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Rogério Dumbá
Motores e Graus de Liberdade Robótico
Conceitos:
CAPITULO 4
Motor é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em mecânica. É
o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da
energia elétrica.
- Baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando.
- Com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de
adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos.
A tarefa reversa, aquela de converter o movimento mecânico na energia
elétrica, é realizada por um gerador ou por um dínamo. Em muitos casos os
dois dispositivos diferem somente em sua aplicação e detalhes menores de
construção.
Os motores de tração usados em locomotivas executam frequentemente
ambas as tarefas se a locomotiva for equipada com os freios
dinâmicos.Normalmente também esta aplicação se dá a caminhões fora de
estrada. Chamados eletrodiesel.
A maioria de motores elétricos trabalha pela interação entre campos
eletromagnéticos, mas existem motores baseados em outros fenômenos
eletromecânicos, tais como forças eletrostáticas. O princípio fundamental em
que os motores eletromagnéticos são baseados é que há uma força mecânica
em todo o fio quando está conduzindo corrente elétrica imersa em um campo
magnético. A força é descrita pela lei da força de Lorentz e é perpendicular ao
fio e ao campo magnético. Em um motor giratório, há um elemento girando, o
rotor. O rotor gira porque os fios e o campo magnético são arranjados de modo
que um torque seja desenvolvido sobre a linha central do rotor.
A maioria de motores magnéticos são giratórios, mas existem também os
tipos lineares. Em um motor giratório, a parte giratória (geralmente no interior) é
chamada de rotor, e a parte estacionária é chamada de estator . O motor é
constituído de eletroímãs que são posicionados em ranhuras do material
ferromagnético que constitui o corpo do estator e enroladas e adequadamente
dispostas em volta do material ferromagnético que constitui o rotor.
Motor de Passo
Um motor de passo é um tipo de motor elétrico usado quando algo tem que
ser posicionado muito precisamente ou rotacionado em um ângulo exato.
Neste tipo de motor a rotação do balancete é controlado por uma série de
campos eletromagnéticos que são ativados e desativados eletronicamente.
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Motores de passo não usam escovas ou comutadores e possuem um número
fixo de pólos magnéticos que determinam o número de passos por revolução.
Os motores de passo mais comuns possuem de 3 a 72 passos/revolução,
significando que ele leva de 3 a 72 passos para completar uma volta.
Controladores avançados de motores de passo podem utilizar modulação por
largura de pulso para realizarem micropassos, obtendo uma maior resolução
de posição e operação mais macia, em detrimento de outras características.
Os motores de passo são classificados pelo torque que produzem. Para
atingir todo o seu torque, suas bobinas devem receber toda a corrente marcada
durante cada passo. Os seus controladores devem possuir circuitos
reguladores de corrente para poderem fazer isto. A marcação de tensão (se
houver) é praticamente sem utilidade.
O controle computadorizado de motores de passo é uma das formas mais
versáteis de sistemas de posicionamento, particulamente quando digitalmente
controlado como parte de um servo sistema.
Os motores de passo são classificados em relação ao seu tipo construtivo, e
podem ser de três tipos: relutância variável, imã permanente e híbridos com
escovas redundantes
Relutância Variável
É o tipo mais simples, o estator é formado, em geral, por quatro pólos usinados
de forma que apresentem ranhuras, chamadas dentes devido ao seu aspecto.
O rotor é também dentado, lembrando uma engrenagem, onde cada dente
corresponde a um pólo saliente, assim, o número de dentes do rotor determina
o número de passos do motor. O controle deste tipo depende unicamente da
ordem de energização das bobinas.e dois detalhes mecanicos
Imã permanente
Similar ao motor de relutância variável, porém o rotor é construído com imãs
permanentes, o que determina uma característica importante deste tipo, que é
a de manter a última posição mesmo quando não energizado. O torque
(binário) proveniente dessa característica é conhecido torque de detenção.
Híbridos
O tipo híbrido apresenta um rotor formado por um "conjunto" de engrenagens.
Entre as engrenagens que o formam, é colocado um imã permanente que
polariza cada engrenagem. Seu aspecto construtivo mistura aspectos dos
outros dois tipos, e garante características comuns a ambos também.
Servo Motor
Servo motor é uma máquina, mecânica ou eletromecânica, que apresenta
movimento proporcional a um comando, em vez de girar ou se mover
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livremente sem um controle mais efetivo de posição como a maioria dos
motores;
Servo motores são dispositivos de malha fechada, ou seja: recebem um sinal
de controle; verificam a posição atual; atuam no sistema indo para a posição
desejada
Em contraste com os motores contínuos que giram indefinidamente, o eixo
dos servo motores possui a liberdade de apenas cerca de 180º graus mas são
précisos quanto a posição.
