefira usar sua conexão USB.

Créditos: howtomechatronics.com

O Código

O código desse projeto é extremamente simples. Veja só:

//código exemplo para o acionamento de motor brushless
#include <Servo.h> //inclui a biblioteca Servo

Servo ESC; //cria o objeto ESC
int pot = A5; //informa ao arduino onde o potenciômetro está conectado

void setup(){
  ESC.attach(6); //informa que o ESC está conectado ao pino digital 6
}
void loop(){
 int valor = analogRead(pot); //faz a leitura do potenciômetro
 valor = map(valor, 0, 1023, 0, 179); //associa o valor lido à velocidade do motor 
 ESC.write(valor); //envia os valores recebidos ao ESC
}

O funcionamento do código é bem simples: ao carregar a biblioteca Servo.h, criamos o objeto ESC e definimos através dele o pino de sinal do ESC. O potenciômetro conectado ao pino A5 informa um valor analógico que é convertido pela função map() em valores de ângulos para serem usados pela biblioteca. Como não estamos utilizando um servo motor, esses valores são enviados e interpretados pelo ESC como níveis de velocidade (enquanto que no servo são interpretados como valores de posição) e este, por sua vez aumenta ou diminui a velocidade do motor. Fácil demais, não é? Agora basta carregar em seu Arduino, verificar as ligações e pronto, você acionou um motor brushless!!!

Conclusão

Hoje vimos um pouco sobre o funcionamento e as características desses motores e ESCs amplamente utilizados em drones e no meio modelista, seja no automodelismo, aeromodelismo ou helimodelismo. Esperamos que você tenha entendido como funcionam e consigam desenvolver aplicações com base no que foi apresentado aqui. Tem algum equipamento que utiliza essa configuração? Poste nas redes sociais e nos marque no Instagram: @eletrogate

Referências:

https://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/arduino-brushless-motor-control-tutorial-esc-bldc/ https://elabz.com/brushless-dc-motor-with-arduino/ Tenha a Metodologia Eletrogate na sua Escola! Conheça nosso Programa de Robótica Educacional.

Sobre o Autor

Samuel Martins @samuel.martins192 Cursando Eletroeletrônica no SENAI CETEL. Fanático por eletrônica, automação, impressão 3D e afins, dedico meu tempo livre a pesquisas e projetos ligados às principais áreas de interesse, pratico aeromodelismo e sou curioso por astrofotografia.