terça-feira, 28 de agosto de 2012

Tutorial Motor de Passo - Parte 2: Análise Detalhada de Funcionamento

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Análise Detalhada do Funcionamento de um Motor de Passo

Análise do Funcionamento de um Motor de Passo do Tipo Híbrido

A operação do motor híbrido pode ser compreendida mais facilmente analisando-se um modelo muito simples que
produzirá 12 passos por revolução (vide figura a seguir).


Figura 1 - Motor híbrido simples de 12 passos/revolução.

O rotor desta máquina consiste de duas peças de pólo com três dentes cada uma. Entre estas peças de pólo há um magneto permanente magnetizado em paralelo com o eixo do rotor, tornando uma ponta um pólo norte e a outra um pólo sul. Os dentes são defasados nas extremidades norte e sul conforme mostrado no diagrama. O estator consiste de uma carcaça com quatro dentes que tem toda a extensão do rotor. As bobinas são enroladas sobre os dentes do estator e estão conectadas aos pares. Não havendo corrente fluindo em nenhuma bobina do motor, o rotor tenderá a assumir uma das posições mostradas na Figura a seguir. Isto se deve ao fato do magneto permanente no rotor estar tentando minimizar a relutância (ou “resistência magnética”) do percurso do fluxo de uma extremidade à outra. Isto ocorrerá quando um par de dentes do rotor nos pólos norte e sul estiverem alinhados com dois pólos do estator. O torque que tende a manter o motor em uma destas posições é em geral pequeno, e é chamado de “torque detentor”. O motor mostrado terá 12 posições possíveis de detenção.

Figura 2 - Passo completo, uma fase ligada.

Caso, agora, a corrente atravesse um par das bobinas do estator, como mostrado na Fig. 11(a), os pólos norte e sul, resultantes no estator, atrairão os dentes de polaridade oposta em cada extremidade do rotor. Há agora apenas três posições estáveis para o rotor, o mesmo número de dentes do rotor. O torque requerido para defletir o motor para fora de sua posição de estabilidade é agora muito maior, e é chamado de “torque de retenção”. 
Mudando-se o fluxo da corrente do primeiro para o segundo conjunto de bobinas do estator (b), o campo do estator gira de 90º e atrai um novo par de pólos do rotor. Como resultado o rotor gira 30°, correspondendo a um passo completo. Com a reversão da corrente no primeiro conjunto de bobinas, giramos o campo do estator mais 90° e o rotor efetua mais um passo de 30° (c). Finalmente, o segundo conjunto de bobinas é energizado na direção oposta (d) para propiciar uma terceira posição de passo. Podemos agora retornar à primeira condição (a), e, após estes quatro passos, o rotor terá se movido pelo equivalente a uma largura de dente (“tooth pitch”). Este motor simples executa portanto 12 passos por revolução. Obviamente, caso as bobinas sejam energizadas na seqüência inversa, o motor girará no sentido oposto. Caso duas bobinas sejam energizadas simultaneamente (Vide figura a seguir), o rotor assume uma posição intermediária, pois fica igualmente atraído por dois pólos do estator. Esta condição produz um torque maior, pois todos os pólos do estator estão influenciando o motor. Pode-se fazer o motor dar um passo completo simplesmente revertendo-se a corrente em um conjunto de bobinas; isto provoca uma rotação de 90° dos campos do estator, como no caso anterior. Na verdade, esta seria a forma normal de acionamento do motor no modo de passo completo, sempre mantendo as duas bobinas energizadas e revertendo-se a corrente em cada bobina, alternadamente.

Figura 3 - Passo completo, duas fases ligadas.

Energizando-se alternadamente uma e depois duas bobinas (Vide figura a seguir), o rotor se movimenta por apenas 15º em cada estágio, e o número de passos por revolução será dobrado. Isto é denominado “meio passo” (half-stepping), e a maioria das aplicações industriais emprega este modo de passo. Embora haja às vezes uma pequena perda de torque, este modo resulta em uma suavidade muito melhor a baixas velocidades, menor “overshoot” e menor oscilação (“ringing”) ao final de cada passo.
Figura 4 – Meio Passo.