Para isso possuem três componentes básicos,
Sinal de controle dos servomotores
Sistema atuador - o sistema atuador é constituído por um motor elétrico,
embora também possa encontrar servos com motores de corrente alternada, a
maioria utiliza motores de corrente contínua. Também está presente um
conjunto de engrenagens que forma uma caixa de redução com uma relação
bem longa o que ajuda a amplificar o torque.
O tamanho, torque e velocidade do motor, material das engrenagens,
liberdade de giro do eixo e consumo são características-chave para
especificação de servo motores.
Sensor - o sensor normalmente é um potenciômetro solidário ao eixo do servo.
O valor de sua resistência elétrica indica a posição angular em que se encontra
o eixo. A qualidade desse vai interferir na precisão, estabilidade e vida útil do
servo motor.
Circuito de controle - o circuito de controle é formado por componentes
eletrônicos discretos ou circuitos integrados e geralmente é composto por um
oscilador e um controlador PID (controle proporcional integrativo e derivativo)
que recebe um sinal do sensor (posição do eixo) e o sinal de controle e aciona
o motor no sentido necessário para posicionar o eixo na posição desejada.
Servos possuem três fios de interface, dois para alimentação e um para o sinal
de controle. O sinal de controle utiliza o protocolo PWM (modulação por largura
de pulso) que possui três características básicas: largura mínima, largura
máxima e taxa de repetição.
A largura do pulso de controle determinará a posição do eixo:
- largura máxima equivale ao deslocamento do eixo em + 90º da posição
central;
- largura mínima equivale ao deslocamento do eixo em -90º;
- demais larguras determinam a posição proporcionalmente. O pulso de
controle pode ser visto na ilustração sobre sinais de controle de servo motores.
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Motores elétricos
A rotação inerente aos motores elétricos é a base do
funcionamento de muitos equipamentos. Por vezes, esse
movimento de rotação é óbvio, como nos ventiladores ou
batedeiras de bolos, mas freqüentemente permanece um tanto
disfarçado, como nos agitadores das máquinas de lavar roupas ou
nos 'vidros elétricos' das janelas de certos automóveis.
Motores elétricos são encontrados nas mais variadas formas e
tamanhos, cada qual apropriado á sua tarefa. Não importa quanto
torque ou potência um motor deva desenvolver, com certeza, você
encontrará no mercado aquele que lhe é mais satisfatório.
Alguns motores operam com corrente contínua (CC / DC) e podem
ser alimentados quer por pilhas/baterias quer por fontes de
alimentação adequadas, outros requerem corrente alternada (CA /
AC) e podem ser alimentados diretamente pela rede elétrica
domiciliar.
Há
até
mesmo
motores
que
trabalham,
indiferentemente, com esses dois tipos de correntes.
Princípio de funcionamento
Aqui pretendemos examinar os componentes básicos dos motores
elétricos; ver 'o que faz um motor girar' e como os motores diferem
um dos outros. Para fazer isso iremos nos aproveitar de conceitos
já conhecidos sobre os ímãs, forças magnéticas entre ímãs, ação
dos campos magnéticos sobre as correntes etc., e, quando se fizer
necessário, revisaremos algumas dessas importantes relações que
existem
entre
eletricidade
e
magnetismo.
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Nota: Nessa primeira parte, mais elementar, usaremos apenas o
conceito de "repulsão/atração entre pólos magnéticos"; numa
segunda parte, mais avançada, usaremos do conceito da "ação
dos campos magnéticos sobre as correntes".
Enquanto não avançamos no assunto, vá pensando: Como as
forças magnéticas podem fazer algo girar? Se as forças
magnéticas são as causas do 'por que o motor gira', por que não
podemos fazer um motor construído exclusivamente com ímãs
permanentes? O que é que determina 'para que lado' o motor vai
girar?
O que faz girar o rotor do motor elétrico?
O rotor do motor precisa de um torque para iniciar o seu giro. Este
torque (momento) normalmente é produzido por forças magnéticas
desenvolvidas entre os pólos magnéticos do rotor e aqueles do
estator. Forças de atração ou de repulsão, desenvolvidas entre
estator e rotor, 'puxam' ou 'empurram' os pólos móveis do rotor,
produzindo torques, que fazem o rotor girar mais e mais
rapidamente, até que os atritos ou cargas ligadas ao eixo reduzam
o torque resultante ao valor 'zero'. Após esse ponto, o rotor passa
a girar com velocidade angular constante. Tanto o rotor como o
estator do motor devem ser 'magnéticos', pois são essas forças
entre pólos que produzem o torque necessário para fazer o rotor
girar.
Todavia, mesmo que ímãs permanentes sejam freqüentemente
usados, principalmente em pequenos motores, pelo menos alguns
dos 'ímãs' de um motor devem ser 'eletroímãs'.
