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Os motores passo a passo são dispositivos mecânicos electromagnéticos que podem ser controlados digitalmente através de hardware e software específicos. Estes motores são usados em larga escala em pequenos aparelhos ou dispositivos tais como, impressoras, plotters, scanners, drivers de disquetes, discos rígidos etc. Os motores de passo têm um número fixo de pólos magnéticos e de enrolamentos que determinam o número de passos por volta.
A utilização de motores de passo permitirá uma regulação da orientação do módulo através de pequenos incrementos, o que dará um movimento angular bastante exacto. Esses ângulos têm de ter uma boa regulação para que se possa posicionar da melhor forma o módulo e daí retirar o seu rendimento máximo.
Tipos de Motores de passo
Motores Unipolares
Figura 12: Motor unipolar
O motor de passo unipolar apresenta uma derivação central (center tape) entre o enrolamento de duas bobinas.
Motores Bipolares
Figura 13: Motor Bipolar
O motor de passo bipolar não apresenta a derivação central entre o enrolamento de duas bobinas. Entretanto, o circuito para controlar este tipo de motor é mais complexo do que o unipolar. A vantagem do bipolar é apresentar um binário superior.
Relutância variável
Figura 14: Motor de Relutância variável
Apresenta um rotor construído de ferro e com vários dentes, tendo um estator com várias bobines. Por não possuir íman, quando não está alimentado apresenta binário de manutenção (detent torque) nulo. Como este motor tem uma baixa inércia de rotor, o seu uso está normalmente associado a cargas mecânicas de pequena inércia, conseguindo-se assim respostas dinâmicas superiores às dos outros motores de passo de ímanes permanentes.
Os motores de passo apresentam três estados de funcionamento.
Tabela 2 : Estados de funcionamento do motor
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Desligado: Não há alimentação no motor. Não existe consumo de energia, e todas as bobinas estão desligadas. Na maioria dos circuitos este estado ocorre quando a fonte de alimentação é desligada. |
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Parado: Pelo menos uma das bobinas está alimentada e o motor permanece estático num determinado sentido. Nesse caso há consumo de energia, mas em compensação o motor mantém-se alinhado numa posição fixa. |
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Em Funcionamento: |
Modos de operação de um motor de passo
Tabela 3 : Modos de operação do motor de passo
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Passo completo 1 (Full-step) |
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Passo completo 2 (Full-step) |
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Meio passo (Half-step) |
A forma com que o motor irá operar dependerá bastante do que se deseja controlar. Há casos em que o binário é mais importante, enquanto noutros é a precisão. Essas são características gerais dos motores de passos.
Em termos do sistema a movimentar, as características mais importantes são o ângulo de passo do motor e o seu binário de manutenção (holding torque).
Ao trabalhar com motores de passos, precisamos de conhecer algumas outras características de funcionamento como a tensão de alimentação, a máxima corrente eléctrica suportada nas bobinas e o passo (precisão). As características mais importantes que devemos ter atenção para operar um motor de passo, em condições de segurança, são a tensão de alimentação e a corrente eléctrica que as bobinas suportam.
Sequências correctas para se controlar um motor de passo
Passo Completo 1 (Full-step)
Tabela 4 : Passo completo
| Nº do passo |
B3 |
B2 |
B1 |
B0 |
Decimal |
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1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
8 |
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2 |
0 |
1 |
0 |
0 |
4 |
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3 |
0 |
0 |
1 |
0 |
2 |
|
4 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
Passo Completo 2 (Full-step)
Tabela 5 : Passo completo 2
| Nº do passo |
B3 |
B2 |
B1 |
B0 |
Decimal |
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1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
12 |
|
2 |
0 |
1 |
1 |
0 |
6 |
|
3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
3 |
|
4 |
1 |
0 |
0 |
1 |
9 |
Meio Passo (Half-step)
Tabela 6 : Meio passo
| Nº do passo |
B3 |
B2 |
B1 |
B0 |
Decimal |
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1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
8 |
|
2 |
1 |
1 |
0 |
0 |
12 |
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3 |
0 |
1 |
0 |
0 |
4 |
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4 |
0 |
1 |
1 |
0 |
6 |
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5 |
0 |
0 |
1 |
0 |
2 |
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6 |
0 |
0 |
1 |
1 |
3 |
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7 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
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8 |
1 |
0 |
0 |
1 |
9 |
A velocidade de um motor de passo
Para se controlar a velocidade de um motor de passo envia-se uma sequência de pulsos digitais (ver tabelas 4, 5 e 6) num determinado intervalo. Quanto menor o intervalo, maior será a velocidade a que o motor irá rodar.
O intervalo não deve ser inferior a um dado limite, tipicamente 10ms entre cada passo de motores pequenos, dado que o motor perderá o binário e em vez de rodar, o motor poderá vibrar.
Para a dinâmica do nosso sistema a velocidade dos motores teve de ser ajustada em função do tempo de resposta das caixas de velocidades.
Para mudar a direcção de rotação do motor, simplesmente inverte-se a sequência dos passos.
Resolução de um motor de passo
Usando as características do motor de passo escolhido para o projecto determina-se a precisão do motor.
– Tensão: 5 V / Corrente: 1 A / Resistência da bobina: 5 Ohm / Passo: 1.8º / Precisão do ângulo de passo 5% =0.08º / 4 fases
– Binário de manutenção: 0.03Nm / Binário motor (modo bipolar): 0.5Nm
Para determinar quantos passos são necessários para que o motor gire 360º, faz-se o seguinte cálculo:
.
O motor com precisão de 1.8º, necessita dar 200 passos para completar uma rotação.
Características dos motores de passo adquiridos para o projecto
Para a execução do projecto adquiriu-se dois motores híbridos de passo adquiridos à empresa RS, sob a referência 440-442, cujas características principais estão acima referidas. Na figura 5 apresentamos o modo de ligação de comando unipolar utilizado para o alimentar os motores.
Figura 15: Esquema de ligações do motor de passo com comando unipolar
Caixa de Velocidades
Tal como acima referido optou-se pela colocação de uma caixa de velocidades acoplada aos motores para que estes depois de posicionados possam manter a posição enquanto o motor estiver desligado.
Binário de manutenção à saída da caixa de velocidade:
Prevemos que binário de 1.5Nm seja suficiente para manter a posição do módulo para ventos fracos a moderados. Assim com a caixa de velocidades garante-se que o vento não irá influenciar na posição definida pelo sistema.
Com a utilização da caixa teremos um menor consumo de energia visto que o motor não precisará de ficar alimentado, no período de tempo em que não se necessitar executar qualquer movimento do módulo.
Assim adquiriu-se uma caixa de velocidades de referência 718-880 à empresa RS, com uma relação de redução de 50:1. Para o acoplamento da caixa ao motor houve necessidade de se adquirir um adaptador KITC 718-953.
