terça-feira, 28 de agosto de 2012

Tutorial Motor de Passo - Parte 1: Introdução, Tipos, Modos de Acionamento

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Introdução

O motor de passo (“Stepper Motor” ou “Step Motor”), pode-se dizer, que se trata de um transdutor que converte pulsos elétricos em movimento mecânico de rotação. A rotação do eixo do motor é caracterizada por um especifico ângulo incremental de passo para cada pulso de excitação. Esse ângulo incremental é repetido precisamente a cada pulso, gerado por um circuito excitador apropriado. O erro que possa existir num determinado ângulo incremental, é
geralmente menor que 5%, sendo este erro não acumulativo. O resultado é preciso e de movimento fixo, sendo que a cada pulso tem-se o movimento de um único ângulo incremental de passo, o que possibilita um eficiente controle de posição. Sendo assim, o motor de passo possibilita um controle de velocidade, direção e distância, podendo em certos casos, dispensar o controle em malha fechada (ou realimentação), bastando para tal que o torque produzido pelo motor seja suficiente para movimentar a carga acoplada. O circuito excitador é constituído por um circuito sequencial (controlador) e um estágio amplificador de saída (driver). O circuito seqüencial pode ser projetado para que o motor gire seu ângulo incremental de passo a cada pulso na sua entrada, ou para que o motor gire apenas meio ângulo de passo.


Parâmetros e Conceitos Referentes aos Motores de Passo

• Fase*: Cada uma das bobinas, ou cada uma das metades de uma bobina no caso das que possuem derivação central, que compõem o enrolamento do motor.

• Torque de Retenção (“Holding Torque”) : É o torque aplicado ao eixo do motor suficiente para deslocar o seu
rotor da posição de equilíbrio (rotor parado e travado pelas forças magnéticas oriundas da interação eletromagnética entre os pólos do estator e rotor, quando pelo menos uma das fases do motor está energizada).

• Torque Residual (“Detent Torque”) : É o resultado do fluxo magnético permanente que age nos pólos do estator, no caso de motores de passo que possuem ímã permanente em seu rotor.

• “Resposta de Passo” : É o tempo de atraso para o motor dar um passo comandado. Esse tempo é função do quociente torque/inércia. Para o motor sem carga é da ordem de milisegundos.

• “Ressonância” : O motor de passo possui uma certa freqüência natural característica, sendo que quando o motor atinge esta freqüência, ocorre um aumento de ruído e vibração, e o motor pode ainda perder alguns passos ou até oscilar. O valor dessa freqüência depende do motor, carga, e circuito driver. Sendo assim, podemos modificar esse valor através de projeto.
Alguns consideram como fase cada uma das bobinas independentemente de possuírem ou não derivação central.

Tipos de Motores de Passo

Existem três tipos principais de motores de passo:

• Motores de Ímã Permanente (PM – Permanent Magnet)
• Motores de Relutância Variável (VR – Variable Reluctance)
• Motores Híbridos (Hb - Hybrid)
Ainda podemos ter a classificação quanto à existência ou não de derivação central nas bobinas que compõem o enrolamento:
• Unipolar – cada bobina possui uma derivação central.
• Bipolar – as bobinas não possuem derivação central.

Motores de Relutância Variável (VR – Variable Reluctance)

Um motor de passo de relutância variável não possui ímã permanente em seu rotor. Assim o rotor gira livremente sem torque residual (“Detent Torque”) quando o motor está desenergizado. A saída de torque para uma dada dimensão da estrutura é restrita, embora a taxa de torque por inércia seja boa, sendo que este tipo de motor é freqüentemente empregado em pequenas dimensões para aplicações como mesas de microposicionamento. Motores V.R. são pouco utilizados em aplicações industriais. Não possuindo magneto permanente, eles não são sensíveis à polaridade da corrente e necessitam de um arranjo de driver diferente dos outros tipos de motor.
Relutância é a propriedades que uma material oferece ao fluxo magnético. Os motores V.R. se aproveitam do fato de uma peça de material ferroso sempre se alinhar com a direção na qual a relutância é mínima, quando num campo magnético.
Figura 1 - Motor de relutância variável


Motores de Ímã Permanente (PM – Permanent Magnet)

É talvez o tipo de motor mais amplamente utilizado para aplicações não industriais. Ele é essencialmente um dispositivo de baixo custo, baixo torque e baixa velocidade ideal para aplicações em campos como periféricos de informática. A construção do motor resulta em ângulos de passo relativamente grandes, porém a simplicidade geral permite a produção em larga escala a custo muito baixo. O motor de vão axial ou disco é uma variação do projeto de magneto permanente que apresenta um melhor desempenho, em grande medida devido à inércia muito baixa do motor. No entanto, isto restringe as aplicações do motor às que envolvem baixa inércia caso seja exigido todo o desempenho do motor.

