Modos de excitação. Tabela 1. Seqüência da excitação monofásica. (1) motor RV trifásico (2) motor RV quadrifásico

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1 Modos de excitação O princípio de funcionamento do motor de passo foi explicado em termos da excitação monofásica. Este método de excitação é o mais elementar e é usado freqüentemente para analisar problemas teóricos fundamentais. Entretanto, diversos métodos diferentes de excitação são usados hoje em dia. Excitação monofásica A tabela 1 mostra as seqüências do modo excitação monofásica para motores RV trifásicos e quadrifásicos. As partes hachuradas na tabela representam o estado excitado, e os espaços em branco mostram as fases onde a corrente não é fornecida e assim, que não são excitadas. Quando um motor gira no sentido horário na seqüência de excitação Ph1 Ph2 Ph 3, girará no sentido anti-horário simplesmente invertendo a seqüência para Ph3 Ph2 Ph 1. A excitação monofásica é conhecida também como one-phase-on. Tabela 1. Seqüência da excitação monofásica (1) motor RV trifásico (2) motor RV quadrifásico Nota: O símbolo R significa Reset. Excitação bifásica A operação de um motor onde duas fases são sempre excitadas é chamada two-phase-on. Antes de discutir as vantagens deste método vejamos a seqüência de excitação e a relação entre os dentes do rotor e do estator na posição do equilíbrio. As seqüências são dadas na tabela 2. Observa-se nestas tabelas que quando uma corrente de excitação é comutada de uma fase para outra (por exemplo, como mostrado pela seta na tabela 2(1), onde a fase 2 é desligada e a fase 1 é ligada) a terceira fase (fase 3, no exemplo acima) permanece excitada. Tabela 2. Seqüência da excitação bifásica (1) motor RV trifásico (2) motor RV quadrifásico A relação entre as posições dos dentes do rotor e os dentes do estator em um estado do equilíbrio é mostrada na Fig. 51. Os dentes em ambos os membros não estão alinhados como no exemplo do modo de excitação monofásica mostrada na Fig. 11 na pág. 28

2 10 ou na Fig. 33 na pág. 19. A distribuição do campo e a operação passo a passo para o motor trifásico com seis pólos são ilustradas na vista de corte da Fig. 52. Fig Relação entre as posições dos dentes do rotor e do estator no ponto de equilíbrio para excitação bifásica. Fig Mudança no padrão do campo numa operação passo a passo no modo two-phaseon para um motor de relutância variável (RV), monofilar, trifásico. Uma grande diferença característica entre as excitações monofásica e bifásica aparece na resposta transiente como mostra a Fig. 53. No acionamento bifásico a oscilação amortece mais rapidamente que no exemplo do modo monofásico. Isto pode ser explicado qualitativamente usando as Figuras 54 e 55 como se segue. Aqui, duas fases são sempre excitadas e uma corrente circula no circuito das duas fases, induzida pela oscilação. Isto aplica-se ao componente oscilante da corrente, mas não ao componente estacionário que gera o torque de manutenção. Assim, o movimento oscilatório do rotor resulta numa corrente oscilatória superposta à corrente estacionária em cada fase. Deve-se observar que as fases das componentes oscilatórias da corrente na fase 1 e na fase 2 estão em oposição. Uma vez que o torque gerado pela componente oscilatória da corrente age no sentido oposto ao o movimento oscilatório, a oscilação é amortecida. Ou pode ser considerado que a energia cinética associada com a oscilação do rotor é convertida em calor por efeito joule neste processo. Uma vez que este tipo de circuito fechado não é formado no modo excitação monofásica, a oscilação é amortecida somente pelo atrito mecânico. Este problema é discutido em detalhe em seção posterior que estudará as características dinâmicas do motor de passo. 29

