Motor de Passo

Motor de Passo

(Parte 1 de 3)

Universidade Federal de Minas Gerais – Escola de Engenharia

Departamento de Engenharia Mecânica Tecnologia da Automação

Trabalho

Motor de Passo PERÍODO: 2° semestre de 2006

Disciplina: Tecnologia da Automação Professor responsável: J. M. Gálvez

HISTÓRICO3
PARÂMETROS E CONCEITOS PERTINENTES AOS MOTORES DE PASSO3
INTRODUÇÃO3
CONSTRUÇÃO BÁSICA E PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM MOTOR DE PASSO4
ALGUMAS APLICAÇÕES DOS MOTORES DE PASSOS5
PERIFÉRICOS DE COMPUTADOR5
Impressoras5
PLOTTERS GRÁFICOS6
TIPOS DE MOTORES DE PASSO7
MOTORES DE RELUTÂNCIA VARIÁVEL (VR – VARIABLE RELUCTANCE)8
MOTORES DE ÍMÃ PERMANENTE (PM – PERMANENT MAGNET)8
MOTORES HÍBRIDOS (HB - HYBRID)9
MOTOR UNIPOLAR10
MOTOR BIPOLAR10
MODOS DE ACIONAMENTO DOS MOTORES DE PASSO1
PASSO COMPLETO (“FULL STEP”)1
Modo Passo Completo Wave (Menor torque, menor consumo que o modo normal)1
Modo Passo Completo Normal (Maior torque, maior consumo que o modo wave)1
MEIO-PASSO (“HALF-STEP”)12
Detalhe Quanto ao Torque Produzido no Modo Meio-Passo13
MICRO-PASSO (MICROSTEPPING)13
ANÁLISE DETALHADA DO FUNCIONAMENTO DE UM MOTOR DE PASSO14
ANÁLISE DO FUNCIONAMENTO DE UM MOTOR DE PASSO DO TIPO HÍBRIDO14
O MOTOR HÍBRIDO PADRÃO DE 200 PASSOS16
BOBINAS BIFILARES16
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO DO MOTOR DE PASSO (TORQUE, VELOCIDADE...)17
QUANTO AO TORQUE ESTÁTICO DE RETENÇÃO, OU SIMPLESMENTE, TORQUE DE RETENÇÃO (HOLDING TORQUE)17
QUANTO À NATUREZA DA RESPOSTA OSCILATÓRIA DO MOTOR DE PASSO18
CIRCUITOS BÁSICOS DE ACIONAMENTO DE MOTOR DE PASSO20
CIRCUITOS ACIONADORES (DRIVERS)20
Acionador Unipolar20
Acionador Bipolar21
ESTRATÉGIAS DE ACIONAMENTO21
R/L Driver21
O Driver Chopper com Recirculação de Corrente2
Circuitos drivers e controladores comerciais23

Histórico

Uma edição da JIEE publicada em 1927 trazia um artigo com o titulo The Application of Electricity in Warships (A aplicação de eletricidade em navios de guerra). Uma parte desse artigo descrevia um motor de passo trifásico de relutância variável que era usado para controlar remotamente uma espécie de indicador de direção das armas e lançadores de torpedos em navios de guerra britânicos.

Neste artigo são apontados alguns fatores que devem ser observados com a devida atenção para assegurar o funcionamento satisfatório do motor de passo. No dispositivo abordado neste artigo, o motor de passo deve possuir uma alta relação torque/inércia para garantir que todos os passos sejam realizados. A constante de tempo, a relação indutância/resistência deve ser a menor possível para se alcançar uma alta velocidade de operação. Fatores estes também importantes em projetos atuais com motores de passo.

Apesar de as aplicações práticas dos motores de passo terem ocorrido por volta dos anos 20, protótipos desses motores já existiam bem antes. Existem artigos relatando esses protótipos na metade do século 19.

Parâmetros e Conceitos Pertinentes aos Motores de Passo

• Fase 1: 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.

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 seqüencial (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.

Alguns consideram como fase cada uma das bobinas independentemente de possuírem ou não derivação central.

A tabela descrita a seguir, ilustra os valores de ângulos de passo dos motores comumente encontrados no mercado, com seus respectivos números de passos por volta.

Tabela 1- Ângulos de passo dos motores mais e os respectivos passos totais por volta

Construção Básica e Princípio de Funcionamento de um Motor de Passo

As partes principais que compõem um motor de passo são:

• Estator • Pólos

• Enrolamento (Fases)

• Rotor

O estator, é a parte fixa do motor. Nele estão os pólos onde se encontram instaladas as bobinas que compõem o enrolamento. O rotor é a parte móvel. Nele se encontra instalado um eixo através do qual é transmitida potência mecânica para a carga.

Cada bobina quando percorrida por uma corrente elétrica, produz um campo eletromagnético que por sua vez irá magnetizar o pólo no qual esta se encontra instalada. Os pólos, portanto, devem ser constituídos de material de baixa relutância 2 magnética.

