desenvolvimento de uma interface eletrônica e computacional para o controle de um motor de passo
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UNIVERSIDADE CATLICA DE PETRPOLIS
CENTRO DE ENGENHARIA E COMPUTAO
CURSO DE TECNLOGO EM AUTOMAO INDUSTRIAL
DESENVOLVIMENTO DE UMA INTERFACE ELETRNICA E
COMPUTACIONAL PARA O CONTROLE DE MOTORES DE PASSO.
Willian Lima de Oliveira Filho
Petrpolis
2011
-
2
UNIVERSIDADE CATLICA DE PETRPOLIS
CENTRO DE ENGENHARIA E COMPUTAO
CURSO DE TECNLOGO EM AUTOMAO INDUSTRIAL
DESENVOLVIMENTO DE UMA INTERFACE ELETRNICA E
COMPUTACIONAL PARA O CONTROLE DE MOTOR DE PASSO.
Trabalho de concluso de curso apresentado
ao Centro de Engenharia e Computao da
Universidade Catlica de Petrpolis como requisito
parcial para a concluso do curso Tecnlogo em
Automao Industrial.
Autor do Trabalho
Willian Lima de Oliveira Filho
Guilherme de Andrade Garcia, DSc.
Professor Orientador
Petrpolis
2011
-
3
Aluno: Willian Lima de Oliveira Filho Matrcula: 08200516
Desenvolvimento de uma Interface Eletrnica e Computacional para o Controle de um
Motor de Passo .
Projeto de Trabalho de concluso de curso apresentado ao Centro de Engenharia e
Computao da Universidade Catlica de Petrpolis como requisito parcial para a concluso
do curso de Tecnlogo em Automao Industrial.
AVALIAO
GRAU FINAL: _________
AVALIADO POR:
Prof. Guilherme de Andrade Garcia, DSc.
Prof. Andr Alves Gandolpho, DSc.
Giancarlo Barbosa Micheli, DSc.
Petrpolis, 05 de Agosto de 2011.
Prof. Aldo Falconi Filho, MSc.
Coordenador do curso Tecnlogo em Automao Industrial
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4
DEDICATRIA
Dedico este trabalho s mulheres
da minha vida: minha me Maria
do Carmo, minha namorada
Lvia, minha irm Manuela e
minha av Neuza.
-
5
AGRADECIMENTOS
Meus mais sinceros agradecimentos ao meu orientador Professor DSc Guilherme
Garcia pela pacincia, compreenso e dedicao. Agradeo-o tambm, por todo conhecimento
transmitido, pela disponibilizao dos equipamentos utilizados, e principalmente pelo
incentivo constante, fatos estes, indispensveis para a realizao deste trabalho.
Agradeo ao Wellington chefe do Lamed, pela compreenso e disponibilizao da
infra-instrutora do laboratrio para a realizao dos experimentos. Agradeo-o tambm, pelo
total apoio.
Ao Felipe Baldner pela inestimvel colaborao na parte experimental,
disponibilizando o seu tempo e componentes eletrnicos!
minha famlia (me, av, avs, irm...), base fundamental do que sou.
minha namorada Lvia pelo amor, carinho e pela compreenso.
Aos amigos do Lamed, Pedro Costa, Flvio Frade, Luiz Brum pelo enorme incentivo
UCP pela oportunidade de formao e a todos os professores.
Aos amigos da 1 turma de Tecnlogos em Automao industrial da UCP
E acima de tudo, agradeo a DEUS pela minha vida e por ter alcanado mais uma
bno.
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6
NDICE
1. INTRODUO .................................................................................................................. 11
2. REVISO BIBLIOGRFICA .......................................................................................... 13
2.1. MOTORES DE PASSO ................................................................................................. 13
2.1.1. Tipos de Motores de Passo .................................................................................... 13
2.1.1.1. Motor de Relutncia Varivel ............................................................................ 13
2.1.1.2. Motor de Im Permanente ................................................................................. 15
2.1.1.3. Motor Hbrido .................................................................................................... 16
2.1.2. Tipos de Enrolamentos de Motores de Passo ...................................................... 17
2.1.2.1. Enrolamento Unipolar ....................................................................................... 17
2.1.2.2. Enrolamento Bipolar .......................................................................................... 18
2.1.2.3. Enrolamento Bifilar ........................................................................................... 19
2.1.3. Modos de Acionamentos ........................................................................................ 20
2.1.3.1. Acionamento de Passo Completo de nica Excitao de Fase ......................... 20
2.1.3.2. Acionamento de Passo Completo com Dupla Excitao de Fase...................... 20
2.1.3.3. Acionamento de Meio passo (Half step) ........................................................... 21
2.1.3.4. Micro-Passo ....................................................................................................... 21
2.1.4. Preciso do motor de passo ................................................................................... 22
3. MATERIAIS E MTODOS .............................................................................................. 23
3.1. MOTOR UTILIZADO ................................................................................................... 23
3.2. INTERFACE ELETRNICA E COMPUTACIONAL ................................................. 24
3.2.1. Mdulo de Controle Digital ................................................................................... 24
3.2.2. Circuito de Potncia ............................................................................................... 26
4. RESUTADOS ...................................................................................................................... 30
4.1. PROTTIPO DA PLACA DO CIRCUITO DE POTNCIA ....................................... 30
4.2. TESTES DE BANCADA............................................................................................... 30
4.3. INTERFACE COMPUTACIONAL .............................................................................. 33
5. CONCLUSO ..................................................................................................................... 37
6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................. 38
APNDICE A. Folha de dados do MOSFET IRLL2705........................................................ 39
-
7
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Esquema de funcionamento de um motor VR ..................................................... 14
Figura 2.2 - Circuito do estator de um motor VR.................................................................... 14
