O que é motor de passo? Funcionamento, tipos e como testar 3

Neste post, vamos explorar em detalhes os motores de passo, componentes essenciais em muitas aplicações industriais e tecnológicas. Começaremos explicando o que é um motor de passo, sua estrutura e funcionamento básico. Em seguida, discutiremos os diferentes tipos de motores de passo, suas características e especificações.

Além disso, abordaremos os drivers e controladores necessários para operar esses motores, e forneceremos um guia prático sobre como ligar e testar um motor de passo. Por fim, veremos exemplos de aplicações que utilizam motores de passo, destacando sua importância e versatilidade em diversos setores.

O que é um Motor de Passo?

Um motor de passo é um tipo de motor elétrico projetado para mover em incrementos discretos, ou “passos”, ao invés de operar de forma contínua como os motores de corrente contínua (DC) ou de corrente alternada (AC). Cada rotação completa do motor é dividida em um número específico de passos, permitindo um controle preciso da posição do eixo.

A quantidade de movimento de cada passo depende do design do motor, sendo comum encontrar motores que se movem 1,8 graus por passo (como o modelo da imagem acima), resultando em 200 passos para uma rotação completa, embora existam motores com resoluções diferentes.

Os componentes principais de um motor de passo são:

• Estator: A parte fixa do motor que contém os enrolamentos eletromagnéticos. Quando a corrente passa por esses enrolamentos, campos magnéticos são gerados.
• Rotor: A parte móvel do motor, que pode ser feita de ímãs permanentes ou ser um núcleo de ferro laminado, dependendo do tipo de motor de passo.
• Enrolamentos: Bobinas de fio que, ao serem energizadas em uma sequência específica, criam campos magnéticos que interagem com o rotor para movê-lo em pequenos incrementos.

Como funciona um Motor de Passo?

O motor de passo opera com base no princípio de que a aplicação de impulsos elétricos aos enrolamentos do estator faz com que o rotor se mova em incrementos precisos. Este movimento incremental é o que permite um controle exato da posição do eixo do motor. O princípio de funcionamento do motor de passo está descrito abaixo:

• Geração de Campos Magnéticos: Quando uma corrente elétrica é aplicada aos enrolamentos do estator, um campo magnético é gerado. A direção e a magnitude deste campo dependem da polaridade e da intensidade da corrente.
• Movimento Incremental: O rotor, que pode ser um ímã permanente ou um núcleo de ferro laminado, alinha-se com o campo magnético gerado pelos enrolamentos do estator. Ao alternar a corrente entre diferentes enrolamentos em uma sequência específica, o campo magnético se move ao redor do estator, forçando o rotor a seguir este movimento em pequenos passos.
• Sequenciamento de Pulsos: A sequência de ativação dos enrolamentos é controlada por um driver ou controlador de motor de passo. Existem diferentes modos de excitação que determinam como os enrolamentos são ativados:
  • Passo Completo (Full-Step): Ativa um ou dois enrolamentos de cada vez, fazendo com que o rotor se mova em passos completos.
  • Meio Passo (Half-Step): Alterna entre ativar um e dois enrolamentos, dobrando a resolução do motor ao mover o rotor em meio passo.
  • Microstepping: Divide cada passo em subdivisões menores ao aplicar correntes parciais aos enrolamentos, proporcionando um movimento mais suave e uma resolução ainda maior.

O GIF acima ilustra de maneira simplificada um motor de passo com 4 passos por revolução. Nesse processo, as bobinas são ativadas sucessivamente, resultando em uma rotação de 90º no eixo do motor.

Além disso, é possível aumentar o torque do motor ativando duas bobinas simultaneamente, embora isso dobre o consumo de energia. Quando duas bobinas são ativadas juntas, o eixo do motor se posiciona entre elas. Essa técnica permite dobrar a quantidade de passos por revolução do motor, alternando entre ativar duas bobinas e apenas uma, conforme demonstrado no GIF acima.

Tipos de Motores de Passo

Existem três tipos principais de motores de passo, cada um com suas próprias características e aplicações específicas: motores de passo de ímã permanente (PM), motores de passo de relutância variável (VR) e motores de passo híbridos.

Motores de Passo de Ímã Permanente (PM)

Em vez de pólos magnéticos salientes, o rotor dos Motores de Passo de Ímã Permanente (PM) incorpora ímãs permanentes. Essa configuração permite uma interação magnética mais eficiente com os enrolamentos do estator, resultando em movimento rotativo preciso e eficiente.

