O que é um motor de passo: tipos e seu funcionamento

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Um motor de passo é um dispositivo eletromecânico que converte energia elétrica em mecânica. Além disso, é um motor elétrico síncrono sem escovas que pode dividir uma rotação completa em um grande número de etapas. A posição do motor pode ser controlada com precisão sem qualquer mecanismo de feedback, desde que o motor seja cuidadosamente dimensionado para a aplicação. Os motores de passo são semelhantes aos comutados motores de relutância. O motor de passo usa a teoria de operação para ímãs para fazer o eixo do motor girar a uma distância precisa quando um pulso de eletricidade é fornecido. O estator tem oito pólos e o rotor tem seis pólos. O rotor exigirá 24 pulsos de eletricidade para mover os 24 passos para fazer uma volta completa. Outra maneira de dizer isso é que o rotor se moverá precisamente 15 ° para cada pulso de eletricidade que o motor receber.

Princípio de construção e trabalho

O construção de um motor de passo é bastante relacionado a um motor DC . Inclui um ímã permanente como o Rotor, que está no meio e girará quando a força atuar sobre ele. Este rotor é fechado por um não. do estator, que é enrolado por meio de uma bobina magnética. O estator é disposto próximo ao rotor de modo que os campos magnéticos dentro dos estatores possam controlar o movimento do rotor.




Motor de passo

O motor de passo pode ser controlado energizando cada estator um por um. Assim, o estator irá magnetizar e funciona como um pólo eletromagnético que usa energia repulsiva no rotor para se mover para frente. A magnetização alternativa do estator, bem como a desmagnetização, deslocará o rotor gradualmente e permitirá que ele gire com grande controle.



O princípio de funcionamento do motor de passo é o eletro-magnetismo. Inclui um rotor que é feito com um ímã permanente, enquanto um estator é feito com eletroímãs. Uma vez que a alimentação é fornecida ao enrolamento do estator, o campo magnético será desenvolvido dentro do estator. Agora o rotor do motor começará a se mover com o campo magnético giratório do estator. Portanto, este é o princípio de funcionamento fundamental deste motor.

Construção de motor de passo

Construção de motor de passo

Neste motor, existe um ferro macio que é envolvido pelos estatores eletromagnéticos. Os pólos do estator, bem como do rotor, não dependem do tipo de passo. Uma vez que os estatores deste motor são energizados, o rotor irá girar para se alinhar com o estator, caso contrário gira para ter a menor folga através do estator. Desta forma, os estatores são ativados em série para girar o motor de passo.

Técnicas de direção

Técnica de motor de passo s podem ser possíveis com alguns circuitos especiais devido ao seu design complexo. Existem vários métodos para acionar este motor, alguns deles são discutidos abaixo, tomando um exemplo de um motor de passo de quatro fases.


Modo de excitação única

O método básico de acionar um motor de passo é um modo de excitação único. É um método antigo e não muito usado atualmente, mas é preciso conhecer esta técnica. Nesta técnica, todas as fases, de outra forma estator próximas umas das outras, serão acionadas uma a uma alternativamente com um circuito especial. Isso irá magnetizar e desmagnetizar o estator para mover o rotor para frente.

Full Step Drive

Nessa técnica, dois estatores são ativados por vez, em vez de um em um período muito menor. Esta técnica resulta em alto torque e permite que o motor acione a alta carga.

Half Step Drive

Esta técnica está bastante relacionada ao passo Full drive porque os dois estatores serão dispostos um ao lado do outro de forma que sejam ativados primeiro, enquanto o terceiro será ativado depois disso. Este tipo de ciclo para comutar dois estatores primeiro e depois do terceiro estator acionará o motor. Essa técnica resultará em uma resolução aprimorada do motor de passo enquanto diminui o torque.

Micro Stepping

Esta técnica é usada com mais frequência devido à sua precisão. A corrente de passo variável será fornecida pelo circuito do motor de passo em direção às bobinas do estator na forma de uma forma de onda sinusoidal. A precisão de cada passo pode ser aumentada por esta pequena corrente de passo. Esta técnica é amplamente utilizada porque fornece alta precisão, bem como reduz o ruído operacional em grande medida.

Circuito do motor de passo e sua operação

Os motores de passo operam de maneira diferente de Motores de escova DC , que giram quando a tensão é aplicada a seus terminais. Os motores de passo, por outro lado, têm efetivamente vários eletroímãs dentados dispostos em torno de uma peça central de ferro em forma de engrenagem. Os eletroímãs são energizados por um circuito de controle externo, por exemplo, um microcontrolador.

