Motores de passo de circuito fechado podem ser a melhor escolha para tarefas normalmente feitas por servos, porque os motores de passo tradicionais não conseguem lidar com elas.

Uma das decisões mais críticas que os engenheiros podem tomar ao projetar qualquer tipo de processo de controle de movimento é a escolha do motor. Escolher o motor certo, tanto em termos de tipo quanto de tamanho, é fundamental para a eficiência operacional da máquina final. Além disso, garantir que o motor não ultrapasse o orçamento é sempre uma preocupação primordial.

Uma das primeiras perguntas a serem respondidas na tomada de decisão é: qual tipo de motor seria o melhor? A aplicação requer um servomotor de alto desempenho? Um motor de passo de baixo custo seria melhor? Ou talvez haja uma terceira opção intermediária a ser considerada?

As respostas começam com as necessidades da aplicação específica. Há muitos fatores a serem considerados antes de determinar o tipo de motor ideal para qualquer aplicação.

Os Requisitos

Quantos ciclos por minuto o motor precisa realizar? Qual o torque necessário? Qual a velocidade máxima necessária?

Essas questões críticas não podem ser respondidas simplesmente escolhendo um motor com uma determinada potência.

A potência de saída de um motor é a combinação de torque e velocidade, que pode ser calculada pela multiplicação da velocidade, torque e uma constante.

No entanto, devido à natureza desse cálculo, existem muitas combinações diferentes de torque e velocidade que produzirão uma potência específica. Assim, motores diferentes com potências semelhantes podem operar de forma diferente devido à combinação de velocidade e torque que oferecem.

Os engenheiros precisam saber a velocidade com que uma carga de determinado tamanho precisa se mover antes de escolher com segurança o motor que melhor funcionará. A tarefa a ser executada também deve estar dentro da curva de torque/velocidade do motor. Essa curva mostra como o torque de um motor varia durante a operação. Usando premissas de "pior cenário" (ou seja, determinando a quantidade máxima/mínima de torque e velocidade que a tarefa exigirá), os engenheiros podem ter certeza de que o motor escolhido possui uma curva de torque/velocidade suficiente.

A inércia da carga é outro fator que deve ser considerado antes de mergulhar no processo de tomada de decisão de escolha de um motor. A relação de inércia deve ser calculada, que é a comparação entre a inércia da carga e a inércia do motor. Uma regra geral diz que se a inércia da carga exceder 10 vezes a do rotor, o ajuste do motor pode ser mais difícil e o desempenho pode ser prejudicado. Mas essa regra varia não apenas de tecnologia para tecnologia, mas de fornecedor para fornecedor e até mesmo de produto para produto. A criticidade de uma aplicação também afetará essa decisão. Alguns produtos suportam relações de até 30 para 1, enquanto acionamentos diretos operam em até 200 para 1. Muitas pessoas não gostam de dimensionar um motor que exceda uma relação de 10 para 1.

Por fim, existem limitações físicas que restringem um determinado motor em relação a outro. Os motores vêm em diferentes formatos e tamanhos. Em alguns casos, os motores são grandes e volumosos, e há certas operações que não podem acomodar um motor de determinado tamanho. Antes de tomar uma decisão informada sobre o melhor tipo de motor, essas especificações físicas devem ser reconhecidas e compreendidas.

Depois que os engenheiros respondem a todas essas perguntas — velocidade, torque, potência, inércia da carga e limitações físicas —, eles podem escolher o tamanho de motor mais eficiente. No entanto, o processo de tomada de decisão não para por aí. Os engenheiros também precisam descobrir qual tipo de motor é mais adequado à aplicação. Durante anos, a escolha do tipo se resumia a uma de duas opções para a maioria das aplicações: um servomotor ou um motor de passo de malha aberta.

Servos e motores de passo

Os princípios de operação dos servomotores e motores de passo de malha aberta são semelhantes. No entanto, existem diferenças importantes entre os dois que os engenheiros precisam entender antes de decidir qual motor é ideal para uma determinada aplicação.

Em sistemas servo tradicionais, um controlador envia comandos para o acionamento do motor por meio de pulso e direção ou um comando analógico relacionado à posição, velocidade ou torque. Alguns controles podem usar um método baseado em barramento, que nos controles mais recentes é tipicamente um método de comunicação baseado em Ethernet. O acionamento então envia a corrente apropriada para cada fase do motor. O feedback do motor retorna para o acionamento do motor e, se necessário, para o controlador. O acionamento depende dessas informações para comutar o motor adequadamente e enviar informações precisas sobre a posição dinâmica do eixo do motor. Portanto, os servomotores são considerados motores de malha fechada e contêm encoders integrados, e dados posicionais são frequentemente enviados ao controlador. Esse feedback dá ao controlador mais controle sobre o motor. O controlador pode fazer ajustes nas operações, em graus variados, se algo não estiver funcionando como deveria. Esse tipo de informação crucial é um benefício que os motores de passo de malha aberta não podem oferecer.

Motores de passo também operam com comandos enviados ao acionamento do motor para determinar a distância percorrida e a velocidade. Normalmente, esse sinal é um comando de passo e direção. No entanto, motores de passo de malha aberta não podem fornecer feedback aos operadores, de modo que seus controles não conseguem avaliar adequadamente a situação e fazer ajustes para melhorar a operação do motor.

Por exemplo, se o torque de um motor não for suficiente para suportar a carga, ele pode parar ou perder certos passos. Quando isso acontece, a posição desejada não será atingida. Considerando as características de malha aberta do motor de passo, esse posicionamento impreciso não será retransmitido adequadamente ao controlador para que ele possa fazer os ajustes.

