1 Motor de passo

UNIVERSIDADE DE ÉVORA CET Manutenção Industrial

Instalações e Máquinas Eléctricas (100h)

O MOTOR DE PASSO

Martinho Roma

Évora

2010

2 Motor de passo

3 Motor de passo

Índice Geral

Motores de passo electromecânicos

1. Introdução. ……………………………………………………………. 5

2. Tipos de motores de passo. ………………………………………....…. 6

2.1. Relutância variável. …………............……………………....…. 6

2.2. Íman permanente. …………..............……………………...…. 8

2.3. Híbrido. .......................................................................................…. 11

3. Enrolamentos do motor .…………………….......………………….....……. 15

3.1. O motor com 4 fios - Bipolar. ………….....................……………. 15

3.2. O motor com 5 fios - Unipolar. …….........................................……. 15

3.3. O motor com 6 fios. …….................................................………. 16

3.4. O motor com 8 fios. …….................................................………. 16

4. Modos de funcionamento. ……………………......…………...…....…. 17

4.1. Passo completo. ………....………………............................…....…. 17

4.2. Meio passo. ……….............………….......................……....…. 18

4.3. Micro passo. ……….............………….......................……....…. 19

4.4. Estático. ……….............…….............…….......................……....…. 19

5. Considerações sobre o projecto. …………….....………............………....…. 20

5.1. Inductância. ………............................……………………....…. 20

5.2. Rígidez do motor. ………......................………...........…....…. 20

5.3. Aquecimento do motor. ……….....................…………………....…. 20

5.4. Servomotores ou motores de passo. ……….....................…....…. 20

6. Vantagens e desvantagens. ………….………............…………. 22

6.1. Vantagens. ……….............................……………………....…. 22

6.2. Desvantagens. ………..................................………...........…....…. 22

7. Conclusão. …………………………………………………............…………. 23

8. Bibliografia. ……………………………………………………………. 24

4 Motor de passo

Introdução

Os motores de passo são dispositivos mecânicos electromagnéticos que

podem ser controlados digitalmente através de um equipamento específico ou

através de um programa. O ponto forte de um motor de passo, não é a sua força

(binário), nem tampouco a sua capacidade de desenvolver altas velocidades, ao

contrário da maioria dos outros motores eléctricos, mas sim a possibilidade de

controlar os seus movimentos de forma precisa. Os motores de passo encontram-

se nos aparelhos onde a precisão é um factor muito importante.

Os motores de passo são normalmente utilizados em aplicações de baixo

custo, de grande volume, aplicações onde o custo do sensor de posição não é

justificado.

Eles são usados em larga escala nas impressoras, plotters, scanners,

controladores de discos rígidos e muitos outros aparelhos. Existem vários modelos

de motores de passo disponíveis no mercado que podem ser utilizados para

diversos propósitos. Podemos utilizá-los para movimentar: robôs, câmaras,

brinquedos ou até mesmo uma cortina.

Os motores de passo a passo, através da sua tecnologia, têm uma precisão

muito elevada e uma vida útil virtualmente ilimitada. O desgaste mecânico é

praticamente inexistente.

Vários tipos de controladores podem ser considerados quando se

implementa um motor de passo a passo. Os menos dispendiosos, mas não

necessariamente os mais eficazes e certamente os mais complicados, vão utilizar

transístores. O mais sofisticado usará os circuitos integrados dedicados a este tipo

de aplicação.

5 Motor de passo

1. Tipos de motor de passo.

1.1. Relutância variável.

Um motor de passo de relutância variável não possui íman permanente no

rotor. Assim o rotor roda livremente, sem binário residual, quando o motor não

está energizado. O binário para uma dada dimensão da estrutura é restrito, embora

a taxa de binário por inércia seja boa, sendo que este tipo de motor é

frequentemente empregado em aplicações com pequenas dimensões como mesas

de micro posicionamento. Os motores R.V. são pouco utilizados nas aplicações

industriais. Não possuindo íman permanente, eles não são sensíveis à polaridade

da corrente e necessitam um controlador com uma configuração diferente dos

outros tipos de motor de passo. Relutância é a resistência que um material oferece

ao fluxo magnético. Os motores R.V. aproveitam o facto de uma peça de material

ferroso, num campo magnético, alinhar-se sempre com a direcção na qual a

relutância é mínima. A rotação ocorre devido à forca que aparece, para que o

sistema tenha o circuito com menor relutância.

