GENERALIDADES SOBRE OS MODERNOS MOTORES DE PASSO
Já abordamos o desenvolvimento histórico dos motores de passo e a conexão com a
tecnologia do controle numérico. Nesta seção, serão vistos os aspectos gerais dos vários
tipos de motores de passo utilizados hoje em dia, suas estruturas e princípios fundamentais.
Serão definidos e estudados também os termos técnicos usados na literatura referentes ao
assunto.
Sistemas de controle em malha aberta
Em geral, os motores de passo são operados por circuitos eletrônicos, na maioria das vezes
com uma fonte de alimentação DC. A esse respeito, o motor de passo é um motor original
em comparação aos motores normais de C.C. ou de C.A., que são, na maioria das vezes,
acionados diretamente de uma fonte de alimentação. Além disso, motores de passo
encontram aplicação em controle de posição e velocidade sem custos adicionais de
realimentação. Este método de acionamento é conhecido como controle em malha aberta.
Esta seção tratará dos fundamentos do controle em malha aberta para motores de passo. Os
detalhes dos circuitos eletrônicos para operação em malha aberta serão discutidos numa
seção futura.
Embora o controle em malha aberta seja um método de acionamento vantajoso do
ponto de vista econômico, não está livre de algumas limitações. Por exemplo, a rotação do
rotor torna-se oscilatória e instável em certas faixas de velocidade e, devido a esta
característica de comportamento, a velocidade e aceleração de um motor de passo,
controlado em malha aberta, não podem ser controladas tão rapidamente quanto num motor
DC acionado num esquema de realimentação. Assim, para tentar expandir a faixa de
aplicação, a supressão das oscilações é um problema fundamental a ser resolvido. O
controle em malha fechada, um método de acionamento muito eficaz, que é livre de
instabilidade e capaz de rápida aceleração, será discutido futuramente.
Configuração do sistema
Para compreender a configuração fundamental do sistema de acionamento de motor de
passo, vamos examinar o acionamento de um perfurador de fita que é empregada em
máquinas de controle numérico. Um perfurador da fita usa um motor de passo para puxar a
fita de papel (Fig. 1). As instruções de operações para máquinas de controle numérico são
armazenadas na forma de perfurações feitas por este dispositivo. O sistema de acionamento
da fita é mostrado na Fig. 2. Como será explicado mais tarde, o motor de passo usado para
esta finalidade é geralmente um motor de duas, três ou quatro fases. Aqui vamos examinar
um motor trifásico que tem três conjuntos de enrolamentos.
A característica fundamental do motor de passo é que ele gira com um ângulo fixo
para cada pulso aplicado ao controlador lógico. O valor nominal deste ângulo (graus) é
conhecido como ângulo de passo.
Após receber um pulso de comando de passo, o controlador lógico determina a
fase a ser excitada (ou energizada) e a fase a ser desenergizada, e envia sinais ao acionador
do motor que é o estágio que controla a corrente entregue ao motor. O controlador lógico é
geralmente montado com chips de circuito integrado com tecnologia TTL ou CMOS.
Quando o potencial de um canal de saída do controlador lógico estiver no nível H (= high),
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o acionador de potência excitará a fase correspondente do enrolamento. Da mesma forma,
se a saída estiver no nível L, a fase de mesmo número não será excitada, ou será desligada.
Como mostra a Fig. 3, se o motor funcionar no sentido horário (CW) na seqüência de
excitação 1 → 2 → 3 → 1 , o sentido da rotação será anti-horário (= CCW) na seqüência
invertida de 1 → 3 → 2 → 1 . No sistema perfurador de fita a seqüência é geralmente
utilizada para puxar a fita num sentido somente. Em geral, não há nenhuma regra
estabelecida para definir qual é o sentido horário ou anti-horário, para um motor girando no
sentido horário, quando visto de uma extremidade, parece girar no sentido anti-horário se
visto da outra extremidade. O sentido da rotação é definido geralmente de acordo entre
partes envolvidas.
Fig. 1 - Perfurador de fita.
Fig. 2 – Sistema de acionamento de um motor de passo. O controlador lógico, na realidade,
é montado no acionador (driver).
2
Fig. 3 – Série de pulsos de entrada e seqüência de excitação.