O servomotor parece ter vantagens claras em termos de eficiência e desempenho, então por que alguém escolheria um motor de passo? Há algumas razões. A mais comum é o preço; orçamentos operacionais são considerações importantes na tomada de qualquer decisão de projeto. À medida que os orçamentos se apertam, decisões precisam ser tomadas para cortar custos desnecessários. Isso não se refere apenas ao custo do motor em si, mas a manutenção de rotina e de emergência tende a ser mais barata para motores de passo em comparação com servomotores. Portanto, se os benefícios de um servomotor não justificarem seus custos, um motor de passo padrão pode ser suficiente.

Do ponto de vista puramente operacional, os motores de passo são notavelmente mais fáceis de usar do que os servomotores convencionais. Operar um motor de passo é muito mais simples de entender e configurar. A maioria dos profissionais concordaria que, se não há motivo para complicar demais as operações, é melhor manter as coisas simples.

As vantagens oferecidas pelos dois tipos de motores são muito distintas. Servomotores são ideais se você precisa de um motor com velocidades acima de 3.000 rpm e alto torque. No entanto, para uma aplicação que requer apenas velocidades de algumas centenas de rpm ou menos, um servomotor nem sempre é a melhor escolha. Servomotores podem ser um exagero para aplicações de baixa velocidade.

Aplicações de baixa velocidade são onde os motores de passo se destacam como a melhor solução possível. Os motores de passo não só são repetíveis quando se trata de parar, como também são projetados para operar em baixa velocidade, fornecendo alto torque. Devido à própria natureza desse projeto, os motores de passo podem ser controlados e operados até seus limites de velocidade. O limite de velocidade dos motores de passo típicos é geralmente inferior a 1.000 rpm, enquanto os servomotores podem ter velocidades nominais de até 3.000 rpm e superiores — às vezes até acima de 7.000 rpm.

Se um motor de passo for dimensionado corretamente, pode ser a escolha perfeita. No entanto, quando um motor de passo está operando em uma configuração de malha aberta e algo dá errado, os operadores podem não obter todos os dados necessários para corrigir o problema.

Resolvendo o problema de malha aberta

Nas últimas décadas, diversas abordagens foram propostas para solucionar os problemas tradicionais dos motores de passo de malha aberta. Um método era o de retornar o motor a um sensor na inicialização, ou mesmo várias vezes durante uma aplicação. Embora simples, isso torna as operações mais lentas e não detecta problemas que surgem durante os processos operacionais normais.

Adicionar feedback para detectar se o motor está travando ou fora de posição é outra abordagem. Engenheiros de empresas de controle de movimento criaram recursos de "detecção de travamento" e "manutenção de posição". Houve até algumas abordagens que vão além, tratando motores de passo como servos, ou pelo menos os imitando com algoritmos sofisticados.

No amplo espectro de motores — entre servos e motores de passo de malha aberta — encontra-se uma tecnologia relativamente nova conhecida como motor de passo de malha fechada. É a melhor e mais econômica maneira de resolver o problema de aplicações que exigem precisão posicional e baixas velocidades. Ao aplicar dispositivos de feedback de alta resolução para fechar a malha, os engenheiros podem desfrutar do "melhor dos dois mundos".

Motores de passo de malha fechada oferecem todas as vantagens dos motores de passo: facilidade de uso, simplicidade e a capacidade de operar consistentemente em baixas velocidades com paradas precisas. Além disso, eles ainda oferecem os recursos de feedback dos servomotores. Felizmente, eles não precisam vir com a maior desvantagem de um servo: o preço mais alto.

A chave sempre esteve na forma como os motores de passo de malha aberta funcionam. Eles normalmente têm duas bobinas, às vezes cinco, com um equilíbrio magnético entre elas. O movimento perturba esse equilíbrio, fazendo com que o eixo do motor fique eletricamente para trás, mas o operador não consegue saber o quanto ele está para trás. O ponto de parada é repetível para motores de passo de malha aberta, mas não para todas as cargas. Instalar um encoder no motor de passo e torná-lo uma malha fechada proporciona algum controle dinâmico. Isso permite que os operadores parem em um ponto exato sob cargas variáveis.

Esses benefícios do uso de motores de passo de malha fechada para determinadas aplicações aumentaram significativamente a popularidade desses motores na comunidade de controle de movimento. Especificamente, em dois dos setores mais importantes, fabricantes de semicondutores e dispositivos médicos, há um claro aumento no uso de motores de passo de malha fechada. Engenheiros nesses setores precisam saber exatamente onde os motores posicionaram cargas ou atuadores, seja para alimentar uma correia ou um fuso de esferas. O feedback de malha fechada nesses motores de passo permite que eles saibam exatamente onde estão. Esses motores de passo também podem fornecer melhor desempenho do que servos em velocidades mais baixas.

Geralmente, qualquer aplicação que precise de desempenho garantido a um custo menor do que um servomotor e a capacidade de operar em velocidades relativamente baixas é uma boa candidata para motores de passo de malha fechada.

Lembre-se de que os operadores precisam garantir que o acionamento ou os controles sejam compatíveis com motores de passo de malha fechada. Antigamente, era possível obter um motor de passo com um encoder na parte traseira, mas o acionamento era um acionamento de passo padrão e não suportava encoders. O encoder precisava ser levado de volta ao controlador e a verificação de posição precisava ser implementada ao final de um determinado movimento. Isso não é necessário com os novos acionamentos de passo de malha fechada. Os acionamentos de passo de malha fechada podem controlar de forma dinâmica e automática a posição e o controle de velocidade sem o envolvimento de controladores.