6 Motor de passo

Fig.1, 2 & 3: A rotação no sentido anti-horário pode ser produzida através da

excitação dos enrolamentos do estator na sequência: A B C A B C A...

E a rotação no sentido horário pode ser produzida pela sequência:

A B C A C B A...

Se os enrolamentos, ABCA, são excitados em sequência, o rotor move-se um

passo correspondente a um dente. Assim, para p o número de dentes do rotor, o

ângulo de passo αs é dado por: αs = 360 / 3p = 120 / p

Um motor de passo, de relutância variável, típico tem 8 dentes no rotor o que dá

um ângulo de passo de 15º.

7 Motor de passo

1.2. Íman permanente.

O motor de íman permanente é talvez o tipo de motor mais amplamente

utilizado para as aplicações não industriais. É essencialmente um dispositivo de

baixo custo, baixo binário e baixa velocidade, ideal para aplicações de periféricos

para informática. Desta construção de motor resultam ângulos de passo

relativamente grandes, porém a simplicidade geral permite uma produção em larga

escala e a custo muito baixo. O motor de vão axial ou de disco é uma variação do

projecto de íman permanente que apresenta um melhor desempenho, em grande

medida devido à muito baixa inércia do motor. No entanto, isto restringe as

aplicações do motor às que envolvem baixa inércia caso seja exigido todo o

desempenho do motor.

Fig.4: Motor de passo de relutância variável.

8 Motor de passo

9 Motor de passo

Fig.5 & 6: A rotação horária pode ser produzida através da excitação dos enrolamentos

do estator na sequência: A+ B+ A- B- A+ B+ A-...

E a rotação anti-horária pode ser produzido pela sequência: A+ B- A- B+ A+ B- A-...

Se os enrolamentos A+ B+ A- B- A+ forem excitados em sequência, o rotor mover-se-á

um passo de N pólos do rotor. Assim, se p for o número de N pólos do rotor, logo, o

ângulo de passo αs é dado por: αs = 360 / 4 = 90 p / p

Um típico motor de passo de imã permanente tem 4N pólos dando um ângulo de passo de

22 5 º

Fig.7: Estator de um motor de passo de íman permanente.

Fig.8: Rotor de 24 polos de um motor de passo de íman permanente.

ENROLAMENTO 2

PROTECÇÃO

ROTOR

ENROLAMENTO 1

NORTE

SUL

Rotor de íman permanente cerâmico

NORTENORTE

10 Motor de passo

1.3. Híbrido.

O motor híbrido é, de longe, o motor de passo mais utilizado nas aplicações

industriais. O nome é proveniente do facto de que ele combina os princípios

funcionais dos outros dois tipos de motores (IP e RV). 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”), onde se

empregam ímanes encaixados nas ranhuras entre os dentes para focar o fluxo, o

que propicia um aumento significativo do desempenho, muito embora com um

maior custo.

A

A’

B B’

Rotor de ferro macio + íman permanente

Estator de ferro macio

Fig.9:

N

S

S S

S

N

N N

Estator de ferro macio

11 Motor de passo

Estator de ferro macio

Rotor de ferro macio

Íman permanente

Fig.10:

Fig.11:

A’ B’

B A

N S

S N

N S N S

N S

N S

S N S N

12 Motor de passo

Fig.9, 10 & 11: A rotação anti-horária pode ser produzida através da excitação dos

enrolamentos do estator na sequência:

A+ B+ B- A+ B+ A-...

E a rotação no sentido horário pode ser produzida pela sequência:

A+ B- A- B+ A+ B- A-...