3 Fig Diferença na resposta de um passo entre a (a) excitação monofásica e a (b) excitação bifásica. Fig Oscilação do rotor na excitação bifásica. Modo meio passo Fig. 55 malha fechada para a corrente oscilante. O esquema de excitação que é uma combinação da excitação monofásica com a excitação bifásica é conhecido como operação meio-passo. A seqüência para um motor RV trifásico é dada na tabela 3. Os pulsos de disparo podem ser examinados aqui de duas formas, (A) e (b). Na forma (A), os posicionamentos são realizados somente na excitação monofásica. Duas fases são excitadas no início do trajeto para suprimir oscilações. No outro método, as posições de equilíbrio das excitações monofásica e bifásica são usadas para posicionamento. Os pulsos de disparo devem ser contados como em (B) neste modo. Este esquema reduz o ângulo de passo pela metade. A Fig. 56 mostra comparações entre as excitações monofásica, bifásica e meiopasso na operação de um motor trifásico. 30

4 Na maioria dos motores com mais de quatro fases o acionamento meio-passo é realizado combinando a excitação bifásica e trifásica ou trifásica e quadrifásica. Tabela 3 - Seqüência da excitação na operação meio-passo (para um motor RV trifásico) (a) excitação monofásica (b) excitação bifásica (c) excitação meio-passo Fig comparações entre as excitações monofásica, bifásica e meio-passo na operação de um motor trifásico. Acionamento bifásico de motores RV trifásicos com enrolamento bifilar Um dos requisitos mais importantes no projeto do motor é o de reduzir o tamanho da máquina tanto quanto possível, dadas as especificações exigidas de desempenho. Pawletko e Chai [2] sugeriram que um motor RV trifásico com enrolamento bifilar operado na excitação bifásica cumpre este requisito. O diagrama esquemático das conexões do enrolamento é dado na Fig. 57. Observe que as bobinas de pólos opostos são conectadas de modo que, ao mesmo tempo, o fluxo num pólo seja dirigido para fora enquanto que no outro está dirigido para dentro (conforme mostra a Fig. 11, onde dois pólos opostos geram pólos magnéticos diferentes). A Figura 58 mostra a distribuição do fluxo resultante de uma seqüência de excitação bifásica num motor de relutância variável trifásico. Há quatro laços 31

5 de fluxo distribuídos uniformemente nos núcleos, contrastando com o esquema de excitação num motor com enrolamento monofilar, que tem somente dois laços de fluxo em ambos os modos: monofásico e bifásico, conforme as figuras 11 e 52. De fato, um motor RV trifásico com enrolamento bifilar tem uma relação torque/volume de máquina e amortecimento muito melhores, quando comparado com motores correspondentes com enrolamento monofilar. Fig. 57 Diagrama esquemático de bobinas com enrolamento bifilar num motor RV trifásico. Fig. 58 Padrão de campo num motor RV trifásico com enrolamento bifilar. Excitação de um motor híbrido bifásico Ao acionar um motor RV nem sempre é necessário alterar a polaridade magnética. Para um motor a ímã permanente ou um motor híbrido, a reversão do pólo magnético é normalmente necessária, e há basicamente duas formas de conseguir isso. Vamos primeiro examinar um motor bifásico. Se os enrolamentos estão no esquema bifilar, a situação é parecida àquela de um motor RV quadrifásico. As fases A, B, A e B correspondem às fases 1, 2, 3 e 4, e os três métodos de excitação precedentes são aplicados. Se cada uma das fases A e B tiver uma bobina monofilar em cada pólo como mostra a Fig. 59, o circuito ponte mostrado na Fig. 60 é um esquema de acionamento apropriado no modo bipolar. As excitações monofásica, bifásica e meio-passo são disponíveis com o circuito ponte, e as seqüências de chaveamento são mostradas na Tabela 4. As formas de onda para as tensões aplicada às fases são comparadas na Fig. 61. Sabe-se que é possível uma melhora de por cento no consumo de potência usando acionamento bipolar. O único inconveniente do acionamento ponte é que ele 32

6 necessita duas vezes mais transistores que a operação bifilar. Quando um motor com enrolamento bifilar com tap central é acionado no esquema bipolar, os fios devem ser conectados como mostra a Fig. 62 de modo que os enrolamentos de A e A possam criar o mesmo sinal de polaridade magnética em cada pólo do estator. Fig. 59 Arranjo das bobinas num motor híbrido com enrolamento monofilar. Fig. 60 Esquema acionador em ponte para um motor de passo bifásico. Tabela 4 Seqüência de excitação na operação com ponte para um motor bifásico (a) excitação Monofásica (b) excitação Bifásica (c) excitação Meio-passo 33

