O sistema eletrônico completo para o acionamento de um motor de passo é mostrado no diagrama em blocos funcionais na figura a seguir.
Figura 1 – Sistema Eletrônico Completo de Acionamento de um Motor de Passo.
O bloco controlador, ou seqüenciador, é responsável por gerar a seqüência de pulsos responsáveis por acionar o motor em um deslocamento contínuo.
A seguir, serão descritos os circuitos acionador e controlador.
Acionador Unipolar
Para um motor de passo unipolar, o mais comum é ligar as derivações centrais de cada bobina e então aplicar o terra em cada extremidade destas, seguindo uma seqüência adequada, conforme o modo e acionamento adotado. Esta seqüência de pulsos é gerada por um outro circuito, o controlador. Este por sua vez, envia os pulsos gerados ao circuito acionador (driver) que é projetado apropriadamente para trabalhar com correntes mais altas. Na figura a seguir, temos um exemplo de circuito driver para motores unipolares.
Figura 2 – Circuito Acionador Unipolar.
A maior desvantagem do drive unipolar é sua incapacidade de utilizar todas as bobinas do motor. Sempre haverá fluxo de corrente em somente metade de cada enrolamento. Se pudermos utilizar ambas as partes ao mesmo tempo, poderemos obter aumento de 40% em torque por volta para mesma dissipação de energia no motor. É o que acontece no caso do motor bipolar. Porém, como há a necessidade de inversão do sentido da corrente em cada bobina, o circuito driver acaba sendo mais complicado, necessitando de mais componentes, no caso, mais 4 transistores, sendo, portanto, mais custoso. A figura a seguir, apresenta o circuito de uma driver bipolar.
Figura 3 – Circuito Acionador Bipolar.
Estratégias de Acionamento
R/L Driver
Esse é o princípio usado no driver limitado por resistência (R/L), ver figura a seguir. Com uma tensão aplicada de 10
vezes à tensão do motor, a corrente atingirá seu valor final em um décimo do tempo. Em termos de constante de tempo elétrica, a redução é de L/R para L/10R. Portanto, há aumento da velocidade. Porém nós estaremos pagando um preço por esta performance extra. Sob condições estáveis, a energia dissipada nos resistores em série é 9 vezes maior que no motor, produzindo uma quantidade significativa de calor. Além disso, a energia extra deve vir toda da fonte de corrente contínua, criando a necessidade de que esta seja muito maior. Os drivers R/L são, assim, adequados somente para aplicações de baixo consumo de energia. Em contrapartida, oferecem vantagens como simplicidade, robustez e baixa interferência.
vezes à tensão do motor, a corrente atingirá seu valor final em um décimo do tempo. Em termos de constante de tempo elétrica, a redução é de L/R para L/10R. Portanto, há aumento da velocidade. Porém nós estaremos pagando um preço por esta performance extra. Sob condições estáveis, a energia dissipada nos resistores em série é 9 vezes maior que no motor, produzindo uma quantidade significativa de calor. Além disso, a energia extra deve vir toda da fonte de corrente contínua, criando a necessidade de que esta seja muito maior. Os drivers R/L são, assim, adequados somente para aplicações de baixo consumo de energia. Em contrapartida, oferecem vantagens como simplicidade, robustez e baixa interferência.
Figura 4 – Princípio do Driver R/L.
O Driver Chopper com Recirculação de Corrente
O método de controle de corrente, usado na maioria dos motores de passo, é o Chopper com Recirculação de Corrente. O objetivo, semelhantemente ao driver R/L, é fazer com que a corrente em cada fase atinja seu valor nominal em menor tempo. No caso do driver chopper, a tensão de alimentação para cada fase é aumentada em cerca de 10 vezes ou mais em relação ao valor nominal (valor de tensão que estabelece a corrente nominal após o período transitório). Assim, é possível fazer a corrente em cada fase atingir seu valor nominal em menor tempo. Quando a corrente de fase alcança seu valor nominal, o circuito chopper que fornece a tensão de alimentação para o motor, interrompe a alimentação do circuito driver. Assim, evita-se o sobre aquecimento excessivo do motor. Este sistema de acionamento é mais eficiente que o R/L, pois não dissipação de potência excessiva em elementos resistivos de valores relativamente elevados.
