Os motores de passo podem ser usados para movimento, posicionamento, locomoção e muitas outras situações em que o controle preciso de um eixo, alavanca ou qualquer parte móvel é necessário. O objetivo deste projeto é fornecer ao leitor um controle básico para um motor de passo de quatro fases e ideias para alguns circuitos adicionais e aplicações em projetos mecatrônicos.
O leitor pode usar o controle do motor de passo para criar robôs, veículos e outros dispositivos automatizados. Também pode ser usado para realizar experimentos em física, como assuntos com temas de crossover, ou simplesmente para ensinar ao leitor como funcionam os motores de passo.
Objetivos
• Explicar como usar o motor de passo em robôs e automatismos.
• Fornecer ao leitor os elementos para construir um controle de motor de passo simples.
• Ensine como funciona um motor de passo.
• Realize experimentos em física usando um motor passo a passo.
• Desenvolver ideias para aplicações práticas de motores de passo em eletrodomésticos ou projetos mecatrônicos.
Como funciona um motor de passo
O princípio de operação de um motor de passo não é muito diferente daquele de um motor CC, como os usados em muitos outros projetos descritos neste livro. Os motores de passo são formados por bobinas e redes magnéticas e possuem um eixo móvel que gira quando a energia é aplicada ao sistema. A diferença está na maneira como o eixo é movido. Em um motor de passo, o movimento do eixo ocorre aplicando energia a diferentes bobinas em uma sequência predeterminada (escalonada).
As principais aplicações para motores de passo não são aquelas que requerem fiação, mas aquelas com requisitos de controle fino, onde o número de passos por segundo é importante. Outra característica importante dos motores de passo é que eles podem manter sua posição e resistir ao giro.
Os motores de passo são encontrados em muitos tamanhos e formas de acordo com a aplicação e a potência a ser fornecida. As Figuras 1 e.2 mostram motores de passo quatro fases comuns.
Os motores de passo podem ser encontrados em três tipos básicos: ímã permanente, relutância variável e híbrido. A forma como os enrolamentos são organizados dentro do motor determina como ele funciona. O tipo mais comum é o motor de passo de quatro fases, que possui as quatro bobinas organizadas conforme mostrado na Figura.3.
Como esse tipo de motor possui pares de enrolamentos com uma conexão comum, ele pode ser facilmente identificado pelos seis fios. Em operação normal, os fios comuns são conectados ao trilho positivo da fonte de alimentação. Os outros fios são conectados ao terra por curtos períodos de tempo em uma sequência que depende do movimento que você deseja produzir.
Cada vez que um enrolamento é energizado, o motor avança uma fração de revolução. Para fazer o eixo girar para frente ou para trás em revoluções completas, você deve aplicar pulsos aos enrolamentos em uma sequência predeterminada. A Figura.4 mostra a sequência normal de comandos para fazer um motor de passo girar.
Outra forma de controlar o movimento de um motor passo a passo é por meio de pulsos liga / desliga em uma sequência como a mostrada na Figura 5.
Um motor de passo comum pode ser alimentado por fontes de 5 volts, 6 volts ou 12 volts. O dreno de corrente depende do tipo ou da potência a ser entregue ao eixo (torque).
Os motores que podem ser encontrados em muitos eletrodomésticos e comprados em lojas de componentes normalmente são classificados para correntes na faixa de 100 mA a 2 A. Para nosso projeto, recomendamos o uso de motores de até 500 mA na versão básica e até 2 amperes conforme você muda alguns componentes.
A taxa de pulso de um motor de passo é limitada. Os tipos comuns têm a velocidade limitada a 200 pulsos por segundo, ou aproximadamente duas ou três voltas por segundo. Isso significa que os motores de passo são de baixa velocidade e unidades de baixo torque, melhores para tarefas em que a precisão é mais importante do que a potência.
O projeto
Os parágrafos a seguir descrevem um circuito simples que pode ser usado para controlar um motor de passo e dão algumas sugestões de projetos que o gênio do mal pode criar usando um ou dois desses motores.
Um motor de passo deve ser controlado por pulsos aplicados em sequência aos enrolamentos. Portanto, é necessário criar um circuito que gere os pulsos para comandos externos como interruptores, joysticks, sensores ou mesmo a porta paralela de um computador.
Portanto, o que vamos descrever aqui é um projeto formado por dois blocos: (1) um bloco de potência que pode acionar motores de passo de até 500 mA e (2) blocos de controle que geram sequências para o movimento do motor de passo. A Figura 6 mostra o diagrama de blocos do projeto. Observe que daremos três opções para blocos de controle, que podem ser usados de acordo com a aplicação:
• Operação manual - usando interruptores ou um joystick: Os pulsos podem ser gerados por interruptores ou um joystick, permitindo ao operador colocar o eixo de um motor de passo exatamente na posição que deseja. Um braço robótico controlado remotamente ou outra automação é um projeto que pode ser projetado usando este arranjo.
