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

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 como 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: Que tipo de motor seria melhor? A aplicação requer um servo motor de alto desempenho? Um stepper de baixo custo seria melhor? Ou talvez haja uma terceira opção intermediária a considerar?

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 fazer? Quanto torque é necessário? Qual é a velocidade máxima necessária?

Estas questões críticas não podem ser abordadas 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 de velocidade, torque e uma constante.

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

Os engenheiros devem saber a rapidez com que uma carga de determinado tamanho precisa se mover antes de escolher com segurança um motor que funcione melhor. O trabalho que está sendo executado também deve estar dentro da curva torque/velocidade do motor. Esta curva mostra como o torque de um motor varia durante a operação. Usando suposições do “pior caso” (em outras palavras, determinando a quantidade máxima/mínima de torque e velocidade que o trabalho exigirá), os engenheiros podem ter certeza de que um motor escolhido terá uma curva de torque/velocidade suficiente.

A inércia da carga é outro fator que deve ser abordado antes de mergulhar no processo de tomada de decisão de escolha de um motor. Deve-se 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 esta regra varia não só de tecnologia para tecnologia, mas de fornecedor para fornecedor e até de produto para produto. A importância de uma aplicação também afetará esta decisão. Alguns produtos suportam proporções de até 30 para 1, enquanto os drives diretos funcionam em até 200 para 1. Muitas pessoas não gostam de dimensionar um motor que exceda a proporção de 10 para 1.

Finalmente, existem limitações físicas que restringem um determinado motor em detrimento de outro. Os motores vêm em diferentes formas 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 que uma decisão informada possa ser tomada sobre o melhor tipo de motor, estas especificações físicas devem ser reconhecidas e compreendidas.

Depois que os engenheiros responderem a todas essas questões – velocidade, torque, potência, inércia da carga e limitações físicas – eles poderão se concentrar no motor de tamanho mais eficiente. Contudo, o processo de tomada de decisão não para por aí. Os engenheiros também devem descobrir que tipo de motor melhor se adapta à aplicação. Durante anos, a escolha do tipo se resumiu a uma das duas opções para a maioria das aplicações: um servo motor ou um motor de passo de malha aberta.

Servos e Steppers

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

Em sistemas servo tradicionais, um controlador envia comandos ao 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 normalmente 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 do motor e, se necessário, ao controlador. O inversor depende dessas informações para comutar adequadamente o motor e enviar boas informações sobre a posição dinâmica do eixo do motor. Portanto, os servomotores são considerados motores de malha fechada e contêm codificadores integrados, e os dados de posição são frequentemente alimentados 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. Este tipo de informação crucial é um benefício que os motores de passo de malha aberta não podem oferecer.

Os motores de passo também operam com base em comandos enviados ao acionamento do motor para determinar a distância percorrida e a velocidade. Normalmente, este sinal é um comando de passo e direção. No entanto, os steppers de malha aberta não podem fornecer feedback aos operadores, pelo que os seus controlos 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 travar ou perder certas etapas. Quando isso acontecer, a posição alvo não será atingida. Tendo em mente as características de malha aberta do motor de passo, esse posicionamento impreciso não será retransmitido adequadamente ao controlador para que ele possa fazer ajustes.

O servo motor 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; orçamentos operacionais são considerações importantes na tomada de qualquer decisão de projeto. À medida que os orçamentos ficam mais apertados, devem ser tomadas decisões 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 menos dispendiosa para motores de passo do que para servos. Portanto, se os benefícios de um servo motor 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 maior parte do pessoal concordaria que, se não houver razão para complicar demais as operações, mantenha as coisas simples.

As vantagens oferecidas pelos dois tipos de motores diferentes são muito diferentes. Os servomotores são ideais se você precisa de um motor com velocidades acima de 3.000 rpm e alto torque. Entretanto, para uma aplicação que requer apenas velocidades de algumas centenas de rpm ou menos, um servo motor nem sempre é a melhor escolha. Os servomotores podem ser um exagero para aplicações de baixa velocidade.

Aplicações de baixa velocidade são onde os motores de passo brilham como a melhor solução possível. Os motores de passo não são apenas repetíveis quando se trata de parada, mas também são projetados para funcionar em baixa velocidade e, ao mesmo tempo, fornecer alto torque. Pela própria natureza deste projeto, os motores de passo podem ser controlados e funcionar 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 superiores a 7.000 rpm.

Se um stepper 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 resolver o problema.

Resolvendo o problema do circuito aberto

Nas últimas décadas, diversas abordagens diferentes foram oferecidas para resolver os problemas tradicionais com steppers de malha aberta. Direcionar o motor para um sensor na inicialização, ou mesmo várias vezes durante uma aplicação, era um método. Embora simples, isso retarda as operações e não captura problemas que surgem durante os processos operacionais normais.

Adicionar feedback para detectar se o motor está parado ou fora de posição é outra abordagem. Engenheiros de empresas de controle de movimento criaram recursos de “detecção de estol” e “manutenção de posição”. Houve até algumas abordagens que foram ainda mais longe e que tratam os motores de passo como servos, ou pelo menos os imitam com algoritmos sofisticados.

No grande espectro de motores – entre servos e motores de passo de malha aberta – existe uma tecnologia um tanto 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 o ciclo, os engenheiros podem aproveitar o “melhor dos dois mundos”.

Os motores de passo de malha fechada oferecem todas as vantagens dos motores de passo: facilidade de uso, simplicidade e capacidade de funcionar consistentemente em baixas velocidades com parada precisa. Além disso, eles ainda oferecem os recursos de feedback que os servomotores oferecem. Felizmente, ele não precisa ter a maior desvantagem de um servo: o preço maior.

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 acontecendo entre elas. O movimento perturba esse equilíbrio, fazendo com que o eixo do motor fique para trás eletricamente, mas o operador não pode saber até que ponto ele fica para trás. O ponto de parada é repetível para steppers de malha aberta, mas não para todas as cargas. Colocar um codificador no stepper e torná-lo um circuito fechado fornece algum controle dinâmico. Isso permite que os operadores parem em um local exato sob cargas variadas.

Esses benefícios do uso de motores de passo de malha fechada para determinadas aplicações aumentaram drasticamente a popularidade desses motores na comunidade de controle de movimento. Especificamente, em duas das indústrias mais proeminentes, fabricantes de semicondutores e dispositivos médicos, há um claro aumento no uso de motores de passo de circuito fechado. Os engenheiros dessas indústrias devem saber exatamente onde os motores posicionaram as cargas ou os atuadores, independentemente de acionarem uma correia ou um fuso de esferas. O feedback de circuito fechado nesses steppers permite que eles saibam exatamente onde estão. Esses steppers 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 servo motor e a capacidade de operar em velocidades relativamente baixas é um bom candidato para motores de passo de malha fechada.

Lembre-se de que os operadores precisam garantir que o inversor ou os controles suportem motores de passo de malha fechada. Historicamente, você poderia obter um stepper com um codificador na parte traseira, mas a unidade era uma unidade de passo padrão e não suportava codificadores. O codificador precisava ser levado de volta ao controlador e a verificação da posição precisaria ser implementada ao final de um determinado movimento. Isso não é necessário com novos drives de passo de malha fechada. Os drives de passo de malha fechada podem lidar de forma dinâmica e automática com o controle de posição e velocidade sem envolver controladores.