Motorredutor CC (motor TT)

O que é

O motorredutor TT é o motor amarelo e azul na parte inferior de quase todo carro robô iniciante. É um pequeno motor CC com escovas fixado a uma caixa de redução plástica, com um eixo de saída em duplo D que se encaixa diretamente em uma roda correspondente. Compre dois, acrescente um chassi e uma rodinha, e você terá um robô que anda e faz curvas—razão pela qual ele é o motor de tração por trás do primeiro robô seguidor de linha ou do primeiro robô que desvia de obstáculos que a maioria constrói.

Sozinho, um motor CC puro gira rápido e fraco demais para mover qualquer coisa. É a caixa de engrenagens que o torna útil: transforma essa rotação rápida e fraca na rotação lenta e forte que uma roda precisa.

Como funciona

Duas coisas acontecem dentro da caixa amarela:

1. O motor converte potência elétrica em rotação. Aplique tensão entre seus dois terminais e ele gira; inverta a polaridade e ele girará no sentido oposto. Mais tensão significa mais velocidade.
2. A caixa de engrenagens reduz essa velocidade. Um trem de engrenagens de aproximadamente 1:48 significa que a roda gira uma vez a cada aproximadamente 48 voltas do motor. Você perde velocidade e ganha torque na mesma proporção, que é a troca desejada—uma roda precisa de força, não de um giro rápido e sem definição. Se essa relação é a adequada para o seu robô, é uma conta que você pode fazer antes de comprar: veja como escolher um motorredutor CC.

Para controlá-lo, você faz duas coisas ao mesmo tempo: define a direção escolhendo qual terminal é positivo (a ponte H faz isso) e define a velocidade com PWM—ligando e desligando a alimentação rapidamente para que o motor veja uma tensão média. Aprenda essa combinação em controle de motores CC com PWM e ponte H.

Quando usar

Use um motor TT para qualquer robô leve com rodas e de baixa velocidade: robôs seguidores de linha, robôs que desviam de obstáculos, robôs de labirinto e uma primeira base de tração diferencial. É barato, tolerante e todos os tutoriais para iniciantes são voltados a ele.

Evolua quando precisar de mais: adicione encoders de roda quando quiser medir distância e velocidade para odometria, ou passe para motorredutores de engrenagem metálica quando o robô ficar pesado ou precisar subir. As Os dentes das engrenagens de plástico quebram sob abuso.

Conexões e armadilhas

• Nunca o conecte diretamente a um pino lógico. A corrente de travamento é de cerca de 1 A. Acione-o por uma L298N ou ponte H semelhante, alimentada pela bateria—não pelo pino de 5 V do Arduino.
• Dois motores não serão iguais. O mesmo PWM raramente produz trajetória perfeitamente reta; ajuste um motor no programa ou feche uma malha de velocidade com encoders.
• Cuidado com a corrente de partida e a contra-EMF. Os motores derrubam a alimentação quando começam e devolvem tensão à alimentação quando param. Mantenha a alimentação dos motores e a da lógica em trilhas separadas com massa comum—veja alimentando um robô.
• Combine a roda ao eixo. O eixo em duplo D só se encaixa corretamente em um furo de roda em duplo D correspondente; um furo redondo fará a roda patinar.

Os quatro números de uma folha de dados de motor

Todo motor CC com escovas é caracterizado por quatro números, e eles não são independentes—toda a curva decorre de dois deles.

O torque de um motor CC com escovas cai linearmente com a velocidade, do torque de travamento em 0 RPM até zero na velocidade sem carga. A corrente faz o mesmo na direção oposta. Isso gera três consequências que vale conhecer:

A potência máxima ocorre na metade da velocidade. Potência é torque × velocidade, e o produto de duas retas tem seu pico no meio. Um motor TT a 6 V produz mais potência por volta de 100 RPM.

A eficiência máxima ocorre aproximadamente em um quarto do torque de travamento, bem acima do pico de potência. Este é o ponto em que você quer projetar o robô para funcionar—não o pico de potência e, certamente, não perto do travamento.