Os motores de passo de ímã permanente são conhecidos por sua capacidade de oferecer um torque mais elevado em relação ao tamanho do motor, o que os torna ideais para aplicações que exigem alta eficiência e desempenho robusto. Eles são frequentemente utilizados em máquinas CNC, impressoras 3D de alto desempenho, sistemas de automação industrial e equipamentos médicos, onde o controle preciso de movimento é essencial.

Comparativamente aos motores de passo convencionais, os motores de passo de ímã permanente têm a vantagem de uma maior eficiência energética devido à presença dos ímãs permanentes. Além disso, oferecem uma relação torque/tamanho melhorada. Apesar das vantagens, os motores de passo de ímã permanente podem ser mais caros e mais complexos de controlar devido à presença dos ímãs permanentes.

Motores de Passo de Relutância Variável (VR)

Ao contrário dos motores de passo convencionais que usam ímãs permanentes ou uma combinação de ímãs e polos salientes, os motores VR têm um rotor composto por material ferromagnético com dentes na superfície. Esses dentes criam áreas de alta e baixa relutância, que interagem com os campos magnéticos gerados pelos enrolamentos do estator.

Em termos de desempenho, os motores de passo VR oferecem uma combinação única de alta eficiência energética e capacidade de fornecer torque significativo em baixas velocidades. Isso os torna ideais para aplicações que exigem controle preciso de movimento e rápida resposta, como em máquinas CNC, impressoras 3D de alta precisão, robótica industrial e sistemas de automação médica.

A flexibilidade de controle é outra vantagem dos motores de passo VR, pois eles são capazes de operar eficientemente em uma ampla faixa de velocidades. No entanto, sua complexidade de controle e custo relativamente mais alto em comparação com os motores de passo convencionais podem ser considerações importantes ao escolher este tipo de motor para um projeto específico.

Motores de Passo Híbridos

Os motores de passo híbridos têm um rotor que combina ímãs permanentes e dentes de relutância, proporcionando benefícios tanto em eficiência quanto em desempenho. Este design permite que esses motores operem com eficiência energética comparável aos motores de passo de ímã permanente, enquanto oferecem a flexibilidade de controle e o torque de baixa velocidade típicos dos motores de passo de relutância variável.

Os motores de passo híbridos são amplamente utilizados em uma variedade de aplicações que exigem alta precisão, controle flexível e torque elevado em baixas velocidades. Eles são ideais para uso em máquinas CNC, impressoras 3D industriais, robótica avançada, equipamentos de automação e sistemas de posicionamento de alta precisão.

Em comparação com outros tipos de motores de passo, os motores híbridos oferecem vantagens significativas, incluindo uma combinação de eficiência energética, torque elevado e suavidade de movimento. No entanto, eles também podem ser mais caros e mais complexos de controlar devido à combinação de tecnologias diferentes.

Comparação entre os Tipos de Motores de Passo

Abaixo está uma tabela que compara os diferentes tipos de motores de passo:

Característica	Ímã Permanente (PM)	Relutância Variável (VR)	Híbrido
Torque de Retenção	Alto	Baixo	Alto
Precisão	Moderada	Baixa	Alta
Complexidade	Moderada	Simples	Alta
Custo	Médio	Baixo	Alto
Aplicações	Impressoras, dispositivos ópticos	Sistemas de posicionamento simples	Máquinas CNC, impressoras 3D

A escolha do tipo de motor de passo adequado depende das necessidades específicas da aplicação, incluindo requisitos de torque, precisão e custo.

Motores de passo Unipolares e Bipolares

Os motores de passo podem ser classificados em duas categorias principais: unipolares e bipolares. Cada tipo possui características distintas que os tornam adequados para diferentes aplicações. Vamos explorar as diferenças e as características de ambos.

Motores de Passo Unipolar

Os motores unipolares têm enrolamentos com um ponto central (tap central) em cada fase. Isso resulta em 6 fios (ou às vezes cinco, se os pontos centrais estiverem combinados) conectados ao motor. A comutação de corrente é simplificada, pois a corrente sempre flui em uma única direção através de cada enrolamento. Isso facilita o design do driver e a comutação. São mais fáceis de controlar devido à simplicidade do circuito de comutação.

Exemplo de motor unipolar:

• Motor de Passo 28BYJ-48 + Driver Uln2003

Motor de Passo Bipolar

Os motores bipolares possuem enrolamentos completos sem pontos centrais. Isso resulta em 4 fios conectados ao motor. A corrente precisa fluir em ambas as direções através dos enrolamentos, o que requer um driver mais complexo (geralmente um ponte H) para controlar a direção da corrente. Usam o enrolamento completo durante a operação, o que proporciona maior torque e eficiência.

