Funcionamento de um Motor de Passo

 

Esse tutorial tem como principal objetivo esclarecer as principais dúvidas sobre o Motor de Passo e o seu funcionamento, sendo este utilizado em muitos projetos de automação.
O conhecimento sobre Motor de Passo é de extrema importância para trabalhar com projetos que envolvem braços robóticos, esteiras, impressoras 3D, CNCs, entre outros.
Esse tutorial será inteiramente teórico, caso você esteja buscando como utilizar o motor de passo em conjunto com os drivers, verifique os outros tutoriais sobre Motor de Passo que estão disponíveis no  blog.

O nosso tutorial será dividido nos seguintes tópicos, clique em algum título para ir ao trecho correspondente:

Motor de Passo

Estrutura do Motor de Passo

Tipos de polos

Princípio de Funcionamento do Motor

Passos do Motor de Passo

Características Básicas do Motor de Passo

Driver para Controle do Motor de Passo

Vantagens do Motor de Passo

Conclusão

 

Motor de Passo

O Motor de Passo é um motor elétrico utilizado em uma infinidade de projetos, como mencionado, sua principal vantagem é a movimentação através de passos ou graus, com isso conseguimos controlar o motor de forma precisa sem o uso de sensores para determinar a posição do motor. Os motores desse tipo são controlados através de sinais digitais enviados para as suas bobinas, possibilitando a rotação fracionada do eixo, sem a necessidade de escovas internas. A explicação sobre o funcionamento e configurações de passo será dada mais adiante. Abaixo o exemplo de um Motor de Passo Nema 23.

 

Motor de Passo Nema 23

 

 

Uma característica importante dos motores de passo é a independência da carga, ou seja, os motores giram com velocidade constante desde que a carga não exceda o torque do motor.
Além disso, os motores de passo se movimentam através de passos quantificados, assim sendo, é possível conhecer a posição exata do eixo se não houver extrapolação de torque.

 

Estrutura do Motor de Passo

As características do Motor de Passo, no que diz respeito à velocidade, torque e resolução serão definidas primeiramente pela estrutura do motor, então é importante conhecer os aspectos internos e a função das peças que compõem o motor.

Estrutura motor de passo

 

  • Rotor

Uma das partes mais importantes do motor de passo é o rotor, na imagem acima temos um motor com rotor híbrido, o corpo que representa o rotor híbrido é composto pelos dois rotores e o imã entre eles, utilizado para a polarização do rotor frontal e o traseiro.
Existem três configurações possíveis de montagem para o rotor: rotor de imã permanente, rotor de relutância variávele rotor híbrido, o tipo híbrido é o mais comumente utilizado.

As principais diferenças entre os motores dos três tipos podem ser analisadas na tabela abaixo:

Tipos de motor de passo

Rotor de ímã permanente:

Esse modelo é composto por um rotor de imã com polaridade fixa com campo magnético permanente que se soma ao campo magnético das bobinas, dando vantagem de torque na partida. O tipo rotor de imã permanente apresenta torque moderado, permite a configuração de passo de 45° ou 90° e é silencioso, em contrapartida, a sua aceleração é lenta e a velocidade de pulso é baixa.

rotor de ímã permanente

Com produção de baixo custo, esse modelo não possui dentes,  seu funcionamento se dá pela energização de duas bobinas opostas, que irão definir a posição do rotor.

 

Rotor de relutância variável:

O rotor é produzido com um núcleo de ferro e apresenta enrolamentos que quando energizados com corrente DC, tornam-se pólos magnetizados. O processo de rotação ocorre quando os dentes do estator são atraídos para os polos energizados.

De forma oposta ao rotor de ímã permanente, esse rotor conta com baixo torque, mas ganha em velocidade e aceleração.

rotor de relutância variável

Rotor híbrido:

E por fim, o modelo mais comum devido às suas características, o rotor híbrido apresenta alto torque, velocidade de pulso alta, aceleração rápida, sem ruído e permite à configuração de micro passo, esse tipo é uma junção das melhores características dos rotores de imã permanente e de relutância variável. Como pode ser visto abaixo, tanto o rotor quanto o estator são dotados de dentes, possibilitando melhor configuração de micro passo. 

rotor híbrido

  • Estator

O Estator produz o campo magnético que causa a movimentação do rotor. Para análise do estator é necessário tomar nota de alguns pontos como: o número de fases, de par de pólos e configuração do fio. A fase ou o par de polos é formado por duplas de bobinas que são energizadas simultaneamente.

A estrutura do estator é formada por polos magnéticos dentados, sendo que cada polo é dotado de uma bobina com o seu par oposto, de forma que os pares são energizados simultaneamente e por consequência são magnetizados com a mesma polaridade, os dois polos formam uma fase. 

