Robótica barata e simples: 5) Motores de passo

Um motor de passo tem um esquema interno que é o contrário dos motores elétricos comuns. Nos motores elétricos, existe um enrolamento no centro e uma capa de ímãs permanentes em volta. Quando o núcleo é energizado é criado um campo magnético que interage com o campo magnético dos imãs fazendo o núcleo girar. Um sistema de escovas inverte a polaridade do campo magnético do núcleo a cada meia volta o que faz com que o núcleo continue girando.

Já nos motores de passo, o esquema é invertido, no núcleo existe um imã permanente e em volta do núcleo existem bobinas fixas. As bobinas são energizadas em seqüência, criando um campo magnético e atraindo o núcleo, fazendo com que ele gire. Esse mecanismo permite um controle de posicionamento muito mais preciso, o que é essencial em aplicações relacionadas à robótica.

O motor de passo é essencialmente controlado através de pulsos elétricos que são enviados às suas bobinas internas em seqüência, sendo portanto um dispositivo digital, o que facilita muito a sua integração com computadores. Cada pulso faz com que o motor gire um passo. Motores menos precisos giram tipicamente 90° por passo, enquanto os motores de maior precisão são capazes de girar 0.72° por passo. Dependendo do tipo do motor e com um controle apropriado, podem girar meio-passo (half-steps) e alguns controles podem trabalhar com pequenas frações de passos (micropassos). Neste projeto, os pulsos são gerados pelo computador e transmitidos pela porta paralela para os circuitos que ativam os motores de passo.

5.1 Tipos de motor de passo

Para falar dos tipos de motores de passo precisamos antes de algumas definições:

Rotor: É o conjunto eixo-imã que gira na parte móvel do motor (núcleo).

Estator: É a trave fixa acoplada à carcaça do motor, onde as bobinas são enroladas.

Figura 9: Rotor

Figura 10: Estator

Quanto à sua estrutura de construção, existem três tipos de motor de passo:

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.

Tipicamente, motores de passo de relutância variável possuem três enrolamentos conectados (figura 11), com um terminal comum para todos os enrolamentos. Em uso, em geral o fio comum vai para o pólo positivo da fonte de alimentação e os enrolamentos são energizados em seqüência.

Há ainda motores de passo de relutância variável com quatro e cinco enrolamentos, possuindo portanto cinco ou seis fios respectivamente. O princípio de controle desses motores é o mesmo dos de três enrolamentos.

Figura 11: Motor de relutância variável

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 proveniente dessa característica é conhecido como torque de detenção.

Híbridos

O tipo híbrido apresenta um rotor formado por um "sanduíche" 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.

Quanto ao modo de operação, os motores podem ser:

Unipolares:

Os motores de passo unipolares são reconhecidos pela derivação central (center tape) em cada uma das bobinas. O número de fases é duas vezes o número de bobinas, uma vez que cada bobina se encontra dividida em duas. A figura 12 mostra uma representação de um motor de passo unipolar de 4 fases (1a, 2a, 1b e 2b). A fase 1a vai da derivação central até à extremidade a na bobina 1, e a fase 1b, da derivação central à extremidade b, nesta mesma bobina. As fases na bobina 2 são análogas à bobina 1.

Normalmente, a derivação central das bobinas é ligada ao positivo da fonte de alimentação e os extremos de cada bobina são ligados seqüencialmente ao terra por um circuito apropriado (controlador mais driver), conforme o modo de acionamento adotado, para assim produzir o movimento de rotação contínuo numa direção. Um motor com o esquema mostrado na Figura 12 teria seis fios, quatro para as bobinas e dois para as derivações, mas também são comuns motores onde as duas derivações são conectadas internamente, então externamente apresentam apenas cinco fios.

Figura 12: Motor unipolar

Bipolares

Os motores bipolares são constituídos por bobinas sem derivação central (figura 13). Então as bobinas devem ser energizadas de forma que a corrente flua na direção inversa a cada dois passos para permitir o movimento contínuo do rotor, ou seja, a polaridade deve ser invertida durante o funcionamento do motor.

