Motores e Graus de Liberdade Robótico CAPITULO 4

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1 Motores e Graus de Liberdade Robótico Conceitos: CAPITULO 4 Motor é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em mecânica. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da energia elétrica. - Baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando. - Com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. A tarefa reversa, aquela de converter o movimento mecânico na energia elétrica, é realizada por um gerador ou por um dínamo. Em muitos casos os dois dispositivos diferem somente em sua aplicação e detalhes menores de construção. Os motores de tração usados em locomotivas executam frequentemente ambas as tarefas se a locomotiva for equipada com os freios dinâmicos.normalmente também esta aplicação se dá a caminhões fora de estrada. Chamados eletrodiesel. A maioria de motores elétricos trabalha pela interação entre campos eletromagnéticos, mas existem motores baseados em outros fenômenos eletromecânicos, tais como forças eletrostáticas. O princípio fundamental em que os motores eletromagnéticos são baseados é que há uma força mecânica em todo o fio quando está conduzindo corrente elétrica imersa em um campo magnético. A força é descrita pela lei da força de Lorentz e é perpendicular ao fio e ao campo magnético. Em um motor giratório, há um elemento girando, o rotor. O rotor gira porque os fios e o campo magnético são arranjados de modo que um torque seja desenvolvido sobre a linha central do rotor. A maioria de motores magnéticos são giratórios, mas existem também os tipos lineares. Em um motor giratório, a parte giratória (geralmente no interior) é chamada de rotor, e a parte estacionária é chamada de estator. O motor é constituído de eletroímãs que são posicionados em ranhuras do material ferromagnético que constitui o corpo do estator e enroladas e adequadamente dispostas em volta do material ferromagnético que constitui o rotor. Motor de Passo Um motor de passo é um tipo de motor elétrico usado quando algo tem que ser posicionado muito precisamente ou rotacionado em um ângulo exato. Neste tipo de motor a rotação do balancete é controlado por uma série de campos eletromagnéticos que são ativados e desativados eletronicamente.

2 Motores de passo não usam escovas ou comutadores e possuem um número fixo de pólos magnéticos que determinam o número de passos por revolução. Os motores de passo mais comuns possuem de 3 a 72 passos/revolução, significando que ele leva de 3 a 72 passos para completar uma volta. Controladores avançados de motores de passo podem utilizar modulação por largura de pulso para realizarem micropassos, obtendo uma maior resolução de posição e operação mais macia, em detrimento de outras características. Os motores de passo são classificados pelo torque que produzem. Para atingir todo o seu torque, suas bobinas devem receber toda a corrente marcada durante cada passo. Os seus controladores devem possuir circuitos reguladores de corrente para poderem fazer isto. A marcação de tensão (se houver) é praticamente sem utilidade. O controle computadorizado de motores de passo é uma das formas mais versáteis de sistemas de posicionamento, particulamente quando digitalmente controlado como parte de um servo sistema. Os motores de passo são classificados em relação ao seu tipo construtivo, e podem ser de três tipos: relutância variável, imã permanente e híbridos com escovas redundantes Relutância Variável É o tipo mais simples, o estator é formado, em geral, por quatro pólos usinados de forma que apresentem ranhuras, chamadas dentes devido ao seu aspecto. O rotor é também dentado, lembrando uma engrenagem, onde cada dente corresponde a um pólo saliente, assim, o número de dentes do rotor determina o número de passos do motor. O controle deste tipo depende unicamente da ordem de energização das bobinas.e dois detalhes mecanicos Imã permanente Similar ao motor de relutância variável, porém o rotor é construído com imãs permanentes, o que determina uma característica importante deste tipo, que é a de manter a última posição mesmo quando não energizado. O torque (binário) proveniente dessa característica é conhecido torque de detenção. Híbridos O tipo híbrido apresenta um rotor formado por um "conjunto" de engrenagens. Entre as engrenagens que o formam, é colocado um imã permanente que polariza cada engrenagem. Seu aspecto construtivo mistura aspectos dos outros dois tipos, e garante características comuns a ambos também. Servo Motor Servo motor é uma máquina, mecânica ou eletromecânica, que apresenta movimento proporcional a um comando, em vez de girar ou se mover

