Se você está pensando que o motor de passo é um motor que anda, então você não está longe da verdade. O motor de passo é, de fato, um motor que anda uma certa quantidade de rotação de acordo com que o se deseja e pára. Ou seja, ele anda e pára onde você quer.

Aí está tudo detalhadinho...

Ó ele aí!!

Um motor de passo é um dispositivo digital. Como um computador, ele processa uma informação digital para realizar um ato desejado, neste caso, um movimento. Um motor de passo deverá seguir as instruções digitais fielmente, da mesma maneira que é esperado que um computador faça. Esta é a principal característica de um motor de passo. A cada pulso, ele faz um incremento rotativo (passo). Cada passo é só uma porção de uma rotação completa. Então, vários pulsos podem ser aplicados para alcançar uma quantia desejada de rotação do eixo.

Descrição

O seu funcionamento pode ser comparado ao motor síncrono: um campo rotativo (neste caso gerado pela eletrônica de controle) faz girar o campo magnético. Ele é composto por um estator e um rotor, como qualquer outro motor.

Princípio de Funcionamento

Um motor de passo é eletromagnético. Ele converte mecanicamente pulsos digitais em incrementos de rotação do eixo. A rotação não só tem uma relação direta ao número de pulsos, mas sua velocidade é relacionada à freqüência dos mesmos.

Geralmente são operados sem realimentação e às vezes emparelha ao desempenho de Servo Sistemas DC, mais caros. A única inexatidão associada com um motor de passo é um posicionamento de erro medido em % de ângulo de passo.

Como são Controlados?

A quantidade de passos, velocidade, e direção de rotação de um motor de passo é determinada por configurações apropriadas de dispositivos de controle digitais. Os tipos principais de dispositivos de controle digitais são: Controladores de motor, Controle de Vínculos, e Controladores. Estes dispositivos são empregados como mostrado em Figura 8. O computador ou PLC (Controlador Lógico Programável) envia os comandos ao indexer. O Indexer cria o pulsos de clock e os sinais de direção. O controlador recebe os pulsos de clock e os sinais de direção e traduz estes sinais em correntes de fase apropriadas ao motor.

Considerações gerais:

As características, exigências de desempenho, e desenho mecânico devem ser consideradas antes de selecionar o motor mais satisfatório e a combinação com um controlador.

1. Distância a ser percorrida.
2. Tempo máximo para percorrer a distância desejada.
3. Precisão estática desejada.
4. Precisão dinâmica desejada.
5. Tempo permitido para retornar a desenvolver a especificação de precisão estática a partir da especificação de precisão dinâmica (settling time).
6. Resolução de passo exigida (combinação do tamanho de passo, engrenagens e desenho mecânico).
7. Atrito do sistema: todos os sistemas mecânicos exibem um pouco de força de atrito. Quando dimensionar o motor, lembrar-se que o motor tem que prover torque para superar qualquer atrito do sistema. Uma pequena quantidade desse atrito é desejável, desde que ele possa reduzir o "settling time" e melhorar o desempenho.
8. Inércia do sistema: A inércia de um objeto é a resistência que ele oferece à mudanças de velocidade. Com uma carga com inércia grande, o motor leva muito mais tempo para acelerar ou desacelerar a carga. A velocidade à qual o motor gira é independente da inércia. Para o movimento rotativo, a inércia é proporcional à massa do objeto que é movido multiplicada pela sua distância do eixo de rotação.
9. Características de Velocidade/Torque do motor: Torque é a força rotacional, que é definida como uma força linear multiplicada por uma distância. Quando selecionar um motor/controlador, a capacidade do motor tem que exceder as exigências globais da carga. O torque que qualquer motor pode prover varia com sua velocidade. As curvas de velocidade/torque devem ser consultadas pelo projetista.
10. Relação Torque/Inércia: Este número é definido pelo torque do motor dividido por sua inércia de rotor. Esta relação determina a velocidade que o motor pode acelerar e desacelerar sua própria massa. Motores com torque semelhantes podem ter relações de torque/inércia diferentes como resultado da variação na construção.
11. Margem de Torque: Sempre que possível deve ser especificado que o motor possa prover mais torque que o necessário. Esta margem de torque permite o funcionamento em condições adversas como endurecimento de lubrificante ou outro atrito inesperado. Efeitos de ressonância podem fazer o torque do motor ser ligeiramente baixo em velocidades pequenas. Selecionar um motor que provê pelo menos 50% de margem sobre o torque mínimo exigido seria o ideal. Mais que 100% pode ser inviável.

Em um sistema de motor de passo em "open-loop", não sabe-se se a inércia ou o atrito excessivo faz o motor perder ou ganhar um ou mais passos e assim, afetar a precisão de posicionamento.

1. A inércia da carga deve ser restringida para não ser mais de quatro vezes a da inércia do rotor para sistemas de alto desempenho (relativamente rápidos). Um sistema de baixo desempenho aceita um motor de passo com inércia de carga muito alta, algumas vezes de até dez vezes a da inércia do rotor. O atrito do sistema pode aumentar o desempenho com cargas de inércia altas.

1. Experiências para se dimensionar o motor são quase sempre necessárias por causa das mudanças dinâmicas no atrito e inércia do sistema (anomalias de carga), isso é difícil calcular. Os efeitos de ressonância do motor também podem mudar quando o motor é ligado à sua carga.