Figura 2.3 - Esquema de funcionamento de um motor de im permanente ............................ 15
Figura 2.4 - Rotor e estator de um motor de passo hbrido ..................................................... 16
Figura 2.5 - Esquema de ligao unipolar ............................................................................... 17
Figura 2.6 - Motor de passo bipolar ........................................................................................ 18
Figura 2.7 - Circuito tipo ponte H com transistores ABCD .................................................... 19
Figura 2.8 - a) Digrama das bobinas b) Seco transversal do motor ..................................... 19
Figura 3.1 - Motor utilizado no trabalho ................................................................................. 23
Figura 3.2 - Diagrama de blocos da interface eletrnica de controle do motor de passo ........ 24
Figura 3.3 - Mdulo de Aquisio de dados Agilent U2351A ................................................ 25
Figura 3.4 - Vista frontal do bloco de terminais ...................................................................... 25
Figura 3.5 - Vista lateral do bloco de terminais ...................................................................... 25
Figura 3.6 - Pinos utilizados do bloco de terminais ................................................................ 26
Figura 3.7 - Representao simblica de um MOSFET .......................................................... 26
Figura 3.8 - a) Diagrama interno do IRLL2705 b) Encapsulamento (SOT-223) ................... 27
Figura 3.9 - Circuito de acionamento unipolar de motor de passo atravs de MOSFETs ...... 28
Figura 3.10 - Circuito de proteo ........................................................................................... 29
Figura 4.1 - Placa do prottipo de driver de motor de passo .................................................. 30
Figura 4.2 - Fonte de tenso utilizada ..................................................................................... 31
Figura 4.3 - Interface grfica desenvolvida para controle do motor de passo ......................... 31
Figura 4.4 - Montagem do sistema .......................................................................................... 32
Figura 4.5 - Fluxograma do modo de operao com nmero de passos pr-determinado ...... 34
Figura 4.6 - Fluxograma do modo de operao contnuo ........................................................ 35
Figura 4.7 - Interface grfica desenvolvida para controle do motor de passo ......................... 37
Figura A.1 - Valores mximos absolutos ................................................................................ 39
Figura A.2 - Caractersticas eltricas....................................................................................... 39
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8
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Sequncia de acionamento de passo completo de nica excitao ..................... 20
Tabela 2.2 - Sequncia de acionamento de passo completo com dupla excitao de fase ...... 21
Tabela 2.3 - Sequncia de Acionamento para meio passo....................................................... 21
Tabela 3.1 - Dados do motor ................................................................................................... 23
Tabela 3.2 - Dados do IRLL2705 ............................................................................................ 27
Tabela 4.1 - Dados do MOSFET em funcionamento .............................................................. 32
Tabela 4.2 - Sequncia de acionamento das fases do motor .................................................... 27
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9
RESUMO
O presente trabalho apresenta um estudo sobre os motores de passo e suas tcnicas de
acionamento. abordado o princpio de funcionamento de cada tipo de motor de passo, os
tipos de enrolamento e os detalhes sobre os diversos modos de acionamento. Em seguida
apresentada uma proposta de interfaceamento eletrnico e computacional para o controle de
um motor do tipo hbrido. A interface baseada na utilizao de um mdulo de aquisio de
dados como controlador digital. O circuito de acionamento do motor foi desenvolvido a partir
da utilizao de MOSFETs, o que torna o circuito bastante simples e eficiente. Ao final foi
desenvolvido um programa utilizando o ambiente de desenvolvimento LabVIEW, no qual
foram implementadas as tcnicas de controle do motor de passo.
Palavras-chave: motor de passo, acionamento de motor de passo, MOSFET
-
10
ABSTRACT
This paper presents a study on stepper motors and their driving techniques. It
addressed the principle of operation of each type of stepper motor winding and present details
about the various drive modes. In sequence we present a proposal for an electronic and
computer interface to control the hybrid step motor. The interface is based on using a data
acquisition module as a digital controller. The motor drive circuit was developed using
MOSFET power transistors, which makes the circuit very simple and efficient. Finally a
program was developed using the LabVIEW development environment, in which an
algorithm was implemented to control the stepper motor forward and reverse operation.
Keywords: stepper motor, stepper motor drive, MOSFET
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11
1. INTRODUO
Atualmente, os motores de passo so largamente empregados em dispositivos onde se
exige um mnimo de preciso no controle de posio angular ou linear, dependendo do arranjo
mecnico. Nas reas de robtica e automao industrial, os motores de passo so elementos
fundamentais de robs ou braos robticos que atuam com tolerncias restritivas de
posicionamento
A grande vantagem do motor de passo sobre os demais motores a sua preciso em
termos de posicionamento, alm de seu peso e tamanho serem reduzidos, sendo assim muito
solicitado em projetos onde necessrio controlar precisamente a posio e tambm a
velocidade de um objeto como em mesas de coordenadas, braos mecnicos, e sistemas de
posicionamento em geral. Tambm podemos encontrar comumente os motores de passo sendo
usados em aparelhos de uso residencial, a exemplo de impressoras e scanners dentre vrios
outros. Outra caracterstica importante dos motores de passo a total adaptao lgica
digital, o que permite a utilizao de vrias maneiras de efetuar o seu controle. Atualmente no
mercado existem circuitos integrados especficos (drivers) para controle de motores de passo.
