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

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.

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

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

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

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:

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.

13

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.

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)

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

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.

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

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.

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.

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

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

36

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