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  • 1. Motor de Passo
  • 2. Cap´ ıtulo 1O que ´ o motor de passo? e1.1 Breve apresenta¸˜o caOs Motores de Passo s˜o dispositivos eletro-mecˆnicos que convertem pulsos el´tricos em a a emovimentos mecˆnicos que geram varia¸˜es angulares discretas. O rotor ou eixo de um a comotor de passo ´ rotacionado em pequenos incrementos angulares, denominados “passos”, equando pulsos el´tricos s˜o aplicados em uma determinada seq¨ˆncia nos terminais deste. e a ueA rota¸˜o de tais motores ´ diretamente relacionada aos impulsos el´tricos que s˜o recebi- ca e e ados, bem como a seq¨ˆncia a qual tais pulsos s˜o aplicados reflete diretamente na dire¸˜o ue a caa qual o motor gira. A velocidade que o rotor gira ´ dada pela frequˆncia de pulsos re- e ecebidos e o tamanho do ˆngulo rotacionado ´ diretamente relacionado com o n´mero de a e upulsos aplicados.1.2 Onde ele ´ empregado eUm motor de passo pode ser uma boa escolha sempre que movimentos precisos s˜o neces- as´rios. Eles podem ser usados em aplica¸˜es onde ´ necess´rio controlar v´rios fatores tais a co e a acomo: ˆngulo de rota¸˜o, velocidade, posi¸˜o e sincronismo. O ponto forte de um motor a ca cade passo n˜o ´ a sua for¸a (torque), tampouco sua capacidade de desenvolver altas veloci- a e cdades - ao contr´rio da maioria dos outros motores el´tricos - mas sim a possibilidade de a econtrolar seus movimentos de forma precisa. Por conta disso este ´ amplamente usado em eimpressoras, scanners, robˆs, cˆmeras de v´ o a ıdeo, brinquedos, automa¸˜o industrial entre caoutros dispositivos eletrˆnicos que requerem de precis˜o. o a 3
  • 3. Cap´ ıtulo 2Como funciona?2.1 Motor de passo: Princ´ ıpios B´sicos a2.1.1 Um exemplo de funcionamento: Motor de quatro passosO funcionamento b´sico do motor de passo ´ dado pelo uso de solen´ides alinhados dois a a e odois que quando energizados atraem o rotor fazendo-o se alinhar com o eixo determinadopelos solen´ides, causando assim uma pequena varia¸˜o de ˆngulo que ´ chamada de passo. o ca a eA velocidade e o sentido de movimento s˜o determinados pela forma como cada solen´ide a o´ ativado (sua ordem e a velocidade entre cada ativa¸˜o).e ca2.1.2 Determina¸˜o do n´ mero de passos ca uO n´mero de passos ´ dado pelo n´mero de alinhamentos poss´ u e u ıveis entre o rotor e asbobinas. Ou seja, para aumentar o n´mero de passos de um motor usa-se um maior un´mero de bobinas, maior n´mero de p´los no rotor (para isso usa-se uma roda dentada). u u o2.1.3 Passos completos e meio-passos (full-step e half-step)A energiza¸˜o de uma e somente uma bobina de cada vez produz um pequeno desloca- camento no rotor. Este deslocamento ocorre simplesmente pelo fato de o rotor ser magne-ticamente ativo e a energiza¸˜o das bobinas criar um campo magn´tico intenso que atua ca eno sentido de se alinhar com os dentes do rotor. Assim, polarizando de forma adequadaas bobinas, podemos movimentar o rotor entre as bobinas (meio passo ou “half-step”) oualinhadas com as mesmas (passo completo ou “full-step”). Abaixo seguem os movimentosexecutados. 5