3 livremente sem um controle mais efetivo de posição como a maioria dos motores; Servo motores são dispositivos de malha fechada, ou seja: recebem um sinal de controle; verificam a posição atual; atuam no sistema indo para a posição desejada Em contraste com os motores contínuos que giram indefinidamente, o eixo dos servo motores possui a liberdade de apenas cerca de 180º graus mas são précisos quanto a posição. Para isso possuem três componentes básicos, Sinal de controle dos servomotores Sistema atuador - o sistema atuador é constituído por um motor elétrico, embora também possa encontrar servos com motores de corrente alternada, a maioria utiliza motores de corrente contínua. Também está presente um conjunto de engrenagens que forma uma caixa de redução com uma relação bem longa o que ajuda a amplificar o torque. O tamanho, torque e velocidade do motor, material das engrenagens, liberdade de giro do eixo e consumo são características-chave para especificação de servo motores. Sensor - o sensor normalmente é um potenciômetro solidário ao eixo do servo. O valor de sua resistência elétrica indica a posição angular em que se encontra o eixo. A qualidade desse vai interferir na precisão, estabilidade e vida útil do servo motor. Circuito de controle - o circuito de controle é formado por componentes eletrônicos discretos ou circuitos integrados e geralmente é composto por um oscilador e um controlador PID (controle proporcional integrativo e derivativo) que recebe um sinal do sensor (posição do eixo) e o sinal de controle e aciona o motor no sentido necessário para posicionar o eixo na posição desejada. Servos possuem três fios de interface, dois para alimentação e um para o sinal de controle. O sinal de controle utiliza o protocolo PWM (modulação por largura de pulso) que possui três características básicas: largura mínima, largura máxima e taxa de repetição. A largura do pulso de controle determinará a posição do eixo: - largura máxima equivale ao deslocamento do eixo em + 90º da posição central; - largura mínima equivale ao deslocamento do eixo em -90º; - demais larguras determinam a posição proporcionalmente. O pulso de controle pode ser visto na ilustração sobre sinais de controle de servo motores.

4 Motores elétricos A rotação inerente aos motores elétricos é a base do funcionamento de muitos equipamentos. Por vezes, esse movimento de rotação é óbvio, como nos ventiladores ou batedeiras de bolos, mas freqüentemente permanece um tanto disfarçado, como nos agitadores das máquinas de lavar roupas ou nos 'vidros elétricos' das janelas de certos automóveis. Motores elétricos são encontrados nas mais variadas formas e tamanhos, cada qual apropriado á sua tarefa. Não importa quanto torque ou potência um motor deva desenvolver, com certeza, você encontrará no mercado aquele que lhe é mais satisfatório. Alguns motores operam com corrente contínua (CC / DC) e podem ser alimentados quer por pilhas/baterias quer por fontes de alimentação adequadas, outros requerem corrente alternada (CA / AC) e podem ser alimentados diretamente pela rede elétrica domiciliar. Há até mesmo motores que trabalham, indiferentemente, com esses dois tipos de correntes. Princípio de funcionamento Aqui pretendemos examinar os componentes básicos dos motores elétricos; ver 'o que faz um motor girar' e como os motores diferem um dos outros. Para fazer isso iremos nos aproveitar de conceitos já conhecidos sobre os ímãs, forças magnéticas entre ímãs, ação dos campos magnéticos sobre as correntes etc., e, quando se fizer necessário, revisaremos algumas dessas importantes relações que existem entre eletricidade e magnetismo.

5 Nota: Nessa primeira parte, mais elementar, usaremos apenas o conceito de "repulsão/atração entre pólos magnéticos"; numa segunda parte, mais avançada, usaremos do conceito da "ação dos campos magnéticos sobre as correntes". Enquanto não avançamos no assunto, vá pensando: Como as forças magnéticas podem fazer algo girar? Se as forças magnéticas são as causas do 'por que o motor gira', por que não podemos fazer um motor construído exclusivamente com ímãs permanentes? O que é que determina 'para que lado' o motor vai girar? O que faz girar o rotor do motor elétrico? O rotor do motor precisa de um torque para iniciar o seu giro. Este torque (momento) normalmente é produzido por forças magnéticas desenvolvidas entre os pólos magnéticos do rotor e aqueles do estator. Forças de atração ou de repulsão, desenvolvidas entre estator e rotor, 'puxam' ou 'empurram' os pólos móveis do rotor, produzindo torques, que fazem o rotor girar mais e mais rapidamente, até que os atritos ou cargas ligadas ao eixo reduzam o torque resultante ao valor 'zero'. Após esse ponto, o rotor passa a girar com velocidade angular constante. Tanto o rotor como o estator do motor devem ser 'magnéticos', pois são essas forças entre pólos que produzem o torque necessário para fazer o rotor girar. Todavia, mesmo que ímãs permanentes sejam freqüentemente usados, principalmente em pequenos motores, pelo menos alguns dos 'ímãs' de um motor devem ser 'eletroímãs'. Um motor não pode funcionar se for construído exclusivamente com ímãs permanentes! Isso é fácil de perceber pois, não só não haverá o torque inicial para 'disparar' o movimento, se eles já estiverem em suas posições de equilíbrio, como apenas oscilarão, em torno dessa posição, se receberem um 'empurrão' externo inicial.