Na metrologia dimensional, os sistemas de medio, tais como, os sistemas para
calibrao de rguas e trenas, baseiam-se no deslocamento de um microscpio com uma
cmera acoplada, que visualiza os traos do objeto e envia as imagens para um computador
com um software de reconhecimento de deteco de traos. O deslocamento da cmera ao
longo do trajeto geralmente realizado por um motor, sendo esse deslocamento medido por
um sistema laser interferomtrico.
O Laboratrio de Metrologia Dimensional do Inmetro (Lamed) dispe da tecnologia
necessria para o controle de motores de corrente contnua. No entanto, estes tipos de motores
no podem ser empregados nos sistemas para calibrao de rguas e trenas, devido a
necessidade de deteco dos traos desses objetos para realizar calibrao. Para atender esta
condio, exige-se o controle do deslocamento do microscpio com uma boa preciso, que
no obtida com motores de corrente contnua, mas pode ser alcanada com o uso de motores
de passo.
O controle de motor de passo uma prtica bastante difundida, podendo facilmente ser
encontrados em livros e artigos que apresentam projetos completos para o desenvolvimento
do circuito de controle e da interface computacional. Contudo, a implementao no uma
tarefa to simples. Ela requer circuitos eletrnicos especficos para cada:
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12
tipo de motor de passo,
tarefa a ser realizada pelo motor e
via de comunicao com o computador (porta paralela, RS232, USB, etc.).
Sendo assim, o presente trabalho objetiva desenvolver uma interface simplificada para
o controle de um motor de passo, para futura aplicao em sistemas mecnicos de
deslocamento linear.
A metodologia baseada na utilizao de um mdulo de controle digital para acionar
diretamente as fases do motor atravs de MOSFETs.
Ser apresentada uma reviso bibliogrfica sobre motores de passo e suas principais
caractersticas funcionais, bem como o sistema desenvolvido para o acionamento e controle.
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2. REVISO BIBLIOGRFICA
Este captulo apresenta uma viso geral sobre motores de passo, o princpio de
funcionamento de cada tipo, modos de acionamento e tcnicas de comando. No objetivo
deste trabalho um aprofundamento a respeito da parte fsico-estrutural dos motores de passo.
Em seguida so descritas algumas tcnicas de controle que foram estudadas e serviram de
base para o desenvolvimento deste trabalho.
2.1. MOTORES DE PASSO
Motores de passo so atuadores incrementais eletromagnticos. Funcionam como
transdutores que convertem energia eltrica, fornecida na forma de pulsos, em energia
mecnica na forma de movimento rotacional discreto, sendo o menor incremento angular de
rotao denominado passo.
O princpio em que motores de passo so baseados muito simples. Quando uma
barra de ferro ou ao suspensa para que seja livre para girar em um campo magntico, ele ir
alinhar-se com o campo. Se a direo do campo magntico for alterada a barra vai girar at
que esteja novamente alinhada, pela ao do chamado torque de relutncia.
2.1.1. Tipos de Motores de Passo
Os motores de passo podem ser classificados basicamente em trs tipos quanto a sua
forma construtiva: de relutncia varivel, de m permanente e hbrido. A diferena entre eles
est no rotor que pode utilizar im permanente e/ou material ferromagntico e na disposio
dos enrolamentos no estator. Nos itens subsequentes realizada uma descrio mais detalhada
sobre cada tipo de motor de passo.
2.1.1.1. Motor de Relutncia Varivel
O Motores de passo de relutncia varivel, ou motor VR (do ingls Variable
Reluctance) considerado o tipo mais smples de motor de passo. A Figura 2.1 mostra um
esquema simplificado de um motor VR de passo igual a 30.
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14
Figura 2.1 Esquema de funcionamento de um motor VR
Os motores de passo deste tipo possuem o estator fabricado a partir do empilhamento
de laminas de ao com seis polos salientes, ou dentes, igualmente espaados onde se
encontram as bobinas do motor. O rotor, que pode ser slido ou laminado, possui quatro
dentes salientes, da mesma largura que os dentes do estator. Entre o rotor e o estator existe um
entreferro (espaamento de ar) geralmente de 0,02 a 0,2 mm [1]. Quando nenhuma corrente
est fluindo em qualquer uma das bobinas do estator, o rotor pode ser rotacionado
manualmente sem interferncia de foras magnticas (ao contrrio do que ocorre com motores
de m permanente, como ser detalhado adiante).
Os Pares de bobinas diametralmente opostas do estator so ligados em srie, de tal
forma que quando uma delas atua como um plo Norte, a outra atua como um plo Sul. Desta
forma exsitem trs circuitos do estator independente, ou fases (Figura 2.2), e cada um pode
ser alimentado com corrente contnua a partir do circuito de acionamento.
Figura 2.2 Circuito do estator de um motor VR
Quando a fase A energizada (como indicado pelas linhas mais escuras na Figura 2.1
(a), criado um campo magntico com seu eixo ao longo dos plos do estator da fase A.
Desta forma o rotor atrado para uma posio onde o par de plos est energizado. Neste
instante ocorre o alinhamento entre o dente do rotor e a fase A do estator.
(a) (b) (c)
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15
Se em seguinda retira-se a corrente da fase A e energisa-se a fase B, o par de polos
atrair o rotor que ir sofrer um deslocamento angular de 30 e se alinhar com a fase B do
estator, conforme ilustra a Figura 2.1, b)
Se o mesmo procedimento for realizado para as fases B e C o rotor ir se alinhar com
o polo C do estator, acarretando um deslocamento total de 60 (Figura 2.1 (c))
Se as fases forem acionadas na sequncia ABCA, o motor ir girar no sentido horrio,
logo se a sequncia de acionamento for ACBA o motor girar no sentido antihorrio.