O primeiro modelo do exemplo abaixo é do tipo estator bifásico, com fases A e B, enquanto o segundo é do tipo estator trifásico, com fases A, B e C.

estator bifásico

 

Abaixo temos o primeiro modelo como um estator bifásico de par monopolar, enquanto o segundo se trata de um estator bifásico de par dipolo.

estator trifásico

 

E um estator real com os seus dentes e bobinas de enrolamento de cobre.

Estator Real motor de passo

  • Eixo

O eixo do motor híbrido é construído com dois grupos dentados de rotores, um deles polarizados com polo sul e outro com polo norte.

Eixo motor de passo

  • Tampa Frontal e Tampa Traseira

A tampa frontal e a tampa traseira servem como proteção para a parte interna do motor, elas são chapas metálicas de excelente qualidade que estão preparadas para impactos.

 

  • Tipos de Polos

Existem dois modelos de acordo com os polos, o bipolar e o unipolar, os termos surgiram de conformidade com os drivers que são utilizados para acionamento desses motores. O polar do termo representa “polaridade” e se refere ao driver utilizado para controle desses motores, utilizaremos as expressões “motor unipolar” e “motor bipolar” por convenção social.

 

Unipolar

O modelo utilizado com o driver Unipolar conta com duas bobinas por fase, formando um par de polos, além disso, há o contato em comum, dessa forma os motores desse tipo podem ter 5, 6 ou 8 fios.

Esquema Unipolar motor de passo

Com o fio central é possível controlar a direção da corrente, no entanto apenas metade da bobina pode ser utilizada, isso faz com que o motor seja menos eficiente se comparado ao bipolar. O fio central é conectado ao Vin do circuito, sendo que se o Mosfet 1 estiver ativo, a corrente fluirá de Am para A+, se o Mosfet ativo for o 2, a corrente fluirá de Am para A-.

Direção da corrente do motor de passo

Bipolar

No motor do tipo bipolar, cada bobina é composta por dois fios apenas, sem derivações centrais como as do tipo unipolar, de forma que são motores mais fáceis de serem produzidos.

Motor tipo bipolar

Como não há a derivação central, para controle de direção é necessário utilizar uma ponte H, exigindo um circuito de acionamento mais complexo. Para os motores desse tipo, temos que a corrente flui de A- para A+ quando os Mofets 2 e 3 estão ativos, e flui de A+ para A- quando 1 e 4 estão ativos. Apesar de possuir um acionamento mais complexo, os motores do tipo bipolar são mais comuns, pois permitem que o motor atinja maior torque.

esquema motor bipolar

 

Princípio de funcionamento do Motor de Passo Híbrido

Como mencionado, o motor de passo possui uma parte estática (o estator) e uma parte móvel (o rotor), sendo que o rotor é composto por duas engrenagens dentadas separadas por um imã, uma delas polarizada para o Norte e outra para o Sul.

Em um motor de 1,8° de passo, por exemplo, um rotor conta com 50 dentes e o estator com 48 dentes. Quando uma das fases do estator do motor está energizada, esse polo assume a polarização Sul, com isso os dentes do rotor que estão polarizados para o Norte são atraídos, lembrando que a atração se dá através de polos opostos. Uma demonstração do funcionamento de forma simplificada pode ser vista no gif abaixo.

motor de passo híbrido

Nesse procedimento o driver desempenha a função de comutação de fase, sendo que o tempo é controlado pelo sinal de pulso, adiante explicaremos melhor sobre os drivers.

No gif acima vimos um exemplo de passo completo, mas como podemos fazer o motor funcionar em ½ passo, e em ¼ de passo?

 

Passos do Motor de Passo

Para utilização de um motor unipolar no modo de passo inteiro, basta o acionamento da bobina de forma individual, com a polarização da bobina do estator é gerado um campo magnético que alinha o rotor com polaridade contrária, no caso abaixo é dado quatro passos de 90° para uma volta completa do rotor, as imagens servem como ilustrações simplificadas do processo de rotação.

Motor unipolar de passo inteiro

Para o funcionamento do motor bipolar no modo de passo inteiro se faz necessário o acionamento das bobinas de ambas as polaridades, em razão disso os drivers recebem o nome de bipolares. O passo completo do motor bipolar pode ser ilustrado com a imagem abaixo, perceba que como são acionadas todas as bobinas, o rotor fica entre as bobinas de polaridade que o atraem, em quatro passos de 90°.

motor bipolar passo inteiro

Para o motor unipolar configurado como meio passo, é necessário acionar duas bobinas simultâneas, mas como mencionado, no modelo unipolar utilizamos apenas uma polaridade, então para isso acionamos uma bobina, depois duas para que o rotor fique entre bobinas, e então acionamos a seguinte, é feito de forma análoga ao de passo inteiro, a diferença é que iremos intercalar o acionamento das bobinas com o de duas bobinas, para assim gerar o meio passo, como pode ser visto abaixo. Com isso são dados passos de 45°.