Controladores de Dois Níveis (Bilevel)

A função básica de um controlador de motor é prover a fase para as bobinas do motor no menor tempo possível. O controlador de dois níveis usa uma tensão alta para obter uma taxa rápida do tempo de aumento da corrente nas bobinas do motor. Quando o nível de corrente operacional apropriado é alcançado, o controlador desliga a tensão alta e sustenta o nível atual a partir de uma baixa tensão. Daí seu nome. Enquanto o motor está mudando de passo, a tensão alta dirige a corrente nas bobinas e provê uma corrente maior do que a exigida para aumentar a taxa de passo. Esta troca de tensão (baixa, alta, baixa...) resulta em uma eficiência mais alta com um custo mais baixo que aquele alcançável por choppers e outros esquemas mais exóticos. Eles também não causam problemas de aquecimento do motor ou problemas por RFI e EMI, associados com controladores do tipo Chopper. Controladores de dois níveis podem controlar apenas motores no modo meio-passo ou no modo passo normal.

Controladores L/R

Controladores L/R são mais eficientes em aplicações de baixa velocidade, onde não se faz necessário reduzir o resistor totalmente. Nestas aplicações as tensões de fase variam freqüentemente, de 5 V a 35 V, com correntes de valores baixos a muito baixos. Estas aplicações compensam o tamanho dos controladores L/R.

Controladores PWM (Chopper)

Os controladores PWM (pulso de largura modulada) também são conhecidos como cortador (chopper). Estes controladores usam uma única fonte de energia de alta tensão. A corrente do motor é controlada através de transistores. Estes controladores têm vantagens e desvantagens. A característica mais excelente dos controladores PWM é a capacidade de controlar motores no modo micro-passo. As desvantagens são que eles produzem EMI, RFI e problemas de aquecimento no motor.

Modos

Há três modos de excitação comumente usados: passo normal, meio-passo, e micro-passo

Passo Normal (Full-Step)

• De única excitação de fase: o motor é operado com só uma fase energizada de cada vez. Este modo só deve ser usado onde o torque e a velocidade não são importantes, por exemplo onde o motor é operado a uma velocidade fixa e com condições de carga bem definidas. Problemas com ressonância podem impedir operação em baixas velocidades. Este modo requer o menos quantia de potência do que os demais modos de excitação.
• Excitação dual: é onde o motor é operado com as fases energizadas duas de cada vez. Este modo proporciona bom torque e velocidade com poucos problemas de ressonância. Excitação dual, provê aproximadamente 30 a 40% mais torque que a excitação única, mas também requer o dobro de potência da fonte.

Meio-Passo (Half-Step)

Excitação de meio-passo é a excitação única e dual alternadas, que resulta em passos com a metade do tamanho de um passo normal. Este modo dobra a resolução. O torque do motor varia ao alternar o passo, isto é compensado pela necessidade de se usar um passo com metade do ângulo normal. Este modo é totalmente livre de problemas de ressonância. Pode operar motores em uma grande faixa de velocidades e com quase qualquer carga encontrada comumente.

Micro-Passo (Micro-Step)

No modo de micro-passo, o ângulo de passo natural de um motor pode ser dividido em muitos ângulos menores. Por exemplo, um motor com de 1.8 graus tem 200 passos/revolução, com o modo micro-passo divisor de 10, ele passaria a ter passos de 0.18 graus e 2000 passos/revolução. Tipicamente, modos de micro-passo variam de divisor de 10 a divisor de 256 (51,200 passos/revolução para um motor de passo de 1.8 graus). Os micro-passos são produzidos proporcionando corrente nas duas bobinas de acordo com o seno e co-seno. Este modo só é usado onde é necessário movimento "macio" ou maior resolução.

• Relutância Variável: Tem um rotor com várias polaridades feito com ferro doce e um estator laminado. Eles geralmente operam com ângulos de passo de 5 a 15 graus, a taxas de passo relativamente altas e, por não possuir imã, quando energizado apresenta torque estático nulo. Na Figura 6, quando fase A é energizada, quatro dentes de rotor se alinham com os quatro dentes do estator da fase A através de atração magnética. O próximo passo é dado quando a fase A é desligada e fase B é energizada fazendo o rotor girar 15 graus à direita. Continuando a seqüência, a fase C é energizada e depois a fase A novamente.

• Imã permanente: motores de imã permanente diferem dos de relutância variável pois têm rotores de material alnico ou ferrite sem dentes e magnetizado perpendicularmente ao eixo, devido a isto, o torque estático não é nulo. Energizando as quatro fases em seqüência, o rotor gira, pois é atraído aos pólos magnéticos. O motor mostrado na Figura 7 dará um passo de 90 graus quando os enrolamentos ABCD forem energizados em seqüência. Geralmente tem ângulos de passo de 45 ou 90 graus a taxas de passo relativamente baixas, mas eles exibem torque alto.

• Híbrido: Combinando as características dos de Relutância Variável e dos de Imã Permanente, o Motor Híbrido tem algumas das características desejáveis de cada um. Têm alto torque, não apresenta torque estático nulo e podem operar em velocidades de passo altas. Normalmente, eles têm ângulos de passo de 0.9 a 5 graus. Geralmente são providos de pólos que são formados por dois enrolamentos (como mostrado na Figura 8), de forma que uma fonte única pode ser usada. Se as fases são energizadas uma de cada vez, na ordem indicada, o rotor giraria em incrementos de 1.8 graus. Este motor também pode ser controlado de forma a usar duas fases de cada vez, para obter maior torque, ou alternadamente, ora uma ora duas fazes de cada vez, a fim de produzir meio-passos ou incrementos de 0.9 grau.

Aplicações

Antigamente, eles eram substituídos por Servo Sistemas, mas hoje, com o aparecimento da eletrônica digital e o uso de microprocessadores, ele vêm ganhando a preferência em várias áreas.

Conclusão

Vimos portanto, que o motor de passo é de grande importância nos dias de hoje. Existem algumas aplicações que seriam praticamente impossíveis de serem realizadas sem ele.