Os motores V.R. geralmente so de dimenses reduzidas e so poucos utilizados em
aplicaes industriais.
2.1.1.2. Motor de Im Permanente
Motores de m permanente tm baixo custo e baixa resoluo, com passos tpicos de
7,5 a 15 (48 - 24 passos/revoluo). O rotor construdo com ms permanentes e no
possui dentes. Seu funcionamento baseado na interao entre o campo magntico fixo do
rotor e o campo gerado no enrolamento do estator. O esquema de funcionamento de um motor
de m permanente pode ser visualizado na Figura 2.3. Neste exemplo dois enrolamentos so
acionados simultaneamente para que haja um aumento de torque [2].
Figura 2.3 Esquema de funcionamento de um motor de im permanente
Uma caracterstica importante deste tipo de motor que ele pode manter o torque
esttico indefinidamente quando o rotor est parado. Ou seja, quando as bobinas no esto
alimentadas, uma pequena fora magntica desenvolvida entre o rotor permanentemente
imantado o estator, caracterizando a presena de um torque residual ou de reteno, ao
contrrio do motor V.R.
-
16
Os motores de im permanente so dispositivos essencialmente de baixo custo, baixo
torque e baixa velocidade, ideais para aplicaes em campos como perifricos de informtica
[3].
2.1.1.3. Motor Hbrido
Os motores de passo hbridos so, sem dvida, o tipo mais utilizado em aplicaes
industriais e laboratoriais. O termo hbrido originrio do fato de que este tipo de motor
combina os princpios dos outros dois tipos de motores de passo (relutncia varivel e im
permanente), a fim de se ter um motor de alta resoluo, tamanho reduzido e alto torque [3].
Na Figura 2.4 mostrado o rotor e o estator de um tpico motor hbrido.
O estator tem oito plos principais, cada um com cinco dentes, e cada plo principal
carrega uma bobina simples. O rotor tem duas peas de ao, cada uma com 50 dentes, e
separados por um m permanente.
Os dentes do rotor permitem facilitar o fluxo magntico nas regies de entreferro.
Com isso, estes motores apresentam boas caracterticas de torque e velocidade comparados
com outros tipos de motores de passo.
Figura 2.4 Rotor e estator de um motor de passo hbrido
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17
2.1.2. Tipos de Enrolamentos de Motores de Passo
2.1.2.1. Enrolamento Unipolar
O enrolamento de um motor de passo unipolar, de im permanente ou hbrido tem
normalmente 5 ou 6 condutores, conforme a Figura 2.5 (a). Em cada enrolamento existe um
center tap. Estes center taps so normalmente fios conectados ao terminal positivo da fonte
de alimentao, sendo que os outros terminais dos enrolamentos so conectados
alternadamente ao terra, para inverter o sentido do campo magntico criado por cada
enrolamento.
A Figura. 2.5, b. mostra a seco transversal de um motor de passo de im permanente
com um deslocamento de 30 por passo. O enrolamento 1 do motor distribudo entre as
partes superior e inferior dos plos do estator, enquanto que o enrolamento 2 distribudo
entre parte esquerda e direita dos plos do estator. O rotor de im permanente, com 6 plos,
sendo 3 plos S e 3 plos N, arranjados ao redor de sua circunferncia.
Figura 2.5 a) Esquema de ligao unipolar b) Seco transversal de um motor de ima permanente
Para melhorar a resoluo angular, o rotor deve ser construdo com um nmero maior
de plos. O motor mostrado na Figura 2.5 (b) tem um passo de 30, sendo um dos projetos de
motores de passo mais comuns. Entretanto existem motores com passos de 15 e 7,5. Os
motores de passo de im permanente com boa resoluo tm um deslocamento de 1,8 por
passo, enquanto que os hbridos so normalmente construdos para um deslocamento de 3,6 e
1,8 por passo, com a possibilidade de uma resoluo de 0,72 por passo [4].
Conforme a Figura 2.5 (a), a corrente fluindo do center tap do enrolamento 1 para o
terminal a, faz com que o plo superior do estator se torne um plo N, enquanto que o
plo inferior do estator, se torne um plo S. Com isto o rotor atrado para a posio
(a) (b)
-
18
mostrada. Se a corrente do enrolamento 1 retirada e o enrolamento 2 energizado, o rotor
se desloca 30 ou um passo.
2.1.2.2. Enrolamento Bipolar
A maior desvantagem do acionamento unipolar sua incapacidade de utilizar todas as
bobinas do motor. Somente haver fluxo de corrente em metade de cada enrolamento. Se
ambas as partes puderem ser utilizadas, deduz-se que ocorrer um aumento da corrente na
bobina para a mesma dissipao de energia no motor, acarretando uma elevao do conjugado
produzido. Ao tipo de alimentao que permite tal feito d-se o nome de bipolar. O termo
advm do fato de que a corrente que flui atravs do enrolamento pode ser revertida para
alternar a polaridade de seus terminais.