Um motor não pode funcionar se for construído exclusivamente
com ímãs permanentes! Isso é fácil de perceber pois, não só não
haverá o torque inicial para 'disparar' o movimento, se eles já
estiverem em suas posições de equilíbrio, como apenas oscilarão,
em torno dessa posição, se receberem um 'empurrão' externo
inicial.
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É condição necessária que algum 'pólo' altere sua polaridade para
garantir a rotação do rotor. Vamos entender melhor isso, através
da ilustração abaixo.
Um motor simples consiste de uma bobina que gira entre dois
ímãs permanentes. (a) Os pólos magnéticos da bobina
(representados como ímã) são atraídos pelos pólos opostos
dos ímãs fixos. (b) A bobina gira para levar esses pólos
magnéticos o mais perto possível um do outro mas, (c) ao
chegar nessa posição o sentido da corrente é invertido e (d)
agora os pólos que se defrontam se repelem, continuando a
impulsionar o rotor.
Acima esquematizamos um motor simples onde o estator é
constituído por ímãs permanentes e o rotor é uma bobina de fio de
cobre esmaltado por onde circula uma corrente elétrica. Uma vez
que as correntes elétricas produzem campo magnéticos essa
bobina se comporta como um ímã permanente, com seus pólos N
(norte) e S (sul) como mostrados na figura.
Comecemos a descrição pela situação ilustrada em (a) onde a
bobina apresenta-se horizontal. Como os pólos opostos se atraem,
a bobina experimenta um torque que age no sentido de girar a
bobina 'para a esquerda'. A bobina sofre aceleração angular e
continua seu giro para a esquerda, como se ilustra em (b). Esse
torque continua até que os pólos da bobina alcance os pólos
opostos dos ímãs fixos (estator). Nessa situação (c) -- a bobina
girou de 90o -- não há torque algum, uma vez que os braços de
alavanca são nulos (a direção das forças passa pelo centro de
rotação); o rotor está em equilíbrio estável (força resultante nula e
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torque resultante nulo). Esse é o instante adequado para inverter o
sentido da corrente na bobina. Agora os pólos de mesmo nome
estão muito próximos e a força de repulsão é intensa. Como a
bobina já apresenta um momento angular 'para a esquerda', ela
continua girando 'para a esquerda' (algo como uma 'inércia de
rotação') e o novo torque (agora propiciado por forças de
repulsão), como em (d), colabora para a manutenção e aceleração
do movimento de rotação.
Mas, mesmo após a bobina ter sido girada de 180o -- não ilustrada
na figura --, o movimento continua, a bobina chega na 'vertical' -giro de 270o --, o torque novamente se anula, a corrente
novamente inverte seu sentido, novo torque e a bobina chega
novamente á situação (a) -- giro de 360o --. E o ciclo se repete.
Essas atrações e repulsões bem coordenadas é que fazem o rotor
girar, embora o modo como tais torques sejam obtidos possam
variar entre os vários tipos de motores. A inversão do sentido da
corrente, no momento oportuno, é condição indispensável para a
manutenção dos torques 'favoráveis', os quais garantem o
funcionamento dos motores. É por isso que um motor não pode ser
feito exclusivamente com ímãs permanentes!
A seguir, vamos examinar como essa 'condição indispensável para
a manutenção dos torques favoráveis' é implementada nos
diferentes tipos de motores. Perceba, por exemplo, que nas
explicações acima, nada foi dito sobre 'como inverter o sentido da
corrente'.
Motores CC
Fazer um motor elétrico que possa ser acionado por pilhas ou
baterias não é tão fácil como parece. Não basta apenas colocar
ímãs permanentes fixos e uma bobina, pela qual circule corrente
elétrica, de modo que possa girar entre os pólos desses ímãs.
Uma corrente contínua, como o é a fornecida por pilhas ou
baterias, é muito boa para fazer eletroímãs com pólos imutáveis
mas, como para o funcionamento do motor é preciso periódicas
mudanças de polaridade, algo tem que ser feito para inverter o
sentido da corrente nos momentos apropriados.
Na maioria dos motores elétricos CC, o rotor é um 'eletroímã' que
gira entre os pólos de ímãs permanentes estacionários. Para tornar
esse eletroímã mais eficiente o rotor contém um núcleo de ferro,
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que torna-se fortemente magnetizado, quando a corrente flui pela
bobina. O rotor girará desde que essa corrente inverta seu sentido
de percurso cada vez que seus pólos alcançam os pólos opostos
do estator.
O modo mais comum para produzir essas reversões é usar um
comutador.
A corrente flui ora num sentido ora no outro,
no rotor desse motor CC, graças às escovas
de metal (esquerda da ilustração). Essas
escovas tocam o comutador do rotor de
forma que a corrente inverte seu sentido a
cada meia volta do rotor.