A corrente de travamento é a restrição de projeto, não a corrente de operação. Um motor que consume 150 mA sem problemas puxará 1 A no instante em que uma roda travar contra uma parede, e dois motores travados juntos somam 2 A. Seu driver e sua bateria precisam sobreviver a isso, porque em um robô isso acontece constantemente.

Dimensionando um motor para o seu robô

A conta leva cinco minutos e resolve a maioria das perguntas sobre “meu robô está lento demais” antes que elas aconteçam.

Velocidade. Circunferência da roda × RPM ÷ 60 fornece metros por segundo:

65 mm roda -> circunferência = pi x 0.065 = 0.204 m
200 RPM     -> 200 / 60 = 3.33 rev/s
velocidade  = 0.204 x 3.33 = 0.68 m/s

Isso é a velocidade de caminhada, mais ou menos correta para um seguidor de linha e um pouco rápida para um robô de labirinto que precisa parar em cruzamentos.

Torque. Para acelerar um robô de massa m a uma taxa a, cada uma das n rodas motrizes precisa de:

torque por roda = m x a x r / n

Para um robô de 500 g acelerando a 0.5 m/s² em rodas de 65 mm (r = 0.0325 m) com duas rodas motrizes:

= 0.5 x 0.5 x 0.0325 / 2 = 0.004 N.m = 0.041 kg.cm

Contra um torque de travamento de 0,8 kg·cm, isso deixa uma margem de quase vinte vezes, razão pela qual motores TT funcionam bem em robôs leves e por que quase ninguém precisa fazer essa conta. Faça-a quando o robô ficar pesado ou precisar subir.

Então verifique o piso. O torque do motor é apenas um dos limites; o atrito é o outro. Um robô leve em um piso liso normalmente atinge o limite de aderência com cerca de um quarto do torque de travamento—portanto, a maior parte da capacidade do motor nem chega ao chão. O tutorial de força de empurrão e aderência analisa qual limite você realmente atinge.

Por que seu robô não anda reto

Dois motores TT com o mesmo PWM não andarão em linha reta, e isso surpreende mais as pessoas do que deveria. As causas, aproximadamente em ordem de importância:

A última linha é a que confunde as pessoas, porque só aparece em baixa velocidade. Um robô que segue bem em velocidade máxima, mas desvia muito quando se move devagar, está mostrando dois limiares de atrito estático diferentes, não um erro de direção.

Existem duas soluções reais. O ajuste no programa é um multiplicador por motor que você determina experimentalmente—ande para frente, meça o desvio ao longo de 2 m, ajuste e repita. É rápido e vale apenas para a tensão da bateria e a superfície em que você ajustou. A solução adequada são encoders e uma malha de velocidade, que corrigem continuamente e não se importam com a bateria.

A zona morta e por que ela importa

Abaixo de certo ciclo de trabalho, o motor não gira—é necessário vencer primeiro o atrito estático nas escovas e no trem de engrenagens. Em um motor TT, isso costuma ser 20–35% de ciclo de trabalho, e difere entre dois motores da mesma embalagem.

Meça o seu:

// Ramp up slowly and note where each wheel starts.
for (int duty = 0; duty <= 255; duty += 5) {
  analogWrite(ENA, duty);
  Serial.println(duty);
  delay(500);                 // long enough to see it start
}

Depois compense, para que um comando pequeno produza um movimento pequeno, em vez de nenhum:

const int DEADBAND_A = 65;    // measured, out of 255

int applyDeadband(int speed) {
  if (speed == 0) return 0;
  int sign = (speed > 0) ? 1 : -1;
  return sign * map(abs(speed), 1, 255, DEADBAND_A, 255);
}

Sem isso, o quarto inferior da faixa de controle não faz absolutamente nada—o que faz uma malha PID se comportar de forma muito estranha perto do valor de referência, porque pequenas correções literalmente não têm efeito até que o termo integral acumulado cruze o limiar e o robô dê um solavanco.

Solução de problemas

Motor TT ou outra opção?

A única dica de compra que evita mais retrabalho é: se você acha que talvez queira encoders, compre motores com encoders agora. Adaptar significa desmontar todo o conjunto de tração, e a diferença de preço é de alguns dólares por motor. Quase todo projeto que começa como seguidor de linha e cresce para solucionador de labirinto chega a esse ponto.