Os motores de passo bipolares são conhecidos por sua excelente relação tamanho/torque: eles proporcionam um torque cerca de 40% maior em comparação a um motor unipolar do mesmo tamanho. Isto se deve ao fato de que quando se energiza uma fase, ambos os pólos em que a fase (ou bobina) está instalada são magnetizados. Assim, o rotor sofre a ação de forças magnéticas de ambos os pólos, ao invés de apenas um como acontece no motor unipolar. Externamente, um motor bipolar com duas bobinas como o mostrado na figura 13, apresentaria quatro fios.

Figura 13: Motor bipolar

Importante: Para este projeto utilizaremos motores unipolares. Os circuitos de acionamento dos motores unipolares são de construção muito mais simples e tem um custo muito menor. Além disso, esse tipo de motor é mais facilmente encontrado em impressoras sucateadas. O circuito descrito na seção 6.3 se destina a controlar apenas motores unipolares.

5.2 Modos de acionamento

Um motor de passo pode ser acionado de vários modos, dependendo do objetivo a ser alcançado. É importante notar que os circuitos descritos no próximo capítulo permitem o uso de qualquer um dos três modos listados abaixo. Para este projeto, os pulsos serão gerados pelo software e transmitidos pela porta paralela, então é possível adaptar o software para operar os motores em qualquer um dos três modos descritos a seguir

Modo passo completo (full-step) ou passo simples

Neste modo é energizada uma bobina de cada vez. É o modo de operação mais simples e mais econômico em termos de consumo de energia, mas também é o modo com menor torque (figura 14).

Figura 14: Seqüência de ativação das bobinas no modo de passo simples

Modo passo completo com alto torque

Para conseguir mais torque, são energizadas duas bobinas de cada vez. O consumo de energia é o dobro do modo de passo simples (figura 15).

Figura 15: Seqüência de ativação das bobinas no modo de alto torque

Modo meio passo (half-step)

Este modo alterna os dois modos anteriores e permite um controle de posicionamento mais preciso, já que dobra o número de passos por volta. O consumo de energia é o meio termo entre os dois modos acima e o torque é um pouco menor que o modo de alto torque. Também é o modo com menor velocidade (a metade dos outros dois modos).

Figura 16: Seqüência de ativação das bobinas no modo meio-passo

5.3 Identificação dos fios em um motor unipolar

Caso o motor de passo tenha sido comprado em uma loja especializada, provavelmente veio com um esquema dos fios e com os fios marcados por cores diferentes, permitindo uma rápida identificação dos fios. Mas se o motor foi obtido a partir de uma impressora sucateada, nesse caso é bem provável que nem tenha fios coloridos saindo diretamente dele, em geral os motores de impressora tem um conector e um cabo com fios da mesma cor conectado a ele (figura 17).

Figura 17: Motores de passo obtidos em impressoras sucateadas

Os dois motores mostrados na figura 17 são bastante comuns em impressoras. Os dois são unipolares e têm duas bobinas, mas as derivações centrais das bobinas são conectadas internamente, portanto o cabo tem 5 fios: 4 para os pólos das bobinas e um para a derivação (comum).

O primeiro passo é identificar o fio comum. Para isso vai ser necessário usar um multímetro ajustado para medir resistências. Uma bobina é basicamente um fio elétrico enrolado, portanto apresenta resistência elétrica entre os seus dois pólos. O fio comum (derivação) parte da metade da bobina (figura 12), portanto se uma ponta do multímetro for colocada no fio comum e a outra ponta em um dos pólos da bobina, a resistência medida será a metade da resistência medida entre dois pólos da bobina.