7 (a) excitação Monofásica (b) excitação Bifásica (c) excitação Meio-passo Fig. 61 Formas de onda de tensão aplicada às fases. Fig. 62 Usando um motor híbrido com enrolamento bifilar num acionador ponte bipolar. Excitação de um motor híbrido de três ou cinco fases Há basicamente três maneiras diferentes de conexões de enrolamento para estes motores. 1. Independente, para a operação em ponte bipolar; 2. conexões em estrela; 3. conexões em anel (delta para trifásico e pentágono para pentafásico). Estas são mostradas nas Figs 63 e 64, respectivamente. É interessante observar que a conexão estrela é preferida ao invés da conexão delta nos motores trifásicos, enquanto a conexão pentágono é mais usada que a estrela para os motores de cinco fases. (b) Estrela (a) bipolar independente (c) anel (delta) Fig. 63 Configuração de acionamento para um motor híbrido trifásico. 34

8 Para um motor trifásico conectado em delta ou estrela, há duas escolhas para a operação de passo total; uma deve excitar todas as três fases em qualquer instante embora as polaridades mudam em seqüência, e a outra deve excitar sempre duas fases. A operação meio-passo é a que alterna estas duas numa seqüência aceitável. A diferença entre as três seqüências é mostrada na Fig. 65. Uma afirmação similar é verdadeira para um motor de cinco fases como visto na Fig. 66. O estado fundamental de chaveamento para a excitação quadrifásica num motor conectado em pentágono é dado na Fig. 66(a), e este corresponde à excitação pentafásica para um motor conectado em estrela. Neste estado, cada nó está ligado no potencial da fonte (denotado por + ) ou no terra (denotada por - ). A Fig. 66(b) mostra um método para obter excitação pentafásica em um motor conectado em pentágono, e neste caso há um período de desligamento entre os estados + e -. (b) Anel (pentágono) (a) bipolar independente (c) estrela Fig. 64 Configuração de acionamento para um motor híbrido pentafásico. A tabela verdade para a seqüência de chaveamento para acionamento bifásico em conexão delta ou acionamento trifásico em conexão estrela, para um motor híbrido trifásico, é dada na tabela 5(a). Assim o estado de chaveamento da restauração (R) (Reset) retorna após seis bits. Como mostra a tabela 5(b) a mesma seqüência pode ser usada para acionamento trifásico em conexão delta ou acionamento bifásico em conexão estrela, somente desligando a chave S2 no estado da restauração (R). Isto é usado no programa do microprocessador tratado mais adiante. Acionamento Micropasso É possível subdividir um passo natural em muitos passos menores por meios eletrônicos. Este método é conhecido como acionamento micropasso ou minipasso e é aplicado freqüentemente em motores de passo híbridos. A idéia do micropasso vem do acionamento bipolar senoidal de um motor híbrido como um motor síncrono, que funciona em baixas velocidades alimentados por tensões de linha de 50/60 Hz. Se um motor híbrido é acionado por uma fonte senoidal bifásica, ao invés de uma onda quadrada, espera-se que o movimento do rotor seja constante e bastante suave. Isto é verdade para alguns motores sob 35

9 condições particulares [12]. Mas, em muitos casos, não é possível um movimento perfeitamente suave devido ao efeito de retenção, ao efeito da relutância variável, e aos harmônicos induzidos na tensão pelo ímã. (a) excitação trifásica (b) excitação bifásica (c) excitação meio-passo Fig. 65 Mudanças no sentido da corrente em enrolamentos trifásicos conectados em estrela para seqüência de passos: (a) excitação trifásica, (b) excitação bifásica, (c) excitação meio-passo. (a) excitação quadrifásica (b) excitação pentafásica Fig. 66 Mudanças no sentido da corrente em enrolamentos pentafásicos conectados em pentágono para seqüência de passos: (a) excitação quadrifásica, (b) excitação pentafásica. 36

