Drive Motores de Passo

Após o estudo dos drivers já implementados em trabalhos anteriores optamos por projectar e dimensionar um driver unipolar.
Na fase inicial do projecto os testes foram efectuados através de um algoritmo já desenvolvido anteriormente pelo Engenheiro José Fernandes que corria no computador ao qual se encontrava ligado a placa de aquisição de dados PCI 1751. Para tal o driver foi projectado para trabalhar com a placa cujas características se encontram descritas na tabela 7.
Tabela 7 : Características da placa de dados PCI-1751

Os sinais provenientes da placa de aquisição de dados têm uma tensão inferior à tensão necessária para actuar na gate do mosfet de potência. Para resolver o problema foi desenvolvido um andar amplificador de tensão, o qual aumenta a tensão de 2,4V, enviada pela placa de aquisição de dados, para 5V de modo a activar o mosfet. Este valor de tensão foi escolhido visto que os motores têm uma tensão de alimentação igual, assim só é necessário uma tensão para alimentar o sistema.
O andar amplificador estudado tem o sinal de saída invertido em relação ao sinal de entrada, estado lógico da placa de aquisição de dados, para que o sinal seja novamente invertido colocou-se mais um andar amplificador.
Depois de garantir 5V na gate do mosfet é também necessário garantir um máximo de corrente na mesma. Para tal colocou-se depois dos andares de amplificação de tensão um push-pull para aumentar a corrente e em seguida uma resistência que limita a corrente na gate do mosfet no máximo a 1A.

De seguida apresentamos ao circuito projectado.

Figura 16: Esquema do drive unipolar para um enrolamento do motor de passo

Dimensionamento do drive unipolar

Figura 17: Esquema do drive unipolar para um enrolamento do motor de passo com representação das correntes a calcular
Ponto de partida:

O motor utilizado é alimentado a 5V / 1A, para garantir o normal funcionamento do mesmo efectuaram-se os seguintes cálculos para determinar os componentes a utilizar.

Para limitar a corrente de 1A na gate do mosfet, coloca-se uma resistência R1

A corrente tem de ser no mínimo 10mA e para garantir esse valor optamos por admitir , logo:

A corrente tem de ser no mínimo 150mA e para garantir esse valor optamos por admitir , logo:

Como o sinal da placa de aquisição não se anula, tem como valor mínimo 0,4V aquando do estado lógico 0, coloca-se a resistência R5. Para que esta resistência não interfira no fornecimento da corrente na base do transístor 4, coloca-se uma resistência com um valor 10 vezes superior a R4.

Assim aquando o estado lógico 1 da placa de aquisição a tensão é no mínimo 2,4V tendo uma corrente 15mA que é suficiente para actuar o transístor que tal como calculado anteriormente necessita de uma corrente IB4=2mA para entrar em condução. Como R5 é muito grande, a corrente flui pelo transístor que tem uma RBE mais baixa, esta serve somente para dissipar a corrente fornecida pela placa no estado lógico 0.

No estado lógico 0, R5 dissipa 18,8nW.

Cálculo da resistência para o LED

Após efectuados todos os cálculos verifica-se facilmente que os valores de resistências encontrados não são normalizados. Assim na prática há necessidade de escolher valores normalizados. Para estes valores refizeram-se os cálculos para garantir o bom funcionamento do drive.

Valor Calculado


Valor Normalizado

Valor Calculado

Valor Normalizado

Valor Calculado


Valor Normalizado

Na prática no estado lógico 0, R5 dissipa 19,5nW.

Após efectuados os cálculos garantimos que o driver funcionará com os valores normalizados.

Simulação em Pspice do drive unipolar

Figura 18: Esquema do drive unipolar para um enrolamento do motor de passo com a representação as tensões a medir

Figura 19 : Comparação da tensão do sinal de entrada com a tensão depois do amplificador de tensão

Figura 20 : Comparação da tensão do sinal de entrada com a tensão depois do amplificador de tensão e com a tensão depois do segundo amplificador de tensão

Figura 21 : Comparação da tensão do sinal de entrada com a tensão na gate do mosfet

Figura 22 : Panorâmica do drive unipolar montado na breadboard

Figura 23 : Panorâmica final do drive unipolar

Figura 24 : Panorâmica final da caixa dos drives dos motores vertical e horizontal

Regulador de Tensão Ajustável

Para alimentar o driver através da bateria de 12V é necessário reduzir a tensão para 5V, para tal efectuou-se uma montagem de um regulador de tensão ajustável retirada do datasheet do LM338,
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS009060.PDF.
A escolha deste regulador deve-se ao facto do drive poder atingir uma corrente de pico cerca de 1,5A.
Este regulador tem como principais características, variação da tensão de saída entre 1,2V e 12V, corrente de saída 5A podendo esta atingir um máximo de 7A durante um curto intervalo de tempo.
Apresentação do circuito efectuado:

Figura 25 : Esquema do regulador de tensão

Dimensionamento do Regulador de Tensão

Dados fornecidos no datasheet:

Devido à queda de tensão no cabo de alimentação (comprimento de 50m e secção de 0.5mm2) dos motores de passo, o drive não pode ser alimentado a 5V, mas sim a 6V. Optou-se por colocar um potenciómetro de 5kΩ para se poder regular a tensão de saída do regulador permitindo assim que este seja utilizado como alimentação do drive no caso deste usar um cabo de pequenas dimensões, logo alimentado a 5V, ou para o caso do drive ser utilizado com o cabo de 50m necessitando assim de uma tensão de alimentação de 6V para fazer face à queda de tensão registada no cabo.

Figura 26 : Panorâmica final do regulador de tensão

Resistência de Carga

Para colocar o módulo a produzir a potência máxima disponível face às condições de radiação e temperatura é necessário uma resistência de carga adequada. Para esse efeito depois de efectuados os cálculos seguintes construímos uma série de 7 resistência de 1Ω/10W cada, figura 27.

Na prática a resistência de carga tem um valor total de 6,96Ω, mas quando sujeita a tensão a série de resistências aquece, o que faz com que o seu valor se altere. Experimentalmente e após submetermos a resistência a uma tensão de cerca de 12 a 15V concluímos que a resistência equivalente estabiliza o seu valor em 7,17Ω. Este será o valor a usar em todos os cálculos da potência activa do painel fotovoltaico, apesar de se reconhecer que Req deveria variar um pouco (Req1 -> Req2) com a radiação incidente.

Figura 27 : Aspecto da resistência de carga e curva U(I) para a resistência de carga