Se os enrolamentos A+ B+ A- B- A+ forem excitados em sequência, o rotor mover-se-á

um passo por dente do rotor. Assim, se p for o número de dentes do rotor, logo, o ângulo

de passo αs é dado por: αs = 360 / 4 = 90 p / p

Um típico motor de passo híbrido tem 50 dentes dando um passo do rotor com um ângulo

de 1,8 º.

A estrutura mais utilizada é a de duas fases constituídas de quatro bobinas

cada, as coroas do rotor têm cinquenta dentes, o que dá duzentos passos por volta.

Fig.12: Motor de passo híbrido.

13 Motor de passo

O rotor é composto por duas coroas dentadas desfasadas de meio passo e

excitadas por um único íman axial gerando o pólo norte numa das coroas e o pólo

sul na outra.

Fig.13: Motor de passo híbrido de 4 fases.

Fig.14: Motor de passo híbrido de 5 fases.

14 Motor de passo

2. Enrolamentos do motor.

4 fios 8 fios5 fios 6 fios

2.1. O motor com 4 fios Bipolar.

No esquema com 4 fios da fig.15 estão representadas 4 bobinas mas o

motor funciona como se tivesse apenas 2 bobinas. Este motor requer que se

alimente uma bobina de cada vez, ou ambas em simultâneo. Em qualquer

momento, o motor tem a metade ou a

totalidade das bobinas alimentadas, o

que tem como vantagem de lhe dar

mais força. Por outro lado é mais

complexo de controlar um motor

bipolar ao nível da potência, uma vez

que é preciso inverter a polaridade

das bobinas.

Fig.15: Configuração interna das bobinas do motor.

15 Motor de passo

2.2. O motor com 5 fios Unipolar.

O motor unipolar é projectado de

modo que a interface de potência seja

bastante simplificada, mas em detrimento

da força. O motor possui duas bobinas com

pontos centrais comuns. Normalmente,

ligam-se esses pontos centrais a um lado da

alimentação, aplicando-se o outro lado da

alimentação a um dos outros 4 fios.

No entanto, é possível ignorar os pontos centrais e ligar o motor unipolar

como um motor bipolar, mas temos de ser mais rigorosos porque, ao contrário do

motor bipolar, aqui as duas bobinas são capazes de interagir uma com a outra.

2.3. O motor com 6 fios.

Com o motor de 6 fios, temos mesmo a escolha de o controlar como um

motor bipolar ou unipolar. No primeiro caso basta ignorar as ligações centrais e no

segundo caso ligam-se os pontos centrais a um lado da alimentação, aplicando-se,

em sequência, o outro lado da alimentação a um dos outros 4 fios.

2.4. O motor com 8 fios.

Com o motor de 8 fios é o que permite uma maior flexibilidade, quanto ao

número de maneiras diferentes de o controlar.

16 Motor de passo

3. Modos de funcionamento.

3.1. Passo completo. (“Full step”)

Os motores de

Ao mudar a corrente do primeiro para o segundo conjunto de bobinas (b),

o campo do estator roda 90 graus e atrai um novo par de pólos do rotor. O

resultado é que o rotor roda 30 graus, o que corresponde a um passo completo.

Voltar para o primeiro conjunto de bobinas de estator, mas alimentando-o na

direcção oposta, implica uma rotação do campo magnético do estator de outros 90

graus, e o rotor roda mais 30 graus (c). Finalmente, o segundo conjunto de bobinas

é alimentado na direcção oposta para dar uma terceira posição. Podemos agora

voltar à primeira condição (a) e após estes quatro passos, o rotor terá rodado um

dente do rotor 120 graus. Este motor simples executa 12 passos (ou etapas) por

volta. Obviamente, se as bobinas forem alimentadas numa sequência contrária, o

motor rodará no sentido oposto.

Fig.16: Passo completo uma fase de cada vez.