Circuito de motor de passo

Circuito de motor de passo

Para fazer o eixo do motor girar, primeiro um eletroímã recebe energia, o que torna os dentes da engrenagem magneticamente atraídos pelos dentes do eletroímã. No ponto em que os dentes da engrenagem estão alinhados ao primeiro eletroímã, eles são ligeiramente deslocados do próximo eletroímã. Assim, quando o próximo eletroímã é LIGADO e o primeiro DESLIGADO, a engrenagem gira ligeiramente para se alinhar com o próximo e, a partir daí, o processo é repetido. Cada uma dessas pequenas rotações é chamada de etapa, com um número inteiro de etapas fazendo uma rotação completa.

Dessa forma, o motor pode ser girado de forma precisa. O motor de passo não gira continuamente, eles giram em etapas. Existem 4 bobinas com 90ouângulo entre si fixado no estator. As conexões do motor de passo são determinadas pela forma como as bobinas são interconectadas. Em um motor de passo, as bobinas não estão conectadas. O motor tem 90ouetapa de rotação com as bobinas sendo energizadas em ordem cíclica, determinando o sentido de rotação do eixo.

O funcionamento deste motor é mostrado operando a chave. As bobinas são ativadas em série em intervalos de 1 segundo. O eixo gira 90oucada vez que a próxima bobina é ativada. Seu torque de baixa velocidade varia diretamente com a corrente.

Tipos de motor de passo

Existem três tipos principais de motores de passo, eles são:

  • Stepper de ímã permanente
  • Stepper síncrono híbrido
  • Stepper de relutância variável

Motor de passo de ímã permanente

Os motores de ímã permanente usam um ímã permanente (PM) no rotor e operam na atração ou repulsão entre o PM do rotor e os eletroímãs do estator.

Este é o tipo mais comum de motor de passo em comparação com os diferentes tipos de motores de passo disponíveis no mercado. Este motor inclui ímãs permanentes na construção do motor. Este tipo de motor também é conhecido como motor lata / lata-pilha. O principal benefício deste motor de passo é o menor custo de fabricação. Para cada revolução, ele tem 48-24 etapas.

Motor de passo de relutância variável

Os motores de relutância variável (VR) têm um rotor de ferro simples e operam com base no princípio de que a relutância mínima ocorre com a folga mínima, portanto, os pontos do rotor são atraídos para os pólos do ímã do estator.

O motor de passo como relutância variável é o tipo básico de motor e é usado há muitos anos. Como o nome sugere, a posição angular do rotor depende principalmente da relutância do circuito magnético que pode ser formado entre os dentes do estator, bem como de um rotor.

Motor de passo síncrono híbrido

Os motores de passo híbridos são nomeados porque usam uma combinação de técnicas de ímã permanente (PM) e relutância variável (VR) para atingir a potência máxima em pacotes pequenos.

O tipo mais popular de motor é o motor de passo híbrido porque oferece um bom desempenho em comparação com um rotor de ímã permanente em termos de velocidade, resolução de passo e torque de retenção. Porém, esse tipo de motor de passo é caro em comparação com os motores de passo de ímã permanente. Este motor combina os recursos dos motores de passo de ímã permanente e de relutância variável. Esses motores são usados ​​onde menos ângulo de passo é necessário, como 1,5, 1,8 e 2,5 graus.

Como selecionar um motor de passo?

Antes de selecionar um motor de passo para sua necessidade, é muito importante examinar a curva de torque-velocidade do motor. Portanto, essa informação está disponível com o projetista do motor e é um símbolo gráfico do torque do motor em uma velocidade especificada. A curva de torque-velocidade do motor deve corresponder exatamente às necessidades da aplicação, caso contrário, o desempenho esperado do sistema não pode ser obtido.

Tipos de fiação

Os motores de passo são geralmente motores de duas fases, como unipolar, caso contrário, bipolar. Para cada fase em um motor unipolar, existem dois enrolamentos. Aqui, com derivação central é uma ligação comum entre dois enrolamentos em direção a um pólo. O motor unipolar possui 5 a 8 derivações.

Na construção, onde o comum de dois pólos é dividido, porém com rosca central, este motor de passo inclui seis cabos. Se as derivações centrais de dois pólos forem curtas internamente, este motor inclui cinco cabos. Unipolar com 8 condutores facilitará a conexão em série e paralela, enquanto o motor com cinco condutores ou seis condutores possui conexão em série da bobina do estator. A operação do motor unipolar pode ser simplificada porque, ao operá-los, não há necessidade de reverter o fluxo de corrente dentro do circuito de acionamento, que são conhecidos como motores bifilares.