6 É condição necessária que algum 'pólo' altere sua polaridade para garantir a rotação do rotor. Vamos entender melhor isso, através da ilustração abaixo. Um motor simples consiste de uma bobina que gira entre dois ímãs permanentes. (a) Os pólos magnéticos da bobina (representados como ímã) são atraídos pelos pólos opostos dos ímãs fixos. (b) A bobina gira para levar esses pólos magnéticos o mais perto possível um do outro mas, (c) ao chegar nessa posição o sentido da corrente é invertido e (d) agora os pólos que se defrontam se repelem, continuando a impulsionar o rotor. Acima esquematizamos um motor simples onde o estator é constituído por ímãs permanentes e o rotor é uma bobina de fio de cobre esmaltado por onde circula uma corrente elétrica. Uma vez que as correntes elétricas produzem campo magnéticos essa bobina se comporta como um ímã permanente, com seus pólos N (norte) e S (sul) como mostrados na figura. Comecemos a descrição pela situação ilustrada em (a) onde a bobina apresenta-se horizontal. Como os pólos opostos se atraem, a bobina experimenta um torque que age no sentido de girar a bobina 'para a esquerda'. A bobina sofre aceleração angular e continua seu giro para a esquerda, como se ilustra em (b). Esse torque continua até que os pólos da bobina alcance os pólos opostos dos ímãs fixos (estator). Nessa situação (c) -- a bobina girou de 90 o -- não há torque algum, uma vez que os braços de alavanca são nulos (a direção das forças passa pelo centro de rotação); o rotor está em equilíbrio estável (força resultante nula e

7 torque resultante nulo). Esse é o instante adequado para inverter o sentido da corrente na bobina. Agora os pólos de mesmo nome estão muito próximos e a força de repulsão é intensa. Como a bobina já apresenta um momento angular 'para a esquerda', ela continua girando 'para a esquerda' (algo como uma 'inércia de rotação') e o novo torque (agora propiciado por forças de repulsão), como em (d), colabora para a manutenção e aceleração do movimento de rotação. Mas, mesmo após a bobina ter sido girada de 180 o -- não ilustrada na figura --, o movimento continua, a bobina chega na 'vertical' -- giro de 270 o --, o torque novamente se anula, a corrente novamente inverte seu sentido, novo torque e a bobina chega novamente á situação (a) -- giro de 360 o --. E o ciclo se repete. Essas atrações e repulsões bem coordenadas é que fazem o rotor girar, embora o modo como tais torques sejam obtidos possam variar entre os vários tipos de motores. A inversão do sentido da corrente, no momento oportuno, é condição indispensável para a manutenção dos torques 'favoráveis', os quais garantem o funcionamento dos motores. É por isso que um motor não pode ser feito exclusivamente com ímãs permanentes! A seguir, vamos examinar como essa 'condição indispensável para a manutenção dos torques favoráveis' é implementada nos diferentes tipos de motores. Perceba, por exemplo, que nas explicações acima, nada foi dito sobre 'como inverter o sentido da corrente'. Motores CC Fazer um motor elétrico que possa ser acionado por pilhas ou baterias não é tão fácil como parece. Não basta apenas colocar ímãs permanentes fixos e uma bobina, pela qual circule corrente elétrica, de modo que possa girar entre os pólos desses ímãs. Uma corrente contínua, como o é a fornecida por pilhas ou baterias, é muito boa para fazer eletroímãs com pólos imutáveis mas, como para o funcionamento do motor é preciso periódicas mudanças de polaridade, algo tem que ser feito para inverter o sentido da corrente nos momentos apropriados. Na maioria dos motores elétricos CC, o rotor é um 'eletroímã' que gira entre os pólos de ímãs permanentes estacionários. Para tornar esse eletroímã mais eficiente o rotor contém um núcleo de ferro,