• Operação sequencial - usando um gerador de pulsos: neste caso, um circuito produz pulsos que fazem o eixo girar. O circuito pode ser usado em dispositivos automatizados em que os pulsos vêm de sensores.
• Operação automática - usando um oscilador: Um oscilador de funcionamento livre é usado para girar o motor. A frequência do oscilador determina a velocidade do eixo e a sequência da direção. Nesta aplicação, o motor pode ser usado para produzir movimento. Robôs e dispositivos automatizados podem ser projetados.
Como funciona
O bloco de potência é formado por quatro transistores BD135 de potência média negativo-positivo-negativo (NPN) acoplados diretamente aos enrolamentos do motor de passo. Cada transistor atua como uma chave, ligando quando uma tensão positiva é aplicada à sua base.
Os transistores têm alto ganho, precisando de apenas 0,5 mA para acionar o enrolamento do motor que possui correntes de até 500 mA. Isso significa que a saída de um sensor, um circuito lógico e até mesmo uma interface de computador simples pode ser usada para acionar esse estágio. Como as cargas controladas pelos transistores são independentes, motores classificados para tensões entre 5 e 12 volts podem ser usados. Claro, os transistores devem ser montados em dissipadores de calor.
O bloco comutado para operação manual é formado por chaves liga / desliga, sensores ou um joystick em um arranjo que pode ser usado para produzir as sequências necessárias para a aplicação. Como o bloco de potência é sensível, ele não precisa de um estágio de amplificação.
O segundo bloco de controle é um sequenciador que produz a sequência necessária para girar o eixo do motor para frente ou para trás de acordo com os pulsos produzidos pelos sensores ou interruptores. É uma configuração ideal para mostrar como funciona um motor de passo. Você também pode usá-lo em vários tipos de dispositivos automáticos.
O terceiro bloco inclui um oscilador de áudio usado para gerar etapas em sequência e fazer o motor girar para frente e para trás. O oscilador tem a frequência ajustada externamente por um potenciômetro, mas outros métodos de controle podem ser usados. Uma ideia interessante é usar sensores resistivos. A velocidade na qual o motor gira pode ser alterada pela quantidade de luz que incide sobre um resistor dependente de luz (LDR) ou pelas mudanças de temperatura registradas em um sensor como um resistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC).
Como construir
A Figura 7 mostra a configuração básica do estágio de potência usando quatro transistores NPN.
O circuito pode ser montado em uma pequena placa de circuito impresso (PCB) e o transistor deve ser conectado a dissipadores de calor. A Figura 8 sugere um padrão para um circuito impresso onde este circuito pode ser montado.
Os transistores equivalentes para o BD135 que podem ser usados como substitutos são os seguintes:
• BD137, BD139: Até 500 mA e nenhuma modificação é necessária no projeto.
• TIP31, A, B ou C: Até 2 amperes e o transistor deve ser invertido, pois a localização dos terminais é diferente dos BDs. A Figura 9 mostra esse posicionamento.
• TIP110, TIPHIL, TTP112: Transistor Darlington controlando até 1 ampere. O resistor de base pode ser aumentado em até 10 kΩ; esta versão é mais sensível. A localização do terminal é a mesma do TIP31.
A fonte de alimentação pode fornecer a tensão necessária para acionar o motor de passo. Podem ser usadas baterias e fontes de alimentação da linha de alimentação CA.
Lista de Peças - Circuito de Energia
Q1, Q2, Q3, Q4 BD135 ou TIP31 Transistor NPN de potência média (ver texto)
R1, R2, R3, R4 Resistores de 1k x 1/8 watts (marrom, preto, vermelho)
C1 100 µF X 12 volts capacitor eletrolítico M motor de passo de quatro fases
PCB, dissipadores de calor para o transistor, fio, solda, fonte de alimentação de acordo com o motor, etc.
A Figura 9 mostra o circuito para o controle usando interruptores, sensores liga / desliga ou um joystick.
Este circuito gera pulsos em sequência cada vez que o sensor é fechado. Pulsos de duração determinada pelo ajuste de P1 são produzidos, fazendo com que o motor avance um passo a cada vez que o circuito for acionado.
Como as necessidades de corrente do circuito são muito baixas, os interruptores reed podem ser usados como sensores. Ajuste P1 para ter o tempo necessário para acionar o motor.