Em sua forma mais simples, um comutador apresenta duas placas
de cobre encurvadas e fixadas (isoladamente) no eixo do rotor; os
terminais do enrolamento da bobina são soldados nessas placas.
A corrente elétrica 'chega' por uma das escovas (+), 'entra' pela
placa do comutador, 'passa' pela bobina do rotor, 'sai' pela outra
placa do comutador e 'retorna' á fonte pela outra escova (-). Nessa
etapa o rotor realiza sua primeira meia-volta. Eis um visual
completo:
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Nessa meia-volta, as placas do comutador trocam seus contatos
com as escovas e a corrente inverte seu sentido de percurso na
bobina do rotor. E o motor CC continua girando, sempre com o
mesmo sentido de rotação.
Mas, o motor CC acima descrito tem seus problemas. Primeiro não
há nada que determine qual será o sentido de sua rotação na
partida, tanto poderá iniciar girando para a 'esquerda' como para a
'direita'. Segundo, é que por vezes, as escovas pode iniciar
tocando ambas as placas ou eventualmente nenhuma; o motor
'não dá partida'! Para que a partida se dê com total confiança e no
sentido certo é preciso que as escovas sempre 'enviem' corrente
para o rotor e que não ocorra nenhum curto circuito entre as placas
devido às escovas.
Na maioria dos motores CC consegue-se tais exigências
colocando-se várias bobinas no rotor, cada uma com seu par de
placas no comutador. Conforme o rotor gira, as escovas suprem a
corrente para as bobinas, uma de cada vez, uma após a outra. A
'largura' das escovas também deve ser bem planejada.
O rotor de um motor CC gira com velocidade angular que é
proporcional à tensão aplicada em suas bobinas. Tais bobinas têm
pequena resistência elétrica e conseqüentemente seriam
percorrida por intensas correntes elétricas se o rotor
permanecesse em repouso. Todavia, uma vez em movimento, as
alterações do fluxo magnético sobre tais bobinas, geram uma força
contra-eletromotriz (f.c.e.m.), extraem energia daquela corrente e
baixa as tensões elétricas sobre tais bobinas. O torque resultante
se anulará quando essa f.c.e.m. se igualar á tensão elétrica
aplicada; a velocidade angular passa a ser constante.
Em geral, 'carregando-se' o motor (ligando seu eixo a algo que
deve ser movimentado) sua rotação não varia acentuadamente,
mas, uma maior potência será solicitada da fonte de alimentação
(aumenta a intensidade de corrente de alimentação). Para alterar a
velocidade angular devemos alterar a tensão aplicada ao motor.
O sentido de rotação do rotor depende das assimetrias do motor e
também do sentido da corrente elétrica; invertendo-se o sentido da
corrente o motor começará a girar 'para trás'. É assim que fazemos
um trenzinho de brinquedo 'andar para trás'; invertemos o sentido
da corrente em seu rotor.
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Motores universais
Antes de comentarmos sobre os verdadeiros motores elétricos AC,
vejamos um tipo intermediário de motor denominado motor
universal. Esse motor pode funcionar tanto com alimentação DC
como AC. Um verdadeiro motor elétrico DC não aceita alimentação
AC (essa inverte o sentido da corrente a cada meio ciclo e isso
apenas causaria trepidações); do mesmo modo, um verdadeiro
motor AC (como veremos) não aceita alimentação DC (essa não
oferecerá as convenientes alterações do sentido da corrente para
o correto funcionamento do motor).
Porém, se substituirmos os ímãs permanentes dos estatores dos
motores DC por eletroímãs e ligarmos (em série) esses eletroímãs
no mesmo circuito do rotor e comutador, teremos um motor
universal. Eis a ilustração dessa 'engenhoca':
Nos motores universais, tanto estator
como
rotor
são
eletroímãs com bobinas em série e
concordância.
Este motor 'girará' corretamente quer seja alimentado por corrente
contínua ou corrente alternada. A diferença notável entre motor
universal e motor DC é que se você alimentar o motor universal
com fonte DC, ele não inverterá o sentido de rotação se você
inverter a polaridade da fonte (como acontece com o motor DC),
continuará a girar sempre no mesmo sentido. Se você quiser
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realmente inverter o sentido de rotação de um motor universal
deverá inverter as ligações nos eletroímãs dos estatores para
inverter seus pólos.
Motores universais são usados, por
exemplo,
em
batedeiras
elétricas,
aspiradores de pó etc. Em tais motores,
com o tempo de uso, haverá desgastes
nas escovas de carvão e deverão ser
substituídas. Basta você levar um
pedacinho da escova velha até uma loja
de ferragens, comprar o par de escovas
novas adequadas e repor no motor; uma
operação bastante simples.