Figura 2.6 Motor de passo bipolar: a) Enrolamento b) Corte transversal
Os motores bipolares, esquematizados na Figura 2.6 (b), so constitudos por dois
enrolamentos separados que devem ser alimentados em ambas as direes para permitir o
avano de um passo. Para que isto seja possvel, o controlador para esses motores deve ser
capaz de reverter a polaridade da tenso na bobina e de forma sequencial. Este mecanismo
pode ser executado por um circuito denominado de ponte H, visualizado na Figura 2.7. Neste
circuito, a reverso da corrente atravs da bobina se da pelo fechamento e abertura das chaves
ABCD (transistores) de forma apropriada. Para acionar as duas bobinas do motor de passo
bipolar, duas pontes H so necessrias.
(a) (b)
-
19
Figura 2.7 Circuito tipo ponte H com transistores ABCD
2.1.2.3. Enrolamento Bifilar
Os motores de passo com enrolamento bifilar podem ser utilizados da mesma forma
que um motor de passo bipolar, mas ao invs de cada enrolamento do estator ter uma bobina
com 2 terminais, tm-se um enrolamento com 2 bobinas ligadas em paralelo o que resultar
em 8 terminais para o motor e no apenas 4. Na prtica, os motores com enrolamento bifilar
so sempre alimentados como unipolar ou como bipolar. A Figura 2.8 mostra as ligaes
alternativas para os enrolamentos deste motor.
Figura 2.8 a) Digrama das bobinas b) Seco transversal do motor
Para usar um motor bifilar como unipolar, os 2 terminais de cada bobina so ligados
em srie e o ponto de conexo usado como center tap. O enrolamento 1 mostrado na
Figura 2.8 a ligado desta forma. Para usar um motor bifilar como bipolar, os 2 terminais de
(a) (b)
-
20
cada enrolamento podem ser ligados em paralelo ou em srie. O enrolamento 2, na Figura
2.8 a, mostrado com a ligao em paralelo; isto permite uma operao com tenso menor e
corrente maior. O enrolamento 1, na Figura. 2.8 a, mostrado com a ligao em srie e se o
center tap for ignorado; isto permite uma operao com tenso duas vezes maior e com uma
corrente igual metade daquela com os enrolamentos em paralelo.
2.1.3. Modos de Acionamentos
2.1.3.1. Acionamento de Passo Completo de nica Excitao de Fase
Neste modo de funcionamento o motor opera com uma s fase energizada de cada vez,
de modo que a posio de equilbrio das fases coincida com a posio de equilbrio dos ims.
Aplicando de forma sequencial uma tenso de alimentao nas fases de acordo com a Tabela
2.1, onde 1 indica que h tenso na fase e 0 indica ausncia de tenso na fase, o rotor ir
girar no sentido horrio. Para a reverso do sentido, basta inverter o a sequncia.
Tabela 2.1 Sequncia de acionamento de passo completo de nica excitao
Tempo Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4
t1 1 0 0 0
t2 0 1 0 0
t3 0 0 1 0
t4 0 0 0 1
Este modo de acionamento o que proporciona menor consumo de energia.
Entretanto, a desvantagem disto que somente 25% (motores unipolares) e 50% (motores
bipolares) do total de enrolamentos so usados em um dado tempo, o que significa menor
produo de torque. Outro ponto negativo a possibilidade do motor apresentar problemas
com ressonncia em baixas velocidades [3].
2.1.3.2. Acionamento de Passo Completo com Dupla Excitao de Fase
Neste modo de operao duas fases so alimentadas simultaneamente. O deslocamento
do rotor o mesmo que no modo anterior, no entanto a posio mecnica diferente. Esta
posio deslocada de metade de um passo completo. A Tabela 2.2 mostra a sequncia de
acionamento das fases.
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21
Tabela 2.2 Sequncia de acionamento de passo completo com dupla excitao de fase
Tempo Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4
t1 1 1 0 0
t2 0 1 1 0
t3 0 0 1 1
t4 1 0 0 1
Em comparao ao modo de acionamento anterior, este proporciona maior torque e
velocidade com poucos problemas de ressonncia, no entanto requer o dobro de potncia da
fonte.
2.1.3.3. Acionamento de Meio Passo (Half step)
obtido combinando-se os dois modos anteriores operando de forma alternada, que
resulta em passos com a metade do tamanho de um passo normal (passo completo). A
resoluo de passo do motor dobra, mas o torque no uniforme para cada passo. Isto
acontece porque se est operando alternadamente com os modos de excitao nica e dual e
como o torque produzido por ambos diferente um do outro, acaba resultando em um torque
varivel [3]. A sequncia de acionamento mostrada na Tabela 2.3.
Tabela 2.3 Sequncia de Acionamento para meio passo
Tempo Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4
t1 1 0 0 0
t2 1 1 0 0
t3 0 1 0 0
t4 0 1 1 0
t5 0 0 1 0
t6 0 0 1 1
t7 0 0 0 1
t8 1 0 0 1
2.1.3.4. Micro-Passo
O motor de passo opera no modo de micro-passo, quando os posicionamentos ocorrem
numa frao daquele referente operao com passo pleno. Neste caso, se os sinais do
controlador forem removidos, o motor se mover desta posio de micro-passo para uma
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22
posio de equilbrio estvel. Este tipo de deslocamento somente pode ser obtido se a
caracterstica do controlador permitir que ele gere sinais de pulsos com freqncias muito
altas. Neste tipo de operao a frao de deslocamento pode estar entre 1/100 at 1/50000 de
um passo pleno, sendo que a utilizao deste modo feita somente quando a aplicao requer
uma resoluo de posicionamento muito precisa, dentro da faixa de velocidade de operao
do motor [5].