Em um motor de passo bipolar, para cada pólo, há um único enrolamento. A direção do suprimento precisa mudar através do circuito de acionamento para que se torne complexo, de modo que esses motores são chamados de motores unifilares.

Controle do motor de passo variando os pulsos do relógio

Controle de motor de passo circuito é um circuito simples e de baixo custo, usado principalmente em aplicações de baixa potência. O circuito é mostrado na figura, que consiste em 555 temporizadores IC como um multi-vibrador estável. A frequência é calculada usando o relacionamento fornecido.

Frequência = 1 / T = 1,45 / (RA + 2RB) C Onde RA = RB = R2 = R3 = 4,7 quilo-ohm e C = C2 = 100 µF.

Controle do motor de passo variando os pulsos do relógio

Controle do motor de passo variando os pulsos do relógio

A saída do temporizador é usada como um relógio para dois flip-flops 'D' duplos 7474 (U4 e U3) configurados como um contador de anel. Quando a energia é inicialmente ligada, apenas o primeiro flip-flop é definido (ou seja, a saída Q no pino 5 de U3 estará na lógica '1') e os outros três flip-flops são reiniciados (ou seja, a saída de Q está na lógica 0). No recebimento de um pulso de clock, a saída lógica '1' do primeiro flip-flop é deslocada para o segundo flip-flop (pino 9 de U3).

Assim, a saída lógica 1 continua mudando circularmente a cada pulso de clock. As saídas Q de todos os quatro flip-flops são amplificadas por matrizes de transistores Darling-ton dentro de ULN2003 (U2) e conectadas aos enrolamentos do motor de passo laranja, marrom, amarelo, preto a 16, 15,14, 13 de ULN2003 e o vermelho a + ve abastecimento.

O ponto comum do enrolamento é conectado à alimentação de + 12 Vcc, que também é conectada ao pino 9 do ULN2003. O código de cores usado para os enrolamentos pode variar de marca para marca. Quando a energia é ligada, o sinal de controle conectado ao pino SET do primeiro flip-flop e os pinos CLR dos outros três flip-flops fica ativo 'baixo' (por causa do circuito power-on-reset formado pelo R1 Combinação -C1) para definir o primeiro flip-flop e redefinir os três flip-flops restantes.

Na reinicialização, Q1 de IC3 vai 'alto' enquanto todas as outras saídas Q vão 'baixo'. Um reset externo pode ser ativado pressionando o botão reset. Ao pressionar o botão de reset, você pode parar o motor de passo. O motor novamente começa a girar na mesma direção, liberando a chave de reset.

Diferença entre motor de passo e servo motor

Servo motores são adequados para aplicações de alto torque e velocidade, enquanto o motor de passo é mais barato, então eles são usados ​​onde o alto torque de retenção, aceleração com baixo a médio e flexibilidade de operação em malha aberta, caso contrário, são necessários. A diferença entre o motor de passo e servo motor inclui o seguinte.

Motor de passo

Servo motor

O motor que se move em etapas discretas é conhecido como motor de passo.Um servo motor é um tipo de motor de malha fechada conectado a um codificador para fornecer feedback de velocidade e posição.

O motor de passo é usado onde o controle, bem como a precisão, são as principais prioridadesServo motor é usado onde a velocidade é a principal prioridade

A contagem geral de pólos do motor de passo varia de 50 a 100A contagem geral de pólos do servo motor varia de 4 a 12
Em um sistema de malha fechada, esses motores se movem com um pulso consistenteEsses motores precisam de um codificador para alterar os pulsos e controlar a posição.

O torque é alto em menos velocidadeO torque é baixo em alta velocidade
O tempo de posicionamento é mais rápido em cursos curtosO tempo de posicionamento é mais rápido em cursos longos
Movimento de inércia de alta tolerânciaMovimento de inércia de baixa tolerância
Este motor é adequado para mecanismos de baixa rigidez, como polia e correiaNão é adequado para mecanismo de menor rigidez
A capacidade de resposta é altaA capacidade de resposta é baixa
Estes são usados ​​para cargas flutuantesEles não são usados ​​para cargas flutuantes
O ajuste de ganho / sintonia não é necessárioO ajuste de ganho / sintonia é necessário

Motor de passo vs motor DC

Os motores de passo e CC são usados ​​em diferentes aplicações industriais, mas as principais diferenças entre esses dois motores são um pouco confusas. Aqui, listamos algumas características comuns entre esses dois designs. Cada característica é discutida abaixo.