Motores AC síncronos
Alguns motores são projetados para operar exclusivamente com
corrente alternada. Um tal motor é esquematizado a seguir:
O motor síncrono AC usa eletroímãs como estatores para fazer
girar o rotor que é um ímã permanente. O rotor gira com freqüência igual ou múltipla daquela da AC aplicada.
Este motor é essencialmente idêntico a um gerador elétrico;
realmente, geradores e motores têm configuração bastante
próximas. Um gerador usa do trabalho mecânico para produzir a
energia elétrica enquanto que um motor usa a energia elétrica para
produzir trabalho mecânico. O rotor, na ilustração acima, é um ímã
permanente que gira entre dois eletroímãs estacionários. Como os
eletroímãs são alimentados por corrente alternada, seus pólos
invertem suas polaridades conforme o sentido da corrente inverte.
O rotor gira enquanto seu pólo norte é 'puxado' primeiramente para
o eletroímã esquerdo e 'empurrado' pelo eletroímã direito. Cada
vez que o pólo norte do rotor está a ponto de alcançar o pólo sul
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de um eletroímã estacionário, a corrente inverte e esse pólo sul
transforma-se um pólo norte. O rotor gira continuamente,
terminando uma volta para cada ciclo da corrente alternada. Como
sua rotação é perfeitamente sincronizada com as reversões da
C.A, este motor é denominado 'motor elétrico síncrono da C. A.'. O
motor da bomba d'água de máquinas de lavar roupa, por exemplo,
são desse tipo. Os motores de C.A síncronos são usados somente
quando uma velocidade angular constante é essencial para o
projeto.
Entretanto, os motores síncronos ilustram um ponto importante
sobre motores e geradores: são, essencialmente, os mesmos
dispositivos. Se você conectar um motor C.A síncrono à rede
elétrica domiciliar e o deixar girar, extrairá energia do circuito
elétrico e fornecerá trabalho mecânico. Mas, se você ligar uma
lâmpada incandescente no cordão de força que sai desse mesmo
motor e girar bem rapidamente seu rotor (com um sistema de
rodas acopladas e manivela), gerará 'eletricidade' e a lâmpada
acenderá.
Motores A.C. de indução
Alguns motores de corrente alternada têm rotores que não são
quer imãs permanentes quer eletroímãs convencionais. Estes
rotores são feitos de metais não-magnéticos, como o alumínio, e
não têm nenhuma conexão elétrica. Todavia, o isolamento elétrico
deles não os impede de ficarem 'magnetizados' ou 'imantados'.
Quando um rotor feito de alumínio é exposto a campos magnéticos
alternados, correntes elétricas começam a fluir por ele e estas
correntes induzidas tornam o rotor magnético. Esse é um
fenômeno básico do eletromagnetismo denominado indução
eletromagnética. Tais motores, que usam desse fenômeno para
tornarem seus rotores magnetizados, são chamados de 'motores
A.C de indução'.
Os motores de indução são provavelmente o tipo o mais comum
de motor de C. A., comparecendo em muitos eletrodomésticos
(ventiladores, motores de toca-discos etc.) e aplicações industriais.
Fornecem bom torque, começam facilmente a girar, e são baratos.
Um motor de indução trabalha ' movendo' um campo magnético
em torno do rotor --- o denominado 'campo magnético girante'.
O estator que cerca o rotor contem um eletroímã sofisticado. O
estator não se movimenta, mas sim o campo magnético que ele
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produz! Com um uso inteligente de vários recursos
eletromagnéticos (espiras de curto circuito, capacitores etc.), o
estator pode criar pólos magnéticos de que se deslocam em um
círculo e se movimenta em torno do rotor. Na ilustração abaixo, o
pólo norte do estator 'gira' no sentido anti-horário em torno do
rotor.
Motores de passo
O motor de passo é um transdutor que converte energia elétrica
em movimento controlado através de pulsos, o que possibilita o
deslocamento por passo, onde passo é o menor deslocamento
angular.
Com o passar dos anos houve um aumento na popularidade deste
motor, principalmente pelo seu tamanho e custo reduzidos e
também a total adaptação por controle digitais.
Outra vantagem do motor de passos em relação aos outros
motores é a estabilidade. Quando quisermos obter uma rotação
específica de um certo grau, calcularemos o número de rotação
por pulsos o que nos possibilita uma boa precisão no movimento.
Os antigos motores passavam do ponto e, para voltar, precisavam
da realimentação negativa. Por não girar por passos a inércia
destes é maior e assim são mais instáveis.
Definições para Motores a Passo
Rotor: É denominado rotor o conjunto eixo-imã que rodam
solidariamente na parte móvel do motor.
Estator: Define-se como estator a trave fixa onde as bobinas são
enroladas. Abaixo segue uma figura onde podemos ver as partes
mencionadas (o rotor à esquerda e o estator a direita).
