Estudo do Motor de Passo e seu Controle Digital

Introdução e objetivos

O objetivo deste trabalho e explicar as características e o funcionamento do chamado MOTOR DE PASSO, um tipo de motor elétrico que pode ser controlado por sinais digitais, tornando-o preciso e de recomendável utilização em aplicações que venham a requerer um ajuste fino de posicionamento. Iniciamos com um estudo rápido e pouco profundo dos motores elétricos em geral. Depois apresentamos o MOTOR DE PASSO, damos alguns detalhes de seu funcionamento e falamos sobre como controlá-lo. Finalmente apresentamos algumas aplicações do motor em estudo, frisando sempre que o preciso controle sobre seus movimentos é o que mais o diferencia dos demais motores elétricos.

Motores Elétricos

Um motor elétrico é um dispositivo que transforma energia elétrica em energia mecânica, em geral energia cinética. Ou seja, num motor, a simples presença da corrente elétrica, seja cc ou ac, nos garante movimento em um eixo, que pode ser aproveitado de diversas maneiras dependendo da aplicação do motor. O acionamento de máquinas e equipamentos mecânicos por motores elétricos é um assunto de grande importância econômica. Estima-se que o mercado mundial de motores elétricos de todos os tipos seja da ordem de uma dezena de bilhões de dólares por ano. No campo dos acionamentos industriais, avalia-se que de 70 a 80% da energia elétrica consumida pelo conjunto de todas as indústrias seja transformada em energia mecânica através de motores elétricos. Isto significa que, admitindo-se um rendimento médio da ordem de 80% do universo de motores em aplicações industriais, cerca de 15% da energia elétrica industrial transforma-se em perdas nos motores. No Brasil, a fabricação de motores elétricos é um segmento relevante da atividade econômica. No início da década de 80 a indústria brasileira de motores produziu em torno de três milhões de unidades por ano, tendo mais do que 80 mil unidades acima de 20cv. Entre o fabricante e o usuário final deve existir uma estreita comunicação, de forma que seja feita uma correta seleção do motor a ser utilizado em determinada aplicação. Fundamentalmente o processo de seleção de um acionamento elétrico, corresponde à escolha de um motor que possa atender a, pelo menos, três requisitos do utilizador:
• Fonte de alimentação: tipo, tensão, freqüência, simetria, equilíbrio, etc.
• Condições ambientais: agressividade, periculosidade, altitude, temperatura, etc.
• Exigências da carga e condições de serviço: potência solicitada, rotação, esforços mecânicos, configuração física, ciclos de operação, confiabilidade, etc. A divisão em motores de corrente contínua e de corrente alternada é devida, obviamente, ao tipo de tensão de alimentação. Apresentamos abaixo algumas características básicas dos motores AC e DC:

Motores DC: São conhecidos por seu controle preciso de velocidade e por seu ajuste fino e são, portanto, largamente utilizados em aplicações que exigem tais características. Vale comentar que a utilização dos motores de corrente contínua teve um grande incremento nos últimos anos, graças à eletrônica de potência. Fontes estáticas de corrente contínua com tiristores confiáveis, de baixo custo e manutenção simples, substituíram os grupos conversores rotativos. Com isso, motores de corrente contínua passaram a constituir alternativa mais atrativa em uma série de aplicações.

Motores AC: A grande maioria das aplicações tem sua configuração mais econômica com a utilização de motores de indução de gaiola. Estima-se que 90% (em unidades) dos motores fabricados sejam deste tipo. Quando não há necessidade de ajuste e controle de velocidade e a potência é inferior a cerca de 500cv, sua utilização é amplamente dominante. Pode-se dizer que outros tipos de motores são utilizados somente quando alguma peculiaridade determina tal opção.
OBS: Paradoxalmente ao que foi comentado no final da análise dos motores DC, o constante desenvolvimento da eletrônica de potência deverá levar a um progressivo abandono dos motores de corrente contínua. Isto porque fontes de tensão e freqüência controladas, alimentando motores de corrente alternada, principalmente os de indução de gaiola, já estão se transformando em opções mais atraentes, quanto ao ajuste e ao controle de velocidade.


MOTOR DC
Apresentaremos apenas um resumo do funcionamento do motor DC, já que este não é o objeto principal do nosso estudo. Achamos relevante falar deste motor, pois com ele introduziremos os conceitos de controle e feedback, que servirão de introdução aos motores de passo. O funcionamento básico do motor DC está fundamentado na Força de Lorentz aplicada em uma carga em movimento dentro de um campo magnético (F = qvB). Consideremos uma espira de corrente inserida num campo magnético criado por um ímã permanente, em que há uma corrente criada por uma bateria (fonte DC). De uma forma simplificada, a simples passagem desta corrente faz com que apareçam duas forças de sentidos contrários, aplicadas uma em cada lado da espira. Estas forças criam um torque que, obviamente, faz a espira girar, transformando a energia elétrica da corrente em energia cinética num eixo acoplado às espiras. A direção da rotação depende da polaridade da bateria e da direção das linhas de campo magnético criadas pelo ímã.

Um motor real é composto de conjuntos múltiplos de espiras, dispostas de tal forma que as forças que agem em cada espira sejam somadas e produzam um torque significativo para uma possível aplicação.
Os motores DC são utilizados, por exemplo, em aplicações como o posicionamento de um braço de robô. Mas eles apresentam uma grande desvantagem. Para que um computador dê um comando para que o braço se mova para uma determinada posição com precisão, é necessário um complicado circuito externo provido de sensores de posição, que informe ao computador que o braço já está na posição determinada (feedback).

Motores de Passo

O motor de passo é um transdutor que converte energia elétrica em movimento controlado através de pulsos, o que possibilita o deslocamento por passo, onde passo é o menor deslocamento angular.
Com o passar dos anos houve um aumento na popularidade deste motor, principalmente pelo seu tamanho e custo reduzidos e também a total adaptação por controle digitais.
Outra vantagem do motor de passos em relação aos outros motores é a estabilidade. Quando quisermos obter uma rotação específica de um certo grau, calcularemos o número de rotação por pulsos o que nos possibilita uma boa precisão no movimento.
Os antigos motores passavam do ponto e, para voltar, precisavam da realimentação negativa. Por não girar por passos a inércia destes é maior e assim são mais instáveis.

Definições para Motores a Passo
Antes de explicarmos os tipos de motores e o funcionamento em si, definiremos algumas outras expressões a fim de tornar o texto mais claro.
Rotor = É denominado rotor o conjunto eixo-imã que rodam solidariamente na parte móvel do motor.
Estator = Define-se como estator a trave fixa onde as bobinas são enroladas. Abaixo segue uma figu