Exemplos de motores bipolares:

• Motor de Passo NEMA 17 1,33A 34mm para Impressora 3D
• Motor de Passo NEMA 17 1,5A 34mm para Impressora 3D
• Motor de Passo NEMA 17 1,7A 40mm para CNC
• Motor de Passo NEMA 17 1,5A 40mm para CNC
• Motor de Passo NEMA 17 1,8A 48mm
• Motor de Passo NEMA 23 2,8A 56mm Alto Torque

Características e Especificações dos Motores de Passo

Os motores de passo são definidos por várias características e especificações que determinam seu desempenho e adequação para diferentes aplicações. Aqui estão as principais:

• Resolução: A resolução de um motor de passo é determinada pelo número de passos necessários para completar uma rotação completa do eixo do motor.
• Torque: Torque é a força rotacional que o motor pode produzir. Existem diferentes tipos de torque relevantes para motores de passo.
• Velocidade: A velocidade de um motor de passo é a rapidez com que ele pode girar.
• Precisão e Repetibilidade: Precisão é o grau de conformidade com a posição desejada, enquanto repetibilidade é a capacidade do motor de retornar à mesma posição repetidamente.
• Corrente e Tensão: A corrente e a tensão determinam a potência elétrica fornecida ao motor.
• Impedância e Indutância: Impedância e indutância afetam a resposta dinâmica e a eficiência do motor.
• Tamanho e Forma Física: As dimensões físicas do motor são importantes para garantir que ele se encaixe na aplicação desejada.

A compreensão dessas características e especificações ajuda a escolher o motor de passo correto para uma aplicação específica, garantindo que ele atenda aos requisitos de desempenho desejados.

O que é um Driver para Motor de Passo?

Um driver para motor de passo é um componente eletrônico que controla a operação de um motor de passo. Ele recebe sinais de controle (geralmente de um microcontrolador ou computador) e, em resposta, envia correntes elétricas apropriadas para os enrolamentos do motor de passo, fazendo com que o motor gire em passos discretos. 

Abaixo estão alguns exemplos de drivers de motores de passo:

• DRV8825: Driver robusto para motores bipolares com capacidade de corrente alta e controle de microstepping.
• A4988: Driver popular e econômico para motores bipolares, amplamente utilizado em impressoras 3D e CNCs.
• ULN2003: Driver simples e eficiente para motores unipolares, ideal para o motor de passo 28BYJ-48.
• TMC2208: Driver silencioso com tecnologia de controle suave e eficiente, ideal para impressoras 3D.
• TMC2209: Versão aprimorada do TMC2208, oferecendo maior corrente e detecção de carga para operações mais precisas.

Como ligar um Motor de Passo?

Ligar um motor de passo envolve a conexão correta do motor a um driver e a um controlador, como um microcontrolador ou um PLC, além de fornecer a fonte de alimentação adequada. 

Aqui está um guia passo a passo para conectar um motor de passo utilizando um microcontrolador Arduino) e um driver de motor de passo (A4988):

• Identificar os Enrolamentos do Motor de Passo: Para motores bipolares, existem quatro fios correspondentes a dois pares de enrolamentos. Para motores unipolares, há cinco, seis ou oito fios. Aqui, usamos a configuração de quatro fios mais comum para simplificação.
• Conexão do Driver ao Motor de Passo: Conecte os fios dos enrolamentos do motor às saídas do driver (geralmente marcadas como A+, A-, B+, B-). Verifique o datasheet do motor para identificar os pares de enrolamentos e conectá-los corretamente.
• Conexão do Driver ao Microcontrolador:

• • • Sinal de Pulso (STEP): Conecte o pino de pulso do driver (STEP) a um pino digital no Arduino (ex: pino 2).
    • Sinal de Direção (DIR): Conecte o pino de direção do driver (DIR) a outro pino digital no Arduino (ex: pino 3).
    • Enable (EN): Opcional, pode ser conectado a um pino digital no Arduino ou aterrado se não for necessário controlar.

• Conexão da Fonte de Alimentação:

• • • Alimentação do Driver: Conecte a fonte de alimentação aos terminais VDD e GND do driver. Certifique-se de que a tensão e a corrente são adequadas para o motor e o driver.
    • Alimentação do Arduino: Conecte a uma fonte de alimentação USB ou externa.

• Configurar a Corrente de Saída (A4988): Use um pequeno potenciômetro no driver A4988 para ajustar a corrente de saída de acordo com as especificações do motor. Consulte o datasheet do driver para detalhes sobre o ajuste.

