Controlador para a DW745: partida suave e além!

A DW745 é uma ótima serra circular de bancada. No entanto, tinha algo nela que me incomodava muito, que era a partida do motor: muito brusca. Tão violenta que constatei que alguns discos de corte chegam a se distorcer durante a aceleração inicial (sem falar no surto que ela ocasiona na rede elétrica). Isso fazia o disco arrancar um pedacinho dos meus gabaritos com "zero clearence" (como o gabarito para cortes transversais) na partida, o que me obrigava a partir a serra e só então colocar o gabarito, nada prático nem seguro! Sendo assim dei início a esse projeto.

Já que eu ia precisar fazer algum tipo de controlador eletrônico, resolvi então adicionar mais funcionalidades, já que não iria custar nada. O sistema tem então as seguintes características:

• Partida suave do motor da serra;
• Acionamento automático do coletor de pó quando a serra é ligada (aspirador);
• Acionamento do motor da serra em corrente contínua;
• Acionamento manual do aspirador;
• Medição da tensão, corrente da serra e corrente do aspirador;
• Interface gráfica de monitoramento;
• Proteção de sobrecorrente do motor da serra e do aspirador;

Antes de mais nada gostaria de deixar claro que o material apresentado aqui serve para referência apenas, não necessariamente representa a melhor forma de se resolver o problema, mas foi a que eu encontrei. Se você for reproduzir, a responsabilidade pelo projeto é sua. É um circuito conectado à rede elétrica. Só faça se você souber o que está fazendo e tiver experiência.

Esse projeto não é lá muito importante em uma oficina, eu fiz mais por fazer mesmo, para aproveitar os componentes eletrônicos que tenho guardados (praticamente eu já tinha tudo em casa para esse projeto) e me divertir fazendo. Aprendi muita coisa, desde acionamento de IGBTs até algumas técnicas de marcenaria (rebaixos delicados com a tupia) que usei na caixa, só por isso já vale muito a pena.

Abaixo pode ser vista uma foto da caixa onde está o controlador e na sequencia a caixa onde fica a parte de acionamento.

Caixa com a placa de controle e interface com usuário.

Caixa com os elementos de potência.

Acionamento da serra em corrente contínua

O motor da DW745 é um Motor Universal, aquele motor comum de eletrodomésticos, com escovas. Basicamente um motor universal é um motor de corrente contínua (CC) com enrolamento de campo ligado em série. Com esses motores é possível obter um elevado torque de partida com altas potências e tamanho reduzido, tudo isso ao custo de um rendimento muito baixo (pelo que eu saiba em torno de 50%), ou seja, se considerarmos 50%, isso quer dizer que somente metade da potência elétrica consumida (dada em Watts) é transformada em potência mecânica no eixo (dada em HP ou CV). Sendo o motor da serra do tipo universal, é então possível acioná-la em CC e isso é até vantajoso nos seguintes aspectos, conforme a referência [1]:

• Redução da corrente RMS;
• Grande redução na corrente de pico-a-pico;
• Redução da corrente nas escovas, reduzindo a temperatura das mesmas e aumentando muito sua vida útil;
• Redução do ripple de corrente e de torque, com isso não há o ruído de 120Hz do motor;
• Redução de perdas no cobre e no ferro (núcleo), com isso há uma redução da temperatura de trabalho.

As vantagens são bastante significativas, porém o acionamento é um pouco mais complicado, requerendo um circuito retificador. Há também uma desvantagem: caso o motor trave durante a operação, a impedância do mesmo fica praticamente a resistência dos enrolamentos (não há mais o efeito da reatância indutiva quando o rotor é bloqueado e acionado em CC), isso resulta em um grande aumento da corrente e rápida queima do motor caso essa situação ocorra. Logo é necessária uma proteção elétrica rápida para o motor.

Funcionamento

Explico o funcionamento considerando que você tenha algum conhecimento de eletrônica e acionamentos elétricos. Uma visão geral do sistema pode ser vista abaixo:

O diagrama esquemático está  disponível na seção Downloads abaixo.

Hardware

O sistema é construído em torno de um microcontrolador de arquitetura ARM modelo STM32F103 de 32bits presente em uma placa clone de uma Maple Mini. Esse microcontrolador foi programado com as bibliotecas Arduino em conjunto com as APIs stm32duino. Um display LCD conectado a uma interface SPI e alguns botões fazem a interface com o usuário. Entre os botões encontra-se um encoder rotativo.

