UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
Câmpus Ponta Grossa
Coordenação do Curso Superior de Tecnologia em
Automação Industrial
Jhonathan Junio de Souza
Motores de Passo
Trabalho apresentado à disciplina
de Máquinas Elétricas, como
parte da avaliação do 3° período
letivo do Curso Superior de
Tecnologia
em
Automação
Industrial.
Prof. Gabriel
Ponta Grossa
Junho/2011
Sumário
Introdução ..................................................................................................................................... 2
1.
Motores de Passo .............................................................................................................. 3
1.1 Construção .......................................................................................................................... 3
2.
Funcionamento: ................................................................................................................ 4
2.1 Passo completo (full-step)................................................................................................... 4
2.2 Meio passo (half-step)......................................................................................................... 4
2.3 Micropasso .......................................................................................................................... 5
3.
Tipos de Motores de Passo ............................................................................................... 5
3.1 Relutância Variável .............................................................................................................. 5
3.2 Imã permanente .................................................................................................................. 6
3.3 Híbrido ................................................................................................................................. 6
4.
Formas de Operação ......................................................................................................... 7
4.1 Motor de Passo Unipolar .................................................................................................... 7
4.2 Motor de passo Bipolar ....................................................................................................... 8
5.
Controle ............................................................................................................................. 8
6.
Aplicações........................................................................................................................ 11
Conclusão .................................................................................................................................... 12
Referências .................................................................................................................................. 13
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Introdução
No trabalho a seguir será descrito o funcionamento do motor de passo,
um tipo de motor utilizado em variadas aplicações onde se exige alta precisão
em posicionamento e velocidade controlada.
Primeiramente há um estudo sobre sua construção e funcionamento,
abordando as características físicas e elétricas do dispositivo. Depois serão
explicadas as diferentes formas de trabalho com suas principais vantagens
perante as outras. Logo após é comentado sobre os tipos de motores de
passos quanto ao regime de operação e a seguir algumas formas de controle e
suas aplicações.
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1. Motores de Passo
Motor de passo é um tipo de motor elétrico que é acionado através de
sinais digitais, ou seja, não produz movimento quando se impele em seus
terminais uma alimentação contínua.
Os motores elétricos se baseiam na força de Lorentz aplicada em uma
carga em movimento dentro de um campo magnético. Uma espira qualquer
imersa em um campo magnético, quando percorrida por uma corrente cria duas
forças de sentidos opostos, seguindo a regra da mão direita. Essas duas forças
de sentidos opostos fazem a espira girar.
Diferentemente, o motor de passo funciona através de pulsos aplicados
em seus terminais, tais pulsos polarizam suas bobinas de maneira que o rotor
se alinhe com o campo magnético, criando variações angulares, chamadas de
passos. Esta característica concede ao motor de passo uma grande precisão
de ajuste de posicionamento, tornando altamente recomendável para
aplicações que necessitem deste tipo de atributo.
1.1 Construção
Motores de passo basicamente possuem duas partes: o rotor, que é o
conjunto eixo/imã que integra a parte móvel do motor e o estator, parte fixa
onde as bobinas são enroladas. Diferente dos motores DC, não possui escovas
e tão pouco um comutador, o que o torna vantajoso em relação a manutenção,
já que estes dois elementos exigem alta manutenção.
Figura 1.a Rotor
Figura 1.b Estator
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2. Funcionamento:
Como dito anteriormente, os passos do motor são variações angulares
causadas pelo alinhamento do rotor com o campo magnético criado pelas
bobinas acionadas. A velocidade e o sentido de rotação são determinados pela
frequência de acionamento das bobinas. O número de passos do motor
depende do número de polos que o mesmo possui.
Um motor de passo pode funcionar em regime de passo completo, meio
passo ou em micropasso.