Nesse texto, as fases são denotadas por Phl, Ph2, Ph3, etc. ou por PhA e PhB para
alguns motores bifásicos. A excitação usada na Fig. 3 é conhecida como excitação em
única fase, que significa que, em qualquer instante de tempo, somente uma fase entre as
três (ou entre as quatro, em um motor quadrifásico) está energizada. A excitação em única
fase é utilizada freqüentemente para explanar os princípios fundamentais do motor de
passo. Mas, este não é sempre o melhor método de acionamento. Detalhes desta questão
serão discutidos brevemente.
Passo e incremento
Os dados são gravados em oito trilhas sobre a fita; isto é, pode haver oito furos de sinal por
linha. Além disso, entre as terceiras e quartas fileiras de furos de sinal, há um trem de furos
de guia onde os dentes da roda dentada (sprocket) se acoplam. As linhas situam-se em
intervalos de um décimo de polegada (= 2,54 milímetros). O armazenamento de dados em
uma fita perfurada, utilizando-se um perfurador manual ou automático, é realizado
avançando a fita de 2,54 milímetros, seguido de uma parada para que uma linha seja
perfurada, e avançando, então, outra vez, com outros 2,54 milímetros, seguindo-se de nova
parada, e assim por diante. A maneira mais simples de avançar a fita através de uma linha é
aplicar um único pulso ao controlador lógico, acionando o motor com um passo, fazendo a
roda dentada girar de um ângulo equivalente a um passo, e assim avançando a fita de 2,54
milímetros. Mas, um outro método de acionamento do motor de passo faz com que
revolucione diversos ângulos de passo para avançar a fita de uma linha. Por exemplo, um
motor quadrifásico de 1,8o de ângulo de passo poderia ser empregado para avançar um
passo de linha da fita com quatro passos. O diâmetro da roda dentada seria reduzido para
um quarto, e em conseqüência, a inércia da roda dentada seria reduzida (1/4)4 = 1/256 vezes
comparada com a usada no método de um passo de movimento. O aluno está convidado a
calcular qual será o diâmetro da roda dentada para avanço de linha de 2,54 milímetros, num
único movimento de 1,8o, ou em quatro movimentos de 1,8o. Quais as inércias das rodas?
O movimento único de avanço da fita de papel através de um passo da linha, 2,54
milímetros no caso acima, é freqüentemente chamado um incremento. Um incremento é
realizado em um único passo no primeiro exemplo, e em quatro passos no último exemplo.
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No sistema descrito na Fig. 2, o motor para, por um determinado período de tempo, após ter
terminado um incremento de movimento, permitindo que a fita seja perfurada, e este ciclo
se repete. Este tipo de movimento consistindo de partidas e paradas sucessivas é chamado
movimento incremental, e o controle relacionado a este tipo de operação é chamado de
controle de movimento incremental. As Figs. 4 e 5 mostram a relação total entre os passos e
a operação incremental. A Fig. 4 ilustra a relação entre o ângulo do rotor e os pulsos
aplicados ao controlador lógico, para baixas freqüências de acionamento, e é o caso em que
um incremento do movimento é executado em um único passo. A Fig. 5 mostra os casos
em que um incremento é executado em dois ou quatro passos. A resposta de um único
passo é geralmente oscilatória como mostra a Fig. 4. Quando um movimento é realizado
por diversos pulsos em intervalos apropriados, a resposta pode não oscilar. É também
possível amortecer a oscilação da resposta de um único passo por meio de um circuito
eletrônico. Esse assunto será abordado brevemente.
Fig. 4 – Ângulo do rotor e série de pulsos para o caso de baixa freqüência.
Fig. 5 – Movimento incremental livre de oscilações com mais de um pulso.