17 Motor de passo

Se duas fases são alimentadas ao mesmo tempo, o rotor assume uma

posição intermédia, pois é atraído por duas vezes mais dentes do estator. O rotor

pode fazer um passo completo simplesmente invertendo a corrente num dos

conjuntos de bobinas. Isto provoca uma rotação de 90 graus do campo do estator,

é uma forma adicional de controlar o motor em passo completo.

3.2. Meio passo. (“Half step”)

Fig.17: Passo completo duas fase ao mesmo tempo.

Fig.18: Meio passo.

18 Motor de passo

Ao alimentar, alternadamente, um conjunto e em seguida os dois, o rotor

roda 15 graus a cada etapa e o número de passos por rotação é duplicado. Este

modo é chamado de "meio passo", e a maioria das aplicações industriais usa este

modo. Mesmo que às vezes conduza a uma ligeira perda de binário, o modo meio

passo é muito mais suave em baixas velocidades, e é observada menos ressonância

no fim de cada passo.

3.3. Micro passo. (“Microstepping”)

Numa extrapolação do princípio do meio passo, deduzimos que seria

possível cortar um passo completo em tantos passos quanto desejássemos. No

limite, poder-se-ia controlar um motor de passo com correntes alternadas

sinusoidais. Deslocando lentamente a posição de equilíbrio.

O controlador é que dá ao motor a correcta alimentação e fases, é este

dispositivo que contém a função de micro passos. A posição do rotor entre os dois

pólos do motor é afectada pela variação da corrente entre os mesmos. Se o

controlador dá 50% da corrente a cada pólo, o rotor ficará exactamente a meio

caminho entre os pólos, oferecendo portanto meio passo. Muitos controladores

podem oferecer 1000 ou mais passos, aumentando assim consideravelmente a

resolução. Tenha cuidado, os micro passos têm um efeito negativo na curva de

binário dos motores de passo, reduzindo o binário até 30%.

3.4. Estático.

É uma característica dos motores de passo quando os enrolamentos são

alimentados de maneira permanente (sem comutação de passo), neste caso

apresenta-se um binário estático que é o binário ao qual o motor pode resistir

quando está parado.

19 Motor de passo

4. Considerações sobre o projecto.

4.1. Indutância.

Os motores de passo são classificados pela variação do grau de indutância.

Um motor de alta indutância irá fornecer um binário maior nas baixas rotações e

binário mais baixo nas altas rotações.

4.2. Rigidez do motor.

Os motores de passo, por construção, tendem a funcionar rígidos.

Reduzindo, numa pequena percentagem, a corrente de alimentação do motor irá

suavizar a rotação. Da mesma forma, aumentando a corrente do motor irá

aumentar a rigidez, mas também irá fornecer mais binário. A escolha certa entre o

binário, a velocidade e a resolução é a principal consideração na concepção de um

sistema com motor de passo.

4.3. Aquecimento do motor.

Os motores de passo são concebidos para funcionar quentes (50º a 90º C).

No entanto, demasiada corrente pode provocar aquecimento excessivo e danos no

isolamento do motor e nos rolamentos.

4.4. Servomotores ou motores de passo.

Quais são as diferenças básicas entre uma aplicação servo e uma de passo?

Como é que nós podemos escolher uma em detrimento da outra? Vamos tentar

oferecer uma explicação, não técnica, simples, das diferenças entre essas

tecnologias de posicionamento e tentar desmistificar o assunto, colocando em

linha recta muitos equívocos.

4.4.1. Comparação de binário entre os motores de passo e os servos.

Muitas pessoas acreditam que os motores de passo não têm a capacidade de

binário dos servomotores. Isto não é necessariamente verdadeiro. O binário

nominal de um motor de passo é muito semelhante ao de um servo com uma

estrutura de tamanho semelhante. Claro que um servo tem um tempo adicional de

avaliação do pico dependente do binário e a sua curva de velocidade é

consideravelmente mais flexível e tem mais desempenho do que a de um motor de

20 Motor de passo

passo. Se uma solução com motor de passo for correctamente dimensionada, ela

vai oferecer uma alternativa real, de baixo custo, à de uma com servo.

