Desenvolvimento e análise de um controlador eletrônico de velocidade para motores de corrente contínua cem escovas

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a análise de um protótipo de controlador eletrônico de velocidade (ESC) para motores de corrente contínua sem escovas (BLDC), utilizando o microcontrolador ESP32. A fundamentação teórica aborda a conversão eletromecânica, as constantes KT, KV e Ke, a comutação trapezoidal de seis passos, a modulação por largura de pulso (PWM), a partida sensorless, o controle proporcional-integral (PI) e os principais aspectos de eletrônica de potência e software embarcado aplicáveis ao acionamento. A metodologia seguiu uma abordagem de engenharia de sistemas, envolvendo o dimensionamento de uma ponte inversora trifásica, do barramento DC, dos circuitos de acionamento por gate driver, das proteções de sobrecorrente e subtensão, do sensoriamento de corrente, da reconstrução de neutro virtual e do condicionamento da força contraeletromotriz para futura detecção de cruzamento por zero (ZCD). Também foram desenvolvidos a PCB protótipo e um firmware modular em PlatformIO/FreeRTOS, com camada de abstração de hardware, máquina de estados, comutação seis passos via MCPWM, PWM a 20kHz, malha de controle a 1kHz e interfaces de comando e telemetria. Os resultados incluem validações em LTSpice, análise dos esquemáticos e da PCB, testes estáticos de bancada e avaliação da arquitetura de firmware. As simulações confirmaram os caminhos de corrente, o estado de alta impedância da fase não energizada e a necessidade do banco de capacitores do DC link. Os ensaios estáticos validaram a manipulação do MCPWM, o tempo morto implementado por hardware e as rotinas de proteção. Entretanto, a validação dinâmica integral com motor em rotação foi interrompida após o ensaio a vazio indicar consumo transiente excessivo e disparo da proteção da fonte, compatíveis com falha estrutural no estágio físico de potência. Assim, o objetivo geral foi parcialmente atingido: a base teórica, eletrônica, computacional e de firmware foi consolidada e documentada, enquanto a operação completa do ESC permanece dependente de uma nova iteração do hardware de potência.

This work presents the development and analysis of an electronic speed controller (ESC) prototype for brushless direct current (BLDC) motors using the ESP32 microcontroller. The theoretical foundation covers electromechanical energy conversion, the KT, KV, and Ke constants, trapezoidal six-step commutation, pulse-width modulation (PWM), sensorless startup, proportional-integral (PI) control, and the main power electronics and embedded software aspects involved in the drive. The methodology followed a systems engineering approach, including the design of a three-phase inverter, the DC bus, gate-driver circuits, overcurrent and undervoltage protections, current sensing, virtual-neutral reconstruction, and back-electromotive force signal conditioning for future zero-crossing detection (ZCD). A prototype PCB and a modular PlatformIO/FreeRTOS firmware were also developed, with a hardware abstraction layer, finite-state machine, MCPWM-based six-step commutation, 20kHz PWM, a 1kHz control loop, and command and telemetry interfaces. The results include LTSpice validations, schematic and PCB analysis, static bench tests, and firmware architecture evaluation. The simulations confirmed the current paths, the high-impedance state of the non-energized phase, and the need for the DC-link capacitor bank. The static tests validated MCPWM handling, hardware dead-time insertion, and protection routines. However, full dynamic validation with the motor rotating was interrupted after the no-load test indicated excessive transient current consumption and power-supply protection triggering, consistent with a structural fault in the physical power stage. Therefore, the main objective was partially achieved: the theoretical, electronic, computational,and firmware foundation was consolidated and documented, while complete ESC operation remains dependent on a new iteration of the power hardware.