Abaixo está o exemplo de código que deve ser carregado no Arduino para controlar o motor de passo:

const int stepPin = 2;
const int dirPin = 3;
const int stepsPerRevolution = 200;

void setup() {
  pinMode(stepPin, OUTPUT);
  pinMode(dirPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(dirPin, HIGH); // Define a direção

  for (int i = 0; i < stepsPerRevolution; i++) {
    digitalWrite(stepPin, HIGH);
    delayMicroseconds(1000);  // Ajuste a velocidade
    digitalWrite(stepPin, LOW);
    delayMicroseconds(1000);
  }

  delay(1000);

  digitalWrite(dirPin, LOW); // Inverte a direção

  for (int i = 0; i < stepsPerRevolution; i++) {
    digitalWrite(stepPin, HIGH);
    delayMicroseconds(1000);
    digitalWrite(stepPin, LOW);
    delayMicroseconds(1000);
  }

  delay(1000);
}

Como testar um Motor de Passo?

Para garantir que um motor de passo está funcionando corretamente, é essencial realizar uma série de verificações e testes. Aqui estão os passos recomendados para testar um motor de passo:

• Identificação dos Fios: Verifique a quantidade de fios do motor, que geralmente são quatro, seis ou oito. Consulte o manual ou a documentação do fabricante para identificar corretamente os fios.
• Conexão ao Driver: Ligue os fios do motor ao driver de motor de passo apropriado ou ao circuito de controle. Assegure-se de que todas as conexões estejam firmes e corretas.
• Fonte de Alimentação: Conecte o motor de passo a uma fonte de alimentação, certificando-se de que a voltagem e a corrente fornecidas estão dentro das especificações recomendadas pelo fabricante.
• Aplicação de Pulsos: Utilize um controlador dedicado, como um Arduino ou outro microcontrolador, para enviar uma sequência de pulsos ao motor. Esses pulsos farão o motor girar em passos incrementais.
• Observação do Movimento: Observe o rotor do motor enquanto ele gira. O movimento deve ser suave e preciso, respondendo adequadamente aos pulsos aplicados.
• Medida de Resistência: Utilize um multímetro para medir a resistência entre os diferentes pares de fios. Compare os valores medidos com os valores especificados pelo fabricante para garantir que estejam dentro dos limites aceitáveis.
• Teste de Continuidade: Verifique a continuidade entre os fios do motor para garantir que não existam curtos-circuitos. Utilize um multímetro para esta tarefa.
• Inspeção Visual: Realize uma inspeção visual no motor, procurando por sinais de danos físicos, como fios desconectados, conectores danificados ou partes quebradas.
• Monitoramento de Temperatura: Durante o teste, monitore a temperatura do motor. Um aquecimento excessivo pode indicar problemas como uma corrente excessiva ou uma alimentação inadequada.

Aplicações dos Motores de Passo

Os motores de passo são amplamente utilizados em diversas indústrias e aplicações devido à sua capacidade de realizar movimentos precisos e controláveis. Aqui estão algumas das principais aplicações dos motores de passo:

• Impressoras 3D: Motores de passo são essenciais para controlar os eixos X, Y e Z, além de extrusores, permitindo a construção precisa de objetos camada por camada.
• Máquinas CNC: Utilizados para movimentar ferramentas de corte com alta precisão em fresadoras, tornos e outras máquinas de controle numérico computadorizado.
• Robótica: Aplicados em braços robóticos e manipuladores para movimentos precisos, repetíveis e controláveis.
• Automação Industrial: Empregados em sistemas de montagem, transportadores e outros equipamentos de automação que exigem controle de posição e movimento precisos.
• Instrumentação Médica: Usados em dispositivos como bombas de infusão, scanners e equipamentos de imagem que necessitam de movimentos precisos e controlados.
• Impressoras e Scanners: Controlam o movimento do cabeçote de impressão e do papel, bem como os movimentos de digitalização em scanners.
• Instrumentos de Medição: Empregados em dispositivos de medição e calibração que requerem movimentos finos e precisos.
• Automação Residencial: Aplicados em sistemas de automação doméstica, como cortinas automáticas, portas e câmeras de segurança com controle de movimento.
• Sistemas de Posicionamento: Utilizados em telescópios, antenas parabólicas e outros sistemas que exigem posicionamento angular preciso.
• Eletrodomésticos: Incorporados em dispositivos como máquinas de lavar, secadoras e micro-ondas para controlar portas, bandejas e outros componentes móveis.
• Válvulas e Bombas: Utilizados em sistemas de controle de fluidos para operar válvulas e bombas com precisão.
• Relógios e Temporizadores: Empregados em mecanismos de relógios e dispositivos de temporização que requerem movimentos precisos e sincronizados.

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