  • 4. Cap´ ıtulo 2. Como funciona? 2.2. Tipos que existem: (a) Motor Unipolar de passo inteiro (b) Motor Bipolar de passo inteiro (c) Motor unipolar de meio passo (d) Motor Bipolar de meio passo2.2 Tipos que existem:2.2.1 Quanto a sua estrutura: • Relutˆncia Vari´vel a a Este tipo de motor consiste de um rotor de ferro, com m´ltiplos dentes e um estator u com enrolamentos. Quando os enrolamentos do estator s˜o energizados com corrente a DC os p´los ficam magnetizados. A rota¸˜o ocorre quando os dentes do estator s˜o o ca a atra´ıdos para os p´los do estator energizado, devido ` for¸a que aparece, para que o a c o sistema tenha o circuito com menor relutˆncia. a Figura 2.1: Motor de relutˆncia vari´vel a a
  • 5. Cap´ ıtulo 2. Como funciona? 2.2. Tipos que existem: • ´ a Permanente Im˜ Motores de ´ a permanente tem baixo custo e baixa resolu¸˜o, com passos t´ ım˜ ca ıpicos o o de 7, 5 a 15 (48 - 24 passos/revolu¸˜o). O rotor ´ constru´ com ´ as perma- ca e ıdo ım˜ nentes e n˜o possui dentes. Os p´los magnetizados do rotor prov´m uma maior a o e intensidade de fluxo magn´tico e por isto o motor de ´ a permanente exibe uma e ım˜ melhor caracter´ ıstica de torque, quando comparado ao de relutˆncia vari´vel. a a Figura 2.2: Motor de ´ a permanente ım˜ • H´ ıbrido O motor de passo h´ ıbrido ´ mais caro do que o de ´ a permanente, mas prov´m e ım˜ e a ca ˆ melhor desempenho com respeito ` resolu¸˜o de passo, torque e velocidade. Angulos de passo t´ıpico de motores h´ ıbridos est˜o entre 3, 6o a 0, 9o ( 100-400 passos por a volta). O motor h´ ıbrido combina as melhores caracter´ ısticas dos motores de ´ a ım˜ permanente e motor de relutˆncia vari´vel. O rotor ´ multi-dentado como no motor a a e de relutˆncia vari´vel e contem um ´ a permanente ao redor do seu eixo. Os dentes a a ım˜ do rotor prov´m um melhor caminho que ajuda a guiar o fluxo magn´tico para locais e e preferidos no GAP de ar. Figura 2.3: Motor H´ ıbrido2.2.2 Quanto a sua forma de opera¸˜o ca • Motores Unipolares Um motor de passo unipolar tem dois enrolamentos por fase, um para cada sentido da corrente. Desde que neste arranjo um p´lo magn´tico possa ser invertido sem o e comutar o sentido da corrente, o circuito da comuta¸˜o pode ser feito de forma muito ca simples (por exemplo um unico transistor) para cada enrolamento. Tipicamente, ´
  • 6. Cap´ ıtulo 2. Como funciona? 2.2. Tipos que existem: dado uma fase, um terminal de cada enrolamento ´ feito como terra : dando trˆs e e liga¸˜es por fase e seis liga¸˜es para um motor bif´sico t´ co co a ıpico. Frequentemente, estas terras comuns bif´sicas s˜o juntadas internamente, assim o motor tem somente cinco a a liga¸˜es. co A resistˆncia entre o fio comum e o fio de excita¸˜o da bobina ´ sempre metade e ca e do que entre os fios de excita¸˜o da bobina. Isto ´, devido ao fato de que h´ ca e a realmente duas vezes o comprimento da bobina entre as extremidades e somente meio comprimento do centro (o fio comum) ` extremidade. Os motores de passo a unipolares com seis ou oito fios podem ser conduzidos usando excitadores bipolares deixando as terras comuns da fase desconectadas, e conduzindo os dois enrolamentos ´ de cada fase junto. E igualmente poss´ usar um excitador bipolar para conduzir ıvel somente um enrolamento de cada fase, deixando a metade dos enrolamentos n˜o a utilizada. Figura 2.4: Motor Unipolar • Motores Bipolares Os motores bipolares tˆm um unico enrolamento por fase. A corrente em um enrola- e ´ mento precisa ser invertida a fim de inverter um p´lo magn´tico, assim o circuito de o e condu¸˜o ´ um pouco mais complicado, usando um arranjo de ponte H. H´ duas li- ca e a ga¸˜es por fase, nenhuma