O microcontrolador faz a leitura da tensão da rede elétrica por meio de um transformador com três enrolamentos (transformador utilizado em antigos rádio-relógio), sendo que o secundário é utilizado para alimentação e o terciário para medida da tensão. As correntes são medidas através de dois transformadores de corrente de relação 1:1000 sendo a corrente de primário nominal 50A.

Para o acionamento do motor da serra, a tensão da rede CA é retificada para CC via uma ponte retificadora de 50A KBPC5010. A tensão CC é aplicada ao motor da serra sendo que o valor médio da mesma é alterado através de uma modulação PWM. O elemento chaveador é um transistor IGBT FGH60N60. Em paralelo ao motor é empregado um diodo freweeling RHRG75120. O IGBT é acionado através de um driver isolado HCPL3120.

Já o aspirador de pó é acionado através de um relé de estado sólido H12WD4890-10. A corrente consumida pelo mesmo também é medida pelo microcontrolador.

Lógica de funcionamento

O sistema foi desenvolvido de forma a não ser necessária intervenção física na serra para que não seja violada a garantia. Sendo assim, é necessária uma forma de se determinar quando a chave de acionamento da serra é acionada. Isso é feito da seguinte maneira: desde o momento em que o circuito de controle é ligado a saída PWM é ajustada para um duty cycle de aproximadamente 14% (valor obtido através de experimentação), isso faz com que ao ligar a chave da serra, circule uma corrente média baixa, que mal é suficiente para fazer o disco girar, porém é suficientemente alta para ser medida pela CPU. Ao detectar essa corrente, a CPU incrementa gradualmente o duty cycle até atingir 100% quando a serra estará em velocidade nominal. O tempo entre o início até o final dessa energização pode ser configurado pelo usuário através da interface (botão encoder e LCD). O valor mínimo de corrente para detectar o acionamento do motor da serra também é configurável. Na atual configuração para a serra DW745 este valor é de 2 Amperes.

Simultaneamente, quando ocorre a detecção da partida da serra, o sistema aciona o relé de estado sólido para dar a partida no aspirador de pó. Um atraso é incluído, para acionar o aspirador após a partida completa da serra e também ao desligar a serra (o aspirador desliga alguns segundos depois).

Ao desligar a serra, a corrente medida medida cessa (valor zero) e isso significa que a serra foi desligada. Nessa condição o aspirador é desligado e o duty cycle do PMW volta ao valor de 14% aguardando um novo acionamento.

Um botão permite acionar o aspirador de forma independente, para outros usos ou equipamentos na oficina.

A medida da corrente consumida pela serra é feita continuamente em intervalos de 50ms. Caso o valor medido ultrapasse um limiar (que pode ser ajustado pelo usuário), o sistema automaticamente desliga a serra e o aspirador e indica um estado de falha. Isso serve como proteção para o motor da serra caso o disco venha a travar por alguma razão.

Firmware

O firmware que é executado pelo microcontrolador é baseado nas bibliotecas Arduino com APIs para a arquitetura ARM STM32 (stm32duino). Foram empregadas as seguintes bibliotecas:

• Adafruit GFX para os elementos gráficos da interface no LCD;
• Adafruit ST7735, driver para o controlador do display LCD;
• TrueRMS, para medida da corrente e tensão;
• SPI, para comunicação com o LCD;
• EEPROM, para salvar os dados de configuração do usuário na memória não volátil;
• Metro, para gerencias as temporizações durante a execução do firmware.

O código fonte do firmware pode ser baixado na seção Downloads abaixo.

Fotos

Vista interna da caixa com a placa de controle.
Montagem em placa universal. O espaço ficou apertado.

Vista da parte de trás da tampa, com display, leds e botões.

Downloads

Arquivos para download.

Referências

[1]  BOURGEOIS, JM.;  CHARRETON, JM.; RAULT, P. Improved Universal Motor Drive, ST Microelectronic,AN422. Disponível em: em https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/38/51/d6/de/c1/73/43/9b/CD00003829.pdf/files/CD00003829.pdf/jcr:content/translations/en.CD00003829.pdf