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Um motor de passo é um motor elétrico síncrono e sem escovas que converte pulsos
digitais em rotação do eixo mecânico.
Cada rotação do
motor de passo é dividida em um número distinto de passos, em muitos casos 200, e um pulso
separado é enviado ao motor para cada passo. O motor de passo realiza somente um passo por vez e
cada passo possui o mesmo tamanho. Uma vez que cada pulso faz com que o motor gire em um ângulo
preciso, normalmente 1,8°, a posição do motor é controlada sem nenhum mecanismo
de feedback. Conforme a frequência dos pulsos digitais aumenta, o movimento em passo se transforma
em rotação contínua, com a velocidade de rotação diretamente proporcional
à frequência dos pulsos. Os motores de passo são utilizados em aplicações
industriais e comerciais cotidianas em função de seu baixo custo, da alta confiabilidade,
do elevado torque em baixas velocidades e da construção simples e reforçada e são capazes de
operar em quase qualquer tipo de ambiente.
Vantagens dos motores de passo
- O ângulo de rotação do motor é proporcional ao pulso de entrada.
- O motor possui torque total quando parado (se os enrolamentos estiverem energizados).
- Posicionamento preciso e repetibilidade de movimento, uma vez que bons motores de passo possuem
exatidão de 3% a 5% de um passo e esse erro não é cumulativo de um passo a outro.
- Excelente reposta em partida, interrupção e inversão.
- Altamente confiável por não haver contato de escovas no motor. Com isso, a vida útil
do motor de passo depende da vida útil do rolamento.
- A resposta dos motores de passo aos pulsos digitais de entrada proporciona um controle de loop aberto, o
que faz com que o controle do motor seja mais simples e mais econômico.
- É possível alcançar rotações síncronas a velocidades extremamente
baixas com uma carga que é diretamente acoplada ao eixo.
- Uma grande variedade de velocidades de rotação está disponível, já
que a velocidade é proporcional à frequência dos pulsos de entrada.
Tipos de motores de passo
Existem três tipos básicos de motores de passo: de relutância variável, de
ímã permanente e híbrido. Nosso enfoque será no motor híbrido, já
que esses motores de passo combinam as melhores características dos motores de relutância
variável e de ímã permanente. Eles são construídos com polos de estatores
multidentados e um rotor de ímã permanente (Ver figura A).
Os motores híbridos padrão possuem 200 dentes de rotor e giram em ângulos de 1,8°
por passo. Por apresentarem torque estático e dinâmico elevado e funcionarem a taxas de passo
muito altas, os motores de passo híbridos são utilizados em uma variedade de aplicações
comerciais, inclusive unidades de disco de computadores, impressoras, plotadoras e aparelhos de CD. Algumas
aplicações industriais e científicas dos motores de passo incluem robôs,
máquinas-ferramenta, máquinas de manipulação tipo "pick and place",
máquinas de corte e soldagem de fios e dispositivos de controle de fluidos.
Modos de passo
Os "modos de passo" do motor de passo se dividem em: completo, meio-passo e micropasso. O tipo de
saída do modo de passo de qualquer motor de passo depende do projeto do acionador. A Omegamation™
oferece motores de passo com modos de passo completo e meio-passo selecionáveis por chave, bem como
acionadores de micropasso com resoluções selecionáveis por chave ou por software.
PASSO COMPLETO
Os motores de passo híbridos padrão possuem 200
dentes de rotor ou 200 passos completos por rotação do eixo do motor. Ao dividir os 200 passos
pelos 360° da rotação, obtemos o ângulo de passo completo de 1,8°. Normalmente, o
modo de passo completo é alcançado ao energizar ambos os enrolamentos e inverter a corrente de
forma alternada. Basicamente, um pulso digital do acionador é equivalente a um passo.
