Os motores de passo de circuito fechado podem ser a melhor opção para tarefas normalmente realizadas por servomotores, pois os motores de passo tradicionais não seriam capazes de executá-las.

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. Obter o motor certo, tanto em termos de tipo quanto de tamanho, é imprescindível para a eficiência operacional final da máquina. Além disso, garantir que o motor não ultrapasse o orçamento é sempre uma preocupação primordial.

Uma das primeiras perguntas a serem respondidas ao tomar essa decisão é: qual tipo de motor seria o melhor? A aplicação exige 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 uma determinada aplicação.

Os Requisitos

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

Essas questões cruciais não podem ser resolvidas simplesmente escolhendo um motor com uma determinada potência.

A potência de saída de um motor é a combinação do torque e da velocidade, podendo ser calculada multiplicando-se a velocidade pelo torque e por uma constante.

Devido à natureza desse cálculo, existem muitas combinações diferentes de torque e velocidade que resultarão em uma potência de saída específica. Portanto, motores diferentes com potências nominais semelhantes podem operar de maneira diferente devido à combinação de velocidade e torque que oferecem.

Os engenheiros precisam saber a velocidade com que uma determinada carga precisa se mover antes de escolherem com segurança o motor mais adequado. A tarefa a ser executada também deve estar dentro da curva de torque/velocidade do motor. Essa curva mostra como o torque do motor varia durante a operação. Usando suposições de "pior caso" (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 se iniciar o processo de decisão na escolha de um motor. É necessário calcular a relação de inércia, que é a comparação entre a inércia da carga e a inércia do motor. Uma regra prática 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 também de fornecedor para fornecedor e até mesmo de produto para produto. A criticidade da aplicação também influenciará essa decisão. Alguns produtos suportam relações de até 30:1, enquanto os acionamentos diretos operam com relações de até 200:1. Muitas pessoas não gostam de dimensionar um motor com uma relação superior a 10:1.

Por fim, existem limitações físicas que restringem o uso de um determinado motor em detrimento de outro? Os motores vêm em diferentes formatos e tamanhos. Em alguns casos, os motores são grandes e volumosos, e existem certas operações que não comportam 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 de responderem a todas essas perguntas — velocidade, torque, potência, inércia da carga e limitações físicas — os engenheiros podem se concentrar no tamanho de motor mais eficiente. No entanto, o processo de tomada de decisão não termina aí. Os engenheiros também precisam descobrir qual tipo de motor melhor se adapta 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 funcionamento dos motores servo e dos motores de passo de malha aberta são semelhantes. No entanto, existem diferenças fundamentais entre os dois que os engenheiros devem compreender antes de decidir qual motor é o ideal para uma determinada aplicação.

Nos sistemas servo tradicionais, um controlador envia comandos para o inversor do motor por meio de pulsos e direção, ou por um comando analógico relacionado à posição, velocidade ou torque. Alguns controladores podem usar um método baseado em barramento, que nos controladores mais modernos é tipicamente um método de comunicação baseado em Ethernet. O inversor, então, envia a corrente apropriada para cada fase do motor. O feedback do motor retorna ao inversor e, se necessário, ao controlador. O inversor depende dessas informações para comutar o motor corretamente e para enviar informações precisas sobre a posição dinâmica do eixo do motor. Assim, os servomotores são considerados motores de malha fechada e contêm encoders integrados, e os dados de posição são frequentemente enviados ao controlador. Esse feedback proporciona ao controlador maior controle sobre o motor. O controlador pode fazer ajustes nas operações, em diferentes graus, caso algo não esteja funcionando como deveria. Esse tipo de informação crucial é uma vantagem que os motores de passo de malha aberta não podem oferecer.

Os motores de passo também operam com base em comandos enviados ao controlador do motor para determinar a distância percorrida e a velocidade. Normalmente, esse sinal é um comando de passo e direção. No entanto, os motores de passo de malha aberta não podem fornecer feedback aos operadores, portanto, seus controles não conseguem avaliar adequadamente uma situação e fazer ajustes para melhorar o funcionamento do motor.

Por exemplo, se o torque de um motor não for suficiente para suportar a carga, o motor pode parar ou perder alguns 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 adequadamente comunicado ao controlador para que ele possa fazer os ajustes necessários.

