Motor de Passo

Motor de Passo

(Parte 1 de 2)

Universidade Federal Fluminense

Centro Tecnologico

Escola de Engenharia Curso de Engenharia de Telecomunicacoes

Programa de Educacao Tutorial Grupo PET-Tele

Motor de Passo

Autor atual: Felipe Goncalves Brites Vinicius Puga de Almeida Santos

Capıtulo 1 O que e o motor de passo?

1.1 Breve apresentacao

Os Motores de Passo sao dispositivos eletro-mecanicos que convertem pulsos eletricos em movimentos mecanicos que geram variacoes angulares discretas. O rotor ou eixo de um motor de passo e rotacionado em pequenos incrementos angulares, denominados“passos”, quando pulsos eletricos sao aplicados em uma determinada sequencia nos terminais deste. A rotacao de tais motores e diretamente relacionada aos impulsos eletricos que sao recebi- dos, bem como a sequencia a qual tais pulsos sao aplicados reflete diretamente na direcao a qual o motor gira. A velocidade que o rotor gira e dada pela frequencia de pulsos re- cebidos e o tamanho do angulo rotacionado e diretamente relacionado com o numero de pulsos aplicados.

1.2 Onde ele e empregado

Um motor de passo pode ser uma boa escolha sempre que movimentos precisos sao necessarios. Eles podem ser usados em aplicacoes onde e necessario controlar varios fatores tais como: angulo de rotacao, velocidade, posicao e sincronismo. O ponto forte de um motor de passo nao e a sua forca (torque), tampouco sua capacidade de desenvolver altas velocidades - ao contrario da maioria dos outros motores eletricos - mas sim a possibilidade de controlar seus movimentos de forma precisa. Por conta disso este e amplamente usado em impressoras, scanners, robos, cameras de vıdeo, brinquedos, automacao industrial entre outros dispositivos eletronicos que requerem de precisao.

Capıtulo 1. O que e o motor de passo? 1.2. Onde ele e empregado Universidade Federal Fluminense 4 PETTele))

Capıtulo 2 Como funciona?

2.1 Motor de passo: Princıpios Basicos

2.1.1 Um exemplo de funcionamento: Motor de quatro passos

O funcionamento basico do motor de passo e dado pelo uso de solenoides alinhados dois a dois que quando energizados atraem o rotor fazendo-o se alinhar com o eixo determinado pelos solenoides, causando assim uma pequena variacao de angulo que e chamada de passo. A velocidade e o sentido de movimento sao determinados pela forma como cada solenoide e ativado (sua ordem e a velocidade entre cada ativacao).

O numero de passos e dado pelo numero de alinhamentos possıveis entre o rotor e as bobinas. Ou seja, para aumentar o numero de passos de um motor usa-se um maior numero de bobinas, maior numero de polos no rotor (para isso usa-se uma roda dentada).

2.1.3 Passos completos e meio-passos (full-step e half-step)

A energizacao de uma e somente uma bobina de cada vez produz um pequeno deslocamento no rotor. Este deslocamento ocorre simplesmente pelo fato de o rotor ser magneticamente ativo e a energizacao das bobinas criar um campo magnetico intenso que atua no sentido de se alinhar com os dentes do rotor. Assim, polarizando de forma adequada as bobinas, podemos movimentar o rotor entre as bobinas (meio passo ou “half-step”) ou alinhadas com as mesmas (passo completo ou“full-step”). Abaixo seguem os movimentos executados.

Capıtulo 2. Como funciona? 2.2. Tipos que existem: (a) Motor Unipolar de passo inteiro (b) Motor Bipolar de passo inteiro

(c) Motor unipolar de meio passo (d) Motor Bipolar de meio passo

2.2 Tipos que existem:

• Relutancia Variavel

Este tipo de motor consiste de um rotor de ferro, com multiplos dentes e um estator com enrolamentos. Quando os enrolamentos do estator sao energizados com corrente DC os polos ficam magnetizados. A rotacao ocorre quando os dentes do estator sao atraıdos para os polos do estator energizado, devido a forca que aparece, para que o sistema tenha o circuito com menor relutancia.