10 Tabela 5 Seqüência de excitação para um motor híbrido trifásico (a) ac. bifásico-conexão delta ou ac. trifásico-conexão estrela (b) ac. bifásico-conexão delta ou ac. trifásico-conexão estrela Para subdividir um passo natural, a corrente da fonte é transformada em uma onda constituída de pequenos passos como mostra a Fig. 67, e são incorporados alguns meios de compensar o torque dos harmônicos. Neste exemplo, um passo natural é subdividido em oito sub-passos. No motor linear mostrado na Fig. 48, usado num cabeçote de desenho, um passo total foi dividido em 24 sub-passos obtendo-se uma subdivisão mínima de 10 µ m a partir de um passo de dente de 0,96 mm. Fig Onda de corrente constituída de pequenos passos para acionamento micropasso. Num motor com ímã rotor de disco projetado para operação micropasso, o arranjo dos dentes do estator é ajustado da maneira mostrada na Fig. 68 para eliminar o quarto componente harmônico no torque de retenção, e também o terceiro e quinto componentes harmônicos, que são causados pela interação entre as correntes do enrolamento e o campo magnético [13]. Deve ser notado que o segundo componente harmônico pode ser cancelado por um arranjo apropriado de duas fases. Patterson [14] discutiu a correção dos torques dos harmônicos, em um motor híbrido, pelo ajuste das formas de onda das correntes. Uma outra finalidade do acionamento micropasso é reduzir oscilações ou ruídos devido à vibração, ao invés da subdivisão. 37

11 (a) uso normal (b) arranjo micropasso Fig. 68 Arranjo dos dentes de um motor com ímã rotor de disco. Motores de passo monofásicos Todos os motores descritos até agora são motores de passo polifásicos. Há entretanto, alguns motores de passo que são projetados para serem operados por uma fonte monofásica. São usados extensivamente em relógios de pulso e de parede, temporizadores e contadores. Os motores de passo monofásicos atuais todos usam um ou dois ímãs permanentes, porque os ímãs permanentes são necessários para aumentar a relação torque para potência de entrada em um motor miniatura. Na discussão dos motores de passo monofásicos, devemos considerar duas questões: (1) como manter o rotor numa posição fixa quando a bobina não está excitada; e (2) como girar o rotor no sentido desejado comutando a polaridade magnética de somente uma bobina. Um motor de passo desse tipo é o histórico Cyclonome mostrado na Fig. 11 da apostila Introdução e breve histórico. Para obter um ângulo pequeno de passo ele tem um pólo de retenção e dois pólos de acionamento, mas foi substituído pelos motores polifásicos. Vamos examinar um tipo que é usado hoje em dia em peças de relógio. O motor ilustrado na Fig. 69 tem como rotor um ímã no formato cilíndrico enquanto os air-gaps têm uma região mais estreita conforme mostra a Fig. 69. O rotor atinge a posição de repouso ou de retenção de ambas as formas mostradas nas Figs. 70(a) ou 70(b). As posições magneticamente estáveis são àquelas onde os pólos magnéticos do rotor se alinham com a região mais estreita dos air-gaps. Para girar de 180 o o rotor que está no estado de equilíbrio indicado em 70(a), a bobina deve ser excitada para produzir o fluxo no sentido mostrado em 70(a), uma vez que as polaridades magnéticas do eletroímã e àquelas do ímã permanente se repelem neste estado. Como é óbvio, nesta figura o sentido natural da rotação é sentido horário devido à geometria original dos air-gaps. Se a bobina, no entanto, é excitada no sentido oposto àquele mostrado na Fig. 70(a), o rotor deslocar-se-á de um pequeno ângulo no sentido anti-horário devido a um torque de atração entre o ímã permanente e o eletroímã. Quando a excitação cessa, entretanto, o rotor voltará para a posição de retenção precedente. Para girar o rotor da posição 70(b) para 70(a), a excitação deve ser feita como indicado em 70(b). O sentido de giro neste caso também é o sentido horário. 38