8 que torna-se fortemente magnetizado, quando a corrente flui pela bobina. O rotor girará desde que essa corrente inverta seu sentido de percurso cada vez que seus pólos alcançam os pólos opostos do estator. O modo mais comum para produzir essas reversões é usar um comutador. A corrente flui ora num sentido ora no outro, no rotor desse motor CC, graças às escovas de metal (esquerda da ilustração). Essas escovas tocam o comutador do rotor de forma que a corrente inverte seu sentido a cada meia volta do rotor. Em sua forma mais simples, um comutador apresenta duas placas de cobre encurvadas e fixadas (isoladamente) no eixo do rotor; os terminais do enrolamento da bobina são soldados nessas placas. A corrente elétrica 'chega' por uma das escovas (+), 'entra' pela placa do comutador, 'passa' pela bobina do rotor, 'sai' pela outra placa do comutador e 'retorna' á fonte pela outra escova (-). Nessa etapa o rotor realiza sua primeira meia-volta. Eis um visual completo:

9 Nessa meia-volta, as placas do comutador trocam seus contatos com as escovas e a corrente inverte seu sentido de percurso na bobina do rotor. E o motor CC continua girando, sempre com o mesmo sentido de rotação. Mas, o motor CC acima descrito tem seus problemas. Primeiro não há nada que determine qual será o sentido de sua rotação na partida, tanto poderá iniciar girando para a 'esquerda' como para a 'direita'. Segundo, é que por vezes, as escovas pode iniciar tocando ambas as placas ou eventualmente nenhuma; o motor 'não dá partida'! Para que a partida se dê com total confiança e no sentido certo é preciso que as escovas sempre 'enviem' corrente para o rotor e que não ocorra nenhum curto circuito entre as placas devido às escovas. Na maioria dos motores CC consegue-se tais exigências colocando-se várias bobinas no rotor, cada uma com seu par de placas no comutador. Conforme o rotor gira, as escovas suprem a corrente para as bobinas, uma de cada vez, uma após a outra. A 'largura' das escovas também deve ser bem planejada. O rotor de um motor CC gira com velocidade angular que é proporcional à tensão aplicada em suas bobinas. Tais bobinas têm pequena resistência elétrica e conseqüentemente seriam percorrida por intensas correntes elétricas se o rotor permanecesse em repouso. Todavia, uma vez em movimento, as alterações do fluxo magnético sobre tais bobinas, geram uma força contra-eletromotriz (f.c.e.m.), extraem energia daquela corrente e baixa as tensões elétricas sobre tais bobinas. O torque resultante se anulará quando essa f.c.e.m. se igualar á tensão elétrica aplicada; a velocidade angular passa a ser constante. Em geral, 'carregando-se' o motor (ligando seu eixo a algo que deve ser movimentado) sua rotação não varia acentuadamente, mas, uma maior potência será solicitada da fonte de alimentação (aumenta a intensidade de corrente de alimentação). Para alterar a velocidade angular devemos alterar a tensão aplicada ao motor. O sentido de rotação do rotor depende das assimetrias do motor e também do sentido da corrente elétrica; invertendo-se o sentido da corrente o motor começará a girar 'para trás'. É assim que fazemos um trenzinho de brinquedo 'andar para trás'; invertemos o sentido da corrente em seu rotor.

10 Motores universais Antes de comentarmos sobre os verdadeiros motores elétricos AC, vejamos um tipo intermediário de motor denominado motor universal. Esse motor pode funcionar tanto com alimentação DC como AC. Um verdadeiro motor elétrico DC não aceita alimentação AC (essa inverte o sentido da corrente a cada meio ciclo e isso apenas causaria trepidações); do mesmo modo, um verdadeiro motor AC (como veremos) não aceita alimentação DC (essa não oferecerá as convenientes alterações do sentido da corrente para o correto funcionamento do motor). Porém, se substituirmos os ímãs permanentes dos estatores dos motores DC por eletroímãs e ligarmos (em série) esses eletroímãs no mesmo circuito do rotor e comutador, teremos um motor universal. Eis a ilustração dessa 'engenhoca': Nos motores universais, tanto estator como rotor são eletroímãs com bobinas em série e concordância. Este motor 'girará' corretamente quer seja alimentado por corrente contínua ou corrente alternada. A diferença notável entre motor universal e motor DC é que se você alimentar o motor universal com fonte DC, ele não inverterá o sentido de rotação se você inverter a polaridade da fonte (como acontece com o motor DC), continuará a girar sempre no mesmo sentido. Se você quiser