Figura 2.1: Motor de relutancia variavel Universidade Federal Fluminense 6 PETTele))

Capıtulo 2. Como funciona? 2.2. Tipos que existem:

• Ima Permanente

Motores de ıma permanente tem baixo custo e baixa resolucao, com passos tıpicos de 7,5o a 15o (48 - 24 passos/revolucao). O rotor e construıdo com ımas permanentes e nao possui dentes. Os polos magnetizados do rotor provem uma maior intensidade de fluxo magnetico e por isto o motor de ıma permanente exibe uma melhor caracterıstica de torque, quando comparado ao de relutancia variavel.

Figura 2.2: Motor de ıma permanente

O motor de passo hıbrido e mais caro do que o de ıma permanente, mas provem melhor desempenho com respeito a resolucao de passo, torque e velocidade. Angulos de passo tıpico de motores hıbridos estao entre 3,6o a 0,9o ( 100-400 passos por volta). O motor hıbrido combina as melhores caracterısticas dos motores de ıma permanente e motor de relutancia variavel. O rotor e multi-dentado como no motor de relutancia variavel e contem umıma permanente ao redor do seu eixo. Os dentes do rotor provem um melhor caminho que ajuda a guiar o fluxo magnetico para locais preferidos no GAP de ar.

Figura 2.3: Motor Hıbrido

2.2.2 Quanto a sua forma de operacao

• Motores Unipolares

Um motor de passo unipolar tem dois enrolamentos por fase, um para cada sentido da corrente. Desde que neste arranjo um polo magnetico possa ser invertido sem comutar o sentido da corrente, o circuito da comutacao pode ser feito de forma muito simples (por exemplo um unico transistor) para cada enrolamento. Tipicamente,

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Capıtulo 2. Como funciona? 2.2. Tipos que existem:

dado uma fase, um terminal de cada enrolamento e feito como terra : dando tres ligacoes por fase e seis ligacoes para um motor bifasico tıpico. Frequentemente, estas terras comuns bifasicas sao juntadas internamente, assim o motor tem somente cinco ligacoes. A resistencia entre o fio comum e o fio de excitacao da bobina e sempre metade do que entre os fios de excitacao da bobina. Isto e, devido ao fato de que ha realmente duas vezes o comprimento da bobina entre as extremidades e somente meio comprimento do centro (o fio comum) a extremidade. Os motores de passo unipolares com seis ou oito fios podem ser conduzidos usando excitadores bipolares deixando as terras comuns da fase desconectadas, e conduzindo os dois enrolamentos de cada fase junto. E igualmente possıvel usar um excitador bipolar para conduzir somente um enrolamento de cada fase, deixando a metade dos enrolamentos nao utilizada.

Figura 2.4: Motor Unipolar

• Motores Bipolares

Os motores bipolares tem um unico enrolamento por fase. A corrente em um enrolamento precisa ser invertida a fim de inverter um polo magnetico, assim o circuito de conducao e um pouco mais complicado, usando um arranjo de ponte H. Ha duas ligacoes por fase, nenhuma esta em comum. Os efeitos de estatica da friccao que usam uma ponte sao observadas em determinadas topologias de movimentacao. Como os enrolamentos sao melhor utilizados, sao mais poderosos do que um motor unipolar do mesmo peso.

Figura 2.5: Motor Bipolar

• Ponte H

Ponte H e um circuito eletronico que permite que um motor rode tanto para um sentido quanto para o outro. Estes circuitos sao geralmente utilizados em robotica e estao disponıveis em circuitos prontos ou podem ser construıdos por componentes. O nome ponte H e dado pela forma que assume o circuito quando montado. O ciruito e construıdo com quatro “chaves” ( S1-S4 ) que sao acionadas de forma alternada

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Capıtulo 2. Como funciona? 2.2. Tipos que existem:

( S1 e S4 ou S2 e S3). Para cada configuracao das chaves o motor gira em um sentido. As chaves S1 e S2 assim como as chaves S3 e S4 nao podem ser ligadas ao mesmo tempo pois podem gerar um curto circuito. Para construcao da ponte H pode ser utilizado qualquer tipo de componente que simule uma chave liga-desliga como transistores, reles, mosfets. Para que o circuito fique protegido, e aconselhavel que sejam configuradas portas logicas com componentes 7408 e 7406 a fim de que nunca ocorram as situacoes de curto circuito descritas acima. Outro melhoramento que pode ser feito a ponte , seria a colocacao de diodos entre as“chaves”, pois quando a corrente nao tem onde circular, no caso de o motor parar, ela volta para a fonte de alimentacao economizando assim o gasto de energia de uma bateria por exemplo.

Figura 2.6: Exemplo de uma Ponte H

• Como identificar o numero de fios (terminais)

Motor Ligacao 4 Fios Bipolar 5 Fios Unipolar 6 Fios Unipolar/Bipolar(serie) 7 Fios Unipolar/Bipolar(serie/paralelo)

2.2.3 Breve descricao de como e feito seu controle

A forma com que o motor ira operar dependera bastante do que se deseja controlar. Ha casos em que o torque e mais importante, outros a precisao ou a velocidade. Essas sao caracterısticas gerais dos motores de passos. Ao trabalhar com motores de passos, precisamos saber algumas caracterısticas de funcionamento como a tensao de alimentacao, a maxima corrente eletrica suportada nas bobinas, o grau de precisao. As caracterısticas mais importantes que devemos ter atencao para controlar um motor de passo sao a tensao de alimentacao e a corrente eletrica que suas bobinas suportam.

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Capıtulo 2. Como funciona? 2.2. Tipos que existem:

Sequencias corretas para se controlar um motor de passo:

• Passo completo 1 (Full Step) No do passo B3 B2 B1 B0 Decimal

• Passo Completo 2 (Full Step) No do passo B3 B2 B1 B0 Decimal

• Meio Passo (Half Step) No do passo B3 B2 B1 B0 Decimal

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Capıtulo 3 Apresentacao mais especıfica

Segue uma apresentacao mais especıfica das caracterısticas de motores de passo.

3.1 Pontos fortes

Os motores de passo possuem como vantagem em relacao aos outros tipos de motores disponıveis os seguintes pontos:

• Seguem uma logica digital:

Diz-se que o motor de passo segue uma logica digital, pois seu acionamento e feito atraves de pulsos eletricos que ativam sequencialmente suas bobinas, fazendo o rotor se alinhar com as mesmas e assim provocando um deslocamento do mesmo.

• Alta precisao em seu posicionamento:

O posicionamento do motor de passo e preciso uma vez que o rotor sempre se movimentara em angulos bem determinados, chamados “passos” cujo erro de posicionamento e pequeno e nao-cumulativo (em geral 5% ).

• Precisao no torque aplicado:

As variacoes no torque aplicado por um motor de passo sao pequenas, tendo em vista seu funcionamento.

• Excelente resposta a aceleracao e desaceleracao:

O movimento que um motor de passo produz e resultado das ativacoes em sequencia de suas bobinas. A resposta para tais solicitacoes de aceleracao e desaceleracao e rapida pois o rotor se alinha rapidamente com a(s) bobina(s) que se encontra(m) energizada(s).

Capıtulo 3. Apresentacao mais especıfica 3.2. Pontos fracos

3.2 Pontos fracos

Em relacao com outros tipos de motores podemos destacar os seguintes fatos como desvantagens no uso de motores de passo:

• Baixo desempenho em altas velocidades:

O aumento de rotacoes no motor de passo (sua aceleracao) e gerado pela variacao no tempo entre o acionamento de uma bobina e a seguinte. Entretanto e necessario um rapido chaveamento de um solenoide energizado para outro de forma que tal velocidade seja mantida, o que muitas vezes e complexo e pouco eficiente.