2.1 Passo completo (full-step)
Ao funcionar com passo completo, a resolução de passo e o torque são
menores, também consume menos energia. A figura 2 ilustra o funcionamento
como passo completo:
Figura 2 Passo Completo
2.2 Meio passo (half-step)
Quando funciona com meio passo a resolução de passo é maior e o
torque aumenta, em contrapartida há mais consumo de energia, pois existe um
maior acionamento das bobinas. O controle para um movimento de meio passo
também se torna mais complexo. A figura 3 demonstra o funcionamento de um
motor em regime de meio passo:
5
Figura 3 Meio Passo
2.3 Micropasso
Além do meio passo e do passo completo também existe o micropasso.
Muito menos utilizado do que os outros dois, o micropasso funciona com
modulação PWM acionando as bobinas, isto gera um movimento mais suave e
uma resolução de passo altamente superior.
3. Tipos de Motores de Passo
Quanto a estrutura, os steppers podem ser classificados em: Relutância
Variável, Imã Permanente ou Híbrido. Está divisão leva em conta o estrutura do
rotor.
3.1 Relutância Variável
Possui um rotor de material ferromagnético, com múltiplos dentes,
semelhante a uma engrenagem. Quando as bobinas são acionadas os dentes
do rotor são atraídos pelos polos energizados. Apresenta torque estático nulo,
baixa inércia de rotor e não pode ser utilizado como carga inercial grande.
6
Figura 4 Motor de passo de Relutancia Variavel
3.2 Imã permanente
Seu rotor é constituído de imãs permanentes, e não é dentado. Possui
uma melhor característica de torque comparado ao motor de relutância
variável, mas em contrapartida tem uma resolução inferior.
Figura 5 Motor de Passo com imã Permanente
3.3 Híbrido
Motores de passo Híbridos juntam as características dos dois tipos
anteriores. São mais custosos, porém tem melhor resolução que os motores de
imã permanente e também tem melhor desempenho de torque e velocidade
comparados aos motores de relutância variável. Possui um rotor multidentado
com um imã permanente ao redor de seu eixo.
7
Figura 6 Motor de Passo Híbrido
4. Formas de Operação
Podemos também dividir os motores de passo em Unipolares, Bipolares.
Motores Unipolares possuem um fio comum, e geralmente tem 5 ou 6 fios.
Motores Bipolares possuem 2 bobinas e 4 fios geralmente e necessitam de um
sistema de controle mais complexo.
4.1 Motor de Passo Unipolar
São compostos de duas bobinas cada qual com uma derivação central
que podem ou não ser conectadas dentro do motor. Esta derivação central é
conectada a alimentação e os terminais das bobinas são aterradas
alternadamente seguindo a sequencia de acionamento. A direção da corrente
depende de qual lado da bobina esta energizado, ou seja, uma metade da
bobina funciona como polo sul e outra como polo norte.
Figura 7 Motor de Passo Unipolar
8
4.2 Motor de passo Bipolar
Como dito acima, os motores Bipolares possuem 2 bobinas e 4 fios. Por
não possuírem uma derivação central a corrente passa por toda a bobina.
Como consequência o torque é maior, mas o circuito de acionamento é mais
complicado, por se tratar de uma corrente bidirecional, diferente do motor
unipolar. É necessário o uso de uma circuito em ponte H para o acionamento
de um motor bipolar.
Figura 8 Motor de Passo Bipolar
Há também o motor bifilar, que é idêntico aos anteriores, exceto pelo fato
de ter bobinas enroladas em paralelo. Os bifilares podem ser acionados tanto
como unipolares como bipolares. Quando os dois fios de cada bobina são
conectados em série e o ponto de conexão é usado como derivação central,
temos um motor unipolar. Quando dois fios de cada bobina são conectados em
série ou em paralelo, o motor funcionará como um motor bipolar. Em paralelo
permite-se alta corrente, em série, permite alta tensão.
