Os motores de passo são uma excelente opção para muitas aplicações de controle de movimento e posição. Estão disponíveis em uma ampla variedade de tamanhos e classificações de torque e são significativamente mais baratos do que os servomotores de alta performance. Portanto, vamos falar sobre maneiras de elevar o desempenho dos motores de passo ao nível dos servomotores, adicionando dispositivos de feedback. Motores de passo com feedback não substituem completamente os servomotores, mas podem oferecer uma alternativa confiável para muitas aplicações práticas. Essas soluções de projeto de movimento melhoram o desempenho da máquina sem comprometer o orçamento.

Vantagens e desvantagens dos motores de passo a serem consideradas

Os motores de passo são motores elétricos CC sem escovas que se movem em passos discretos, em vez de um movimento rotacional contínuo. Esses movimentos em passos são impulsionados por deslocamentos do campo magnético gerados por conjuntos de bobinas eletromagnéticas no estator. O funcionamento do motor de passo depende de umcontrolador— um dispositivo eletrônico que fornece corrente às bobinas do estator do motor em uma sequência que aciona movimentos em etapas. As capacidades do controlador têm um impacto significativo no desempenho do motor.

Existem diversos tipos de motores de passo disponíveis, mas as variedades mais comuns oferecem boa resolução (200 passos por revolução ou mais), além de um torque respeitável em baixa velocidade, construção robusta, longa vida útil e custo relativamente baixo. No entanto, eles apresentam limitações. O torque diminui em velocidades de rotação mais altas e (com controladores simples) os motores de passo podem estar sujeitos a oscilações — vibrações de alta frequência. A maior desvantagem é que, mesmo em aplicações de posicionamento, os sistemas básicos de motores de passo operam em malha aberta.

Os motores de passo respondem às instruções do controlador para se moverem um determinado número de passos, mas não retornam nenhum feedback ao controlador sobre se esse movimento foi concluído. Portanto, se o motor não completar os movimentos de passo solicitados, pode surgir uma discrepância crescente entre o que o controlador está enviando e o que o motor está enviando.pressupõeconforme a posição rotativa do eixo do motor e overdadeiroA posição do eixo (e quaisquer cargas ou mecanismos acionados acoplados) pode causar desalinhamentos. Esses desalinhamentos ocorrem quando o torque do motor é insuficiente para vencer a resistência mecânica... e, de fato, podem se tornar um problema significativo em altas rotações, pois é quando a capacidade de torque do motor é limitada. É por isso que os engenheiros de projeto frequentemente superdimensionam os motores de passo — para evitar falhas na contagem de passos, mesmo que isso resulte em motores de passo excessivamente grandes e pesados ​​para todos os perfis de movimento, exceto os mais exigentes.

Outra desvantagem é que, quando um motor de passo tradicional para, a corrente precisa fluir pelos enrolamentos do motor para manter o eixo do motor de passo na posição correta. Isso consome energia elétrica e aquece os enrolamentos do motor e os subcomponentes ao redor.

Feedback sobre sistemas de motor de passo para posicionamento confiável

Adicionar encoders a um sistema de motor de passo para obter feedback da posição do eixo essencialmente fecha o circuito de controle. A adição desses dispositivos de feedback aumenta o custo geral do sistema, mas não tanto quanto a troca para um servomotor.

Uma abordagem para adicionar feedback do encoder é operar emmover e verificarmodo. Nesse caso, um encoder incremental simples é adicionado ao eixo de saída do motor de passo. Assim, quando o controlador envia comandos de passo para o motor, o encoder verifica continuamente para o controlador se os movimentos comandados ocorreram. Se o motor não conseguir completar o número de passos solicitado, o controlador pode solicitar mais passos até que o motor atinja a posição desejada. Controladores mais sofisticados também aumentam a corrente de fase no motor como forma de aumentar o torque para realizar esses passos extras.

Os encoders usados ​​em configurações de movimentação e verificação normalmente têm resoluções que são múltiplos de 200 posições por revolução.

Note que configurações que utilizam modos de movimentação e verificação ainda podem se beneficiar da inclusão de motores superdimensionados, mas não tão superdimensionados quanto os exigidos por sistemas simples de malha aberta.

Note também que esse modo pode ajudar os controladores inteligentes a ajustar as correntes de retenção no motor para obter pequenas melhorias de eficiência durante a parada... embora o consumo geral de energia ainda tenda a ser alto.

Controle de motor de passo em malha fechada com encoders absolutos

Outra opção um pouco mais sofisticada para aplicações críticas de controle de posição é o controle em malha fechada completo, empregando encoders absolutos de múltiplas voltas. Os encoders usados ​​aqui são fixados ao eixo de saída de um motor de passo para monitorar:

1. A posição angular do motor de passo, bem como
2. O número de voltas completas do motor de passo.

Nessa configuração, o motor de passo é controlado como um motor CC sem escovas (BLDC) de alto número de polos… e o encoder fornece continuamente feedback de posição ao controlador. A corrente de manutenção fornecida ao motor é então ajustada com precisão à quantidade necessária para manter a posição dentro de uma determinada tolerância. Um motor de passo controlado como um servomotor sem escovas é energeticamente eficiente e mais barato do que um servomotor BLDC propriamente dito. Então, por que não usar motores de passo de baixo custo para todas as aplicações de servomotores BLDC?

Bem, os motores de passo usados ​​em sistemas servo de malha fechada têm uma limitação física que não existe nos servomotores BLDC tradicionais. Mais especificamente, os motores de passo operados dessa forma funcionam essencialmente como motores brushless de 50 polos, portanto não conseguem atingir as rotações por minuto (RPM) possíveis com servomotores. Além disso, os rotores dos motores de passo têm inércia maior do que os dos servomotores BLDC tradicionais de potência equivalente… logo, não conseguem fornecer as mesmas acelerações.

Quando um motor de passo é usado no modo BLDC, o encoder desempenha uma função vital.comutaçãoA função do encoder absoluto é reportar a posição rotativa exata do eixo do motor, o que, por sua vez, permite que o controlador energize o conjunto apropriado de eletroímãs do estator para rotação contínua, conforme necessário. Além disso, encoders absolutos de precisão também podem auxiliar controladores de micropasso avançados no ajuste fino da corrente de fase para reduzir a oscilação (vibração) que ocorre em sistemas de motor de passo mais básicos.