motor unipolar meio passo

O modelo de motor bipolar com a configuração de meio passo trabalha com o acionamento intercalado de duas bobinas e em seguida de quatro bobinas, quando há o acionamento de duas, o rotor fica alinhado com as bobinas, e com o acionamento de quatro bobinas o rotor se posiciona entre bobinas.

motor bipolar meio passo

Como mencionado, a vantagem do motor bipolar é o fato de utilizar mais bobinas para acionamento, isso faz com que flua mais corrente pelo motor, consequentemente é gerado um campo magnético maior e por fim um maior torque.

Agora entenderemos como é realizada a configuração de micro passo, para fazer isso é necessário manipular a corrente que fluirá para a bobina de forma individual, como o campo magnético que irá atrair o rotor é diretamente proporcional ao campo magnético, podemos energizar uma bobina com maior corrente e outra com uma corrente menor, o rotor estará entre elas, mas será mais atraído pela bobina com maior corrente, abaixo podemos ver uma sequência de volta completa com micro passos, claro que é possível configurar para que o motor realize passos ainda menores, mas com a ilustração já é possível entender o princípio do funcionamento. No caso do exemplo temos uma configuração de 16 passos de 22,5° para uma volta completa do rotor.

No primeiro caso há uma corrente máxima em uma das fases, com polarização sul (azul), isso faz com que a polarização norte (vermelho) do rotor seja atraída para esse polo contrário, na imagem seguinte temos a corrente máxima dividida entre as duas bobinas, sendo que uma delas recebe a maior parte dessa corrente (0.92 x Imáx), enquanto outra recebe apenas (0.38 x Imáx), isso faz com que o rotor se movimente levemente em sentido a bobina que recebeu a corrente de (0.38 x Imáx), mas continue tendendo a bobina que foi alimentada com corrente (0.92 x Imáx). Na terceira imagem a corrente de cada uma das bobinas é de (0.71 x Imáx), isso faz com que o rotor fique entre as duas bobinas, a 45°.

Uso de corrente no motor de passo

 

Características Básicas do Motor de Passo

Sobre os motores de passo, é importante levar em conta a aplicação para verificar se as características estão de acordo com o seu projeto. As principais características de desempenho são:

  • Características Estáticas:

As características estáticas se referem às mudanças de ângulo que ocorrem quando o motor está parado, afetando assim a precisão.

-Características de Torque: As características de ângulo – torque revelam a relação entre o deslocamento angular do rotor e o torque aplicado ao eixo quando o motor está excitado. Quando aplicada uma força externa ao motor, é gerado um torque na direção esquerda, como uma forma de retornar o eixo do motor ao ponto estável, sendo que o eixo irá parar quando a força externa for equivalente à força de torque.

-Pontos estáveis: Os pontos estáveis são os trechos do motor em que os dentes do rotor estão plenamente alinhados com o estator, esses são os pontos em que o rotor normalmente irá parar.

-Pontos instáveis: Esses são os pontos em que os dentes do rotor estão desalinhados com o estator, normalmente a meio passo. Um rotor nesse ponto tende a mover meio passo à esquerda ou à direita.

 

  • Características Dinâmicas:

São as características referentes à rotação e partida do motor, afetando o movimento da máquina e o tempo de ciclo.

-Características de velocidade-torque: As características de velocidade-torque são determinadas pelo driver e pelo motor utilizados.

-Torque de retenção máximo: O torque de retenção máximo é a potência de retenção máxima do motor de torque.

-Torque de retirada ou Pull-out torque: O torque de retirada é o torque máximo que o motor consegue produzir em uma velocidade específica.

Torque de tração ou Pull-in torque: quantidade de torque em que o motor consegue mover a carga sem aceleração.

 -Frequência de partida máxima: Velocidade de pulso máxima em que o motor pode parar instantaneamente, sem tempo de aceleração ou desaceleração.

-Frequência de resposta máxima: Velocidade de pulso em que o motor pode ser operado por meio de aceleração ou desaceleração gradual.

 

Driver para controle do Motor de Passo

Para controle do Motor é importante a utilização de um driver para energização das bobinas de forma coordenada para a geração do campo magnético, além da habilitação das bobinas de modo a produzir micro-passos. Vários dispositivos podem ser utilizados para fornecimento da tensão adequada para as bobinas, sendo alguns desses:

-Ponte de transistor: É um dispositivo composto de transistores que realizam o controle da bobina, sendo que os transistores agem como interruptores elétricos, que ao fecharem contato energizam a respectiva bobina. Para uso é necessário uma ponte de transistor para cada fase.

