Este artigo foi originalmente publicado em Robótica, Mecatrônica e Inteligência Artificial - Robotics, Mechatronics and Artificial Intelligence (esgotado) nos Estados Unidos (*). Nele descrevemos os aspectos básicos dos motores de passo. Diversos circuitos de controle e aplicações, mesmo utilizados como blindagens, seguem essa sequência com aplicações específicas. Nós sugerimos visitar a Mouser Electronics para motores e circuitos de controle.
Motores de passo podem ser usados para locomoção, movimento, posicionamento e muitas outras funções nas quais precisamos de um controle preciso da posição de um eixo, alavanca ou uma parte móvel de um dispositivo mecatrônico. O objetivo deste capítulo é fornecer ao leitor informações básicas sobre o uso de motores de passo em projetos de mecatrônica e robótica e descrever blocos e circuitos práticos.
Teoria
O princípio básico de operação de um motor de passo não é muito diferente do de um motor de CC ou CA: ele é formado por bobinas e ímãs com um eixo móvel que se move quando a alimentação é aplicada. A diferença está no modo como o eixo é movido; eles movem o rotor aplicando potencia a diferentes bobinas em uma sequência predeterminada (escalonada). Os motores de passo ou steppers são projetados para requisitos de controle preciso e não apenas girarão, mas também percorrerão qualquer número de etapas por segundo até a velocidade máxima. Outro recurso do motor de passo que não pode encontrado nos motores comuns é que os motores de passo podem manter sua posição e resistir ao giro. A figura 1 mostra o símbolo adotado para representar um motor de passo e a aparência dos tipos mais comuns.
O projetista mecatrônico não precisa comprar motores de passo caros para os projetos, uma vez que muitos deles podem ser encontrados em boas condições operacionais em unidades de disquete de computador antigas, impressoras e muitos outros dispositivos fora de uso.
Como funciona
Um motor de passo converte informação digital em movimento mecânico proporcional. Eles são diferentes dos motores de corrente contínua, que são controlados mudando a corrente que flui através deles. Motores de passo são digitais.
Os motores de passo podem ser encontrados em três tipos básicos: ímã permanente, relutância variável e híbrido. A maneira como os enrolamentos são organizados dentro de um motor determina como ele funciona. O tipo mais comum é o motor de passo de quatro fases, mas também existem tipos de duas fases e seis fases. A figura 2 mostra a versão mais popular: o motor de passo de quatro fases.
Dentro deste motor, encontramos quatro enrolamentos e cada par de enrolamentos tem um GND comum, como mostrado na Figura 3.
Em operação normal, os fios comuns são conectados ao fio positivo da fonte de alimentação, e os outros fios são conectados ao terra por um curto período de tempo - pelo tempo que você quiser energizar o enrolamento correspondente. Cada vez que o motor é energizado, o eixo do motor avança por uma fração de revolução. Para que o eixo gire corretamente, o enrolamento deve ser energizado por uma sequência de pulsos ou ondas.
Por exemplo, se você energizar os enrolamentos A, B, C e D nesta sequência, o eixo girará no sentido horário. Por outro lado, se você inverter a sequência, o motor gira no sentido anti-horário. A Figura 4 mostra a sequência normalmente usada para energizar os motores de passo de quatro fases.
Outra maneira de energizar um motor de passo é aplicando uma sequência on-on / off-off. Essa sequência é mostrada na Figura 5. Ela tem a vantagem de aumentar a potência de acionamento do motor e fornecer uma rotação mais precisa do eixo.
Outro tipo comum de motor de passo é o de duas fases, mostrado na Figura 6. Este motor de passo é formado por duas bobinas, como mostrado na figura, e pode ser facilmente identificado por seus quatro fios. Este tipo de motor é energizado usando uma sequência diferente, em que a direção da corrente através de cada fio é considerada, como mostrado na Figura 7. Em alguns tipos, a conexão –V pode ser substituída por terra.
Existem também motores de passo com mais fases, por exemplo, o motor de passo de seis fases, mas eles não são muito comuns. Motores com mais fases são mais precisos, mas também mais caros.
Para nossos propósitos, abrangendo muitas aplicações em projetos que envolvem robótica e mecatrônica, o motor de passo de quatro fases é recomendado, e a maioria dos projetos neste site foi projetada para esse tipo de motor.
Como usar motores de passo
Como vimos, os enrolamentos de um motor de passo devem ser energizados adequadamente para conseguir uma operação correta. Isso significa que, ao usar um motor de passo, você precisa conhecer não apenas as especificações elétricas do dispositivo, mas também as especificações mecânicas. As especificações mais importantes são descritas abaixo.
Tensão e corrente
Os motores de passo são geralmente classificados para 5, 6 ou 12 V. Ao contrário dos motores de corrente contínua, não é recomendável ultrapassar os enrolamentos de um motor de passo. Sobretensões de mais de 30% da tensão nominal podem queimar os enrolamentos. As classificações atuais dependem da aplicação (tamanho e torque). Tipos comuns podem trabalhar com correntes na faixa de 50 mA a mais de 1 A. Quanto mais alta a corrente e a tensão, maior o torque.
Ao projetar uma fonte de alimentação para uma aplicação usando um motor de passo, é importante considerar que as correntes que são dadas por enrolamento. Portanto, a fonte de alimentação deve ser capaz de fornecer pelo menos duas vezes a corrente por enrolamento, ou oito vezes a corrente por enrolamento em um tipo de quatro fases.
Sequência
Embora a maioria dos motores de passo use uma das duas sequências mostradas nos artigos sobre teoria do motor de passo, é possível encontrar unidades que operam de maneira diferente. Ao usar essas unidades, é importante determinar a sequência de pulso operacional correta.
Ângulo do passo
Quando um pulso da sequência é aplicado ao motor, ele avança um passo. Isso significa que o eixo se move um número especificado de graus, referido como ângulo de passo. O ângulo pode variar entre os tipos de motor no intervalo entre 0,8 e 90 °.
Em um motor de passo de 90 °, quatro pulsos movem o eixo uma volta completa, como mostrado na Figura 8. No entanto, é mais comum encontrar motores de passo com ângulos de de passo de 1,8 °. Isso significa que você precisa aplicar 200 pulsos no circuito de controle para fazer o motor completar uma volta.
Taxa de pulso
A taxa de pulso determina a velocidade do motor. Se você estiver usando um motor de ângulo de degrau de 1,8 ° e aplicar 200 pulsos por segundo, este motor funcionará a 1 rotação por segundo ou 60 rotações por minuto (60 rpm).
Dado o ângulo da etapa, é fácil calcular o rpm. Os motores de passo não são destinados a aplicações de alta velocidade. A velocidade máxima recomendada está na faixa de 2 ou 3 voltas por segundo, ou na faixa de 120 a 180 rpm. É importante lembrar que, neste tipo de motor, o torque cai à medida que a velocidade aumenta.
Torque
O torque produzido por um motor de passo não é alto. Um motor de passo típico pode fornecer apenas alguns gramas por centímetro de torque em operação. Isso significa que, em aplicações onde é necessário alto torque, caixas de redução devem ser adicionadas. Como o torque cai a velocidades mais altas, esse tipo de motor é melhor usado em modos de baixa velocidade.
Efeito de Frenagem
Se a corrente em um enrolamento é mantida após um pulso ser aplicado, o motor de passo não pode continuar a girar. O eixo será bloqueado como se você aplicasse um freio. Um circuito que mantém a corrente em um enrolamento para estabelecer uma posição fixa efetivamente atua como freio eletrônico em um motor de passo.