Figura 9 Motor de Passo Bifilar
5. Controle
Igual discutido anteriormente, os motores de passo são acionados através
de pulsos elétricos em seus terminais. Tais pulsos devem seguir uma
sequência adequada, para que o dispositivo seja chaveado de maneira correta
e possa executar o movimento desejado. Deve-se atentar aos valores de
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tensão e corrente presentes no circuito de potência, e tomar cuidado para que
as correntes drenadas do circuito controlador não sejam elevadas e causem a
queima do dispositivo.
Existem varias formas de se acionar um motor e passo. A seguir serão
descritas algumas sequências de chaveamento das bobinas.
•
Passo inteiro:
B1
1
0
0
0
•
•
B2
0
1
0
0
B3
0
0
1
0
B4
0
0
0
1
Passo inteiro (configuração de maior torque):
B1
1
0
0
1
B2
1
1
0
0
B3
0
1
1
0
B4
0
0
1
1
B1
1
1
0
0
0
0
0
1
B2
0
1
1
1
0
0
0
0
B3
0
0
0
1
1
1
0
0
B4
0
0
0
0
0
1
1
1
Meio Passo:
Depois da definição da sequência de chaveamento podemos partir para o
circuito de potência. Existem circuitos integrados que podem ser usados no
acionamento, como o CI ULN2003 (7bit, 50V, 500mA, TTL-input, NPN
darlington driver), ele funciona como um amplificador. A vantagem do seu uso é
eliminar da ponte H, mas a sequência de pulsos deve ser criada através de um
controlador.
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Figura 10 CI ULN 2003
Outra maneira de se acionar um motor de passo é através de um
contador, como o CD4017 (Contador Johnson CMOS), que pode fazer o papel
do microcontrolador na questão da geração dos pulsos. Neste caso ele apenas
chaveia o circuito de potência.
A desvantagem do circuito a seguir, é o fato de não e poder escolher o
sentido de rotação do motor de passo.
Figura 11 Contador CD4017
Abaixo há um circuito mais implementado de controle de um motor de
passo. Este circuito opera com um clock produzido pelo LM555, que pode ser
variado, resultando na variação de velocidade do motor. Também é usado um
CI74194 que é um TTL registrador de deslocamento bidirecional, o que
possibilita a inversão do sentido de rotação do motor.
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Figura 12 Circuito com regulação de velocidade e sentido
6. Aplicações
O uso de motores de passo é altamente recomendado para aplicações
que exigem precisão de posicionamento. É muito usado em scanners,
impressoras, e em muitos dispositivos robóticos, onde não é preciso um retorno
do posicionamento (realimentação). Também é usado em drives de disquetes,
CDs, sistemas de posicionamento de microcâmeras e de telescópios entre
outras aplicações.
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Conclusão
Chega-se a conclusão de que os motores de passo são sem dúvida os
melhores dispositivos quando a aplicação exige precisão de posicionamento. O
uso de motores de passo não necessita de uma malha de controle com feedback, pois o controle tem maneiras de saber o posicionamento exato em que o
stepper parou. Diferentemente dos servos-motores, onde é necessária a leitura
do posicionamento do motor, o motor de passo para exatamente no lugar onde
o controlador comandou. Outra vantagem no uso de motores de passo é que
não necessita de manutenção, por não haver escovas nem comutador, este
tipo de motor acaba sendo mais economicamente viável nas situações
descritas acima.
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Referências
PATSKO, L. F. Tutorial controle de motor de passo. Disponível em
< http://pt.scribd.com/doc/80640270/Tutorial-Eletronica-Motor-de-Passo>
acesso em 12-out-2012
BRITE, F. G. SANTOS, V. P. Motor de passo. Disponível em <
http://www.telecom.uff.br/pet/petws/downloads/tutoriais/stepmotor/stepmotor2k
81119.pdf > acesso em 12-out-2012
LIMA, G. L. Ativação de Motores de Passo (4 Passos / Fases).
Disponível em <http://inovabots.com/tutoriais/eletronica/ativacao-de-motoresde-passo-bipolar/ > acesso em 12-out-2012
Motor de Passo. Disponível em <http://www.wikipedia.com > acesso em 12out-2012