2.1.4. Preciso do Motor de Passo
Os motores de passo, quando operam em vazio, podem manter um ngulo de passo
com uma preciso de 0.05. Este o menor erro de posicionamento entre os dentes do
estator e do rotor [5].
A preciso de parada definida como sendo a diferena entre o ngulo de parada
terico e o ngulo de parada real. Seu valor obtido pela diferena entre os valores mximo e
mnimo de erro em um deslocamento de um passo pleno.
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23
3. MATERIAS E MTODOS
3.1. MOTOR UTILIZADO
O Motor de passo utilizado neste trabalho (Figura 3.1) foi disponibilizado pelo
Laboratrio de Metrologia Dimensional (Lamed) do Inmetro. do tipo hbrido, fabricado
pela empresa Isel Automation, com as bobinas configuradas para operar no modo unipolar.
Na Tabela 3-1 constam as principais informaes do referido motor.
Figura 3.1 Motor utilizado no trabalho
Tabela 3.1 Dados do motor
ngulo Passos por Resistncia do Corrente de Nmero Nmero de
de passo volta enrolamento enrolamento de fios Fase
1,8 200 1 2 A 8 4
As informaes contidas na Tabela 3.1 foram extradas das inscries contidas na
carcaa do motor utilizado.
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24
3.2. INTERFACE ELETRNICA E COMPUTACIONAL
Uma particularidade do motor de passo o fato do mesmo no poder ser acionado
diretamente a partir de uma fonte de tenso, diferentemente de outros tipos de motores. Alm
disso, os motores de passo podem ser aplicados em controles de posicionamento e velocidade
sem a necessidade de sistemas de realimentao. Este mtodo de acionamento que no faz uso
de realimentao referido como acionamento em malha aberta.
Para realizar o acionamento do motor de passo necessrio um sistema composto por
um controlador e um conversor (Figura 3.2), tambm conhecido como driver. O conversor
consiste de um circuito que fornece a potncia adequada ao motor a partir de uma fonte, em
resposta aos sinais digitais que recebe do controlador.
Figura 3.2 Diagrama de blocos da interface eletrnica de controle do motor de passo
Os sinais que so obtidos na sada do controlador tm duas funes: gerar os pulsos na
sequncia correta que comandam o movimento do motor e definir o sentido da rotao.
3.2.1. Mdulo de Controle Digital
Foi utilizado para controlar o acionamento do motor de passo o mdulo de aquisio
de dados U2351A Multifunction DAQ fabricado pela Agilent (Figura 3.1). Este dispositivo,
alm de muitas outras funes, permite a programao de 24 bits digitais de entrada e sada de
um bloco de terminais (Figura 3.4) de forma simples, atravs de ambientes de
desenvolvimento tais como: Microsoft Visual Studio e LabVIEW.
Computador
Controlador Conversor Motor
Pulsos
Sentido de
rotao
Fonte de
Tenso
USB
-
25
Figura 3.3 Mdulo de Aquisio de dados Agilent U2351A
Figura 3.4 Vista frontal do bloco de terminais
Figura 3.5 Vista lateral do bloco de terminais
Para o controle do motor de passo foram utilizados apenas quatro terminais de sada
digital, cada um responsvel pelo acionamento de uma fase do motor e um terminal de
-
26
aterramento. O mdulo de controle fornece 3,3 V de tenso de nvel alto e a configurao dos
pinos bem como a identificao dos terminais utilizados pode ser visualizada na Figura 3.6.
Figura 3.6 Pinos utilizados do bloco de terminais
3.2.2. Circuito de Potncia
A interface de potncia baseada na utilizao de MOSFETs para o acionamento das
fases do motor. Os MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) so
dispositivos eletrnicos semelhantes aos transistores bipolares. O smbolo eletrnico de um
MOSFET pode ser visto na Figura 3.7. A grande diferena entre eles est no fato do
MOSFET no necessitar ser polarizado diretamente para haver conduo. A conduo
controlada por um campo eltrico produzido por uma tenso no terminal (gate). Essa falta de
junes semicondutoras a serem polarizadas resulta em outra importante caracterstica dos
MOSFETs: no h corrente no gate. Isso resulta em uma alta impedncia de entrada. A
possibilidade de conduzir corrente tanto no sentido drain-source quanto no sentido source-
drain e a sua maior velocidade de chaveamento so caractersticas diferenciais dos MOSFETs
em relao aos transistores bipolares [6].
Figura 3.7 Representao simblica de um MOSFET
Terra lgico
Sadas digitais
-
27
O MOSFET utilizado no circuito de acionamento do motor de passo foi o IRLL2705
(Figura 3.8) da empresa International Rectifier. O dispositivo foi especificado a partir das
caractersticas de funcionamento do motor e da tenso de nvel lgico fornecida pelo modulo
de controle digital. Na Tabela 3.2 constam as principais informaes operacionais do
IRLL2705.
Figura 3-8 a) Diagrama interno do IRLL2705 b) Encapsulamento (SOT-223)
Tabela 3.2 Dados do IRLL2705
VDS(Max) RDS(on) ID(Max) VGS(MAX) VGS(th)
55 V 0,04 3,8 A 16 V 2 V
A princpio os dados de fabricao do MOSFET utilizado so adequados, visto que
suporta uma corrente mxima ID de 3,8 A e a corrente de funcionamento do motor 2 A. Para
chave-lo necessrio uma tenso mnima de 2V, com o mdulo de controle fornecendo
3,3V, portanto o MOSFET opera perfeitamente dentro de suas especificaes.