est´ em comum. Os efeitos de est´tica da fric¸˜o que usam co a a ca uma ponte s˜o observadas em determinadas topologias de movimenta¸˜o. Como os a ca enrolamentos s˜o melhor utilizados, s˜o mais poderosos do que um motor unipolar a a do mesmo peso. Figura 2.5: Motor Bipolar • Ponte H Ponte H ´ um circuito eletrˆnico que permite que um motor rode tanto para um e o sentido quanto para o outro. Estes circuitos s˜o geralmente utilizados em rob´tica e a o est˜o dispon´ a ıveis em circuitos prontos ou podem ser constru´ıdos por componentes. O nome ponte H ´ dado pela forma que assume o circuito quando montado. O ciruito e ´ constru´ com quatro “chaves” ( S1-S4 ) que s˜o acionadas de forma alternada e ıdo a
  • 7. Cap´ ıtulo 2. Como funciona? 2.2. Tipos que existem: ( S1 e S4 ou S2 e S3). Para cada configura¸˜o das chaves o motor gira em um ca sentido. As chaves S1 e S2 assim como as chaves S3 e S4 n˜o podem ser ligadas a ao mesmo tempo pois podem gerar um curto circuito. Para constru¸˜o da ponte H ca pode ser utilizado qualquer tipo de componente que simule uma chave liga-desliga como transistores, rel´s, mosfets. Para que o circuito fique protegido, ´ aconselh´vel e e a que sejam configuradas portas l´gicas com componentes 7408 e 7406 a fim de que o nunca ocorram as situa¸˜es de curto circuito descritas acima. Outro melhoramento co que pode ser feito ` ponte , seria a coloca¸˜o de diodos entre as “chaves”, pois quando a ca a corrente n˜o tem onde circular, no caso de o motor parar, ela volta para a fonte de a alimenta¸˜o economizando assim o gasto de energia de uma bateria por exemplo. ca Figura 2.6: Exemplo de uma Ponte H • Como identificar o n´ mero de fios (terminais) u Motor Liga¸˜o ca 4 Fios Bipolar 5 Fios Unipolar 6 Fios Unipolar/Bipolar(s´rie) e 7 Fios Unipolar/Bipolar(s´rie/paralelo) e2.2.3 Breve descri¸˜o de como ´ feito seu controle ca eA forma com que o motor ir´ operar depender´ bastante do que se deseja controlar. a aH´ casos em que o torque ´ mais importante, outros a precis˜o ou a velocidade. Essas a e as˜o caracter´ a ısticas gerais dos motores de passos. Ao trabalhar com motores de passos,precisamos saber algumas caracter´ ısticas de funcionamento como a tens˜o de alimenta¸˜o, a caa m´xima corrente el´trica suportada nas bobinas, o grau de precis˜o. As caracter´ a e a ısticasmais importantes que devemos ter aten¸˜o para controlar um motor de passo s˜o a tens˜o ca a ade alimenta¸˜o e a corrente el´trica que suas bobinas suportam. ca e
  • 8. Cap´ ıtulo 2. Como funciona? 2.2. Tipos que existem: Seq¨ˆncias corretas para se controlar um motor de passo: ue • Passo completo 1 (Full Step) o N do passo B3 B2 B1 B0 Decimal 1 1 0 0 0 8 2 0 1 0 0 4 3 0 0 1 0 2 4 0 0 0 1 1 • Passo Completo 2 (Full Step) o N do passo B3 B2 B1 B0 Decimal 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) o N do passo B3 B2 B1 B0 Decimal 1 1 0 0 0 8 2 1 1 0 0 12 3 0 1 0 0 4 4 0 1 1 0 6 5 0 0 1 0 2 6 0 0 1 1 3 7 0 0 0 1 1 8 1 0 0 1 9