O servomotor parece ter vantagens claras em termos de eficiência e desempenho, então por que alguém escolheria um motor de passo? Existem alguns motivos. O mais comum é o preço; os orçamentos operacionais são considerações importantes em qualquer decisão de projeto. À medida que os orçamentos se tornam mais restritos, é preciso tomar decisões para cortar custos desnecessários. Isso se refere não apenas ao custo do próprio motor, mas também ao fato de que a manutenção de rotina e de emergência tende a ser menos dispendiosa 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 padrão. Operar um motor de passo é muito mais simples de entender e configurar. A maioria dos profissionais concordaria que, se não houver motivo para complicar as operações, o melhor é manter a simplicidade.

As vantagens oferecidas pelos dois tipos de motores são bem diferentes. Os 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 velocidades de apenas algumas centenas de rpm ou menos, um servomotor nem sempre é a melhor escolha. Os servomotores podem ser um exagero para aplicações de baixa velocidade.

Em aplicações de baixa velocidade, os motores de passo se destacam como a melhor solução possível. Além de serem consistentes em termos de parada, os motores de passo são projetados para operar em baixa velocidade, oferecendo alto torque. Graças a esse projeto, os motores de passo podem ser controlados e operar até seus limites de velocidade. O limite de velocidade de motores de passo típicos geralmente é inferior a 1.000 rpm, enquanto os servomotores podem atingir velocidades nominais de até 3.000 rpm ou mais — 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 funcionando 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, foram propostas diversas abordagens para solucionar os problemas tradicionais dos motores de passo de malha aberta. Uma delas era o método de referenciar o motor a um sensor na inicialização, ou mesmo várias vezes durante a operação. Embora simples, esse método torna as operações mais lentas e não detecta problemas que surgem durante o funcionamento normal.

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 foram ainda mais longe, tratando os motores de passo de forma muito semelhante aos servomotores, ou pelo menos imitando-os com algoritmos sofisticados.

No vasto espectro de motores — entre servomotores 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 solucionar 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.

Os motores de passo de circuito fechado oferecem todas as vantagens dos motores de passo convencionais: facilidade de uso, simplicidade e a capacidade de operar de forma consistente em baixas velocidades com parada precisa. Além disso, ainda oferecem os recursos de feedback dos servomotores. Felizmente, isso não significa que a maior desvantagem dos servomotores seja o preço mais elevado.

A chave sempre esteve no funcionamento dos motores de passo de malha aberta. Normalmente, eles possuem duas bobinas, às vezes cinco, com um equilíbrio magnético ocorrendo entre elas. O movimento perturba esse equilíbrio, fazendo com que o eixo do motor fique eletricamente atrasado, mas o operador não consegue saber quanto ele fica atrasado. O ponto de parada é repetível para motores de passo de malha aberta, mas não para todas as cargas. Colocar um encoder no motor de passo e transformá-lo em um motor de 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 consideravelmente a popularidade desses motores na área de controle de movimento. Especificamente, em dois dos setores mais importantes, o de semicondutores e o de dispositivos médicos, observa-se um aumento significativo no uso de motores de passo de malha fechada. Os engenheiros dessas indústrias precisam saber exatamente onde os motores posicionaram cargas ou atuadores, seja acionando uma correia ou um fuso de esferas. O feedback de malha fechada nesses motores de passo permite saber exatamente a posição. Além disso, esses motores podem oferecer melhor desempenho do que os servomotores em velocidades mais baixas.

Em geral, qualquer aplicação que necessite de desempenho garantido a um custo inferior ao de um servomotor, e que tenha a capacidade de operar em velocidades relativamente baixas, é uma boa candidata para motores de passo de circuito fechado.

Lembre-se de que os operadores precisam garantir que o inversor ou os controles suportem motores de passo de malha fechada. Historicamente, era possível obter um motor de passo com um encoder integrado, mas o inversor era um inversor de passo padrão e não suportava encoders. O encoder precisava ser conectado ao controlador e a verificação de posição precisava ser implementada ao final de um determinado movimento. Isso não é necessário com os novos inversores de passo de malha fechada. Os inversores de passo de malha fechada podem lidar com o controle de posição e velocidade de forma dinâmica e automática, sem a necessidade de controladores.