O Motor Híbrido Padrão de 200 Passos

O motor de passo padrão opera da mesma forma que nosso modelo simples, porém possui um número maior de dentes no rotor e no estator, o que propicia um tamanho menor para o passo básico. O rotor é construído em duas seções como anteriormente, porém possui 50 dentes em cada seção. O deslocamento de meio dente entre as duas seções foi mantido. O estator possui 8 pólos, cada um com 5 dentes, perfazendo um total de 40 dentes (veja a Figura a seguir).
Figura 5 - Motor híbrido de 200 passos.


Se imaginarmos que um dente está colocado em cada um dos intervalos entre os pólos do estator, haveria um total de 48 dentes, dois a menos do que o número de dentes do rotor. Portanto, se os dentes do rotor e do estator estiverem alinhados na posição vertical superior (correspondente à posição de 12 horas de um ponteiro de relógio), eles também estarão alinhados na posição vertical das 6 horas. Nas posições correspondentes a 3 e 9 horas os dentes estarão desalinhados. No entanto, devido ao deslocamento entre os conjuntos de dentes do rotor, o alinhamento ocorrerá nas posições correspondentes a 3 e 9 horas na outra extremidade do rotor. As bobinas estão arranjadas em conjuntos de quatro, e enroladas de forma tal que os pólos diametralmente opostos são equivalentes. Portanto, em referência à Fig. 4, os pólos norte nas posições de 12 e 6 horas atraem os dentes pólo sul na parte frontal do rotor; e os pólos sul nas posições de 3 e 9 horas atraem os dentes pólos norte na parte traseira. Ao se mudar a corrente para o segundo conjunto de bobinas, o padrão do campo magnético do estator gira 45°. No entanto, para alinhar este novo campo, o rotor precisa girar apenas 1,8°. Isto equivale a um quarto de giro de dente no rotor, o que resulta em 200 passos por revolução.
Observe que há o mesmo número de posições detentoras quanto passos por revolução, normalmente 200. As posições detentoras correspondem aos dentes do rotor estando totalmente alinhados com os dentes do estator. Ao se aplicar energia a um driver de passo, é usual que ele se energize no estado de “fase zero”, onde há corrente em ambos os conjuntos de bobinas. A posição resultante do rotor não corresponde a uma posição detentora natural, portanto um motor sem carga se moverá, pelo menos, meio passo no momento da energização. É claro que, se o sistema foi desligado num estado diferente do de fase zero, ou se o motor for movimentado enquanto desligado, poderá ocorrer um movimento maior no momento da energização. Outro ponto a se lembrar é o de que, para um dado padrão de corrente nas bobinas, o número de posições estáveis é igual ao de dentes do motor (50 para um motor de 200 passos).
Caso um motor saia de sincronismo, o erro posicional resultante sempre será equivalente a um número inteiro de dentes do rotor ou um múltiplo de 7,2°. O motor, propriamente dito, não pode “perder” passos individuais - erros de posição, de um ou dois passos, devem ser atribuídos a ruído, pulsos de passo falsos ou perdidos, ou falha do controlador.