Características

Motor de passo

Motor DC

Características de controle Simples e usa microcontroladorSimples e sem extras necessários
Faixa de velocidade Baixo de 200 a 2.000 RPMsModerado
Confiabilidade AltoModerado
Eficiência BaixoAlto
Características de torque ou velocidade Torque mais alto em menos velocidadesAlto torque em menos velocidades
Custo BaixoBaixo

Parâmetros do motor de passo

Os parâmetros do motor de passo incluem principalmente o ângulo do passo, passos para cada revolução, passos para cada segundo e RPM.

Ângulo de Passo

O ângulo de passo do motor de passo pode ser definido como o ângulo no qual o rotor do motor gira uma vez que um único pulso é dado à entrada do estator. A resolução do motor pode ser definida como o número de etapas do motor e o número de revoluções do rotor.

Resolução = Número de Passos / Número de Revolução do Rotor

O arranjo do motor pode ser decidido através do ângulo de degrau e é expresso em graus. A resolução de um motor (o número da etapa) é o não. de etapas que fazem dentro de uma única revolução do rotor. Quando o ângulo de passo do motor é pequeno, a resolução é alta para o arranjo deste motor.

A exatidão dos arranjos dos objetos por meio deste motor depende principalmente da resolução. Quando a resolução for alta, a precisão será baixa.

Alguns motores de precisão podem criar 1000 passos em uma única revolução, incluindo 0,36 graus de ângulo de passo. Um motor típico inclui 1,8 graus de ângulo de passo com 200 passos para cada revolução. Os diferentes ângulos de passo, como 15 graus, 45 graus e 90 graus, são muito comuns em motores normais. O número de ângulos pode mudar de dois a seis e um pequeno ângulo de passo pode ser obtido por meio de peças de pólo com fenda.

Passos para cada revolução

Os passos para cada resolução podem ser definidos como o número de ângulos de passo necessários para uma revolução total. A fórmula para isso é 360 ° / ângulo de passo.

Passos para cada segundo

Esse tipo de parâmetro é usado principalmente para medir o número de etapas cobertas em cada segundo.

Revolução por minuto

O RPM é a rotação por minuto. É usado para medir a frequência de revolução. Então, usando este parâmetro, podemos calcular o número de revoluções em um único minuto. A principal relação entre os parâmetros do motor de passo é a seguinte.

Etapas para cada segundo = revolução por minuto x etapas por revolução / 60

Interface de motor de passo com microcontrolador 8051

A interface do motor de passo com 8051 é muito simples, usando três modos como wave drive, full step drive e half step drive, dando 0 e 1 aos quatro fios do motor com base no modo de drive que devemos escolher para operar este motor.

Os dois fios restantes devem ser acoplados a uma fonte de alimentação. Aqui, o motor de passo unipolar é usado onde as quatro extremidades das bobinas são conectadas aos quatro pinos primários da porta 2 no microcontrolador usando o ULN2003A.

Este microcontrolador não fornece corrente suficiente para acionar as bobinas, então o IC do driver atual gosta de ULN2003A. ULN2003A deve ser usado e é a coleção de 7 pares de transistores NPN Darlington. O projeto do par Darlington pode ser feito por meio de dois transistores bipolares que são conectados para alcançar a amplificação de corrente máxima.

No IC do driver ULN2003A, os pinos de entrada são 7, os pinos de saída são 7, onde dois pinos são para fonte de alimentação e terminais de aterramento. Aqui são usados ​​pinos de 4 entradas e 4 saídas. Como alternativa ao ULN2003A, o L293D IC também é usado para amplificação de corrente.

Você precisa observar dois fios comuns e quatro fios de bobina com muito cuidado ou o motor de passo não girará. Isso pode ser observado medindo a resistência por meio de um multímetro, mas o multímetro não exibirá nenhuma leitura entre as duas fases dos fios. Uma vez que o fio comum e os outros dois fios estão na fase igual, ele deve mostrar uma resistência semelhante, enquanto os pontos finais das duas bobinas na fase semelhante demonstrarão a resistência dupla em comparação com a resistência entre o ponto comum e também um ponto final.