O número de passos por incremento é freqüentemente mais de quatro, por
exemplo, em uma leitora de fita (Fig. 6). Quando os dados de uma fita são transferidos ao
controlador de uma máquina de controle numérico a operação é implementada bloco a
bloco. Um bloco de dados é composto de um número linhas ou bytes, por exemplo, 32, 48,
ou 64 linhas, e este número pode variar dependendo do sistema ou do caso. Antes que a
ferramenta comece a se mover, um bloco de dados é transferido para a memória a estado
sólido do controlador, e a ferramenta é forçada a se mover de acordo com as instruções do
primeiro bloco de dados. Depois que estas instruções são completadas, o bloco seguinte de
dados é lido pela cabeça de leitura da leitora de fita. Se o sistema estiver projetado para
avançar um passo de linha em um único passo, e se o bloco é composto de 32 linhas ou
bytes, um movimento será composto de 32 passos. Se o avanço do passo de linha é
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realizado em quatro passos, um incremento do movimento é executado em 128 passos para
transmitir 32 bytes de dados. Se um movimento ou incremento envolver múltiplos passos
um outro estágio deve ser colocado antes do controlador lógico. O estágio para esta função
é denominado controlador de entrada. O controlador de entrada, após receber um sinal de
entrada, envia ao controlador lógico um trem com um certo número de pulsos em intervalos
de tempo apropriados.
Fig. 6 – Leitora de fita.
Características dos motores de passo do ponto de vista da aplicação
Vamos focalizar as características de controle em malha aberta dos motores de passo, e
explicar alguns termos técnicos.
Como conseguir pequenos ângulos de passo
Um motor de passo gira com um ângulo fixo para cada pulso. Como explicado
anteriormente, o valor nominal deste ângulo é chamado ângulo de passo ou comprimento
do passo[1] e é expresso em graus. A diminuição do ângulo de passo aumenta a resolução de
posicionamento. Uma característica dos motores de passo é que eles podem ser construídos
para realizar um pequeno ângulo de passo. Os engenheiros estão interessados num número
de passos por revolução, que é denotado por S neste texto e, obviamente, o ângulo de passo
θ s relaciona-se com S da seguinte forma:
θ s = 360 / S .
(1)
Para motores de relutância variável, S relaciona-se com o número de dentes do
rotor ( N r ) e com o número de fases, m, de acordo com:
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S = mN r .
(2a)
Para os motores a ímã permanente e híbridos, a serem discutidos mais adiante,
S = 2mN r .
(2b)
Números típicos de fases dos motores de relutância variável são 3, 4, e 5 fases, e o
motor híbrido mais popular é o bifásico, mas os de três e cinco fases estão disponíveis
também. Os exemplos de um grande número dentes do rotor, N r , são 50 ou 100.
Os motores projetados para o uso em acionamento de rodas de caracteres (veja
Fig. 7) em uma impressora ou máquina de escrever são de 96, 128, ou 132 passos por
revolução. Um motor padrão de duas ou quatro fases têm 200 passos. Alguns motores de
precisão são projetados atingir uma volta com 500 ou 1000 passos. Entretanto, os ângulos
de passo em alguns motores simples são tão grandes quanto 7,5o, 15o, e um motor especial
usado em um relógio de pulso têm um ângulo de passo de 180o.
Fig. 7 – Roda de caracteres.
Torques elevados de manutenção e de restauração
Os motores de passo são projetados para gerar alto torque estático. Isto permite o motor
partir e parar rapidamente possuindo alto torque de restauração, quando ocorre, devido a
um torque de carga, um deslocamento a partir de uma posição de repouso. Como será
discutido mais tarde, o espaço aéreo (air-gap) entre o rotor e os dentes do estator é
projetado para ser tão pequeno quanto possível. Usam-se freqüentemente os termos torque
de manutenção e torque de retenção relacionados com torque estático. As definições para
estes termos são as seguintes:
1. Torque de manutenção (Holding). Definido como o máximo torque estático que
pode ser aplicado ao eixo de um motor excitado com corrente nominal num modo
específico, sem causar rotação contínua.
2. Torque de retenção (Detent). Definido como o máximo torque estático que pode ser
aplicado ao eixo do motor sem excitação, sem causar rotação contínua.
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Em geral, quanto maior o torque de manutenção, menor o erro da posição devido
à carga (veja a seção: especificação das características de motores de passo). Teoricamente,
o torque de manutenção é independente da(s) fase(s) que está(ão) excitada(s). Percebidas
variações visíveis, o torque de manutenção de um motor será o mínimo dos torques
estáticos medidos de todos os casos possíveis, por exemplo, três casos em um motor
trifásico (abordaremos essa questão futuramente).