Esse driver incorpora um driver com diodos para recirculação da corrente e um resistor shunt. O resistor tem baixo valor (tipicamente 0,1 ohm) e fornece a tensão de retroalimentação (feedback) proporcional à corrente no motor. A figura a seguir mostra o estágio driver com ponte H de quatro transistores nas situações em que a corrente é injetada na fase pelos transistores TR1 e TR4 (figura à esquerda) e quando ocorre a recirculação de corrente devido à indução de tensão na fase pelo campo magnético que foi gerado na situação anterior.
Figura 5 – Driver com Ponte H e diodos para recirculação de corrente das fases do motor.
A tensão VS é enviada a um circuito comparador do circuito chopper, que irá interromper a corrente na fase quando está alcançar seu valor nominal.
Na figura a seguir, temos um exemplo de um circuito de acionamento com estágio chopper e driver para motor unipolar. Circuito integrado CI2 é responsável por gerara os pulsos de chaveamento. Os pulso em nível baixo, irão fazer o transistor T1 conduzir, fazendo chegar a tensão de alimentação +V até o motor. A corrente do motor passando pelo transistor ou pelos transistores, dependendo do modo de acionamento utilizado, ativados no momento, passa pelo resistor shunt R Shunt. A tensão no ponto deste resistor shunt ligado nos emissores dos transistores do driver (T2, T3, T4 e T5), vai à entrada do circuito amplificador formado por CI1. Esta tensão, agora amplificada, chega ao pino 1 de CI2. Quando a tensão neste pino ultrapassa a tensão no pino 2, CI2, através dos pinos 12 e 13, interrompe a alimentação do motor, cortando o transistor T1. VR é usado para ajustar o valor da tensão apartir da qual aalimentação do motor será interrompida. Assim, VR é ajustado de tal forma que quando a corrente nominal na fase do motor é alcançada, a tensão que chega ao pino 1 de CI2 se iguala à tensão de corte no pino 2. Ajustando-se VR desta forma, garante-se que a corrente na fase do motor nunca ultrapasse a corrente recomendada pelo fabricante do motor (corrente nominal ou corrente máxima). Os a seqüência de pulsos para as fases é gerada por um outro circuito e chega às bases dos transistores do driver (T2, T3, T4 e T5).
Figura 6 – Circuito com estágio chopper e driver unipolar.
CI L297 e L298
O CI L297 é um controlador da STMicroelectronics apropriado para o acionamento de motores de passo de ímã
permanente, relutância variável bipolar de 2 fases ou unipolar de 4 fases. Trabalha com os modos de acionamento de passo completo normal e wave, e meio passo. Apropriado para trabalhar com driver L298.
permanente, relutância variável bipolar de 2 fases ou unipolar de 4 fases. Trabalha com os modos de acionamento de passo completo normal e wave, e meio passo. Apropriado para trabalhar com driver L298.
A figura a seguir, mostra um exemplo de circuito controlador e driver para uma motor de passo bipolar de 2 fases.
Figura 7 – Circuito controlador e driver para motor bipolar de 2 fases com L297/L298 da STMicoelectronics.
O SLA7052
O circuito integrado SLA7052 da Allegro MicroSystems, incorpora tanto o controlador quanto o driver num mesmo encapsulamento. Na figura a seguir, exemplo de circuito com este circuito integrado.
Figura 8 – Circuito controlador e driver para motor unipolar de 4 fases com SLA7052 da Allegro Microsystems.
Referência Bibliográfica
1. Stepping Motors and Their Microprocessor Controls, Kenjo, T. e Sugawara, A., 2ª ed. Oxford
2. Tecnologia Eletromecânica. Apostila 1600.231.01 BR da Parker Automation
3. L297/L298 Datasheets STMicroelectronics
4. SLA7052 Datasheet Allegro MicroSystems
5. Current Control In Stepper Motors, Emmanuel, S., Electronic Inventory Online (www.eio.com)
6. Control of Stepping Motors – A Tutorial, Jones, Douglas W., The University Of Iowa Department Of
Computer Science
7. Drive Technologies, A Engineering Reference, Parker Motion & Control
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