UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ. Câmpus Ponta Grossa Coordenação do Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial

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1 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

2 Sumário Introdução Motores de Passo Construção Funcionamento: Passo completo (full-step) Meio passo (half-step) Micropasso Tipos de Motores de Passo Relutância Variável Imã permanente Híbrido Formas de Operação Motor de Passo Unipolar Motor de passo Bipolar Controle Aplicações Conclusão Referências... 13

3 2 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.

4 3 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

5 4 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:

6 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.

7 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. 3.3 Híbrido Figura 5 Motor de Passo com imã Permanente 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.

8 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

9 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

10 9 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 B2 B3 B Passo inteiro (configuração de maior torque): B1 B2 B3 B Meio Passo: B1 B2 B3 B 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.

11 10 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.

12 11 6. Aplicações Figura 12 Circuito com regulação de velocidade e sentido 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.

13 12 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.

14 13 Referências PATSKO, L. F. Tutorial controle de motor de passo. Disponível em < acesso em 12-out-2012 BRITE, F. G. SANTOS, V. P. Motor de passo. Disponível em < pdf > acesso em 12-out-2012 LIMA, G. L. Ativação de Motores de Passo (4 Passos / Fases). Disponível em < > acesso em 12-out-2012 Motor de Passo. Disponível em < > acesso em 12- out-2012