A conversão de energia eletromagnética em mecânica ocorre da seguinte forma nos motores de passo:

O motor apresentado na figura a seguir, cujo rotor é constituído por um ímã permanente – motor de passo de ímã permanente, tem a bobina a1-b1 sendo percorrida pela corrente I. O sentido 3 dessa corrente é tal que um pólo magnético norte (N) surge no pólo (físico) da parte inferior do estator, e um pólo magnético sul (S), no pólo físico da parte superior. Assim, as forças magnéticas que surgem entre os pólos do ímã do rotor e dos pólos do estator, devido à interação dos campos magnéticos nestes, fazem com que este rotor gire até a posição de equilíbrio, conforme mostra a figura a seguir. Se logo após o rotor atingir esta posição, a bobina a1-b1 for desenergizada, e logo em seguida, energizada a bobina a2-b2 com o sentido da corrente elétrica partindo do terminal a2 para o b2, as forças magnéticas, agora entre os pólos direito e esquerdo do estator e o ímã do rotor, farão deslocar este rotor de 90° no sentido anti-horário. O rotor atingirá então, sua nova posição de equilíbrio com os seus pólos alinhados com os pólos direito e esquerdo dos estator.

A relutância é a grandeza magnética que mede a “dificuldade” que os materiais apresentam de serem atravessados por fluxo magnético devido ao campo magnético no qual este material está inserido. É uma grandeza análoga à resistência elétrica. Aqui se considera o sentido convencional da corrente elétrica que é o que considera o fluxo de cargas positivas. O sentido real é o devido ao fluxo de cargas negativas (elétrons).

Figura 1 – Partes Principais de um Motor de Passo

Algumas Aplicações dos Motores de Passos

A utilização em larga escala dos motores de passo começou com máquinas de comando numérico (CNC) para produção e mais tarde em periféricos de computador e equipamentos de escritório, quando então, os motores DC ou motores DC sem escovas substituíram o motor de passo nas máquinas de comando numérico. Nesta seção serão examinadas as várias aplicações dos motores de passo.

Periféricos de computador

Este campo é considerado a principal área de aplicação do motor de passo. Há uma grande variedade de periféricos para computadores. A proliferação de desktops e de laptops nos anos 80 estimulou o desenvolvimento de pequenos motores para uso em disk drives (Drives de disquete) e em impressoras. Vejamos alguns dispositivos principais que empregam motores de passo.

Impressoras

Há diversos tipos de impressoras que utilizam motores de passo para várias finalidades. Outros tipos de motores também são usados; por exemplo, varredores poligonais em impressoras a laser utilizam motores DC sem escovas. Entretanto, estas usam os motores de passo para a alimentação de papel, para a rotação do cilindro fotossensível, e para a operação da unidade de agitação do toner. A Fig. 1 mostra a construção e o conceito básicos de aplicações de motores em um tipo de impressora serial de impacto de caracter. Neste tipo de impressora os tipos de fonte e o número dos caracteres são limitados e o nível de ruído é elevado. As impressoras a jato de tinta ganharam terreno nos últimos anos (a Fig. 2 mostra a construção básica). As impressoras a jato de tinta se caracterizam pela elevada velocidade de impressão, baixo ruído e são capazes de imprimir uma variedade de fontes. Os milhares dos caracteres em chinês e japonês podem também ser impressos, apesar da qualidade da cópia ser um tanto inferior àquela obtida pela impressora a laser. Os motores de passo são usados no transporte do cabeçote de impressão e no mecanismo de alimentação de papel em impressoras a jato de bolha, sendo que o movimento do motor é transmitido através de um trem de engrenagens ao eixo principal (veja Fig. 3).

Figura 2 – Construção básica de uma impressora de impacto de caracter

Figura 3 – Construção básica de uma impressora jato de tinta (ink-jet)

Figura 4 – Trem redutor de engrenagens de um pequeno motor de passo para o eixo principal de uma impressora jato de tinta (ink-jet)

Plotters Gráficos

A Fig. 4 mostra um plotter gráfico compacto, também conhecido como plotter XY, fabricado no começo dos anos 80 e a Fig. 5 mostra o sistema de movimentação da caneta para um dos eixos do plotter da Fig. 4. Um cabo de fibra de aço inoxidável revestido de nylon é usado para transmitir o movimento do motor de passo para a caneta. Com este sistema não há nenhuma folga mecânica e o nível de ruído é baixo comparado àquele de um trem de engrenagens. Para obter uma boa qualidade de linha e alta resolução, é usado o acionamento micropasso (microstepping) que será abordado mais adiante.

Figura 5 – Plotter Gráfico da HP9872B

Figura 6 – Mecanismo de um plotter gráfico que utiliza dois motores de passo

Figura 7 – Plotter gráfico para folha A1

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 8 - 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 9 - 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 10 - 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 1 - Motor de Passo Unipolar com quatro fases

Na figura anterior, ainda podemos ver o corte transversal de um motor com um passo de 30 graus. A bobina 1 encontrase 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 anterior, 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.

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