Motores de passo são a melhor escolha para muitas aplicações de controle de movimento e posição. Estão disponíveis em uma ampla gama de tamanhos e classificações de torque e são significativamente mais baratos do que servomotores de última geração. Portanto, vamos falar sobre maneiras de elevar o desempenho de motores de passo ao de servomotores adicionando dispositivos de feedback. Motores de passo equipados com feedback não são um substituto completo para servomotores, mas podem fornecer uma alternativa confiável para muitas aplicações do mundo real. Essas soluções de design de movimento melhoram o desempenho da máquina sem gastar muito.

Benefícios e desvantagens do motor de passo a serem abordados

Motores de passo são motores elétricos CC sem escovas que se movem em passos discretos, em vez de movimentos rotacionais contínuos. Esses movimentos de passo são acionados por deslocamentos do campo magnético por conjuntos de bobinas eletromagnéticas no estator. A operação do motor de passo depende de umcontrolador— um dispositivo eletrônico que alimenta as bobinas do estator do motor em uma sequência que aciona movimentos de passo. As capacidades do controlador têm impacto significativo no desempenho do motor.

Existem vários tipos de motores de passo disponíveis, mas as variedades mais comuns oferecem boa resolução (200 passos por rotação 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 de saída cai em velocidades de rotação mais altas e (com controladores simples) os motores de passo podem estar sujeitos a zumbidos — vibrações de alta frequência. A maior desvantagem é que, mesmo em aplicações de posicionamento, os sistemas básicos de motores de passo operam sob controle de malha aberta.

Os motores de passo respondem às instruções do controlador para mover um determinado número de passos — mas não retornam nenhum feedback ao controlador sobre se esse movimento foi concluído. Portanto, se o motor não conseguir completar os movimentos de passo solicitados, pode surgir uma discrepância crescente entre o que o controladorassumecomo a posição rotativa do eixo do motor e averdadeiroposição do eixo (e quaisquer cargas acopladas ou mecanismos acionados). Tais incompatibilidades ocorrem quando o torque do motor é insuficiente para superar a resistência mecânica... e, de fato, essas incompatibilidades podem se tornar um problema significativo em altas rotações, pois é quando as capacidades de saída de torque do motor são limitadas. É por isso que os engenheiros de projeto frequentemente superespecificam os motores de passo — para evitar passos perdidos, mesmo que isso resulte em seleções de 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 aplicado tradicionalmente para, a corrente precisa fluir pelos enrolamentos do motor para manter o eixo do motor de passo na posição. 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. Adicionar esses dispositivos de feedback aumenta o custo geral do sistema, mas não tanto quanto a troca para um servomotor.

Uma abordagem para adicionar feedback do codificador é operar emmover e verificarModo de operação. Neste caso, um encoder incremental simples é adicionado ao eixo de cauda do motor de passo. Então, quando o controlador emite 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 executar esses passos extras.

Os codificadores usados ​​nessas configurações de movimentação e verificação geralmente têm resoluções que são múltiplas de 200 posições por revolução.

Observe que configurações que empregam modos de movimentação e verificação ainda podem se beneficiar da inclusão de motores superdimensionados, mas não superdimensionados no grau exigido por sistemas de malha aberta simples.

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

Controle de passo de malha fechada com encoders absolutos

Outra opção um pouco mais sofisticada para aplicações críticas de controle de posição é o controle em malha fechada completa, empregando encoders absolutos multivoltas. Os encoders utilizados aqui são acoplados ao eixo de cauda de um motor de passo para monitorar:

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

Nesta configuração, o motor de passo é controlado como um motor CC sem escovas (BLDC) de alta contagem de polos... e o encoder fornece continuamente feedback de posição ao controlador. A corrente de retenção fornecida ao motor é então ajustada exatamente à quantidade necessária para manter a posição dentro de uma determinada tolerância de posição. Um motor de passo controlado como um servomotor sem escovas é energeticamente eficiente e mais barato do que um servomotor BLDC verdadeiro. Então, por que não usar motores de passo de baixo custo para todas as aplicações de servomotor BLDC?

Bem, motores de passo usados ​​em servossistemas de malha fechada têm uma limitação física não encontrada em servomotores BLDC verdadeiros. Mais especificamente, motores de passo operados dessa forma funcionam essencialmente como motores sem escovas de 50 polos, portanto, não conseguem atingir as rotações por minuto possíveis com servomotores. Além disso, os rotores dos motores de passo têm inércia maior do que os dos servomotores BLDC verdadeiros de potência equivalente... portanto, não conseguem fornecer as mesmas acelerações.

Quando um motor de passo é usado no modo bldc, o codificador executa uma função vitalcomutaçãoFunção — relatar 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 avançados de micropasso no ajuste fino da corrente de fase para reduzir o zumbido (vibração) que ocorre em sistemas de motores de passo mais básicos.