Bobinas Bifilares

A maior parte dos motores é descrita como sendo de “bobinas bifilares”, o que significa que há dois conjuntos idênticos de bobinas em cada pólo. Dois filamentos são enrolados juntos como se fossem uma única bobina. Isto produz duas bobinas que são quase idênticas elétrica e magneticamente, se ao invés disso uma bobina fosse enrolada sobre a outra, mesmo tendo o mesmo número de voltas, as características magnéticas seriam diferentes. Em termos simples, enquanto quase a totalidade do fluxo da bobina interna fluiria pelo núcleo ferroso, parte do fluxo da bobina externa fluiria pelo enrolamento da bobina interna. A origem da bobina bifilar data do driver unipolar. Ao invés de ser preciso reverter a corrente em uma bobina, o campo poderá ser revertido transferindo-se a corrente para uma segunda bobina enrolada na direção oposta. (Embora as duas bobinas sejam enroladas da mesma forma, trocando-se suas pontas produz-se o mesmo efeito.) Portanto, com um motor de bobinas bifilares, pode-se manter um projeto simples para o driver. No entanto, este requisito já praticamente desapareceu atualmente, com a ampla disponibilidade do driver bipolar, de maior eficiência. No entanto, os dois conjuntos de bobinas realmente proporcionam uma flexibilidade maior, e veremos que diferentes métodos de conexão podem ser empregados para propiciar características alternativas para torque e velocidade.
Caso todas as bobinas em um motor bifilar de duas fases sejam retiradas separadamente, teremos um total de 8 terminais (veja a figura a seguir). Esta é a configuração mais comum, pois propicia a maior flexibilidade. No entanto, há ainda alguns poucos motores que são produzidos com apenas 6 terminais, com um terminal atuando como conexão comum a cada bobina num par bifilar. Este arranjo limita a flexibilidade, pois as bobinas não podem ser conectadas em paralelo. Alguns motores são construídos com apenas 4 terminais, porém estes não têm bobinas bifilares e não podem ser utilizados com um driver unipolar. Obviamente não há um modo alternativo de conexão para um motor de 4 terminais, porém para muitas aplicações isto não constitui desvantagem, e ainda se evita o problema do isolamento de terminais não utilizados.

Figura 6 - Configurações de terminais de motores.

Ocasionalmente pode-se encontrar um motor de 5 terminais. Estes não são recomendados, pois não podem ser utilizados com drivers bipolares convencionais, pois requerem isolamento adicional entre as fases.

Características de Desempenho de um Motor de Passo (torque, velocidade...)

Quanto ao Torque Estático de Retenção, ou simplesmente, Torque de Retenção (Holding Torque)

A figura a seguir ilustra a curva de torque estático do motor. Isto se refere a um motor que está energizado porém estacionário, e mostra como o torque varia com a posição do rotor quando este é deslocado do ponto de equilíbrio (rotor travado pelas forças magnéticas entre os pólos do estator e rotor). Estamos supondo que não há atrito nem outras cargas estáticas aplicadas ao motor com a movimentação do rotor para longe da posição de equilíbrio. O torque aumenta de forma estável até atingir um ponto máximo após um passo completo. Este valor máximo é denominado torque de retenção (holding torque), e representa a maior carga estática que pode ser aplicada ao eixo sem causar rotação contínua. No entanto, isto não nos informa o torque máximo de operação do motor - este é sempre menor do que o torque de retenção. Tipicamente, o torque máximo de operação está em torno de 70% do torque de retenção (holding torque).

Figura 7 - Curva característica torque x deslocamento.

Com o deslocamento do eixo para além de um passo completo, o torque cairá até estar novamente em zero após dois passos completos. No entanto, este ponto de zero é instável, e o torque se reverte imediatamente para além dele. O ponto estável seguinte é encontrado quatro passos completos adiante do primeiro, equivalente a uma largura de dente no rotor, ou a 1/50 de revolução para o caso de uma motor com 200 passos de revolução (1,8° de passo).
Embora esta característica de torque estático (o torque de retenção) não tenha muita utilidade por si só, ela ajuda a explicar alguns dos efeitos que observamos. Por exemplo, ela indica a robustez estática do sistema, em outras palavras, como a posição do eixo muda quando é aplicada uma carga de torque a um motor estacionário. Claramente, o eixo deverá se deslocar até que o torque gerado se equipare à carga aplicada, portanto, se a carga varia, assim também o fará a posição estática. Portanto, erros de posição não cumulativos resultarão de efeitos como atrito ou cargas de torque em desequilíbrio. 
É importante lembrar que a robustez estática não aumenta com o emprego de um driver de micro-passo - uma dada carga sobre o eixo produzirá o mesmo deslocamento angular do rotor. Portanto, embora o micro-passo aumente a resolução e a suavidade do movimento, ele não, necessariamente, aumentará a precisão de posicionamento. Sob condições dinâmicas com o motor funcionando, o rotor deverá estar atrasado em relação ao campo do estator caso esteja produzindo torque. De forma similar, haverá uma situação de adiantamento quando o torque se reverter durante a desaceleração. Observe que o atraso e o adiantamento se relacionam apenas à posição, e não à velocidade. Tomando-se a curva de torque estático (vide figura anterior), claramente este atraso ou adiantamento não poderá exceder dois passos completos se for preciso que o motor mantenha o sincronismo. Este limite do erro de posicionamento pode tornar o motor de passo uma opção atraente em sistemas onde a precisão do posicionamento dinâmico seja importante.