11 realmente inverter o sentido de rotação de um motor universal deverá inverter as ligações nos eletroímãs dos estatores para inverter seus pólos. Motores universais são usados, por exemplo, em batedeiras elétricas, aspiradores de pó etc. Em tais motores, com o tempo de uso, haverá desgastes nas escovas de carvão e deverão ser substituídas. Basta você levar um pedacinho da escova velha até uma loja de ferragens, comprar o par de escovas novas adequadas e repor no motor; uma operação bastante simples. Motores AC síncronos Alguns motores são projetados para operar exclusivamente com corrente alternada. Um tal motor é esquematizado a seguir: O motor síncrono AC usa eletroímãs como estatores para fazer girar o rotor que é um ímã permanente. O rotor gira com freqüência igual ou múltipla daquela da AC aplicada. Este motor é essencialmente idêntico a um gerador elétrico; realmente, geradores e motores têm configuração bastante próximas. Um gerador usa do trabalho mecânico para produzir a energia elétrica enquanto que um motor usa a energia elétrica para produzir trabalho mecânico. O rotor, na ilustração acima, é um ímã permanente que gira entre dois eletroímãs estacionários. Como os eletroímãs são alimentados por corrente alternada, seus pólos invertem suas polaridades conforme o sentido da corrente inverte. O rotor gira enquanto seu pólo norte é 'puxado' primeiramente para o eletroímã esquerdo e 'empurrado' pelo eletroímã direito. Cada vez que o pólo norte do rotor está a ponto de alcançar o pólo sul

12 de um eletroímã estacionário, a corrente inverte e esse pólo sul transforma-se um pólo norte. O rotor gira continuamente, terminando uma volta para cada ciclo da corrente alternada. Como sua rotação é perfeitamente sincronizada com as reversões da C.A, este motor é denominado 'motor elétrico síncrono da C. A.'. O motor da bomba d'água de máquinas de lavar roupa, por exemplo, são desse tipo. Os motores de C.A síncronos são usados somente quando uma velocidade angular constante é essencial para o projeto. Entretanto, os motores síncronos ilustram um ponto importante sobre motores e geradores: são, essencialmente, os mesmos dispositivos. Se você conectar um motor C.A síncrono à rede elétrica domiciliar e o deixar girar, extrairá energia do circuito elétrico e fornecerá trabalho mecânico. Mas, se você ligar uma lâmpada incandescente no cordão de força que sai desse mesmo motor e girar bem rapidamente seu rotor (com um sistema de rodas acopladas e manivela), gerará 'eletricidade' e a lâmpada acenderá. Motores A.C. de indução Alguns motores de corrente alternada têm rotores que não são quer imãs permanentes quer eletroímãs convencionais. Estes rotores são feitos de metais não-magnéticos, como o alumínio, e não têm nenhuma conexão elétrica. Todavia, o isolamento elétrico deles não os impede de ficarem 'magnetizados' ou 'imantados'. Quando um rotor feito de alumínio é exposto a campos magnéticos alternados, correntes elétricas começam a fluir por ele e estas correntes induzidas tornam o rotor magnético. Esse é um fenômeno básico do eletromagnetismo denominado indução eletromagnética. Tais motores, que usam desse fenômeno para tornarem seus rotores magnetizados, são chamados de 'motores A.C de indução'. Os motores de indução são provavelmente o tipo o mais comum de motor de C. A., comparecendo em muitos eletrodomésticos (ventiladores, motores de toca-discos etc.) e aplicações industriais. Fornecem bom torque, começam facilmente a girar, e são baratos. Um motor de indução trabalha ' movendo' um campo magnético em torno do rotor --- o denominado 'campo magnético girante'. O estator que cerca o rotor contem um eletroímã sofisticado. O estator não se movimenta, mas sim o campo magnético que ele

13 produz! Com um uso inteligente de vários recursos eletromagnéticos (espiras de curto circuito, capacitores etc.), o estator pode criar pólos magnéticos de que se deslocam em um círculo e se movimenta em torno do rotor. Na ilustração abaixo, o pólo norte do estator 'gira' no sentido anti-horário em torno do rotor. 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 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 figura onde podemos ver as partes mencionadas (o rotor à esquerda e o estator a direita).