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Parâmetros
- Graus por Passo: A característica mais importante ao se
escolher o motor, o número de graus por passo está intimamente
vinculado com o número de passos por volta. Os valores mais
comuns para esta característica, também referida como resolution,
são 0.72,1.8, 3.6, 7.5, 15 e até 90 graus.
- Momento de Frenagem: Momento máximo com o rotor
bloqueado, sem perda de passos.
- Momento (Torque): Efeito rotativo de uma força , medindo a
partir do produto da mesma pela distância perpendicular até o
ponto em que ela atua partindo de sua linha de ação.
- Taxa de Andamento: Regime de operação atingido após uma
aceleração suave.
- Momento de Inércia: Medida da resistência mecânica oferecida
por um corpo à aceleração angular.
- Auto-Indutância: determina a magnitude da corrente média em
regimes pesados de operação, de acordo com o tipo de
enrolamento do estator: relaciona o fluxo magnético com as
correntes que o produzem.
- Resistências Ôhmicas: determina a magnitude da corrente do
estator com o rotor parado.
- Corrente máxima do estator: determinada pela bitola do fio
empregado nos enrolamentos.
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- "Holding Torque": É a mínima potência para fazer o motor
mudar de posição parada.
- Torque Residual: É a resultante de todos os fluxos magnético
presente nos pólos do estator.
- Resposta de Passo: É o tempo que o motor gasta para executar
o comando.
- Ressonância: Como todo material, o motor de passos tem sua
freqüência natural. Quando o motor gira com uma freqüência igual
a sua, ele começa a oscilar e a perder passos.
- Tensão de trabalho: Normalmente impresso na própia chassi do
motor, a tensão em que trabalha o motor é fundamental na
obtenção do torque do componente. Tensões acima do estipulado
pelo fabricante em seu datasheet costumam aumentar o torque do
motor, porém, tal procedimento resulta na diminuição da vida útil
do mesmo. Destaca-se que a tensão de trabalho do motor não
necessariamente deve ser a tensão utilizada na lógica do circuito.
Os valores normalmente encontrados variam de +5V à +48V.
Tipos de Motores de Passo
- Relutância Variável: Apresenta um rotor com muitas polaridades
construídas a partir de ferro doce, apresenta também em estator
laminado. Por não possuir imã, quando energizado apresenta
torque estático nulo. Tendo assim baixa inércia de rotor não pode
ser utilizado como carga inercial grande.
- Imã Permanente: Apresenta um rotor de material alnico ou ferrite
e é magnetizado radialmente devido a isto o torque estático não é
nulo.
- Híbridos: É uma mistura dos dois anteriores e apresenta rotor e
estator multidentados . O rotor é de imã permanente e
magnetizado axialmente. Apresenta grande precisão (3%), boa
relação torque/tamanho e ângulos pequenos (0,9 e 1,8 graus).
Para que o rotor avance um passo é necessário que a polaridade
magnética de um dente do estator se alinha com a polaridade
magnética oposta de um dente do rotor.
FUNCIONAMENTO BÁSICO DO MOTOR DE PASSO
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Normalmente os motores de passo são projetados com
enrolamento de estator polifásico o que não foge muito dos demais
motores. O número de pólos é determinado pelo passo angular
desejado por pulsos de entrada. Os motores de passo têm
alimentação externa. Conforme os pulsos na entrada do circuito de
alimentação, este oferece correntes aos enrolamentos certos para
fornecer o deslocamento desejado, como veremos em breve.
Falaremos agora então, mais um pouco sobre motores com imã
permanente. Além do número de fases do motor, existe outra
subdivisão entre estes componentes, a sua polaridade.
Motores de passo unipolares são caracterizados por possuírem um
center-tape entre o enrolamento de suas bobinas. Normalmente
utiliza--se este center-tape para alimentar o motor, que é
controlado aterrando-se as extremidades dos enrolamentos.
Abaixo segue uma figura ilustrativa onde podemos ver que tal
motor possui duas bobinas e quatro fases.
Diferentes dos unipolares, os motores bipolares exigem circuitos
mais complexos. A grande vantagem em se usar os bipolares é
prover maior torque, além de ter uma maior proporção entre
tamanho e torque. Fisicamente os motores têm enrolamentos
separados, sendo necessário uma polarização reversa durante a
operação para o passo acontecer.
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Um motor de corrente contínua, quando alimentado, gira no
mesmo sentido e com rotação constante, ou seja, para que estes
motores funcionem, é necessário apenas estabelecer sua
alimentação. Com o auxilio de circuitos externos de controle, estes
motores de corrente contínua poderão inverter o sentido de
rotação ou variar sua velocidade.
Para que um motor de passo funcione, é necessário que sua
alimentação seja feita de forma seqüencial e repetida. Não basta
apenas ligar os fios do motor de passo a uma fonte de energia e
sim ligá-los a um circuito que execute a seqüência requerida pelo
motor.