A utilizao do MOSFETs IRLL2705 simplificou o circuito de acionamento do motor,
pois se pode chave-lo diretamente com o sinal do mdulo de controle dispensando a
utilizao de associaes mais complexas de transistores. O esquema bsico do circuito de
potncia utilizado pode ser visto na Figura 3.9
(a) (b)
D S
G
D
-
28
Figura 3.9 Circuito de acionamento unipolar de motor de passo atravs de MOSFETs
Para a proteo dos MOSFETs algumas medidas foram tomadas:
- Foram ligados entre os terminais gate de cada MOSFET (G1, G2, G3, G4) e os pinos das
sadas digitais do terminal do mdulo de controle, resistores de 680 para limitar rudo e
proteger o gate que sensvel a eletricidade esttica.
- Tambm foram inseridos no circuito diodos (1N5817) em paralelo com cada enrolamento do
motor. Esta medida foi tomada pelo seguinte motivo:
Quando o MOSFET Q1 chaveado, a corrente ir fluir a partir da fonte (2 A), atravs
do enrolamento F1 para o terra atravs de Q1. Em seguida se Q1 desligado, a corrente
tender a continuar a fluir devido a indutncia do enrolamento fornecer uma inrcia de
corrente. Devido a isso uma alta tenso VL ser gerada entre o drain e o source do MOSFET.
Pois:
(1)
Sendo a indutncia do enrolamanto do motor da ordem de 1 mH para uma corrente 2A
que flui no intervalo de tempo muito pequeno da ordem de 1 s, temos:
-
29
Esta tenso muito maior que a mxima tenso que o MOSFET suporta. Para
que o MOSFET no seja danificado por esse efeito, faz-se necessrio a utilizao de um diodo
em paralelo com o enrolamento do motor conforme a Figura 3.10.
Figura 3.10 Circuito de proteo
Quando o circuito desligado a corrente que atravessaria o gate do MOSFET fica
aprisionada circulando pelo diodo e pelo enrolamento do motor. Este diodo deve possuir alta
corrente de surto repetitiva.
1N5817
-
30
4. RESULTADOS
Aps um estudo terico sobre os motores de passo e seu controle, bem como a
apresentao dos materiais e mtodos aplicados neste trabalho sero apresentados os
resultados obtidos, podendo citar a confeco da placa do circuito eletrnico de potncia para
acionamento das fases do motor de passo, o desenvolvimento do programa computacional
para o controle do mesmo e a realizao dos testes do sistema em bancada.
4.1. PROTTIPO DA PLACA DO CIRCUITO DE POTNCIA
A Figura 4.1 motra o prottipo de circuito eletrnico desenvolvido para acionamento
do motor de passo, indicando os componentes utilizados.
Figura 4.1 Placa do prottipo de driver de motor de passo
4.2. TESTES DE BANCADA
Nos testes de bancada (Figura 4.2) a tenso de alimentao dos enrolamentos do motor
foi fornecida por uma fonte de tenso demonstrada na Figura 4.3. Esta fonte foi utilizada, pois
possui voltmetro e ampermetro interno que facilitaram muito o processo de avaliao da
placa e dos MOSFETs.
Diodo de
proteo
Fases do
Motor
MOSFET
Alimentao
-
31
Figura 4.2 Montagem do sistema
Figura 4.3 Fonte de tenso utilizada
Os testes iniciais com o circuito de acionamento do motor foram realizados
inteiramente com a fonte. Neste caso foi utilizado um segundo canal de alimentao para
-
32
chavear um dos MOSFETs enquanto o canal principal alimentava a respectiva fase do motor.
A Tabela 4.1 apresenta os dados do MOSFET com o circuito em funcionamento.
Tabela 4.1 Dados do MOSFET em funcionamento
VGS VDS IDS RDS(on)
(V) (V) (A) ()
3,0 0,095 1,73 0,055
3,3 0,085 1,73 0,049
4,0 0,072 1,73 0,042
5,0 0,064 1,75 0,037
6,0 0,060 1,752 0,034
7,0 0,056 1,754 0,032
8,0 0,054 1,754 0,031
9,0 0,053 1,755 0,030
10,0 0,051 1,755 0,029
A partir dos dados da Tabela 4.1 foi possvel traar um grfico que demonstra o
comportamento da resistncia interna do MOSFET em funo da variao da tenso de
chaveamento (Figura 4.4).
Figura 4.4 Curva caracterstica do MOSFET IRLL2705
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0
RD
S(o
n)(
)
VGS (V)
Curva caracterstica do IRLL2705 em funcionamento
-
33
4.3. INTERFACE COMPUTACIONAL
Foi desenvolvido um programa computacional para controlar e sincronizar o
acionamento das fases do motor, atravs do ambiente de programao LabVIEW. O programa
desenvolvido tem a funo de se comunicar com o mdulo de aquisio Agilent atravs de
comandos pr-definidos, utilizar funes tais como de conFigurao dos terminais (utilizada
para conFigurar o terminais digitais como entrada ou sada) , inicializao e set e reset dos
terminais digitais. As rotinas para o controle do modulo de aquisio Agilent foram
implementadas atravs da funo VISA.
VISA (do ingls: Virtual Instrument Software Architecture) uma linguagem padro
para programao de instrumentos desenvolvida pela empresa National Instruments. Consiste
de conjunto de rotinas e padres estabelecidos por um software para a utilizao das suas
funcionalidades por aplicativos que no pretendem envolver-se em detalhes da
implementao do software, mas apenas usar seus servios. Com recurso VISA possvel
manipular comandos de baixo nvel atravs de uma interface de alto nvel, tornando simples a
comunicao com instrumentos com GPIB, Serial, USB entre outras.