4.4.2. Boas aplicações para os motores de passo.

Os servos motores nem sempre são a melhor opção de desempenho para

uma aplicação. A estrutura de um motor de passo significa que as posições são

passos distintos no seu ciclo de revolução. Se uma aplicação requer uma muito

boa estabilidade de posição parada, por exemplo, um sistema de posicionamento

de visão, um motor de passo vai ser sempre melhor do que um servo. Os

servomotores ressoam de frente para trás na posição parada, os motores de passo

têm uma posição parada muito estável.

4.4.3. Quando é que um servo não é um servo?

O termo servo, muitas vezes refere-se a um sistema com realimentação de

malha fechada, portanto, um servo motor é realmente apenas um servo, quando

acoplado a uma unidade de controlo de malha fechada. Isto também significa que

qualquer tipo de motor pode constituir um sistema servo. Os servos de baixo custo

utilizam motores de passo para dar toda a funcionalidade de um servo a 50% do

custo apenas com o único inconveniente da velocidade.

4.4.4. O que devemos ter em conta para uma aplicação com motor de passo.

Certas características de um motor de passo exigem uma cuidadosa

selecção das aplicações. A curva de binário de um motor de passo é muito curta

com rotações elevada, levando a uma queda no binário bastante rapidamente.

Velocidades muito baixas com o motor de passo também oferecem um baixo

binário, portanto, as aplicações verticais, onde o motor tem uma carga

estacionária, muitas vezes não são adequadas para o motor de passo. As aplicações

que exigem uma velocidade muito suave e constante também são difíceis para os

motores de passo devido à ressonância criada pela frequência dos passos, o que no

entanto muitas vezes pode ser melhorado através de micro passos ou com o

controlo de malha fechada

21 Motor de passo

5. Vantagens e desvantagens.

5.1. Vantagens.

Deslocamento angular directamente proporcional ao número de impulsos

nos enrolamentos.

Erro angular por passo muito pequeno e não cumulativo.

Funcionamento em malha aberta

Funcionamento em baixíssima frequência.

Posição estática sem travão.

Baixo custo.

Vida útil muito grande.

5.2. Desvantagens.

Risco de perda de passos (e, portanto, disfuncionamento do controlo de

posição) em caso de distúrbio anormal, incluindo de carga ou de frequência

excessiva, sobretudo no que diz respeito ao binário de inércia das partes rotativas

(ou da massa deslocada).

Consumo de energia anormalmente elevado, desenvolvido por um esforço

tanto no momento do deslocamento, como também durante a paragem. O

resultado é uma alimentação mais cara e um motor maior.

Vibrações, que produzem muitas vezes ruído (excepto com controlo micro

passo).

22 Motor de passo

6. Conclusão.

Para compensar todos os problemas inerentes ao comando com motor de passo,

algumas melhorias muitas vezes complexas têm sido implementadas (funcionamento em

malha fechada com sensor de posição, controlo com micro passo...). Encontramos então

sistemas electromecânicos muito semelhantes aos sistemas convencionais sem escovas

(motores servo), tirando o facto de que eles operam estruturas electromagnéticas um

pouco particulares mas que não mudam muito o resultado final.

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7. Bibliografia.

OGUIC Patrice, (2004), Moteurs pas-á-pas et PC, Paris: DUNOD, pp185.

HANSELMAN Duane, (2006), Brushless permanent magnet motor design, Lebanon Ohio:

Magna Physics Publishing, pp411.

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Institution of Engineering and Technology, pp171

MULTON Bernard, Moteur pas á pas, École normale supérieure Cachan,

Sítio na Internet: http://www.geea.org/IMG/pdf/Moteurs-pas-a-pas_BM_2006.pdf.

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Sítio na Internet: http://www.ams2000.com/stepping101.html.

SOUZA Paulo, Motor de Passo,

Sítio na Internet: http://www.ebah.com.br/motor-de-passo-pdf-pdf-a5479.html.