14 Parâmetros - Graus por Passo: A característica mais importante ao se escolher o motor, o número de graus por passo está intimamente vinculado com o número de passos por volta. Os valores mais comuns para esta característica, também referida como resolution, são 0.72,1.8, 3.6, 7.5, 15 e até 90 graus. - Momento de Frenagem: Momento máximo com o rotor bloqueado, sem perda de passos. - Momento (Torque): Efeito rotativo de uma força, medindo a partir do produto da mesma pela distância perpendicular até o ponto em que ela atua partindo de sua linha de ação. - Taxa de Andamento: Regime de operação atingido após uma aceleração suave. - Momento de Inércia: Medida da resistência mecânica oferecida por um corpo à aceleração angular. - Auto-Indutância: determina a magnitude da corrente média em regimes pesados de operação, de acordo com o tipo de enrolamento do estator: relaciona o fluxo magnético com as correntes que o produzem. - Resistências Ôhmicas: determina a magnitude da corrente do estator com o rotor parado. - Corrente máxima do estator: determinada pela bitola do fio empregado nos enrolamentos.

15 - "Holding Torque": É a mínima potência para fazer o motor mudar de posição parada. - Torque Residual: É a resultante de todos os fluxos magnético presente nos pólos do estator. - Resposta de Passo: É o tempo que o motor gasta para executar o comando. - Ressonância: Como todo material, o motor de passos tem sua freqüência natural. Quando o motor gira com uma freqüência igual a sua, ele começa a oscilar e a perder passos. - Tensão de trabalho: Normalmente impresso na própia chassi do motor, a tensão em que trabalha o motor é fundamental na obtenção do torque do componente. Tensões acima do estipulado pelo fabricante em seu datasheet costumam aumentar o torque do motor, porém, tal procedimento resulta na diminuição da vida útil do mesmo. Destaca-se que a tensão de trabalho do motor não necessariamente deve ser a tensão utilizada na lógica do circuito. Os valores normalmente encontrados variam de +5V à +48V. Tipos de Motores de Passo - Relutância Variável: Apresenta um rotor com muitas polaridades construídas a partir de ferro doce, apresenta também em estator laminado. Por não possuir imã, quando energizado apresenta torque estático nulo. Tendo assim baixa inércia de rotor não pode ser utilizado como carga inercial grande. - Imã Permanente: Apresenta um rotor de material alnico ou ferrite e é magnetizado radialmente devido a isto o torque estático não é nulo. - Híbridos: É uma mistura dos dois anteriores e apresenta rotor e estator multidentados. O rotor é de imã permanente e magnetizado axialmente. Apresenta grande precisão (3%), boa relação torque/tamanho e ângulos pequenos (0,9 e 1,8 graus). Para que o rotor avance um passo é necessário que a polaridade magnética de um dente do estator se alinha com a polaridade magnética oposta de um dente do rotor. FUNCIONAMENTO BÁSICO DO MOTOR DE PASSO

16 Normalmente os motores de passo são projetados com enrolamento de estator polifásico o que não foge muito dos demais motores. O número de pólos é determinado pelo passo angular desejado por pulsos de entrada. Os motores de passo têm alimentação externa. Conforme os pulsos na entrada do circuito de alimentação, este oferece correntes aos enrolamentos certos para fornecer o deslocamento desejado, como veremos em breve. Falaremos agora então, mais um pouco sobre motores com imã permanente. Além do número de fases do motor, existe outra subdivisão entre estes componentes, a sua polaridade. Motores de passo unipolares são caracterizados por possuírem um center-tape entre o enrolamento de suas bobinas. Normalmente utiliza--se este center-tape para alimentar o motor, que é controlado aterrando-se as extremidades dos enrolamentos. Abaixo segue uma figura ilustrativa onde podemos ver que tal motor possui duas bobinas e quatro fases. Diferentes dos unipolares, os motores bipolares exigem circuitos mais complexos. A grande vantagem em se usar os bipolares é prover maior torque, além de ter uma maior proporção entre tamanho e torque. Fisicamente os motores têm enrolamentos separados, sendo necessário uma polarização reversa durante a operação para o passo acontecer.