• Requer certo grau de complexidade para ser operado:

Pelo fato de usar uma logica digital nao basta apenas ligar o motor de passo a uma fonte de energia que o mesmo comecara a girar sem parar. Sua complexidade reside no fato de ser necessario um aparato para controla-lo ativando sequencialmente seus solenoides. O “custo computacional” e a complexidade do dispositivo de controle cresce a medida que o numero de passos aumenta, uma vez que mais passos requerem um maior o numero de terminais(fios) a serem ativados e controlados.

• Ocorrencia de ressonancia por controle inadequado:

Como todos os objetos que existem, o motor de passo tambem tem uma frequencia de ressonancia. Caso as revolucoes do mesmo se deem nesta frequencia, este pode comecar a oscilar, aquecer e perder passos. Este problema pode ser contornado mudando-se o modo de operacao do motor: utilizando-se meio-passo ou o passocompleto (“full-step”) com as bobinas energizadas duas a duas.

3.3 Pequena tabela de comparacao com outros tipos de motores

Motor de Corrente Continua Motor de Passo Servo-Motor

Velocidade 1 Alta Baixa Media Torque 2 Zero/Alto Alto/Medio Baixo/Alto Facilidade de controle 3 Facil Media Complexo Precisao 4 Nenhuma Alta Muito Alta

Durabilidade 5 Media Otima Media

Requer Manutencao? 6 Sim Nao Sim

1- Motores de Passo perdem passos em altas velocidades, ja Servos Motores conseguem altas rotacoes por usarem para movimentar-se da mesma forma que os Motores de Corrente contınua.

2- Motores de Corrente contınua e Servo-Motores nao conseguem se manter em uma posicao fixa estando ligados, apenas o Motor de

Passo tem esta caracterıstica.Entretanto e possivel usar Servo-motores para tal fim, entretanto e necessario fazer com que este ”corrija”sua posicao na tentativa de manter-se parado o que e pouco pratico uma vez que seu torque a baixas velocidades e pequeno.

3- Motores de Corrente contınua apenas precisam ser ligados para comecar a funcionar, motores de passo requerem pulsos em determinada ordem para se movimentar, o que requer um ”driver”para o mesmo. Servo motores no entanto requerem um hardware mais complexo que analise os dados como posicionamento e velocidade e envie as instrucoes de forma que o motor ”mova”para a posicao requisitada.

4- Motores de Corrente Contınua nao possuem nenhum controle de posicionamento; os Motores de Passo podem ser controlados de forma a fazer movimentos discretos (passos); Servo-Motores podem fazer movimentos mais suaves que Motores de Passo (possuem maior resolucao), bem como e possivel fazer um controle de posicionamento com o mesmo.

5- Motores de passo sao extremamente duraveis uma vez que nao usa escovas ao contrario de Motores de Corrente Contınua ou Servo-

Motores (que e um Motor de Corrente Contınua com controle de posicionamento). Este ultimo ainda pode ter problemas com o aparato otico que faz o controle do posicionamento (encoder).

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Capıtulo 3. Apresentacao mais especıfica 3.4. Exemplos de aplicacao

3.4 Exemplos de aplicacao A seguir uma breve apresentacao de aplicacoes recomendada e nao recomendada.

• Aplicacao Recomendada O motor de passo e recomendado no uso em equipamentos que exigem um posicionamento preciso de erro pequeno e nao cumulativo. Podemos citar tais exemplos como scanners, impressoras, bem como certos dispositivos roboticos que nao requerem “retorno” do posicionamento.

Tambem podemos citar exemplos que requerem rapida aceleracao e desaceleracao, mais uma vez inferindo aos motores de impressoras e dispositivos roboticos que efetuam movimentos rapidos e precisos, tais quais um motor de passo pode oferecer.

• Aplicacao Nao-Recomendada O motor de passo nao e recomendado em casos em que o dispositivo trabalhe em altas velocidades uma vez que devido a inercia do rotor as bobinas podem nao ser capazes de atrair o mesmo para uma determinada posicao fazendo com o que o motor “perca passos”.

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