Existem três tipos básicos de movimentos o de passo inteiro e o de
meio passo e o micropasso, tanto para o motor bipolar como para
o unipolar. O de micropasso tem sua tecnologia não muito
divulgada, e baseia-se no controle da corrente que flui por cada
bobina multiplicado pelo numero de passos por revolução.
A energização de uma e somente uma bobina de cada vez produz
um pequeno deslocamento no rotor. Este deslocamento ocorre
simplesmente pelo fato de o rotor ser magneticamente ativo e a
energização das bobinas criar um campo magnético intenso que
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atua no sentido de se alinhar com as pás do rotor. Assim,
polarizando de forma adequada os bobinas, podemos movimentar
o rotor somente entre as bobinas (passo inteiro), ou entre as
bobinas e alinhadas com as mesmas.
- Motor bipolar com passo inteiro
- Motor bipolar com meio passo
- Motor unipolar com passo inteiro
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- Motor unipolar com meio passo
Tabela com a seqüência que deve ser alimentada as bobinas
do motor.
Para que se obtenha uma rotação constante é necessário que a
energização das bobinas seja periódica. Esta periodicidade é
proporcionada por circuitos eletrônicos que controlam a velocidade
e o sentido de rotação do motor.
A pequeno ângulo deslocado pelo rotor depende do número de
dentes do mesmo assim como o número de fases do motor.
Preferimos não explicar mais detalhadamente este tópico
minuciosamente, por ser de grande dificuldade de se explicar à
movimentação
dos
dentes
do
rotor
pelo
estator
bidimensionalmente. Em geral, o número de dentes do rotor
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multiplicado pelo número de fases revela o número de passos por
revolução.
Por se tratar de sinais digitais, fica fácil compreender a
versatilidade dos motores de passo. São motores que apresentam
uma gama de rotação muito ampla que pode variar de zero até
7200 rpm; apresentam boa relação peso/potência; permitem a
inversão de rotação em pleno funcionamento; alguns motores
possuem precisão de 97%; possuem ótima frenagem do rotor e
podem mover-se passo-a-passo. Mover o motor passo-a-passo
resume-se ao seguinte: se um determinado motor de passo
possuir 170 passos, isto significa que cada volta do eixo do motor
é dividida 170 vezes, ou seja, cada passo corresponde a 2,1 graus
e o rotor tem a capacidade para mover-se apenas estes 2,1 graus.
Didaticamente falando, o sistema de controle se baseia em um
circuito oscilador onde seria gerado um sinal cuja freqüência
estaria diretamente relacionado com a velocidade de rotação do
motor de passo. Esta freqüência seria facilmente alterada (seja por
atuação em componentes passivos seja por meio eletrônico)
dentro de um determinado valor assim, o motor apresentaria uma
rotação mínima e uma máxima. A função "Freio" se daria
simplesmente pela inibição do sinal gerado pelo oscilador.
O próximo passo seria providenciar um circuito amplificador de
saída, pois algumas aplicações exigem uma demanda de corrente
relativamente elevada. Caberia ao circuito amplificador de saída
fornecer estas correntes de forma segura, econômica e rápida. O
circuito amplificador de saída seria constituído de transistores e/ou
dispositivos de potência que drenam corrente em torno de 500 mA
ou mais. Motores de passo geralmente suportam correntes acima
de 1,5 Ampère. O amplificador de saída é o dispositivo mais
solicitado em um projeto de controle de motor de passo. Devido às
variações de trabalho a que pode ser submetido o motor de passo,
um amplificador mal projetado pode limitar muito o conjunto como
um todo. Um exemplo destas limitações pode ser facilmente
entendido. Um motor de passo girando a altas rotações,
repentinamente é solicitado a inverter sua rotação (como ocorre
em máquinas CNC e cabeçotes de impressão). No momento da
inversão as correntes envolvidas são muito altas e o circuito
amplificador deve suportar tais drenagens de corrente.
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O torque do motor de passo depende da freqüência aplicada a
alimentação. Quanto maior a freqüência, menor o torque, porque o
rotor tem menos tempo para mover-se de um ângulo para outro.
A faixa de partida deste motor é aquela na qual a posição da carga
segue os pulsos sem perder passos, a faixa de giro é aquela na
qual a velocidade da carga também segue a freqüência dos
pulsos, mas com uma diferença: não pode partir, parar ou inverter,
independente do comando.