17 Um motor de corrente contínua, quando alimentado, gira no mesmo sentido e com rotação constante, ou seja, para que estes motores funcionem, é necessário apenas estabelecer sua alimentação. Com o auxilio de circuitos externos de controle, estes motores de corrente contínua poderão inverter o sentido de rotação ou variar sua velocidade. Para que um motor de passo funcione, é necessário que sua alimentação seja feita de forma seqüencial e repetida. Não basta apenas ligar os fios do motor de passo a uma fonte de energia e sim ligá-los a um circuito que execute a seqüência requerida pelo motor. Existem três tipos básicos de movimentos o de passo inteiro e o de meio passo e o micropasso, tanto para o motor bipolar como para o unipolar. O de micropasso tem sua tecnologia não muito divulgada, e baseia-se no controle da corrente que flui por cada bobina multiplicado pelo numero de passos por revolução. A energização de uma e somente uma bobina de cada vez produz um pequeno deslocamento no rotor. Este deslocamento ocorre simplesmente pelo fato de o rotor ser magneticamente ativo e a energização das bobinas criar um campo magnético intenso que

18 atua no sentido de se alinhar com as pás do rotor. Assim, polarizando de forma adequada os bobinas, podemos movimentar o rotor somente entre as bobinas (passo inteiro), ou entre as bobinas e alinhadas com as mesmas. - Motor bipolar com passo inteiro - Motor bipolar com meio passo - Motor unipolar com passo inteiro

19 - Motor unipolar com meio passo Tabela com a seqüência que deve ser alimentada as bobinas do motor. Para que se obtenha uma rotação constante é necessário que a energização das bobinas seja periódica. Esta periodicidade é proporcionada por circuitos eletrônicos que controlam a velocidade e o sentido de rotação do motor. A pequeno ângulo deslocado pelo rotor depende do número de dentes do mesmo assim como o número de fases do motor. Preferimos não explicar mais detalhadamente este tópico minuciosamente, por ser de grande dificuldade de se explicar à movimentação dos dentes do rotor pelo estator bidimensionalmente. Em geral, o número de dentes do rotor

20 multiplicado pelo número de fases revela o número de passos por revolução. Por se tratar de sinais digitais, fica fácil compreender a versatilidade dos motores de passo. São motores que apresentam uma gama de rotação muito ampla que pode variar de zero até 7200 rpm; apresentam boa relação peso/potência; permitem a inversão de rotação em pleno funcionamento; alguns motores possuem precisão de 97%; possuem ótima frenagem do rotor e podem mover-se passo-a-passo. Mover o motor passo-a-passo resume-se ao seguinte: se um determinado motor de passo possuir 170 passos, isto significa que cada volta do eixo do motor é dividida 170 vezes, ou seja, cada passo corresponde a 2,1 graus e o rotor tem a capacidade para mover-se apenas estes 2,1 graus. Didaticamente falando, o sistema de controle se baseia em um circuito oscilador onde seria gerado um sinal cuja freqüência estaria diretamente relacionado com a velocidade de rotação do motor de passo. Esta freqüência seria facilmente alterada (seja por atuação em componentes passivos seja por meio eletrônico) dentro de um determinado valor assim, o motor apresentaria uma rotação mínima e uma máxima. A função "Freio" se daria simplesmente pela inibição do sinal gerado pelo oscilador. O próximo passo seria providenciar um circuito amplificador de saída, pois algumas aplicações exigem uma demanda de corrente relativamente elevada. Caberia ao circuito amplificador de saída fornecer estas correntes de forma segura, econômica e rápida. O circuito amplificador de saída seria constituído de transistores e/ou dispositivos de potência que drenam corrente em torno de 500 ma ou mais. Motores de passo geralmente suportam correntes acima de 1,5 Ampère. O amplificador de saída é o dispositivo mais solicitado em um projeto de controle de motor de passo. Devido às variações de trabalho a que pode ser submetido o motor de passo, um amplificador mal projetado pode limitar muito o conjunto como um todo. Um exemplo destas limitações pode ser facilmente entendido. Um motor de passo girando a altas rotações, repentinamente é solicitado a inverter sua rotação (como ocorre em máquinas CNC e cabeçotes de impressão). No momento da inversão as correntes envolvidas são muito altas e o circuito amplificador deve suportar tais drenagens de corrente.