(Parte 2 de 3)

Didaticamente falando, o sistema de controle se baseia em um circuito oscilador onde seria gerado um sinal cuja freqüência estaria diretamente relacionado com a velocidade de rotação do motor de passo. Esta freqüência seria facilmente alterada (seja por atuação em componentes passivos seja por meio eletrônico) dentro de um determinado valor assim, o motor apresentaria uma rotação mínima e uma máxima. A função "Freio" se daria simplesmente pela inibição do sinal gerado pelo oscilador.

O próximo passo seria providenciar um circuito amplificador de saída, pois algumas aplicações exigem uma demanda de corrente relativamente elevada. Caberia ao circuito amplificador de saída fornecer estas correntes de forma segura, econômica e rápida. O circuito amplificador de saída seria constituído de transistores e/ou dispositivos de potência que drenam corrente em torno de 500 mA ou mais. Motores de passo geralmente suportam correntes acima de 1,5 Ampère. O amplificador de saída é o dispositivo mais solicitado em um projeto de controle de motor de passo. Devido às variações de trabalho a que pode ser submetido o motor de passo, um amplificador mal projetado pode limitar muito o conjunto como um todo. Um exemplo destas limitações pode ser facilmente entendido. Um motor de passo girando a altas rotações, repentinamente é solicitado a inverter sua rotação (como ocorre em máquinas CNC e cabeçotes de impressão). No momento da inversão as correntes envolvidas são muito altas e o circuito amplificador deve suportar tais drenagens de corrente.

O torque do motor de passo depende da freqüência aplicada à alimentação. Quanto maior a freqüência, menor o torque, porque o rotor tem menos tempo para mover-se de um ângulo para outro.

A faixa de partida deste motor é aquela na qual a posição da carga segue os pulsos sem perder passos, a faixa de giro é aquela na qual a velocidade da carga também segue a freqüência dos pulsos, mas com uma diferença: não pode partir, parar ou inverter, independente do comando.

4 - CIRCUITOS INTEGRADOS ( CI )

Nesta etapa falaremos um pouco sobre os circuitos que foram utilizados para a temporização do sistema e para o controle e acionamento do motor de passo.

O circuito integrado 555

O 555 é um circuito integrado composto de um Flip-Flop do tipo RS, dois comparadores simples e um transistor de descarga. Projetado para aplicações gerais de temporização, este integrado é de fácil aquisição no mercado especializado de Eletrônica.

Ele é tão versátil e possui tantas aplicações que se tornou um padrão industrial, podendo trabalhar em dois modos de operação: monoastável (possui um estado estável, ou seja, os tempos de saída em alta e em baixa são iguais) e astável (não possui estado estável, ou seja, os tempos de saída em alta e em baixa podem ser diferentes dependendo dos valores do resistor R1 e R2). Sua tensão de alimentação situa-se entre cinco e 18v, o que o torna compatível com a família TTL de circuitos integrados e ideais para aplicações em circuitos alimentados por baterias. A saída deste C.I. pode fornecer ou drenar correntes de até 200mA ou 0,2A, podendo assim comandar diretamente relés, lâmpadas e outros tipos de carga relativamente grandes. Neste caso, a aplicação deste circuito integrado será como um temporizador, que vai regular o a freqüência de acionamento do motor de passo. Para que o 555 tenha uma função de temporizador, se faz necessário a utilização de alguns componentes básicos como capacitor, que tem a função de regular o período do sinal do sinal de saída e 2 resistores para ajustar os tempos de saída em alta e saída em baixa. Conforme mostrado a seguir.

  • Operação Monoastável

  • Operação Astável

Neste tipo de operação, são colocados os resistores Rt1 e Rt2 em série no lugar do Rt na operação monoastável.Como ponto de partida, vamos supor que inicialmente o flip-flop está rebitado (Q em nível baixo e /Q em nível alto). Assim sendo, o transistor está cortado e Ct está se carregando através da resistência (R1 + Rt2). Ct se carrega até que excede a tensão de controle (2/3Vcc), fazendo com que a tensão na entrada não-inversora (pino 6) do comparador 1 seja maior que a tensão na sua entrada inversora, isso faz com que sua saída vá a nível alto, ceando o flip-flop.Com nível alto em Q, o transistor de descarga entra em saturação fazendo com que Ct se descarregue por Rt2. A tensão em Ct diminui até que fique menor que a tensão da entrada não inversora do comparador 2 (1/3Vcc). A saída do comparador 2 vai a nível alto, resetando o flip-flop e voltando ao ponto de partida. Esta operação astável se repete indefinidamente.

A tensão em Ct varia entre 1/3Vcc e 2/3Vcc, embora possa ser alterada, externamente, atuando-se sobre a tensão de controle (pino 5).

A figura abaixo mostra ciclo de um oscilador astável

A duração do período alto ou tempo de carga é dada por:

T1= 0,7 * (Rt1+Rt2) * Ct

E a duração do período baixo ou tempo de descarga é dada por:

T2= 0,7 * Rt2 * Ct

O período total (T) é:

T= T1 + T2 = 0,7 * (Rt1 + 2 Rt2) * Ct

.

Situações

Pino 2

Pino 6

R

S

Q

Transistor

Saída (pino 3)

1

> 1/3 VCC

< 2/3 VCC

0

0

Não muda

Não muda

Não muda

2

< 1/3 VCC

< 2/3 VCC

0

1

1

0

Em corte

1

3

> 1/3 VCC

> 2/3 VCC

1

0

0

1

Saturado

0

4

< 1/3 VCC

> 2/3 VCC

1

1

0

0

Em corte

1  

O circuito integrado 74194

Este CI é um registrador universal. Sua principal característica é ter 3 modos de operação, funcionando como um registrador bidirecional, ou seja, deslocando bits de dados para a direita ou para a esquerda, e também permitindo carregamento de forma paralela dos dados das portas de entrada para as portas de saída. O CI 74194 possui 4 bits e permite as seguintes operações:

  • Entrada série com deslocamento à direita (SR) com os bits sendo introduzidos na posição A (QA). S1=1 e S0=0.