O torque de retenção aparece somente em um motor que tem um ímã permanente.
Erro de posição não acumulativo
A precisão do posicionamento é um fator importante que determina a qualidade de um
motor de passo. Os motores de passo são projetados de modo que girem com um ângulo
predeterminado de passo em resposta a um sinal de pulso (ou comando de passo) e venham
repousar em uma posição precisa. Uma vez que a precisão sem carga depende da precisão
física do rotor e do estator, o erro de posicionamento não é acumulativo.
Com relação às posições em que o rotor para de se mover tem-se dois conceitos:
1. Posição de repouso ou posição do equilíbrio. Definida como a posição em que um
motor excitado repousa, sem carga.
2. Posição de retenção. Definida como a posição em que um motor, que tem um ímã
permanente em seu rotor, repousa, sem excitação e sem carga.
As posições de repouso e de retenção não são sempre as mesmas. Em algumas
aplicações as posições de retenção são utilizadas para posicionamento, sem excitação das
fases, com vistas à economia de energia.
Fig. 8 - Exemplos de precisão de posição e erro de posição de passo.
Tem-se dois conceitos para o erro de posicionamento, como segue:
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1. Erro de posição de passo. Definido como o módulo do maior erro de posição
angular estático, em relação ao ângulo de passo nominal, que ocorre quando o rotor
se move de uma posição de repouso para a seguinte.
2. Precisão de posição. Definido como a diferença entre o maior e o menor erro de
posição angular acumulado para uma rotação do rotor partindo de uma posição de
repouso de referência.
Vamos investigar a relação entre estes dois tipos de erros de posicionamento
através de um exemplo modelo envolvendo um motor bifásico de 24 passos/rev. As
posições de equilíbrio são medidas primeiramente com a posição de partida como
referência, e, como mostra a Fig. 8(a), os desvios angulares acumulados, assinalados por
uma bolinha vazia (o), são conectados por linhas retas para obter um gráfico de segmento.
A precisão de posição, que é 0,15o nesta amostra, é definida como a máxima distância
vertical entre bolinhas vazias. Nesse caso, a precisão de posição pode também ser definida
como ± 0,075 o , mas esse nem sempre é o caso.
As diferenças passo a passo com relação ao ângulo de passo nominal são
assinaladas por uma bolinha preta (•) . Estas bolinhas pretas assinalam a diferença entre o
ângulo de passo lido e a posição nominal de passo. O pico positivo ou negativo é o erro de
posição de passo, e neste caso é 0.11o como mostra a figura.
A Fig. 8(a) mostra o caso mais geral em que o espalhamento da precisão de
posição é maior que o erro de posição de passo. Entretanto, como indica a Fig. 8(b), os dois
erros são idênticos quando o desvio máximo positivo e o desvio máximo negativo ocorrem
em posições adjacentes.
Como visto neste exemplo, os erros de posição, para cada quatro passos, têm
valores semelhantes. Teoricamente, se o rotor é perfeitamente simétrico com relação ao
centro e se o passo dos dentes não apresentam variação, o erro de posição mostrará um
padrão que se repete para cada quatro passos.
Comportamento dinâmico excelente devido à elevada relação torque/inércia
É desejável que um motor de passo se mova tão rapidamente quanto possível em resposta a
um pulso ou a um trem de pulsos de entrada. Não somente exige-se para um motor de passo
uma partida rápida, mas, também, uma parada rápida. Se o trem de pulsos é interrompido
quando o motor está rodando, o motor deve ser capaz de parar na posição especificada pelo
último pulso. Estas características dinâmicas excelentes são devidas a uma elevada relação
torque/inércia do rotor, em um motor de passo, em comparação aos motores c.a.
convencionais.
A velocidade de rotação de um motor de passo é dada em termos do número de
passos por segundo, e o termo taxa de passo (do inglês, stepping rate) freqüentemente é
utilizado para indicar velocidade. Uma vez que, na maioria dos casos, o número dos pulsos
aplicados ao controlador lógico é igual ao número de passos, a velocidade pode ser
expressa em termos da freqüência de pulsos. Aqui, o hertz (Hz) é usado como unidade da
taxa de passo, embora p.p.s. (ou os pulsos por segundo) e passos por segundo sejam
bastante usadas.