CONTROLADORES PARA MOTOR DE PASSO
Nesta etapa falaremos um pouco sobre circuitos que podem
controlar os motores adequadamente. Destacamos que como as
cores dos fios que levam energia as bobinas não são
padronizados. Portanto não comentaremos sobre a ordem certa de
polarização utilizando as cores dos fios.
a primeira etapa, falaremos sobre o controle de um motor de passo
diretamente pelo computador. Através da porta paralela visaremos
controlar um motor de quatro fases e unipolar através da excitação
por passo-inteiro. Pesquisando os drivers existentes, descobrimos
o CI ULN2003 que é um 7bit 50V 500mA TTL-input NPN darlington
driver, que funciona como amplificador. Obviamente toda a lógica
deve ser exercida pelo computador inclusive a da ordem de
excitação das bobinas. Abaixo segue o circuito elétrico mostrando
a ligação entre o motor e a porta.
Destaca-se que o diodo zener foi utilizado como intuito de absorver
o campo eletromagnético reverso produzido pelo motor quando o
mesmo é desligado. A inversão observada nos pinos de entrada 3
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e 4 do ULN2003 são necessárias para manter a ordem certa de
ativação das bobinas.
Agora veremos o controle ser feito através de componentes
discretos. Utilizando um contador Johnson CMOS que controla a
etapa de potência não mostrada, podemos exercer um simples
comando ao motor somente através dos clock. Este circuito tem a
desvantagem de não exercer o controle da direção e observa-se
que o mesmo executa o procedimento de passo inteiro. Abaixo
segue o esquema elétrico.
Utilizando agora portas lógicas e flip-flops, exerceremos o controle
tanto da direção (através de DIR) quanto da velocidade do motor.
Abaixo segue o esquema a ser analisado.
O circuito funciona basicamente invertendo a saída Q e Qinv de
um dos flip-flops em cada borda de descida. Na borda seguinte,
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podemos esperar que a saída do outro flip-flop seja invertida
mantendo a do primeiro igual, repetindo o ciclo a partir de então. A
porta XOR superior esquerda funciona como uma inversora, o que
permite só um dos flip-flops alterar o seu estado de acordo com as
saídas. Abaixo segue a tabela que se espera encontrar para este
circuito, trabalhando por conseqüência em passo inteiro.
Para DIR low (sentido anti-horário)
4A
1A
2A
3A
1
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
Para DIR high (sentido horário)
3A
4A
1A
2A
0
0
1
1
1
0
1
0
1
1
0
0
0
1
0
1
Circuito com todas as etapas do processo.
Analise Circuito
À esquerda vemos o LM555 que é responsável pela produção dos
pulsos necessários para o CI 74194. Através do potenciômetro R6,
podemos controlar o sentido da rotação. Através do resistor R5 e
do capacitor C1 podemos controlar o ton e o toff do trem de pulsos,
controlando então a velocidade. O CI74194 é um TTL registrador
de deslocamento bidirecional acionado pelo clock do LM555. Os
pinos S0 e S1 são os responsáveis por determinar se o
deslocamento é direito ou esquerdo, ativando as saídas de A0 a
D0. SR (serial right) e SL (serial left) são os pinos responsáveis
pelo o bit high, inicialmente ativado por A1 estar high, efetuarem
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um deslocamento em anel. Assim, deve-se constatar somente um
bobina do motor ser ativada por vez, após a etapa amplificadora
constituída pelos transistores de potência TIP120. Como explicado
anteriormente, os diodos são utilizados para proteger o circuito de
tensões inversas provocadas pelo armazenamento de energia dos
indutores. No caso específico, podemos verificar que a
alimentação do motor é idêntica a alimentação da parte lógica.
VANTAGENS E DESVANTAGENS
Em relação aos primeiros motores o motor de passos apresenta
evidentes vantagens, como tamanho e custo reduzidos, total
adaptação a lógica digital (o que permite o controle preciso da
velocidade direção e distância), características de bloqueio , pouco
desgaste e dispensa realimentação.
São poucas as desvantagens mais elas existem: má relação
potência - volume e principalmente controle relativamente
complexo
Circuito Pratico
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O circuito apresentado controla a rotação de um pequeno motor de passo,
sendo constituído basicamente por quatros circuitos integrados de fácil
aquisição. O circuito pode ser montado com facilidade numa pequena placa
de circuito impresso.
O principio de funcionamento é simples: trata-se de um 555 operando como
um clock para um contador up/down que por sua vez tem a saída ligada a um
decodificador binário/decimal de duas entradas. Este decodificador gera um
seqüência que será detectada pela portas AND. Nas saídas da porta AND
para bufferização temos transistores de potência que devem ser dotados de
radiadores de calor.
O principio de funcionamento do motor de passo exige a energização de suas
bobinas numa seqüência. A chave A serve para determinar o sentido de
rotação enquanto a B serve para livrá- lo ou travá-lo.
A velocidade de rotação pode ser ajustada através de um potenciômetro que
atua na freqüência do clock. Todos os resistores são de 1/8 W enquanto que
os capacitores são para 16 V ou mais.
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