  • 9. Cap´ ıtulo 3Apresenta¸˜o mais espec´ ca ıficaSegue uma apresenta¸˜o mais espec´ ca ıfica das caracter´ ısticas de motores de passo.3.1 Pontos fortesOs motores de passo possuem como vantagem em rela¸˜o aos outros tipos de motores cadispon´ ıveis os seguintes pontos: • Seguem uma l´gica digital: o Diz-se que o motor de passo segue uma l´gica digital, pois seu acionamento ´ feito o e atrav´s de pulsos el´tricos que ativam sequencialmente suas bobinas, fazendo o rotor e e se alinhar com as mesmas e assim provocando um deslocamento do mesmo. • Alta precis˜o em seu posicionamento: a O posicionamento do motor de passo ´ preciso uma vez que o rotor sempre se e movimentar´ em ˆngulos bem determinados, chamados “passos” cujo erro de posi- a a cionamento ´ pequeno e n˜o-cumulativo (em geral 5% ). e a • Precis˜o no torque aplicado: a As varia¸˜es no torque aplicado por um motor de passo s˜o pequenas, tendo em co a vista seu funcionamento. • Excelente resposta a acelera¸˜o e desacelera¸˜o: ca ca O movimento que um motor de passo produz ´ resultado das ativa¸˜es em seq¨ˆncia e co ue de suas bobinas. A resposta para tais solicita¸˜es de acelera¸˜o e desacelera¸˜o ´ co ca ca e r´pida pois o rotor se alinha rapidamente com a(s) bobina(s) que se encontra(m) a energizada(s). 11
  • 10. Cap´ ıtulo 3. Apresenta¸˜o mais espec´fica ca ı 3.2. Pontos fracos3.2 Pontos fracosEm rela¸˜o com outros tipos de motores podemos destacar os seguintes fatos como des- cavantagens no uso de motores de passo: • Baixo desempenho em altas velocidades: O aumento de rota¸˜es no motor de passo (sua acelera¸˜o) ´ gerado pela varia¸˜o co ca e ca no tempo entre o acionamento de uma bobina e a seguinte. Entretanto ´ necess´rio e a um r´pido chaveamento de um solen´ide energizado para outro de forma que tal a o velocidade seja mantida, o que muitas vezes ´ complexo e pouco eficiente. e • Requer certo grau de complexidade para ser operado: Pelo fato de usar uma l´gica digital n˜o basta apenas ligar o motor de passo a uma o a fonte de energia que o mesmo come¸ar´ a girar sem parar. Sua complexidade reside c a no fato de ser necess´rio um aparato para control´-lo ativando sequencialmente seus a a solen´ides. O “custo computacional” e a complexidade do dispositivo de controle o cresce a medida que o n´mero de passos aumenta, uma vez que mais passos requerem u um maior o n´mero de terminais(fios) a serem ativados e controlados. u • Ocorrˆncia de ressonˆncia por controle inadequado: e a Como todos os objetos que existem, o motor de passo tamb´m tem uma frequˆncia e e de ressonˆncia. Caso as revolu¸˜es do mesmo se deˆm nesta frequˆncia, este pode a co e e come¸ar a oscilar, aquecer e perder passos. Este problema pode ser contornado c mudando-se o modo de opera¸˜o do motor: utilizando-se meio-passo ou o passo- ca completo (“full-step”) com as bobinas energizadas duas a duas.3.3 Pequena tabela de compara¸˜o com outros tipos ca de motores Motor de Corrente Continua Motor de Passo Servo-Motor 1 Velocidade Alta Baixa M´dia e Torque 2 Zero/Alto Alto/M´dio e Baixo/Alto Facilidade de controle 3 F´cil a M´dia e Complexo Precis˜o 4 a Nenhuma Alta Muito Alta Durabilidade 5 M´dia e ´ Otima M´dia e Requer Manuten¸˜o? 6 ca Sim N˜o a Sim 1- Motores de Passo perdem passos em altas velocidades, j´ Servos Motores conseguem altas rota¸˜es por usarem para movimentar-se da a comesma forma que os Motores de Corrente cont´ ınua. 2- Motores de Corrente cont´ ınua e Servo-Motores n˜o conseguem se manter em uma posi¸˜o fixa estando ligados, apenas o Motor de a caPasso tem esta caracter´ıstica.Entretanto ´ possivel usar Servo-motores para tal fim, entretanto ´ necess´rio fazer com que este ”corrija”sua e e aposi¸˜o na tentativa de manter-se parado o que ´ pouco pr´tico uma vez que seu torque a