O programa foi desenvolvido para realizar as seguintes tarefas:
1 Acionar o motor no modo de funcionamento contnuo.
2 Acionar o motor para se movimentar em nmero pr-determinado de passos.
3 Trocar o sentido de rotao
4 Variar a velocidade do motor.
A identificao da ordem de acionamento das fases do motor de acordo com a cor dos
fios pode ser visualizada na Tabela 4.2. A coluna bit identifica o pino do bloco de terminais
do mdulo de controle.
Tabela 4.2 - Sequncia de acionamento das fases do motor
Ordem 1 2 3 4
Cor do fio vermelho laranja amarelo preto
bit 2 4 0 6
Para construo do programa inicialmente necessrio a identificao da ordem
correta de acionamento das fases do motor. Caso as fases do motor sejam acionadas em
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34
ordem incorreta, o rotor no iniciar um movimento de rotao contnua, podendo ocorrer
passos consecutivos em sentidos opostos
As Figuras 4.5 e 4.6 mostram os fluxogramas do programa computacional
desenvolvido.
Figura 4.5 Fluxograma do modo de operao com nmero de passos pr-determinado.
-
35
Figura 4.6 Fluxograma do modo de operao contnuo
-
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Delay consiste de uma varivel do tipo real. No programa o delay serve para controlar
a velocidade do motor. Quanto maior for valor do delay menor ser a velocidade de rotao
do motor
A interface grfica do programa pode ser visualizada na Figura 4.7
Figura 4.7 Interface grfica desenvolvida para controle do motor de passo
-
37
5. CONCLUSO
Este trabalho teve como foco o estudo sobre motores de passo e suas tcnicas de
acionamento e controle. Todavia a pesquisa realizada permitiu a aquisio de conhecimento
em diversas outras reas de suporte, tais como: eletromagnetismo, eletrnica, programao de
computadores, eletrnica de potncia, entre outras.
A partir dos conhecimentos adquiridos, este trabalho resultou no desenvolvimento de
um sistema de controle de motor de passo em malha aberta que incluiu a confeco de uma
placa do circuito eletrnico de acionamento do motor, e o desenvolvimento de um programa
computacional para interface com mdulo de aquisio de dados utilizado como controlador.
Os testes realizados em bancada mostraram que o sistema teve um desempenho
satisfatrio sendo possvel controlar a velocidade, direo e nmero de passos do motor.
A utilizao do mdulo de aquisio de dados simplificou muito o desenvolvimento
do sistema, pois dispensou a utilizao de outros componentes para fazer a interface entre o
computador e o circuito de acionamento do motor.
O uso do MOSFET como elemento fundamental do circuito de acionamento teve
papel crucial para a simplificao do sistema, pois apresentou total adaptao s
caractersticas eletrnicas do mdulo de controle, dispensando a utilizao de associaes
mais complexas de transistores para acionar corretamente as fases do motor.
Sendo assim pode-se concluir que o trabalho alcanou seus objetivos. Obteve-se ao
final do trabalho uma interface eletrnica e computacional bem simples para o controle de
motor de passo que poder ser utilizada com algumas adaptaes em sistemas de
deslocamento linear.
-
38
6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
[1] HUGHES, Austin. Stepping Motors. In: HUGHES, Austin. Eletric Motors and Drives,
Fundamentals, Types and Applications. 3th edition. Great Britain: Newnes, 2006, p. 305-
338.
[2] NEC Electronics Corporation, Stepper Motor Control using the PD78F0714
Microcontroller. Aplication Note: U17733EE1V0AN00. 2008. Disponvel em:
< www2.renesas.eu/_pdf/U17733EE1V0AN00.PDF>
[3] SOUZA, Marco Antonio Alves. Implementao de Sistema Controlador de Motor de
Passo em Malha Felhada Utilizando Tecnologia Baseada em Controlador Digital de
Sinais. 2007. Trabalho de Concluso de Curso (Curso de Engenharia Eltrica com nfase
em Eletrnica), Escola de Engenharia de So Carlos, USP. So Carlos.
[4] JONES D. W. Stepping Motors. Types The University Of Iowa, Department of Computer
Science. Diponvel em:
[5] AVOLIO, Edwin. Uma Contribuio ao Estudo e Desenvolvimento de Sistemas de
Movimento Utilizando Motores de Passo. 2004. Tese (Livre Docncia) - Departamento de
Engenharia Eltrica, Universidade Estadual Paulista, Bauru.
[6] BALDNER, Felipe de oliveira. Anlise e Modelagem de Motores de Corrente Contnua,
Implementao de Modulao PWM, Desenvolvimento de Estratgias de Controlabilidade
e Construo de um Prottipo para Futebol de Robs. 2008. Trabalho de Concluso de
Curso (Curso de Engenharia Eltrica), Escola de Engenharia da Universidade Catlica de
Petrpolis. UCP. Petrpolis.
[7] ALCARNLEY, Paul. Stepping Motors, A guide to Theory and Practice. 4th edition.
United Kingdom: IET, 2007.
[8] SILICON LABS. Stepper Motor Reference Design. Aplication Note: AN155. Rev 1.1,
2008. Disponvel em:
< https://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/an155.pdf>
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APNDICE A. Folha de dados do MOSFET IRLL2705
Figura A.1 Valores mximos absolutos
Figura A.2 Caractersticas eltricas
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