  • Entrada série com deslocamento à esquerda (SL) com os bits sendo introduzidos na posição D (QD). S1=0 S0=1.

  • Entrada em paralelo dos quatro bits ao mesmo tempo. S1=1 e S0=1.

  • Limpar o registrador. CLR=0

A seguir a tabela verdade do Registrador de deslocamento  universal de 4 bits 74194.

OBS: A transição de clock do CI 74194 é feita na borda de subida.

Circuito Integrado 7805

Este CI tem como função regular a tensão de entrada, fornecendo uma tensão de saída na ordem de 4,8V a 5,2V. Este CI aceita uma tensão de entrada de até 35V. Uma vez que alguns CI’s como 74194, por exemplo, possuem uma faixa de tensão de alimentação bem limitada (entre 4,75 e 5,25 V) é necessário fornecer essa tensão de forma muito bem regulada entre esses limites, evitando-se assim danos aos mesmos e permitindo que o mesmo funcione corretamente.

Circuito Integrado 74HC4040

Este tem a função de contador lógico binário de 12 estágios, podendo contar portanto até o número 4096. A cada pulso que este recebe na entrada, incrementa 1 à contagem binária e reflete este número em suas saídas. Pode-se também implementar também um divisor de freqüência.

Circuito Integrado ULN2803

Este circuito integrado é composto por oito transistores Darlington em um único chip. Sua função é receber de entrada um sinal TTL e gerar na saída uma tensão igual à sua alimentação, fornecendo uma corrente de até 500mA.

Circuito Integrado 74LS08 (Quatro portas AND de 2 Entradas )

Circuito Integrado 74LS32 ( Quatro portas OR de Entradas )

5 - CIRCUITO ELETRONICO

5.1 – Temporizador

Este primeiro temporizador é um oscilador astável conforme descrito anteriormente, tem por função gerar os pulsos para o CI 74HC4040 que por sua vez vai, dividir a freqüência por um fator de 3, para só então acionar o sistema de controle do motor de passo. Para este circuito, o temporizador está dimensionado para gerar um pulso a cada 3,38 segundos conforme apresentado no cálculo a seguir.

O CI 74HC4040 neste circuito está atuando como um divisor de freqüência que ao receber o pulso do timer composto pelo CI555 faz a seguinte contagem.

Q0

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

Q7

Q8

Q9

Q10

Q11

Saída

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1º estágio

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

2º estágio

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

3º estágio

Como este CI possui 12 portas lógicas da saída, se não fosse estabelecido um “reset” para a contagem, esta continuaria contando até seu limite que é 4095. Devido à este fato desenvolvemos um “reset” para o contador que funcionará na transição do 3º para o 4º estágio, ou seja, quando as portas Q0 e Q1 estiverem em alta, a porta AND (U4) será acionada, ficando em alta também. Este sinal vai para o gerador de pulsos do motor de passo e também para a entrada da AND(U3) que com o ciclo ativo do 4º clock, irá ficar ativa e consequentemente ativar MASTER RESET do CI 74HC4040 conforme demonstrado abaixo.

5.2- Controlador do Motor de Passo

Uma vez o sinal emitido pela porta AND (U4) do circuito anterior, o sistema de acionamento do motor passo entra em operação. Este foi subdivido em partes e terá seu funcionamento explicado a seguir.

5.2.1 – Gerador de Pulsos

Conforme mencionado acima o gerador de pulsos do motor de passo é composto de um Timer 555 e ao ser acionado, além de gerar pulsos para o CI 74194, também é responsável pela habilitação do inicializador do CI 74194 composto pelo CI 74HC4040. O diagrama esquemático segue abaixo:

Observem que antes do timer 555 existem um capacitor, um transistor NPN e vários resistores. O transistor NPN juntamente com os resistores, tem por função fornecer corrente ao receber um sinal positivo da porta AND(U4) anterior, que por sua vez carregará o capacitor seguinte (C11). Já o capacitor com os resistores, atuam como um “bateria “ para o timer 555, para que o mesmo consiga gerar o número de pulsos para o deslocamento do motor de passo requerido para o projeto. O capacitor conectado ao pino 5 do timer 555 tem por função filtrar os picos de energia do sistema, afim de evitar possíveis danos ao mesmo.

Já os componente que estão após o timer 555 ( 2 capacitorres (C4, C5) e 2 resistores (R12, R13) ), estão dimensionados para a temporização e freqüência calculada a seguir:

5.2.2 – Inicializador

O inicializador é composto por um CI 74HC4040, que tem por função colocar as saídas do CI 74194 em um estado ideal para o início de seu funcionamento. A inicialização é executada da seguinte forma: O CI74HC404 vai habilita a porta S1 do CI74194 durante os 4 primeiros clock’s, permitindo a transferência em paralelo das entradas do CI 74194 para suas saídas (S1 e S0 em alta). No quinto clock a porta S1 é desabilitada e o CI 74194 passa a fazer o deslocamento conforme ordem pré-estabelecida pelo porta S0 (Alta), a figura abaixo mostra as ligações deste.

Acima do CI74HC4040 é possível observar que existe um transistor NPN (Q3) e 2 resistores (R17 e R18), este exercem a função de porta inversora. Nota-se que o resistor no coletor é bem menor que o resistor de base, isso permite que a corrente proveniente de VCC seja maior que a corrente proveniente da base.

(Parte 2 de 3)

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