Por exemplo, numeramos os fios de 1 a 5, em seguida colocamos uma ponta do multímetro no fio 1. A seguir anotamos a resistência medida entre o fio 1 e todos os outros. Suponha que os valores obtidos correspondam à tabela 5. A partir destes valores, podemos concluir que o fio 3 é o fio comum (derivação) deste motor.

Fio 2	Fio 3	Fio 4	Fio 5
60 Ω	30 Ω	59 Ω	60 Ω

Tabela 5: Exemplo de resistências medidas entre um fio do motor de passo e todos os outros.

Uma vez identificado o fio comum, é preciso determinar a seqüência dos outros fios. Para isso vai ser necessário usar uma fonte de alimentação que forneça de 9 a 12 volts. Pode ser uma bateria de 9 volts ou a fonte utilizada nos testes. Conecte o pólo positivo da fonte ao fio comum e escolha um dos outros fios como referência. Esta parte pode ser um tanto trabalhosa. Encoste o pólo negativo da fonte no fio de referência, o motor deve dar um pequeno tranco e o eixo vai girar um pouco para ajustar o rotor ao pólo da bobina correspondente ao fio. A seguir encoste o pólo negativo nos outros 3 fios em seqüência. Se a seqüência estiver correta, o eixo vai girar sempre na mesma direção. Caso o eixo volte quando energizar um dos fios, é porque aquele fio está fora de seqüência, nesse caso troque a ordem dos fios e tente novamente até que o eixo gire sempre na mesma direção. Um pedaço de fita adesiva colada ao eixo ajuda a ver melhor o movimento dele.

5.4 Determinação das características do motor de passo

Para garantir o bom funcionamento do dispositivo que está sendo construído, é importante conhecer as características técnicas do motor de passo. Infelizmente, os motores conseguidos em impressoras sucateadas trazem pouca ou nenhuma informação em sua carcaça. As características mais importantes para a execução deste projeto são as seguintes:

Voltagem

Precisamos saber qual a voltagem nominal do motor para providenciar a alimentação adequada. Motores de impressoras normalmente funcionam com 12 volts. Estão se o motor em questão foi retirado de uma impressora, 12 volts é um bom palpite. Para ter certeza, caso a impressora tenha uma fonte externa, verifique com um multímetro quantos volts a fonte fornece. Fontes de impressoras costumam ter três terminais de saída: o terra (0 v), +5v para alimentar os circuitos e +12v para alimentar os motores. Se for este o caso, então com certeza o motor funciona com 12 volts. Entretanto, um motor de 12 volts funcionará também com 9 ou 10 volts, mas apresentará uma redução de torque.

Resistência das bobinas

Esta característica é mais simples de descobrir, basta usar o multímetro e medir a resistência entre todos os fios. A menor resistência encontrada será a resistência entre um pólo da bobina e o fio comum.

Consumo de corrente

Para determinar o consumo de corrente, precisamos antes saber a voltagem e a resistência das bobinas. Depois basta aplicar a lei de Ohm: V=R x I. Por exemplo, se sabemos que a voltagem do motor é 12 volts e ele apresenta uma resistência entre o fio comum e os pólos de 30Ω, então o consumo de corrente desse motor é de 12/30 que é igual a 0.4 A ou 400 mA. Importante notar que o modo de acionamento do motor (item 5.2) influi no consumo de corrente. O valor calculado acima é válido para o modo de passo simples. Se for usado o modo de alto torque o consumo será o dobro.

Passos por volta

Conhecer a quantidade de passos para uma volta completa não faz diferença para o circuito elétrico se os pulsos forem gerados pelo software, mas a grande vantagem dos motores de passo em relação aos motores DC é justamente o controle de preciso de posicionamento, então para que o software consiga posicionar corretamente o motor, essa informação é essencial. Se o número de passos por volta não é conhecido, a única maneira de descobrir é testando. O programa sugerido na seção 6.1 pode facilmente ser modificado para gerar um número determinado de pulsos e parar, assim é possível determinar quantos passos são necessários para que o rotor do motor dê uma volta completa.