Os sistemas de motores de passo são a base da indústria de controle de movimento. Analisaremos as diferenças entre sistemas de malha aberta e sistemas de malha fechada, além de explicar os desenvolvimentos mais recentes que tornam os sistemas de motores de passo ainda mais rápidos, silenciosos e energeticamente eficientes do que nunca.

Os sistemas de motores de passo percorreram um longo caminho desde os primórdios dos acionamentos por tensão e do controle de passos completo. Primeiro vieram os acionamentos PWM e o micropasso, e depois os processadores de sinal digital (DSPs) e os algoritmos antirressonância. Agora, a nova tecnologia de motores de passo em malha fechada está garantindo que eles continuem sendo um pilar da indústria de controle de movimento nos próximos anos.

Seja o movimento linear ou rotativo, dois fatores essenciais que determinam a adequação do motor e do sistema de acionamento são o torque e a eficiência. Isso se aplica a aplicações como sistemas de montagem automatizados, máquinas de movimentação de materiais, impressoras 3D, posicionadores cartesianos, bombas peristálticas e inúmeras outras em que os motores de passo são a tecnologia preferida.

O desenvolvimento mais recente em sistemas de motores de passo é a aplicação de dispositivos de feedback de baixo custo e alta resolução, juntamente com DSPs avançados, para fechar o circuito de controle do movimento do motor. Esses controles aumentam o desempenho do motor de passo em malha fechada, superando os sistemas de malha aberta. Como veremos, um desses sistemas de malha fechada é implementado em um projeto de motor integrado que inclui um dispositivo de feedback, placas de driver e controlador, eletrônica de alimentação, comunicação e E/S, além de conectores de sistema na lateral e na parte traseira do motor.

Sistemas de motores de passo de malha aberta versus malha fechada
Primeiramente, vamos explorar como os sistemas de motores de passo de malha fechada de alto desempenho se comparam aos sistemas de motores de passo de malha aberta tradicionais em termos de torque e eficiência.

Os sistemas de motores de passo de malha fechada apresentam desempenho superior aos de malha aberta, como demonstrado em testes de laboratório que compararam a aceleração (torque), a eficiência (consumo de energia), o erro de posicionamento (precisão), a geração de calor e os níveis de ruído dos dois sistemas. Basta considerar a relação entre torque e aceleração. As curvas de torque-velocidade mostram as faixas de torque máximo e contínuo de um sistema de motor de passo de malha fechada, juntamente com a faixa de torque utilizável de um sistema de motor de passo de malha aberta. Muitas vezes, no mundo real, o torque se traduz em aceleração — portanto, motores com maior torque podem acelerar uma determinada carga mais rapidamente.

Para testar essa diferença no desempenho de torque em laboratório, sistemas de motores de passo de malha aberta e malha fechada de mesmo tamanho recebem cargas inerciais idênticas. A programação comanda os dois sistemas para executarem perfis de movimento idênticos, exceto que a taxa de aceleração e a velocidade máxima são aumentadas gradualmente em cada sistema até que ocorram erros de posicionamento.

Suponha que o sistema de malha aberta atinja uma taxa de aceleração máxima de 1.000 rpm.²e uma velocidade máxima de 10 rpm (600 rpm). Essa velocidade máxima de 10 rpm corresponde ao ponto onde termina a parte plana da curva de torque-velocidade. O sistema de circuito fechado (devido à sua maior capacidade de geração de torque) atinge uma taxa máxima de aceleração de 2.000 rpm.²e uma velocidade máxima de 20 rotações por segundo (1.200 rpm). Isso representa o dobro do desempenho do sistema de malha aberta e reduz o tempo de movimento quase pela metade — de 110 ms para 60 ms.

Para aplicações que exigem alta produtividade (como indexação, posicionamento de guias de borda e sistemas de coleta e colocação), o sistema de circuito fechado oferece uma clara vantagem de desempenho.

Eficiência em circuito aberto versus eficiência em circuito fechado

Para medir a eficiência relativa de um sistema de malha aberta versus um sistema de malha fechada, vamos repetir o mesmo teste com os mesmos dois motores de tamanho igual. Desta vez, teremos os motores de malha fechada e de malha aberta funcionando lado a lado com as mesmas cargas inerciais, mas com uma programação que mantém os perfis de movimento constantes e iguais, de modo que ambos os sistemas realizem a mesma quantidade de trabalho.

Enquanto os dois motores executam repetidamente o mesmo perfil de movimento, a corrente consumida da fonte de alimentação CC que alimenta os dois sistemas é medida e o consumo de energia é calculado. Como pode ser observado nos gráficos de valores, o consumo médio de energia do sistema de motor de passo em malha aberta é de 43,8 watts, enquanto o do sistema em malha fechada é apenas um terço disso — 14,2 watts em média. Essa diferença drástica no consumo de energia demonstra claramente a maior eficiência operacional do sistema em malha fechada. Qualquer usuário que deseje aumentar a eficiência de seu sistema de motor de passo em malha aberta pode agora considerar uma simples atualização para um sistema em malha fechada e esperar um consumo significativamente menor.

