Motores de passo

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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 ímãs 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 ímã permanente e em volta do núcleo existem bobinas fixas. As bobinas são energizadas em sequência, criando um campo magnético que atrai 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 controlado através de pulsos elétricos que são enviados às suas bobinas internas em sequência, 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 podem girar 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).

## **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.

## **Modo de operação**

Quanto ao modo de operação, os motores podem ser bipolares ou unipolares.

#### **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 4 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 sequencialmente 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 5 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. Um diferencial para os motores unipolares é que os circuitos de acionamento são de construção muito mais simples e tem um custo muito menor do que os circuitos dos motores bipolares.

**Bipolares**

Os motores bipolares são constituídos por bobinas sem derivação central (figura 5). 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 polos em que a fase (ou bobina) está instalada são magnetizados. Assim, o rotor sofre a ação de forças magnéticas de ambos os polos, ao invés de apenas um como acontece no motor unipolar. Externamente, um motor bipolar com duas bobinas como o mostrado na figura 5, apresentaria quatro fios.

## **Modos de acionamento de um motor de passo**

O motor pode ser acionado de vários modos, dependendo do objetivo a ser alcançado.

#### **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 6).

#### **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 7).

#### **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).

## Identificação dos fios em um motor unipolar

Caso o motor de passo tenha sido comprado novo, provavelmente veio com um esquema 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 9).

Os dois motores mostrados na figura 9 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 polos 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 polos. O fio comum (derivação) parte da metade da bobina (figura 4), portanto se uma ponta do multímetro for colocada no fio comum e a outra ponta em um dos polos da bobina, a resistência medida será a metade da resistência medida entre dois polos 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 1. A partir destes valores, podemos concluir que o fio 3 é o fio comum (derivação) deste motor.

Tabela 1: 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 sequência 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 polo positivo da fonte ao fio comum e escolha um dos outros fios como referência. Esta parte pode ser um tanto trabalhosa. Encoste o polo 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 polo da bobina correspondente ao fio. A seguir encoste o polo negativo nos outros 3 fios em sequência. Se a sequência 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 sequência, nesse caso troque a ordem dos 3 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.

## 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:

#### **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. Esta informação é importante para o controle do motor, veja o tópico abaixo.

#### **Voltagem e Corrente**

Diferente dos motores DC que funcionam baseados na voltagem, os motores de passo funcionam baseados na corrente. Em um motor DC a voltagem influi na velocidade de rotação do motor, quanto maior a voltagem fornecida, mais rápido ele vai girar. Já nos motores de passo, a velocidade é determinada pela duração dos pulsos que são enviados às bobinas, quanto mais curtos forem os pulsos, mais rápido ele gira.

Para entender o funcionamento de um motor de passo, é preciso ter em mente que bobinas são basicamente fios enrolados, ou seja, uma bobina é na prática um curto-circuito. Quando uma bobina é energizada, não importa com que voltagem, a corrente que flui por ela começa aumentar com o tempo, e por consequência, o campo magnético gerado por ela aumenta na mesma proporção. Quando a corrente atinge determinado limite, o campo magnético fica intenso o suficiente para forçar o giro do motor para a próxima posição. A voltagem fornecida ao motor influi no tempo que é preciso para que a corrente atinja esse limite. Quanto maior a voltagem, mais rápido a corrente (e o campo magnético) chegam ao limite necessário e mais curtos podem ser os pulsos enviados ao motor. Ocorre que esse limite mínimo para a corrente só é fixo em um motor sem carga, se o motor tem que carregar algum peso, o que sempre é o caso, a corrente necessária para mover um passo no motor aumenta também e portanto, a duração do pulso precisa ser maior fazendo com que a velocidade de giro fique menor.

Motores de passo costumam ser bem flexíveis em relação à voltagem de alimentação, a maioria vai funcionar com alimentação de 9 a 24 volts, mas a voltagem vai ter impacto no torque e na velocidade máxima. Já com a corrente não é tão simples, uma corrente muito baixa não vai conseguir mover o motor e uma corrente muito alta pode queimar as bobinas. Note que quem alimenta todo o sistema são as baterias, então elas precisam ter capacidade de fornecer a corrente necessária para os motores (em mAh).

Todo motor de passo tem um limite máximo de corrente que ele aguenta sem fritar (corrente de pico) e a corrente ideal de operação, é importante não ultrapassar esses limites. Se o motor foi comprado novo, com certeza o limite será informado pelo fornecedor ou nas especificações do motor, mas caso tenha sido obtido de sucata, fica mais complicado de saber. Uma maneira simples de verificar se a corrente está alta demais é monitorar a temperatura do motor, ponha ele pra rodar por algum tempo (não muito) e veja se está esquentando demais, caso isso esteja acontecendo diminua a voltagem de alimentação ou a duração dos pulsos. Em motores retirados de impressoras sucateadas, tenho tido bons resultados com alimentação de 12 volts.

Uma vez definida a voltagem de alimentação e conhecida a resistência das bobinas, é fácil calcular qual será o consumo de corrente do motor, basta aplicar a Lei de Ohm: V=R x I. Por exemplo, se voltagem de alimentação é de 12 volts e ele apresenta uma resistência entre o fio comum e os polos 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 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, já que serão ativadas duas bobinas por passo.

#### **Passos por volta**

Conhecer a quantidade de passos para uma volta completa não faz diferença para o circuito de controle (driver) 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 abaixo 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.