Quanto à Natureza da Resposta Oscilatória do Motor de Passo

Quando o motor de passo executa um único passo, a natureza da resposta é oscilatória, como mostrado na figura a seguir. O sistema pode ser comparado a uma massa que esteja presa a uma espécie de “mola magnética”, e portanto o comportamento lembra a característica clássica do sistema massa-mola. Observando-se de forma simplificada, a curva de torque estático (vide figura anterior) indica que o torque é positivo durante o movimento totalmente à frente e portanto está acelerando positivamente o rotor até que seja atingido um novo ponto estável. Neste momento, o impulso carrega o rotor para além da posição estável, e o torque agora é revertido, acelerando negativamente o rotor e fazendo-o retornar no sentido oposto. A amplitude, freqüência e taxa de amortecimento desta oscilação dependerão do atrito e da inércia do sistema (carga e motor), bem como das características elétricas do motor e do driver. O “overshoot” inicial também depende da amplitude do passo, portanto o modo de acionamento Meio-Passo produz menos “overshoot” do que o modo Passo Completo. O modo Micro-Passo, portanto, terá um “overshoot” ainda menor.


Figura 8 - Resposta de um único passo.

A tentativa de se aplicar ao motor um passo que corresponda à sua freqüência natural de oscilação pode provocar uma resposta exagerada conhecida como ressonância. Em casos graves, isto pode levar à falta de sincronismo, ou “perda de passo” (stalling), do motor. Este problema é incomum com drivers de meio-passo, e ainda menos comum com um micro-passo. A velocidade natural de ressonância está tipicamente na faixa de 100 a 200 passos completos/segundo. Em condições dinâmicas incluindo todas as variáveis, o desempenho do motor é descrito por uma curva de torque e velocidade como a mostrada na figura a seguir. Há duas faixas de operação, a faixa de partida/parada (ou “pull in”) e a faixa de rendimento (“slew” ou “pull out”).
Figura 9 - Curvas de partida / parada e rendimento.

Na faixa de início/parada, o motor pode ser acionado ou parado com a aplicação de pulsos de passo a uma freqüência constante no driver. Em velocidades dentro desta faixa, o motor possui torque suficiente para acelerar sua própria inércia até uma velocidade de sincronismo sem que a defasagem de posicionamento exceda dois passos. É óbvio que, se uma carga inercial for adicionada, esta faixa de velocidade é reduzida. Portanto, a faixa de início/parada depende da inércia da carga. 
Para operar o motor em velocidades mais elevadas, é necessário iniciar numa velocidade dentro da faixa de
partida/parada e então acelerar o motor para a região de rendimento. De forma semelhante, ao parar o motor, ele deve ser desacelerado de volta à faixa de partida/parada antes de se desativar os pulsos de passo. O uso da aceleração e desaceleração, ou “ramping”, permite que velocidades muito mais elevadas possam ser obtidas, e em aplicações industriais a faixa útil de velocidade se estende até cerca de 3.000 rpm. 
Observe que a operação contínua em altas velocidades não é normalmente recomendada para um motor de passo devido ao aquecimento do motor, porém podem-se utilizar altas velocidades com sucesso em aplicações de posicionamento. O torque disponível na faixa de rendimento não depende da inércia da carga. A curva de torque e velocidade é normalmente medida colocando-se o motor em movimento e então aumentando a carga até que o motor perca o passo. Com uma carga de inércia mais elevada, deve ser utilizada uma taxa de aceleração mais baixa, porém o torque disponível na velocidade final não é afetado.

Na parte 3, serão descritos os circuitos de acionamento e controle.





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