-Pré-driver: É um componente que controla a ativação de transistores fornecendo a corrente e a tensão necessária para isso.

-Microcontrolador (MCU): Um microcontrolador previamente programado que gera sinais para o pré-driver.

Em suma, a tarefa básica do driver é gerar um sinal para mover o eixo do motor, esse sinal é gerado a partir dos dados do microcontrolador.

 

Esquema elétrico driver motor de passo

É necessário analisar as características do driver antes de escolher um deles para o seu projeto, pois existem muitos modelos disponíveis no mercado. É importante antes de tudo verificar as especificações do motor que será utilizado, por exemplo, o motor do tipo NEMA 34 tem torque de retenção maior do que um NEMA 17, em razão disso é primordial que seja selecionado um driver de corrente alta.

Outra característica que deve ser levada em conta é a configuração de corrente máxima e micro-passos. Dependendo do driver, a configuração pode ser feita diretamente nele ou através do programa.

Alguns drivers podem ser utilizados apenas como um controlador que gera sinais de passo e direção.

 

  • Tipos de drivers:

Existem diferentes modelos de drivers, mas podemos resumi-los em dois tipos de drivers, o driver de tensão constante e o de corrente constante.

O driver de tensão constante apresenta a vantagem de ser um modelo mais barato, no caso do mesmo é utilizada a tensão para produção do torque. No entanto, o modelo de corrente apresenta melhor desempenho, utilizando corrente constante para a produção do torque. Como mencionado, o rotor gira por meio da comutação sequencial de corrente que flui pelos enrolamentos, quando a velocidade aumenta, proporcionalmente a taxa de chaveamento aumenta, resultando em perda de torque.

Os drivers são de enorme importância para além do controle, pois a placa microcontrolada não fornece corrente o suficiente para alimentação do motor, então o driver também fica responsável por esse fornecimento.

O Driver mais simples é o do modelo unipolar, o mesmo funciona apenas com motores unipolares, eles são relativamente baratos e são produzidos com um conjunto de transistores.

O modelo bipolar ou de ponte H requer duas pontes H completas, assim é possível reverter a corrente para as fases do motor.

Sobre os drivers, é importante mencionar algumas configurações:

Etapa/ Direção: Ao receber um pulso no pino de entrada, o driver altera a sua saída executando uma etapa, cuja direção é determinada pelo pino de direção.

Fase/ Ativar: A fase do enrolamento do estator determina a direção da corrente e ativa “ativar” se a fase estiver energizada.

PWM: Controla os sinais das portas dos FETs.

Também podemos dividir os drivers em drivers simples e drivers inteligentes. Os drivers simples dependem do comando elétrico externo, sendo que os mesmos precisam de um PCL externo (Controlador Lógico Programável) com saídas rápidas de pulsos, e são nesses controladores que a operação dos motores será programada e armazenada.

Os drivers tido como: drivers inteligentes, são programáveis via software, eles contam com uma placa lógica programável interna, ou seja, contam com um Controlador Lógico Programável incorporado na placa de controle, o que possibilita que o driver realize atividades mais completas.

Para escolher um driver é importante analisar o motor de passo e entender quais são as características do motor e qual é o objetivo do produto. Em seguida, verifique os drivers disponíveis no mercado.

Entre os modelos de driver, vale destacar o Driver Motor de Passo TB6560, sendo este capaz de controlar um motor de passo bipolar com muita qualidade e eficiência: Controle de Motor de Passo Nema com Driver TB6560.

Um outro driver interessante para desenvolvimento de projetos é o modelo A4988, demonstrando ser eficaz apesar do tamanho reduzido: Controle de Motor de passo Nema com Driver A4988.

Além desses, o TB6600 se mostrou extremamente útil em nossos testes com o Nema 23: Como utilizar o Driver TB6600 com o Motor de Passo Nema

 

Vantagens do Motor de Passo

Em comparação com os outros motores, o motor de passo conta com a vantagem de não precisar de um sensor para detectar a posição do mesmo, como mencionado anteriormente.

Outrossim, o controle do motor é extremamente simples, bastando apenas o driver, sem a necessidade de cálculos complexos. Em suma, o esforço para controle é inferior se comparado com outros motores, não perdendo em precisão por conta disso.

Além do já exposto, os motores de passo contam com bom torque e baixa velocidade, são perfeitos para trabalhos de precisão e apresentam excelente vida útil.

 

Conclusão

Com esse tutorial podemos entender o funcionamento dos motores e todo o processo para a geração de passos e micropassos, além das qualidades do motor e características para auxiliar no momento da escolha. Eu espero que muitas dúvidas tenham sido esclarecidas, mas caso você tenha mais alguma dúvida, deixe nos comentários abaixo, além do seu feedback e sugestão.

Até a próxima :)