MEIO-PASSO
Meio-passo significa que o motor de passo gira a 400 passos por
rotação. Nesse modo, um enrolamento é energizado e, em seguida, dois enrolamentos
são energizados de forma alternada, fazendo com que o rotor gire pela metade da distância, ou
seja, 0,9°. Embora produza aproximadamente 30% menos torque, o modo meio-passo gera um movimento mais
suave que o modo de passo completo.
MICROPASSO
O micropasso é
uma tecnologia relativamente nova de motor de passo que controla a corrente no enrolamento do motor a um
determinado grau que chega a subdividir o número das posições entre os polos. Os
acionadores de micropasso da Omegamation são capazes de dividir um passo completo (1,8°) em 256
micropassos, o que resulta em 51.200 passos por rotação (0,007°/passo). Normalmente, o
micropasso é utilizado em aplicações que exigem posicionamento exato e movimentos
suaves em uma grande variedade de velocidades. Assim como o modo meio-passo, o micropasso produz 30% menos
torque que o modo de passo completo.
Controle de movimento linear
O movimento giratório de um motor de passo é convertido em movimento linear com a
utilização de um sistema acionador com parafuso de avanço/engrenagem sem-fim
(Ver figura B). O avanço (ou passo) do parafuso de avanço
é a distância linear percorrida por uma rotação do parafuso. Se o avanço
for igual a 1 polegada (2,54 cm) por revolução e existirem 200 passos completos por
revolução, a resolução do sistema de parafuso de avanço será
de 0,005 polegadas (0,013 cm) por passo. Mesmo uma a resolução mais fina é
possível com a utilização de um sistema motor/acionador em modo de micropasso.
Conexão em série versus em paralelo
Existem duas formas de conectar um motor de passo: em série ou em paralelo. Uma conexão
em série causa uma indutância elevada e, por isso, fornece maior torque em velocidades baixas.
Uma conexão em paralelo reduzirá a indutância, o que resulta em aumento de torque em
velocidades mais altas.
| Conexão em série |
Conexão em paralelo |
Visão geral da tecnologia do acionador
O acionador do motor de passo recebe sinais de passo, de sentido do sistema indexador ou de controle,
convertendo-os em sinais elétricos para fazer com que o motor de passo funcione. É necessário
um pulso para cada passo do eixo do motor. No modo de passo completo, com um motor padrão de 200 passos,
são necessários 200 pulsos de passos para completar uma revolução. A velocidade de
rotação é diretamente proporcional à frequência de pulso. Alguns acionadores
possuem osciladores integrados que permitem a utilização de um sinal analógico externo ou
joystick para definir a velocidade do motor.
A velocidade e o desempenho de torque do motor de passo baseiam-se na vazão da corrente desde o acionador
até o enrolamento do motor. O fator que inibe a vazão ou que limita o tempo que a corrente leva para
energizar o enrolamento é conhecido como indutância. Os efeitos da indutância são que a
maioria dos tipos de circuitos de acionadores são projetados para fornecer um volume de tensão maior
do que a tensão nominal do motor. Quanto maior for a tensão de saída do acionador, maior
será o nível de torque x velocidade. Geralmente, a tensão de saída do acionador
(tensão de barramento) é classificada com um valor de 5 a 20 vezes maior do que a tensão
nominal do motor. A fim de proteger o motor contra danos, o acionador do motor de passo deve ser limitado de
acordo com a corrente nominal do motor de passo.
Visão geral do indexador
O indexador ou controlador fornece saídas de passo e sentido ao acionador. A maioria das
aplicações
exige que o indexador gerencie outras funções de controle, como aceleração,
desaceleração, passos por segundo e distância. O indexador também serve de interface
e controla outros sinais externos.
A comunicação com o indexador é realizada por
uma porta serial RS232 e, em alguns casos, por uma porta RS485. Nos dois casos, o indexador é capaz de
receber comandos de alto nível de um computador e gerar o passo e os pulsos de sentido necessários
ao acionador.
