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

Os sistemas de motores de passo evoluíram muito desde os primórdios dos acionamentos de tensão e do passo a passo completo. Primeiro vieram os acionamentos PWM e os micropassos, e depois os processadores de sinais digitais (DSPs) e os algoritmos antirressonância. Agora, a nova tecnologia de motores de passo em malha fechada está garantindo que os motores de passo continuem sendo um pilar fundamental da indústria de controle de movimento nos próximos anos.

Seja o movimento linear ou rotativo, dois fatores importantes que determinam quais motores e sistemas de acionamento são mais adequados são o torque e a eficiência. Isso se aplica tanto a aplicações finais como sistemas de montagem automatizados, máquinas de manuseio de materiais, impressoras 3D, posicionadores cartesianos, bombas peristálticas ou inúmeras outras aplicações em que os motores de passo são a tecnologia preferida.

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

Sistemas de passo de malha aberta vs. malha fechada
Primeiro, vamos explorar como os sistemas de passo de circuito fechado de alto desempenho se comparam aos sistemas de passo de circuito aberto tradicionais em termos de torque e eficiência.

Os sistemas de passo a passo em malha fechada apresentam desempenho superior em relação às configurações em malha aberta, conforme demonstrado em resultados de 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 torque-velocidade mostram as faixas de torque de pico e contínuo de um sistema de passo a passo em malha fechada, juntamente com a faixa de torque utilizável de um sistema de passo a passo em malha aberta. Muitas vezes, o torque no mundo real se traduz em aceleração — portanto, motores com maior torque podem acelerar uma determinada carga mais rapidamente.

Para testar essa diferença no desempenho do 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 a executar perfis de movimento idênticos, exceto que a taxa de aceleração e a velocidade máxima são aumentadas lentamente em cada sistema até que cometam erros de posicionamento.

Digamos que o sistema de malha aberta obtém uma taxa de aceleração máxima de 1.000 rev/seg.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 torque-velocidade. O sistema de malha fechada (devido à sua maior capacidade de geração de torque) atinge uma aceleração máxima de 2.000 rpm.²e uma velocidade máxima de 20 rev/s (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 alto rendimento (como indexação, posicionamento de guia de borda e sistemas de coleta e colocação), o sistema de circuito fechado oferece uma clara vantagem de desempenho.

Eficiência em malha aberta vs. malha fechada

Para medir a eficiência relativa de um sistema em malha aberta versus um sistema em malha fechada, suponha que repetimos o mesmo teste com os mesmos dois motores de mesma capacidade. Desta vez, temos os motores em malha fechada e em malha aberta operando lado a lado com as mesmas cargas inerciais, mas executando 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 indexam o mesmo perfil de movimento repetidamente, o consumo de corrente da fonte de alimentação CC que alimenta os dois sistemas é medido e o consumo de energia é calculado. Como pode ser visto nos gráficos de valores, o consumo médio de energia do sistema de passo em malha aberta é de 43,8 watts, enquanto o do sistema em malha fechada é de apenas um terço — 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 queira aumentar a eficiência do seu sistema de passo em malha aberta pode agora considerar uma simples atualização para um sistema em malha fechada e esperar um consumo significativamente menor.

Como lidar com o aquecimento do motor

Uma extensão natural dos testes de consumo de energia é a investigação do aquecimento do motor. Sistemas de passo em malha aberta são simples bestas. Basta ajustar o inversor para a corrente nominal do motor e o inversor 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 a razão pela qual os sistemas de passo em malha aberta normalmente esquentam mais do que os de malha fechada. Isso também significa que os projetistas de máquinas devem tomar medidas adicionais para lidar com esse calor, muitas vezes incluindo proteções especiais ao redor dos motores de passo que funcionarão nas proximidades de operadores humanos ou instalando sistemas de resfriamento adicionais, como ventiladores.

Considere os resultados de um teste de aquecimento de motor conduzido em laboratório usando os mesmos sistemas de malha aberta e malha fechada acima. Neste teste, os dois sistemas produzem novamente a mesma quantidade de trabalho, acionando as mesmas cargas inerciais, e são mantidos em operação até atingirem o equilíbrio térmico. O sistema de malha aberta atinge uma temperatura de carcaça de 76,0 °C, enquanto o sistema de malha fechada atinge o equilíbrio térmico a uma temperatura de carcaça de apenas 36,9 °C — menos da metade daquela do sistema de malha aberta. Essa redução significativa no aquecimento do motor pode significar custos de componentes mais baixos para os fabricantes de máquinas, pois eles podem omitir subsistemas extras de proteção e resfriamento.

Motores barulhentos nunca mais

Outra reclamação comum sobre sistemas de passo em malha aberta é que eles costumam gerar bastante ruído. 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 decorre da alta frequência elétrica e das rápidas variações de fluxo nos dentes do estator, além de 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 suficiente para controlar a carga, o que resulta em um ruído muito menos audível.

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

Melhor precisão do motor para eliminar erros de posição

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

Atualizando sistemas de passo existentes

Dos componentes em um sistema de motor de passo integrado, os custos do motor, do amplificador de potência e da comunicação geralmente não aumentam ao passar de malha aberta para malha fechada. A eletrônica de controle pode exigir um pouco mais de poder de processamento central ou memória para servocontrolar o motor, mas isso normalmente não tem impacto nos preços de tabela. Grande parte da diferença de custo entre sistemas de passo de malha aberta e malha fechada reside na adição de um dispositivo de feedback de alta resolução, mas os refinamentos na fabricação tornaram esses dispositivos cada vez mais acessíveis. Portanto, agora, os sistemas de passo de malha fechada mantêm os benefícios de custo dos sistemas de passo de malha aberta em relação a outros tipos de sistemas de posicionamento — como um servo tradicional — mas com desempenho significativamente melhorado em quase todos os aspectos. Normalmente, a economia de energia e o aumento da produtividade de um sistema de malha fechada pagam rapidamente o ligeiro aumento no custo do dispositivo de feedback.

Além de um aumento mínimo de custo, a atualização de um sistema de passo de malha aberta para um sistema de malha fechada é simplificada com as opções de tamanho de estrutura NEMA. Um motor de passo NEMA 23 de malha fechada tem o mesmo tamanho de estrutura, diâmetro piloto, círculo de furos de parafuso e diâmetro de furos de parafuso 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.