Figura 2 - Vista em corte de motor com magneto permanente.


Motores Híbridos (HB - Hybrid)

O motor híbrido é, de longe, o motor de passo mais utilizado em aplicações industriais. O nome é proveniente do fato de que ele combina os princípios operacionais dos outros dois tipos de motores (PM e VR). A maioria dos motores híbridos é de 2 fases, embora sejam utilizadas versões de 3 e 5 fases. Um outro desenvolvimento é o motor “híbrido aperfeiçoado” (“enhanced hybrid”), que emprega magnetos para focagem do fluxo que propiciam um aumento significativo no desempenho, muito embora a um custo maior.

Figura 3 - Motor de passo híbrido.

Motor Unipolar

Os motores de passo unipolares são facilmente reconhecidos pela derivação central em cada um das bobinas. O número de fases é duas vezes o número de bobinas, uma vez que cada bobina se encontra dividida em duas. Na figura a seguir temos a representação de um motor de passo unipolar de 4 fases (1a, 2a, 1b e 2b). A fase 1a vai da derivação central até à extremidade a na bobina 1, e a fase 1b, da derivação central à extremidade b, nesta mesma bobina. As fases na bobina 2 se dão de forma análoga à bobina 1.

Normalmente, a derivação central das bobinas é ligada ao positivo da fonte de alimentação e os extremos de cada bobina são ligados seqüencialmente ao terra por um circuito apropriado (controlador mais driver), conforme o modo de acionamento adotado, para assim produzir o movimento de rotação contínuo numa direção. Os modos de acionamento e os circuitos de acionamento e controle serão abordados mais adiante.

Figura 4 - Motor de Passo Unipolar com quatro fases.

Na figura 4, ainda podemos ver o corte transversal de um motor com um passo de 30 graus. A bobina 1 encontra-se distribuída entre o pólo superior e pólo inferior do estator do motor, enquanto que a bobina 2 encontra-se distribuída entre o pólo esquerdo e o pólo direito do estator. O rotor, neste caso, é um ímã permanente com seis pólos (3 pólos sul e 3 pólos norte), dispostos ao longo da circunferência do rotor. Para uma resolução angular maior, o rotor deverá conter proporcionalmente mais pólos.
Na figura 4, vamos considerar que as fases do motor estejam distribuídas da seguinte forma: 1a no pólo superior, 1b no pólo inferior, 2a no pólo direito e 2b no pólo esquerdo. A corrente ao fluir da derivação central da bobina 1 para o terminal a (fase 1a) faz com que o pólo superior do estator seja um pólo norte, atraindo o pólo sul do rotor que esteja mais próximo. Esta situação provoca um deslocamento do rotor para a posição indicada na figura anterior. Se a fase 1a for desenergizada e for energizada a fase 2a, o rotor irá deslocar-se 30º, ou seja, um passo no sentido anti-horário. Para obter uma rotação contínua do motor, suas as fases deverão ser alimentadas seguindo uma seqüência adequada.

Motor Bipolar

Os motores bipolares são constituídos por bobinas sem derivação central. Por este fato, estas bobinas devem ser energizadas de tal forma que a corrente elétrica flua na direção inversa a cada dois passos para permitir o movimento contínuo do rotor, ou seja, a polaridade deve ser invertida durante o funcionamento do motor.

Conforme pode ser visto na figura a seguir, no exemplo de motor bipolar apresentado, temos duas bobinas 1 e 2. No caso do motor bipolar, agora temos número de fases igual ao número de bobinas que compõem o enrolamento do motor. Então temos as fases 1ab e 2ab.

Os motores de passo bipolares são conhecidos por sua excelente relação tamanho/torque: eles proporcionam um maior torque, cerca de 40% a mais, comparativamente a um motor unipolar do mesmo tamanho. Isto se deve ao fato de que quando se energiza uma fase, se magnetiza ambos os pólos em que a fase (ou bobina) está instalada. Assim, o rotor sofre a ação de forças magnéticas de ambos os pólos, ao invés de apenas um, como acontece no motor unipolar.

Figura 5 - Motor de Passo Bipolar com duas fases

Modos de Acionamento dos Motores de Passo

Passo Completo (“Full Step”)

Este modo de acionamento se caracteriza pelo fato de que o motor desloca seu rotor em passo completo a cada pulso de acionamento que recebe em suas a fases a partir do circuito de acionamento. Os circuitos de acionamento serão abordados mais adiante.

Neste modo, podemos ter os seguintes, digamos, submodos:
Modo Normal: quando duas fases são energizadas ao mesmo tempo a cada passo.
Modo Wave: quando somente uma fase é energizada por vez a cada passo.
Modo Passo Completo Wave (Menor torque, menor consumo que o modo normal)
Como exemplo, assumindo uma lógica positiva, em que o valor lógico 1 significa fazer fluir corrente numa das fases, a seguinte seqüência, apresentada na tabela a seguir, produzirá um deslocamento de oito passos (8´30=240º), para o exemplo de motor unipolar da figura 4.