A taxa de passo não especifica a velocidade absoluta. A velocidade de rotação dos
motores convencionais c.c. ou c.a. é geralmente medida em termos de revoluções por
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minuto (ou RPM). Não é razoável usar 60s para medir a velocidade de um motor onde
requer-se rápida aceleração e desaceleração, mas a velocidade em RPM, a taxa de passo, e a
velocidade em passos por revolução estão relacionadas pela seguinte expressão:
n = 60 f / S ,
(3)
onde n é velocidade de rotação em RPM, f é taxa de passo em Hz e S é a velocidade em
passos/rev. Na maioria das aplicações, como o movimento do motor é convertido através de
uma correia ou engrenagens, a velocidade absoluta não é de fundamental importância. Mais
importante é saber quão rapidamente um motor é capaz de seguir o comando do
movimento.
Classificação dos motores de passo
Existe ma grande variedade de motores elétricos e o motor de passo possui diversas
classificações de acordo com o tipo da estrutura da máquina e o princípio de operação.
Motor de Relutância Variável (RV)
O motor de passo de relutância variável, ou motor RV, pode ser considerado como
sendo o tipo básico de motor de passo. A estrutura interna de um motor RV é ilustrada na
Fig. 9. A seção transversal de um motor simples desta categoria é ilustrada na Fig. 10 para
facilitar a explanação dos princípios básicos do motor. Este é um motor trifásico que tem
seis dentes salientes no estator. Quaisquer dois dentes opostos do estator, que estão
defasados em 180o um do outro, pertencem à mesma fase; isto é, as bobinas de cada um dos
dentes opostos estão conectadas em série ou em paralelo (na figura estão conectadas em
série). O rotor tem quatro dentes. O núcleo do estator e do rotor é feito normalmente do aço
silício laminado, mas os rotores sólidos de aço silício são empregados extensivamente. Os
materiais tanto do estator como do rotor devem ter alta permeabilidade e permitir que um
elevado fluxo magnético passe através deles mesmo sob fraca força magnetomotriz.
Fig. 9 – Vista em corte de um motor RV de única pilha (cortesia MINEBEA Co. Ltda).
Verifiquemos se os dois dentes do estator em uma fase devem ter a mesma
polaridade magnética ou polaridades opostas. Vamos supor nesse exemplo, embora isto
tenha conexões com outras questões, que os dois dentes tenham polaridades opostas.
Assim, na Fig. 10, os dentes 1, 2, e 3 formam o pólo norte e aos dentes 1', 2', e 3' o pólo sul,
sob excitação.
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Fig. 10 – Modelo da seção transversal de um motor de passo RV trifásico e arranjo das
bobinas.
A corrente em cada fase é controlada no modo liga/desliga pelas suas chaves
respectivas. Se uma corrente é aplicada às bobinas da fase Phl, ou, em outras palavras, se
Ph1 for excitada, o fluxo magnético ocorrerá como mostra a Fig. 11. O rotor será
posicionado, então, de modo que os dentes 1 e 1' do estator e quaisquer dois dentes do rotor
estejam alinhados. Assim, quando os dentes do rotor e do estator estão alinhados, a
relutância magnética é minimizada, e este estado fornece uma posição de repouso ou de
equilíbrio. Se o rotor tende a se mover afastando da posição de equilíbrio devido a algum
torque externo aplicado ao eixo do rotor, um torque de restauração será gerado como
mostra a Fig.12. Nesta figura, o torque externo é aplicado para girar o rotor no sentido
horário e o rotor é deslocado no mesmo sentido. Isto resulta na deformação das linhas de
fluxo do campo magnético nas bordas dos dentes do estator e do rotor. Conhecido como
tensão de Maxwell, as linhas magnéticas de intensidade têm uma forte tensão, ou em outras
palavras, as linhas do campo magnético têm a tendência de tornarem-se tão curtas e retas
quanto possível (como molas elásticas). Na Fig. 12 este efeito é observado nas bordas dos
dentes, criando um torque contrário, no sentido anti-horário, para restaurar o alinhamento
com o dente do estator.
Fig. 11 – Posição de equilíbrio com Ph1 excitada.
Fig. 12 – A deformação das linhas de fluxo magnético causam torque.
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