12 Fig. 69 Um motor de passo monofásico. Fig. 70 Posições de equilíbrio e polaridade da bobina para girar o rotor. Um motor de passo usado num relógio de pulso empregando este princípio é mostrado na Fig. 71. O rotor é um disco de ímã permanente de terras raras de aproximadamente 1,5 mm de diâmetro. O núcleo do estator não é cortado em ambas extremidades como foi mostrado nas figuras 69 e 70, aqui ele sofre apenas um estreitamento. Como as duas partes estreitas são magneticamente saturadas quando a bobina estiver excitada, o maior fluxo proveniente da excitação da bobina passará através do rotor. O potencial aplicado à bobina é àquele mostrado na Fig. 72; a largura do pulso é tão curta quanto 8 ms para conservar a energia elétrica de uma pequena bateria incorporada no relógio. Com o objetivo de excitar a polaridade correta de modo a não perder o primeiro passo quando o relógio é ligado após ter sincronizado-o com o tempo padrão, é incorporado um circuito para memorizar a posição do rotor e para excitá-lo na polaridade correta. Fig. 71 Um motor de passo monofásico usado em relógio de pulso. 39

13 Fig. 72 Forma de onda de tensão aplicada num motor de passo monofásico usado em relógio de pulso. Especificação das características de motores de passo Nesta seção, os termos técnicos usados na especificação das características de um motor de passo são estudados. Características estáticas As características relacionadas aos motores estacionários são chamadas características estáticas. (1) características T / θ. O motor de passo é mantido primeiramente estacionário em uma posição de repouso (equilíbrio) através do fornecimento de corrente em um modo específico de excitação, por exemplo, excitação monofásica ou bifásica. Se um torque externo é aplicado ao eixo, ocorrerá um deslocamento angular. A relação entre o torque externo e o deslocamento pode ser obtida como mostra a Fig. 73. Esta curva é chamada convencionalmente de curva característica T / θ, e o máximo do torque estático é denominado torque de manutenção (ou, do inglês, holding torque), que ocorre em θ = θ M na Fig. 73. Nos deslocamentos maiores que θ M, o torque estático não age no sentido de retornar para a posição de equilíbrio original ( θ = 0), mas para a posição de equilíbrio seguinte. O torque de manutenção é definido rigorosamente como o máximo torque estático que pode ser aplicado ao eixo de um motor excitado sem causar o movimento contínuo. O ângulo em que o torque de manutenção é produzido não está sempre deslocado do ponto do equilíbrio de um ângulo de passo. (2) características T/I. O torque de manutenção aumenta com a corrente e esta relação é convencionalmente referenciada como características T/I. A Fig. 74 compara a característica T/I de um motor híbrido típico com àquela de um motor RV, o ângulo de de passo de ambos sendo 1.8 o. O torque estático máximo que aparece no motor híbrido com nenhuma corrente aplicada é o torque de retenção como definido na página 6. Para detalhes da medida dos torques e dos deslocamentos veja a referência [16]. Características dinâmicas As características relacionadas aos motores que estão em movimento ou na eminência da partida são chamadas características dinâmicas. 40

14 (1) características de torque pull-in. Estas características são alternativamente chamadas de características de partida e referem-se à faixa de torque de atrito da carga na qual o motor pode partir e parar sem perda de passos, para um trem de pulsos regularmente espaçados de várias freqüências. O número de pulsos usado no trem de pulsos para o teste é da ordem de 100. A razão porque a palavra faixa é usada aqui, ao invés de máximo, é que o motor não é capaz de partir ou de manter uma rotação normal sob baixo atrito em determinadas faixas de freqüência como indica a Fig. 75. Quando o torque pull-in é medido ou discutido, é também necessário especificar claramente o circuito de acionamento, o método de medição, o método de acoplamento, e a inércia a ser acoplada ao eixo. Em geral, a faixa de partida própria diminui com o aumento na inércia. Fig características T / θ. Fig. 74. Exemplos de características T/I. (a) motor RV quadrifásico de 1.8 o, e (b) motor híbrido bifásico de 1.8 o. 41