Lista de peças - controle de motor de passo
S1 liga / desliga (SPST)Interruptor ou sensor
IC-1 555 Temporizador de circuito integrado (IC)
IC-2 74LS194 IC transistor-transistor lógica (TTL)
IC-3 7805 regulador de tensão IC
R1 22 kΩ x resistor de 1/8 watt (vermelho, vermelho, laranja)
R2, R3 resistor de 10 kΩ x 1/8 watts (marrom, preto, laranja)
P1 100 kΩ Potenciômetro trimmer
C1, C2 0,1 µF cerâmica ou capacitor de poliéster
C3 100 µF X 12 volts Capacitor eletrolítico
Fios, solda, circuito de energia para acionar o motor, etc.
O terceiro circuito de controle é mostrado na Figura 10. Este circuito gera uma sequência de pulsos que faz o motor de passo girar. A sequência pode ser invertida para fazer o motor girar para trás e a velocidade pode ser alterada alterando a frequência do oscilador.
O capacitor determina a faixa de velocidade do motor. Em demonstrações ou aplicativos de baixa velocidade, você pode usar valores mais altos para C1. Valores entre 10 µF e 220 µF são recomendados, mas se você quiser velocidades mais altas, pode usar capacitâncias mais baixas para Cl. Valores entre 0,047 µF e 0,47 µF são recomendados.
As chaves entre o circuito lógico e o oscilador permitem que o circuito seja travado por um controle externo. Essa opção é importante ao usar o circuito em demonstrações. É gerada a sequência inversa usada para fazer o motor girar para trás, invertendo a sequência do contador.
O bloco lógico pode ser alimentado por fontes de alimentação de 5 a 15 volts da mesma fonte que opera o motor ou de outra fonte. Se fontes diferentes forem usadas, elas devem ter um ponto de aterramento comum.
Lista de Peças — Sequenciador
IC-1 555 IC temporizador
IC-2 74LS194 IC TTL
IC-3 7805 regulador de tensão IC
R1, R2 10 k1 X resistor de 1/8 watts (marrom, preto, laranja)
P1 1 MΩ Potenciômetro
C1 10 a 220 µF x 12 volts capacitor eletrolítico
C2 0,1 µF Capacitor de cerâmica ou poliéster
C3 100 µF X 12 volts Capacitor eletrolítico
Módulo de alimentação, PCB ou placa sem solda, fios, fonte de alimentação, etc.
Testando e usando
A Figura 11 mostra como conectar o bloco sequenciador ao bloco de potência para ter um controle do motor de passo e fazer os principais testes operacionais.
Tome cuidado ao conectar o motor de passo, observando a posição dos fios de acordo com suas cores. Se estiverem invertidos, o motor não girará. Ligue o circuito e feche S1 para gerar a sequência de pulsos. Ao ajustar P1, o motor irá girar de acordo com a direção programada por S2.
Se seu motor não gira, mas simplesmente muda a posição do eixo aleatoriamente, é porque (1) os fios não estão corretamente conectados ao circuito ou (2) seu motor tem uma sequência diferente de operação. Se quiser usar o motor com outras configurações (interruptores, sensores, joystick, etc.), você deve testar esse circuito agora.
A próxima etapa é encontrar um aplicativo para seu controle. A Figura 12 mostra como você pode usar o circuito para controlar o movimento de uma cabeça mecatrônica usando o sequenciador e o circuito de força. Você pode adicionar efeitos à cabeça, como um circuito de som para fazê-la falar e mover sua boca, usando liga com memória de forma (SMA) ou solenoides.
Explorando o Projeto
Muitos projetos mecatrônicos podem ser baseados em um motor passo a passo. O movimento preciso do eixo do motor de passo pode ser usado em peças críticas de posição de projetos mecatrônicos, como braços, robôs e dispositivos automatizados. Ideias adicionais são fornecidas nos seguintes parágrafos:
• Braço robótico com motores de passo: A Figura 13 mostra um braço mecatrônico usando dois motores de passo, um para movimento no eixo X e outro para movimento no eixo Y. Dependendo da potência necessária para mover o braço, o motor de passo deve ser acoplado a uma caixa de engrenagens.
• Plotter: Outra ideia para um projeto usando motores passo a passo é um plotter, mostrado em uma configuração simplificada na Figura 14. Dois motores controlam o movimento de uma caneta nos eixos X e Y. O motor de passo pode ser controlado por um computador e um programa pode ser preparado para transferir figuras para o plotter. É um grande projeto que exige habilidade do designer, pois a precisão é muito importante para se obter bons resultados.