Como resolver o problema de aquecimento do motor

Uma extensão natural dos testes de consumo de energia é a investigação do aquecimento do motor. Os sistemas de motores de passo de malha aberta são bastante simples. Basta configurar o driver para a corrente nominal do motor e o driver fará o possível para fornecer essa corrente ao motor o tempo todo, independentemente de o torque resultante ser necessário ou não. Isso frequentemente causa a geração de calor em vez de energia para a função da aplicação — e é por isso que os sistemas de motores de passo de malha aberta normalmente operam em temperaturas mais altas do que seus equivalentes de malha fechada. Isso também significa que os projetistas de máquinas devem tomar medidas adicionais para lidar com esse calor, geralmente incluindo proteções especiais ao redor dos motores de passo que operarão próximos a operadores humanos ou instalando sistemas de resfriamento adicionais, como ventiladores.

Considere os resultados de um teste de aquecimento de motor realizado em laboratório, utilizando os mesmos sistemas de circuito aberto e fechado descritos anteriormente. Neste teste, os dois sistemas produzem a mesma quantidade de trabalho, acionando as mesmas cargas inerciais, e operam até atingirem o equilíbrio térmico. O sistema de circuito aberto atinge uma temperatura da carcaça de 76,0 °C, enquanto o sistema de circuito fechado atinge o equilíbrio térmico a uma temperatura da carcaça de apenas 36,9 °C — menos da metade da temperatura do sistema de circuito aberto. Essa redução significativa no aquecimento do motor pode significar custos menores de componentes para os fabricantes de máquinas, pois eles podem omitir subsistemas adicionais de proteção e refrigeração.

Chega de motores barulhentos!

Outra queixa comum sobre sistemas de motores de passo de malha aberta é que eles são conhecidos por produzirem bastante ruído audível. Em certos ambientes, como laboratórios, hospitais e escritórios, esse ruído pode representar um problema real para os projetistas de máquinas.

O ruído emitido pelos motores de passo surge da alta frequência elétrica e das rápidas variações de fluxo nos dentes do estator, e do fato de os sistemas de malha aberta operarem com a corrente nominal máxima, independentemente da carga. Os sistemas de passo de malha fechada, por outro lado, fornecem ao motor apenas a corrente necessária para controlar a carga, resultando em um ruído audível muito menor.

Para produzir os resultados dos testes mostrados no gráfico de ruído acústico que acompanha este artigo, o ruído acústico de cada sistema foi medido em uma câmara à prova de som. O sistema de circuito fechado é consideravelmente mais silencioso do que a opção de circuito aberto em velocidades de 0 a 20 rpm. Essa faixa de velocidade coincide com a faixa de velocidade real das aplicações onde os sistemas de motor de passo são mais frequentemente usados, o que significa que a grande maioria das aplicações de motor de passo poderia se beneficiar da redução do ruído do motor se fossem migradas para sistemas de circuito fechado.

Melhor precisão do motor para eliminar erros de posicionamento.

Os sistemas de motores de passo de malha aberta são valorizados por sua capacidade de posicionar cargas com precisão sem um mecanismo de feedback ou sistema de controle de malha fechada, mas somente se o sistema de malha aberta tiver margem de torque suficiente para que erros de posicionamento não ocorram durante a operação normal. Para maior precisão e um projeto de sistema mais robusto, o fechamento da malha de posição do servo em torno do feedback do encoder de alta resolução permite que os sistemas de malha fechada compensem automaticamente os aumentos na demanda de torque que, de outra forma, levariam a erros de posicionamento em sistemas de malha aberta. Isso melhora significativamente a precisão geral do sistema, principalmente para aplicações altamente dinâmicas, como sistemas de pick-and-place e impressoras 3D, onde são necessários movimentos curtos e rápidos e mudanças frequentes de direção.

Atualização de sistemas de passo existentes

Em um sistema integrado de motor de passo, os custos do motor, do amplificador de potência e da comunicação geralmente não aumentam ao passar de um sistema de malha aberta para um de malha fechada. A eletrônica de controle pode exigir um pouco mais de poder de processamento central ou memória para controlar o motor, mas isso normalmente não impacta o preço final. Grande parte da diferença de custo entre sistemas de motor de passo de malha aberta e de malha fechada reside na adição de um dispositivo de feedback de alta resolução, mas os avanços na fabricação tornaram esses dispositivos cada vez mais acessíveis. Assim, os sistemas de motor de passo de malha fechada mantêm as vantagens de custo dos sistemas de malha aberta em relação a outros tipos de sistemas de posicionamento — como um servomotor tradicional — mas com desempenho muito superior em praticamente todos os aspectos. Normalmente, a economia de energia e o aumento da produtividade de um sistema de malha fechada compensam rapidamente o pequeno aumento no custo do dispositivo de feedback.

Além de um aumento mínimo de custo, a atualização de um sistema de motor de passo de malha aberta para um sistema de malha fechada é simplificada com as opções de tamanho de carcaça NEMA. Um motor de passo NEMA 23 de malha fechada tem o mesmo tamanho de carcaça, diâmetro do piloto, círculo de furos de fixação e diâmetro dos furos de fixação que um motor de passo NEMA 23 de malha aberta, portanto, os suportes de montagem permanecem os mesmos. O maior torque disponível no sistema de malha fechada significa que o diâmetro do eixo do motor de passo de malha fechada pode ser maior, mas isso geralmente pode ser resolvido facilmente com uma simples troca do acoplamento do eixo.