15 (2) características de torque pull-out. Estas características são chamadas alternativamente de características de giro. Depois que o motor sob teste partiu acionado por um acionador específico no modo de excitação específico na faixa de partida própria, a freqüência dos pulsos é aumentada gradualmente; o motor sairá eventualmente do sincronismo. A relação entre o torque de atrito da carga e a freqüência máxima de sincronismo é chamada de característica de pull-out (veja Fig. 75). A curva de pull-out é extremamente afetada pelo circuito de acionamento, pelo acoplamento, pelos instrumentos de medição e por outras circunstâncias. Fig. 75 Características dinâmicas. (3) freqüência máxima de partida. É definida como a máxima freqüência de controle na qual o motor descarregado pode partir e parar sem perder passos. (4) taxa máxima de pull-out. É definida como a máxima freqüência (stepping rate) na qual o motor descarregado pode girar sem perder passos, e é chamada alternativamente como a máxima freqüência de giro. (5) torque máximo de partida. É alternativamente chamado como torque máximo de pullin e é definido como o máximo torque de atrito da carga sob o qual o motor pode partir e manter a sincronia com um trem de pulsos de uma freqüência tão baixa quanto 10 hertz. Para mais estudos dos motores de passo sob diferentes pontos de vista, são recomendadas as referências [1] e [17]. Referências para a seção [1] Acarnley, P. P. (1992). Stepping motors: a guide to modern theory and practice (revised 3rd edn), p. 11. Peter Peregrinus, London. [2] Pawletko, J. P. and Chai, H. D. (1976). Three-phase variable-reluctance step motor with bifilar winding. Proc. Fifth Annual Symposium on Incremental Motion Control Systems and Devices. Department of Electrical Engineering, University of Illinois. pp. Fl-F8. 42

16 [3] Feiertag, K. M. and Donahoo, J. T. (1952). Dynamoelectric machine. United States Patent No. 2,589,999. [4] Heine, G. (1975). Five-phase stepping motor. United States Patent No. 3,866,104. [5] Heine, G. (1977). Control methodology of 5-phase PM stepping motors. Proc. Sixth Annual Symposium on Increment Motion Control Systems and Devices. Department of Electrical Engineering, University of Illinois. pp ] Oudet, C. and Stcherbatcheff, G. (1969). Utilisation d'aimants minces dans des micromoteurs. Compte-rendus à l'academie des Sciences 269, (4), [7] Oudet, C. (1981). A new family of multipolar P.M. stepper motors. Proc. Tenth Annual Symposium on Incremental Motion Control Systems and Devices. Incremental Motion Control Systems Society, Champaign, Illinois. pp [8] Niimura, Y. (1974). Outer-rotor-type stepping motor. Proc. Third Annual Symposium on Incremental Motion Control Systems and Devices. Department of Electrical Engineering, University of Illinois. pp. HI-HLO. [9] Pawletko, J. P. (1976). Dynamic responses and control aspects of linear stepping motors. Proc. Fifth Annual Symposium on Incremental Motion Control Systems and Devices. Department of Electrical Engineering, University of Illinois. pp. PI-Pl7. [10] Hinds, W. E. and Nocito, B. (1974). The Sawyer linear motor. Proc. Third Annual Symposium on Incremental Motion Control Systems and Devices. Department of Electrical Engineering, University of Illinois. pp. WI-10. [11] Langley, L. W. and Kidd, H. K. (1979). Closed-loop operation of a linear stepping motor under microprocessor control. Proc. International Conference on Stepping Motors and Systems. University of Leeds, England. pp [12] Kenjo, T. and Takahashi, H. (1979). Speed ripple characteristics of hybrid stepping motors driven in the ministep mode. Proc. International Conference on Stepping Motors and Systems. University of Leeds, England. pp [13] Oudet, C. (1979). Synchronous motor structure with plurality of stator pole members coupled to each coil and forming separate elementary magnetic circuits in radial direction. United States Patent No. 4,330,727. [14] Patterson, M. L. and Haselby, R. D. (1977). A microstepped XY controller with adjustable phase current waveforms. Proc. Sixth Annual Symposium on Incremental Motion Control Systems and Devices. Department of ElectricaI Engineering, University of Illinois. pp [15] Patterson, M. L. (1977). Analysis and correction of torque harmonics in permanentmagnet step motors. Ibid. pp [16] Kuo, B. C. (1979). Step motors and control systems, Chapter 6. SRL Publishing Co., Champaign, Illinois. [17] Leenhouts, A. C. (1987). The art and practice of step motor control. Intertech Communications, Ventura, California. 43