• Controlando uma câmera: Um ou dois motores de passo podem ser usados para controlar o movimento de uma câmera de vídeo, conforme mostrado na Figura 15. Se um motor de passo for usado, a câmera pode varrer um lugar em um movimento horizontal. Se dois motores forem usados, você pode mover a câmera para cima e para baixo e para a esquerda e direita.
• Controle de um feixe de laser: Um apontador laser ou um módulo de laser pode ser controlado por um ou dois motores de passo gerando figuras em uma tela, conforme descrito no Projeto 10.
Temas cruzados
Os motores de passo são ferramentas precisas para experimentos em física. Um professor pode criar muitos dispositivos para mostrar em sala de aula, realizando experimentos em aulas que fornecem um assunto cruzado, como ótica, mecânica e outras ciências. Algumas ideias cruzadas são fornecidas aqui:
• Roda de cores de Newton: O mesmo experimento descrito na seção do motor controlado por toque (Projeto 12) pode ser realizado usando um motor de passo. Para usar um motor de passo neste experimento, o leitor deve ajustar apenas a velocidade para ter a melhor sorte na mistura de cores que resultam em branco.
• Ondas estacionárias: O aparelho mostrado na Figura 16 pode ser usado para produzir ondas estacionárias em um fio. Ajuste P1 para ter a velocidade que gera o número desejado de ondas completas no fio.
• Engrenagens e movimento: O controle preciso da velocidade e da posição do eixo de um motor de passo pode ser usado para realizar experimentos com engrenagens e movimento nas aulas de física.
Circuitos e ideias adicionais
Muitas configurações podem ser usadas para controlar motores de passo. Alguns deles são sugeridos nas seções a seguir.
Usando um Transistor Darlington
Transistores Darlington como o TIP110 / TIP111 / TIP112 podem ser usados no estágio de potência, conforme mostrado pelo circuito na Figura 17. Esses transistores podem controlar correntes de até 1,25 amperes, e outros na mesma série de transistores TIP podem controlar correntes mais altas (até 5 amperes). Eles devem ser instalados em dissipadores de calor e alimentados por uma grande fonte de alimentação.
A grande vantagem ao usar transistores Darlington é a necessidade de correntes de entrada mais baixas para controlar o motor.
Lista de peças – Circuito Darlington
Q1 a Q4 TIP110 / 111/112 de silício NPN Transistores de potência Darlington de
R1 a R4 10 kΩ X resistor de 1/8 watts (marrom, preto, laranja)
Dissipadores de calor para os transistores, fios, PCB ou placa sem solda, solda, etc.
Circuito Sequenciador
A Figura 18 mostra outro circuito sequenciador que pode ser usado em projetos com motores de passo. Este circuito é um contador simples de 1 a 4 usando o 4017. O estágio de saída pode usar o ULN2001A ou MC1411 e os geradores de pulso e sequência. São os mesmos descritos em nosso projeto básico.
Ele pode controlar um motor de passo com correntes de até 500 mA e tensões de até 12 volts. Grandes tensões podem ser controladas se o sequenciador for alimentado por uma fonte de alimentação separada com tensões de até 12 volts.
Lista de peças - outro circuito sequenciador
IC-1 555 IC
IC-2 4017 CMOS IC Contador
IC-3 ULN2001A ou MC1411Driver de alimentação
X1 Motor de passo de 6 ou 12 volts
P1 1 MΩ Potenciômetro (linear ou logarítmico)
R1, R2 10 kΩ X resistor de 1/8 watts (marrom, preto, laranja)
C1 47 µF x 12 volts Capacitor eletrolítico
C2 470 µF x 16 volts Capacitor eletrolítico
Fonte de alimentação, placa sem solda ou PCB, fios, etc.
A Tecnologia Hoje
Você encontrará motores de passo em muitos eletrodomésticos. Os computadores, por exemplo, usam motores de passo em muitos de seus periféricos. A velocidade constante de uma unidade de disco ou disco rígido é mantida por motores de passo. Os leitores de CD e DVD também usam motores de passo para girar os discos porque a velocidade deve ser controlada com alta precisão.
O movimento do cabeçote da impressora também é controlado por um motor de passo. O motor de passo, controlado por software, pode colocar o cabeçote exatamente onde deve produzir um ponto.
Ideias para explorar
• Projete dispositivos automatizados usando um motor de passo.
• Encontre informações na Internet sobre motores de passo bifásicos.
• Projete um braço mecatrônico que possa ser preciso o suficiente para manusear pequenos objetos usando motores de passo.
Nota: As citações a projetos no texto referem-se ao livro. Muitos deles se encontram como artigos no site. Digite os nomes na busca.