Solução de problemas

  • A solução de problemas é o processo para verificar o status do motor, se o motor está funcionando ou não. A lista de verificação a seguir é usada para solucionar problemas do motor de passo.
  • Primeiro, verifique as conexões, bem como o código do circuito.
  • Se estiver tudo bem, em seguida verifique se o motor recebe a alimentação de tensão adequada ou então ele simplesmente vibra, mas não gira.
  • Se a alimentação de tensão estiver boa, verifique os pontos finais das quatro bobinas que são aliadas ao IC ULN2003A.
  • Primeiro, descubra os dois pontos finais gerais e fixe-os na alimentação de 12 V, depois fixe os quatro fios residuais no IC ULN2003A. Até que o motor de passo seja iniciado, tente todas as combinações possíveis. Se a conexão deste não for adequada, este motor vibrará no lugar de girar.

Os motores de passo podem funcionar continuamente?

Geralmente, todos os motores funcionam ou giram continuamente, mas a maioria dos motores não pode parar enquanto estão sob alimentação. Quando você tenta restringir o eixo de um motor quando está sob alimentação elétrica, ele queima ou quebra.

Alternativamente, os motores de passo são projetados para dar um passo discreto, então espere lá novamente e permaneça lá. Se quisermos que o motor fique em um único local por menos tempo antes de pisar novamente, ele parecerá girar continuamente. O consumo de energia desses motores é alto, mas a dissipação de energia ocorre principalmente quando o motor é parado ou mal projetado, então há uma chance de superaquecimento. Por este motivo, o fornecimento de corrente do motor é frequentemente diminuído, uma vez que o motor está em uma posição de retenção por um longo tempo.

A principal razão é que, uma vez que o motor está girando, sua parte da energia elétrica de entrada pode ser alterada para energia mecânica. Quando o motor é parado enquanto está girando, toda a energia de entrada pode ser transformada em calor no interior da bobina.

Vantagens

O vantagens do motor de passo inclui o seguinte.

  • Robustez
  • Construção simples
  • Pode funcionar em um sistema de controle de malha aberta
  • A manutenção é baixa
  • Funciona em qualquer situação
  • A confiabilidade é alta
  • O ângulo de rotação do motor é proporcional ao pulso de entrada.
  • O motor tem torque total quando está parado.
  • Posicionamento preciso e repetibilidade do movimento, uma vez que bons motores de passo têm uma precisão de 3 a 5% de uma etapa e esse erro não é cumulativo de uma etapa para a outra.
  • Excelente resposta para iniciar, parar e reverter.
  • Muito confiável, pois não há escovas de contato no motor. Portanto, a vida útil do motor depende simplesmente da vida útil do rolamento.
  • A resposta do motor aos pulsos de entrada digital fornece controle de malha aberta, tornando o motor mais simples e menos custoso de controlar.
  • É possível obter rotação síncrona em velocidade muito baixa com uma carga diretamente acoplada ao eixo.
  • Uma ampla faixa de velocidades rotacionais pode ser realizada, pois a velocidade é proporcional à frequência dos pulsos de entrada.

Desvantagens

O desvantagens do motor de passo inclui o seguinte.

  • A eficiência é baixa
  • O torque de um motor diminui rapidamente com a velocidade
  • A precisão é baixa
  • O feedback não é usado para especificar possíveis etapas perdidas
  • Relação de torque pequeno em direção à inércia
  • Extremamente barulhento
  • Se o motor não for controlado adequadamente, podem ocorrer ressonâncias
  • A operação deste motor não é fácil em velocidades muito altas.
  • O circuito de controle dedicado é necessário
  • Em comparação com motores DC, ele usa mais corrente

Formulários

O aplicações de motor de passo inclui o seguinte.

  1. Máquinas Industriais - Motores de passo são usados ​​em medidores automotivos e equipamentos de produção automatizada de máquinas-ferramenta.
  2. Segurança - novos produtos de vigilância para a indústria de segurança.
  3. Médico - Os motores de passo são usados ​​em scanners médicos, amostradores e também em fotografia digital odontológica, bombas de fluido, respiradores e máquinas de análise de sangue.
  4. Eletrônicos de consumo - Motores de passo em câmeras para foco automático de câmera digital e funções de zoom.

E também tem aplicativos de máquinas de negócios, aplicativos de periféricos de computador.

Portanto, isso é tudo sobre uma visão geral do motor de passo como construção, princípio de funcionamento, diferenças, vantagens, desvantagens e suas aplicações. Agora você tem uma ideia sobre os tipos de super motores e suas aplicações, se tiver alguma dúvida sobre este assunto ou sobre os elétricos e projetos eletrônicos deixe os comentários abaixo.

Crédito da foto

  • Motor de passo por MST