Tabela 1 – Seqüência de acionamento do motor unipolar da fig. 4 no modo passo completo wave para 240° de
deslocamento.


Modo Passo Completo Normal (Maior torque, maior consumo que o modo wave)

Ainda é possível utilizar uma outra estratégia de acionamento em que o torque produzido num motor unipolar é 1,5 vezes maior. Neste tipo de acionamento são energizadas duas fase simultaneamente para cada passo. Assim, dois pólos adjacentes são magnetizados. Com isso, o rotor atinge o equilíbrio em uma posição intermediária entre estes dois pólos magnetizados. O preço a pagar é um consumo de energia elétrica duas vezes superior ao da estratégia do modo full-step wave. Esta estratégia de acionamento encontra-se exemplificada na tabela a seguir onde, mais uma vez, o rotor é deslocado 240º.


Tabela 2 – Seqüência de acionamento do motor unipolar da fig. 4 no modo passo completo normal para 240° de
deslocamento.


Para o motor bipolar, o padrão de acionamento é semelhante ao do motor de passo unipolar em full-step wave, mas em vez de 0’s e 1’s temos o sinal da polaridade aplicada às bobinas. Um exemplo de aplicação pode ser encontrado na tabela a seguir, onde é implementada a estratégia de acionamento referente ao motor bipolar apresentado na figura 5.

Tabela 3 – Seqüência de acionamento para o motor bipolar da fig. 5 no modo passo completo wave.

Meio-Passo (“Half-Step”)

Outro tipo de acionamento possível consiste em energizar, alternadamente, uma e duas fases, permitindo deste modo deslocar o rotor em meio passo de cada vez. Este tipo de acionamento é denominado de Meio-Passo (“Half-Step”) . Neste modo de acionamento, como facilmente se pode verificar, é duplicado o número de “passos” para completar uma volta. Na realidade passamos a deslocar o rotor em apenas meios passos, ou seja, seguindo ainda o caso exemplificado na figura 4, o rotor desloca-se 15º a cada pulso de acionamento. Na tabela 4 é apresentada a seqüência de acionamento no modo half-step para os mesmos 240º de deslocação do rotor do motor unipolar da figura 4.

Tabela 4 - Seqüência de acionamento do motor unipolar da fig. 4 no modo meio passo para 240° de
deslocamento.

Detalhe Quanto ao Torque Produzido no Modo Meio-Passo

Supondo que o circuito de acionamento do motor (driver) forneça a mesma corrente para cada fase, isto fará com que seja produzido um torque maior quando houver duas fases energizadas. Em outras palavras, os passos serão alternadamente fortes e fracos. Isto não significa uma limitação importante no desempenho do motor - o torque disponível é obviamente limitado pelo passo mais fraco, porém haverá uma melhoria significativa na suavidade do movimento a baixas velocidades no modo de passo completo.

Obviamente, gostaríamos de produzir um torque aproximadamente igual em todos os passos, e este torque deveria estar ao nível do passo mais forte. Podemos obter isso empregando um nível mais alto de corrente quando houver apenas uma fase energizada. Isto não provoca dissipação excessiva de potência do motor, implicando em aumento excessivo da temperatura da carcaça deste motor, pois a classificação de corrente do fabricante supõe que duas fases estejam sendo energizadas (a classificação de corrente se baseia na temperatura permissível na carcaça). Com apenas uma fase energizada, se dissipará o mesmo total caso a corrente seja elevada em 40%. Empregando esta corrente mais alta no estado de apenas uma fase ligada produz-se um torque aproximadamente igual nos passos alternados.



Micro-Passo (Microstepping)

Verificamos que se duas fases forem energizadas com correntes iguais produz uma posição de passo intermediária a meio caminho entre as posições em que há uma fase única ligada. Caso as correntes nas duas fases sejam desiguais, a posição do rotor será deslocada em direção ao pólo mais forte. Este efeito é empregado no driver de micro-passo, que subdivide o passo básico do motor estabelecendo uma escala proporcional da corrente nas duas fases. Desta forma, o tamanho do passo é diminuído e a suavidade do movimento em baixas velocidades é sensivelmente melhorada. Os drivers de micro-passo de alta resolução dividem o passo do motor em até 500 micro-passos, propiciando 100.000 passos por revolução no caso de um motor de passo com 200 passo por volta (tipo mais comum no mercado). Nesta situação, o padrão de corrente nas fases é muito semelhante a ondas senoidais com um deslocamento de fase de 90° entre elas (veja a fig. a seguir).
Figura 6 - Correntes de fase no modo de Micro-Passo.





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