Motores de Passo: Tipos, Características e Aplicações Práticas

Motor de Passo vs Motor Servo

Um motor de passo é um motor digital que move seu rotor em passos discretos em vez de girar continuamente. Quando energizado mas parado, ele mantém sua carga com um torque de retenção confiável. A ampla adoção de motores de passo nas últimas duas décadas foi possibilitada por drivers de estado sólido que interfaceiam diretamente com microprocessadores, oferecendo uma solução de baixo custo e baixa complexidade para controle preciso de movimento.

Motores servo, os predecessores dos motores de passo, combinam um motor, codificador e amplificador de erro para fornecer controle de movimento de alto desempenho. Seus componentes extras aumentam custo e complexidade, e são tipicamente reservados para aplicações que excedem os limites de torque ou velocidade dos steppers. Para a maioria das tarefas — onde velocidade moderada, boa precisão e acessibilidade são chave — o stepper é a escolha padrão.

Historicamente, steppers posicionavam cabeçotes de leitura-escrita de drives de disquete e eram usados em primeiros hard drives. Hard drives modernos, no entanto, dependem de servos de bobina de voz de alta velocidade capazes de posicionamento sub-milissegundo.

Amplificadores servo são dispositivos lineares que requerem ajuste cuidadoso de ganho e fase para combinar com cargas mecânicas. Em contraste, drivers de stepper são simples interruptores liga-desliga que fornecem corrente aos enrolamentos. Isso torna a eletrônica de controle de stepper mais barata e fácil de projetar.

Motor de passo vs motor servo

Características

Motores de passo são robustos e baratos porque o rotor é um cilindro sólido — frequentemente um ímã permanente — sem anéis de escorregamento ou comutador. O estator é laminado e pode conter de duas a cinco fases de enrolamento. Como não são projetados para rotação contínua, steppers são tipicamente classificados em torque em vez de cavalo-vapor.

• Torque varia de algumas onças-polegada em unidades minúsculas "tamanho de moeda" a mais de 1.000 onças-polegada (≈10 N·m) em motores maiores de 4 kg.
• Curvas velocidade-torque ilustram que torque de retenção é alto, mas torque disponível cai à medida que a velocidade sobe, chegando a zero em uma velocidade máxima de operação determinada pelo motor e inércia da carga.
• Ângulo de passo depende da construção: 90° (4 passos por revolução) a 0,75° (500 passos por revolução). Drivers podem reduzir o ângulo de passo pela metade via meios-passos.
• Frequência máxima de partida e torque de pull-in limitam quão rápido um motor pode ser acelerado do repouso; torque de pull-out governa a carga máxima que o motor pode sustentar sem perder passos.

Características de velocidade do stepper

Tipos de Motores de Passo

Relutância Variável

Esses steppers dependem do fluxo magnético buscando o caminho de menor relutância. O rotor é um cilindro de ferro doce com polos salientes; quando energizado, o rotor alinha-se com o campo rotativo do estator, minimizando o comprimento do entreferro. Eles têm ângulos de passo grandes e produzem pouco torque de detent quando desenergizados.

Exemplo: um motor de relutância variável trifásico tem ângulo de passo de 30°. Sua sequência de passos pode ser ilustrada com um padrão simples de comutação liga-desliga, como mostrado abaixo.

Motor de passo de relutância variável trifásico

Cálculo do ângulo de passo:

ΘS = 360°/NS, ΘR = 360°/NR, ΘST = ΘR – ΘS NS = número de polos do estator, NR = número de polos do rotor 

Como o rotor tem menos polos que o estator, o rotor move um ângulo menor por passo do estator, dando uma resolução de passo mais fina.

Ímã Permanente

Esses steppers apresentam um rotor cilíndrico de ímã permanente. O estator tipicamente tem dois enrolamentos, que podem ser centrais para acionamento unipolar ou acionados com polaridade alternada para acionamento bipolar. Eles exibem torque de detent quando desenergizados e têm ângulos de passo grandes (frequentemente 7,5°–90°).

Opções de acionamento:

• Wave drive energiza uma bobina por vez — simples mas torque menor.
• Passo completo energiza ambas as bobinas simultaneamente — torque maior.
• Meio passo alterna entre wave drive e passo completo — dobra a resolução.

Fiação unipolar (configurações de 4, 6, 5 ou 8 fios) permite uso de fonte de polaridade única mas requer mais saídas do driver. Fiação bipolar dá maior torque mas precisa de driver mais complexo.

Sequência PM wave drive

Construção típica: design can-stack de 24 polos com 12 dedos intercalados por fase, resultando em ângulos de passo de 15°.

Motor de passo de ímã permanente can-stack de 24 polos

Híbrido

Steppers híbridos combinam os dentes de ferro doce de um motor de relutância variável com o núcleo de ímã permanente de um motor PM, resultando em um ângulo de passo muito fino. O rotor tem dentes radiais de ferro doce deslocados por meio dente, enquanto o estator tem dentes correspondentes. As duas fases são deslocadas por um quarto de dente, permitindo que o motor dê passos em 192 posições por revolução no exemplo mostrado.

Motor de passo híbrido

Aplicações

• Posicionamento de cabeçotes de drives de disquete e hard drives iniciais.
• Impressoras e copiadoras (avanço de papel).
• Impressoras 3D, roteadores CNC e braços robóticos onde posicionamento preciso é requerido.
• Eletrônicos de consumo (ex.: gimbals de câmera, brinquedos robóticos).

Resumo

• Relutância variável: rotor de ferro doce, ângulo de passo grande, sem torque de detent.
• Ímã permanente: rotor de ferrita, construção can-stack, ângulo de passo moderado, torque de detent presente.
• Híbrido: dentes finos e deslocamentos de fase dão o menor ângulo de passo e maior resolução.

Escolher o tipo certo depende de torque, velocidade, resolução e restrições de custo requeridos.

Planilha Relacionada

• Planilha de Motores de Passo