O indexador possui E/S auxiliares para entradas de monitoramento de fontes externas,
como Go (Ir), Jog (Avanço Gradual), Home (Posição Inicial) ou Limit Switch (Chave
de Limite). Ele também inicia outras funções das máquinas por meio dos pinos de
saída E/S.
Operação autônoma
No modo autônomo, o indexador opera de forma independente do computador host. Após efetuar
o download na memória não volátil, os programas de movimento são iniciados
por diversos tipos de interfaces com o operador, como teclado ou tela sensível ao toque, ou por
uma chave nas entradas E/S auxiliares. Um sistema de controle de motor de passo autônomo é
fornecido com acionador, fonte de alimentação e feedback de codificador opcional para
aplicações de "loop fechado", que exigem detecção de estol e
compensação da posição exata do motor.
Controle de diversos eixos
 Muitas
aplicações de movimento possuem mais de um motor de passo para ser controlado. Nestes casos, há
um sistema de controle de diversos eixos à disposição. O hub de rede HUB 444, por exemplo, pode
ter até quatro acionadores de passo conectados a ele, com cada acionador conectado a um motor de passo separado.
O hub de rede permite movimentos coordenados para as aplicações que exigem um alto grau de sincronia,
como interpolação circular ou linear.
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Figura C: Curva de velocidade-torque para
acionador de passo 3540i
e motor NEMA 23 |
Seleção de motor e acionador de passo
A escolha de um motor de passo depende dos requisitos de torque e velocidade da aplicação. Utilize a curva de
torque-velocidade do motor (encontrada nas especificações de cada acionador, por exemplo, na figura C) para
selecionar o motor que executará o serviço. Todos os acionadores de passo da linha da Omegamation exibem as
curvas de torque-velocidade para os motores recomendados do acionador. Se os requisitos de torque e velocidade puderem ser
atendidos por diversos motores de passo, escolha um acionador com base nas necessidades do sistema de movimento –
passo/sentido, programável autônomo, entradas analógicas, micropasso – e, depois, um dos motores
recomendados para tal acionador. A lista de motores recomendados é baseada em inúmeros testes realizados pelo
fabricante para garantir o desempenho ideal da combinação motor de passo e acionador.
Figura A: Motor híbrido 1,8°
Figura B: Controle de movimento linear
Tabela 1: Tabela de conversão de inércia
Tabela 2: Tabela de conversão de torque
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Tipos de motores de passo |
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Passo e sentido
Esses acionadores de motor de passo aceitam pulsos e sentidos de passo e habilitam sinais a partir de um controlador, como um CLP ou um PC. Todo pulso de passo faz com que o motor gire em um ângulo preciso, com a frequência dos pulsos determinando a velocidade de rotação. O sentido do sinal determina o sentido da rotação (horário ou anti-horário), enquanto a habilitação de sinais liga ou desliga o motor. |
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Oscilador
Os acionadores de motor de passo com osciladores digitais integrados aceitam uma entrada analógica ou joystick para controlar a velocidade. Esses sistemas são utilizados em aplicações que exigem movimento contínuo, em vez de controle de posição, como batedeiras, liquidificadores e dispensadores. |
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Programável autônomo
Todos esses acionadores de passo são programados para funcionamento autônomo; o programa de controle de movimento é criado por meio de uma interface simples, do tipo arraste e solte, em um software de alto nível (incluso sem custos adicionais); o download e a execução ocorrem na ativação. Normalmente, o programa de controle de movimento espera por uma entrada, como fechar uma chave ou pressionar um botão, antes de executar o movimento programado.
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Alto desempenho
Esses acionadores de motor de passo oferecem recursos avançados, como diagnóstico por autoteste, proteção contra falhas, ajuste automático, suavização de ondulação de torque, suavização de sinal de comando e algoritmos antirressonância. Alguns acionadores são programáveis de forma autônoma, enquanto outros oferecem passo, sentido e entradas analógicas. Os acionadores de alto desempenho fornecem o melhor desempenho para o sistema de controle de movimento.
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