baixas velocidades ´ pequeno. ca e a e 3- Motores de Corrente cont´ ınua apenas precisam ser ligados para come¸ar a funcionar, motores de passo requerem pulsos em determinada cordem para se movimentar, o que requer um ”driver”para o mesmo. Servo motores no entanto requerem um hardware mais complexo queanalise os dados como posicionamento e velocidade e envie as instru¸˜es de forma que o motor ”mova”para a posi¸˜o requisitada. co ca 4- Motores de Corrente Cont´ ınua n˜o possuem nenhum controle de posicionamento; os Motores de Passo podem ser controlados de forma aa fazer movimentos discretos (passos); Servo-Motores podem fazer movimentos mais suaves que Motores de Passo (possuem maior resolu¸˜o),cabem como ´ possivel fazer um controle de posicionamento com o mesmo. e 5- Motores de passo s˜o extremamente dur´veis uma vez que n˜o usa escovas ao contr´rio de Motores de Corrente Cont´ a a a a ınua ou Servo-Motores (que ´ um Motor de Corrente Cont´ e ınua com controle de posicionamento). Este ultimo ainda pode ter problemas com o aparato ´tico ´ oque faz o controle do posicionamento (encoder).
  • 11. Cap´ ıtulo 3. Apresenta¸˜o mais espec´ ca ıfica 3.4. Exemplos de aplica¸˜o ca3.4 Exemplos de aplica¸˜o caA seguir uma breve apresenta¸˜o de aplica¸˜es recomendada e n˜o recomendada. ca co a • Aplica¸˜o Recomendada O motor de passo ´ recomendado no uso em equipa- ca e mentos que exigem um posicionamento preciso de erro pequeno e n˜o cumulativo. a Podemos citar tais exemplos como scanners, impressoras, bem como certos disposi- tivos rob´ticos que n˜o requerem “retorno” do posicionamento. o a Tamb´m podemos citar exemplos que requerem r´pida acelera¸˜o e desacelera¸˜o, e a ca ca mais uma vez inferindo aos motores de impressoras e dispositivos rob´ticos que o efetuam movimentos r´pidos e precisos, tais quais um motor de passo pode oferecer. a • Aplica¸˜o N˜o-Recomendada O motor de passo n˜o ´ recomendado em casos ca a a e em que o dispositivo trabalhe em altas velocidades uma vez que devido a in´rcia do e rotor as bobinas podem n˜o ser capazes de atrair o mesmo para uma determinada a posi¸˜o fazendo com o que o motor “perca passos”. ca Tamb´m n˜o se recomenda o uso do motor de passo em aplica¸˜es que exigem um e a co torque grande uma vez que o torque do motor ´ dado pela atra¸˜o entre o rotor e e ca a bobina energizada. Uma vez que a carga exceda a for¸a desta intera¸˜o entre a c ca bobina e rotor o motor perder´ passos e sair´ de controle. a a
  • 12. Referˆncias Bibliogr´ficas e a[1] O que s˜o Motores de Passo , a http://www.geocities.com/CollegePark/Dorm/8863/motordepasso.htm[2] Estudo do Motor de Passo e seu Controle Digital , http://www2.eletronica.org/artigos/outros/estudo-do-motor-de-passo-e-seu-controle- digital[3] Motor de Passo Controlado por Computador , http://www2.eletronica.org/projetos/motor-de-passo-controlado-pelo-computador[4] Curso On-LineC/C++/Porta Paralela , http://www.rogercom.com/pparalela/IntroMotorPasso.htm[5] Mecˆtronica , a http://www.ime.eb.br/ pinho/micro/trabalhos/Mecatronica TP1.pdf[6] Tutorial Motor de Passo , http://www.maxwellbohr.com.br/downloads/Tutorial%20Programacao%20- %20Motor%20de%20Passo.pdf[7] Motor de Passo , http://pessoal.cefetpr.br/brero/sist micro/aula motor passo/motor%20de%20passo 10.pdf[8] Servo vs. stepper motor , http://www.woodweb.com/knowledge base/Servo vs stepper motors.html 15