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115ISSN 2237-2318

Revista Ling. Acadêmica, Batatais, v. 10, n. 1, p. 115-131, jan./jun. 2020

Motores de passo: funcionamento e aplicações

Lucas RIBEIRO1

Thiago Francisco MALAGUTTI2

Resumo: O presente trabalho consiste em uma revisão bibliográfica que busca analisar os motores de passo. Um motor de passo é um tipo de motor elétrico que possui polos magnéticos compostos por enrolamentos. São utilizados na construção de equipamentos industriais e de informática, e em automação de processos. Podem ser do tipo imã permanente, relutância variável e híbrido, que une as melhores características de ambos. Funciona através de uma unidade de controle que aplica uma corrente nas fases de maneira sequencial, de forma que o estator gire continuamente, porém, em ângulos regularmente definidos, chamados passos. Apresentam boa versatilidade, por ter o movimento em velocidade e sentido totalmente controlável, podendo gerar movimentos rotativos e lineares, de acordo com o projeto e driver de controle.

Palavras-chave: Motor de Passo. Relutância Variável. Imã Permanente. Híbrido.

1 Lucas Ribeiro. Bacharelando em Engenharia Elétrica pelo Claretiano – Centro Universitário. E-mail: <[email protected]>. 2 Thiago Francisco Malagutti. Mestre em Educação pelo Centro Universitário Moura Lacerda (CUML). Especialista em Gestão de Projetos pelo Centro Universitário Internacional (UNINTER). Bacharel em Engenharia de Produção pela Universidade de Franca (UNIFRAN). Pesquisador da área de Engenharia e Educação a Distância. Coordenador de curso, docente, professor responsável e tutor à distância do Claretiano – Centro Universitário. E-mail: <[email protected]>.

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Stepper motors: operation and applications

Lucas RIBEIROThiago Francisco MALAGUTTI

Abstract: The present work consists of a literature review that seeks to analyze the stepper motors. A stepper motor is a type of electric motor that has magnetic poles composed of windings. They are used in the construction of industrial and computer equipment, and in process automation. They can be of permanent magnet type, variable reluctance and hybrid, which combines the best features of both. It works through a control unit that applies a phase current sequentially so that the stator rotates continuously but at regularly defined angles called steps. They have good versatility, having the movement in speed and direction totally controllable, being able to generate rotary and linear movements, according to the design and control driver.

Keywords: Stepper Motor. Variable Reluctance. Permanent Magnet. Hybrid.

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1. INTRODUÇÃO

Os motores de passo são motores elétricos de precisão lar-gamente utilizados nos mais diversos sistemas de controle e auto-mação. De acordo com Chapman (2013, p. 602), “[...] é um tipo especial de motor síncrono que é projetado para girar um número específico de graus a cada pulso elétrico recebido em sua unidade de controle”. Alciatore e Histand (2014, p. 456, grifo do autor) con-ceituam o motor de passo como:

Um tipo especial de motor CC, [...] de imã permanente ou de relutância variável que tem as seguintes características de desempenho: pode girar em ambos os sentidos, se move em incrementos angulares precisos, sustenta um torque de retenção à velocidade zero e é controlado por circuitos digitais. Desloca-se em incrementos precisos, conhecidos como passos, em resposta aos pulsos digitais enviados a um circuito de acionamento elétrico.

Para Fitzgerald, Kingsley Jr. e Umans (2006), a versatilidade dos motores de passo se deve, em grande parte, à sua compatibilida-de com os sistemas eletrônicos digitais, já muito comuns em várias aplicações e ainda em pleno desenvolvimento de suas tecnologias.

Entre as aplicações mais usuais para essas máquinas, pode-se destacar o controle de papel em impressoras matriciais e plotters, leitores de CD e DVD, equipamentos de usinagem de peças e siste-mas de automação industrial.

Para cada tipo de aplicação, exige-se um nível de precisão, que nos motores de passo se caracteriza pela resolução angular, que é o ângulo de rotação por cada passo. Os modelos mais comuns oferecem resoluções de 50, 100 ou 200 passos por revolução, “cor-respondendo a uma rotação de 7,2º, 3,6º e 1,8º por passo” (FITZ-GERALD; KINGSLEY JR.; UMANS, 2006, p 418).

Existem basicamente dois tipos de motores de passo: tipo imã permanente e tipo relutância variável, que se diferem entre si pela construção do rotor. O motor de passo tipo imã permanente possui o rotor de imã permanente, e o de relutância variável possui rotor de material ferromagnético, mas que não é um imã permanente.

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Os motores de passo são de grande utilidade dentro da en-genharia elétrica, devido a sua grande variedade de aplicações. O entendimento dessas máquinas elétricas é de grande importância para o engenheiro eletricista, seja para a utilização em projetos de automação de processos ou em projetos de novas máquinas e equi-pamentos para diversas finalidades.

O presente trabalho tem por objetivo verificar de forma mais detalhada o funcionamento dos motores de passo, bem como algu-mas de suas aplicações possíveis conforme as suas configurações construtivas, que também serão explicitadas.

2. METODOLOGIA

A produção acadêmica deve ser realizada com o intuito de se agregar conhecimento. No âmbito da pesquisa, existem vários critérios e orientações a serem observados, a fim de discorrer sobre um tema de forma segura e obter resultados que correspondam à re-alidade, ainda que se trate de uma pesquisa essencialmente teórica, como é o caso da revisão bibliográfica. Esses critérios e orientações fazem parte do método científico, que é, segundo Silva e Menezes (2005, p. 25), “[...] o conjunto de processos ou operações mentais que se devem empregar na investigação. É a linha de raciocínio adotada no processo de pesquisa”.

De acordo com a classificação proposta por Gil (2002), o pre-sente artigo científico possui caráter exploratório e descritivo, pois envolve a análise de livros, manuais de fabricantes, handbooks e ar-tigos científicos que tratam do tema proposto, comparação de suas abordagens, descrição das principais características e definições do objeto da pesquisa, e elaboração da conclusão em conformidade com a bibliografia utilizada.

A análise detalhada das informações necessárias se deu atra-vés do processo de fichamento, que facilita a triagem e organização dos dados a serem utilizados para a elaboração do texto da revisão, e permite a “[...] identificação das obras lidas, análise de seu conte-údo, anotações de citações, elaboração de críticas e localização das

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informações lidas que foram consideradas importantes” (SILVA; MENEZES, 2005, p. 42).

3. MOTORES DE PASSO

Construção/montagem

Segundo Souza (2006), os motores de passo são compostos, basicamente, das seguintes partes:

• Estator;• Polos;• Enrolamentos (fases);• Rotor.O estator é a parte estática (fixa) do motor de passo, onde se

fixam os polos e, em torno destes, as bobinas dos enrolamentos. O rotor é a parte rotativa (móvel) do motor, em que é acoplado o eixo que transmite a força mecânica para a carga.

De acordo com a aplicação desejada, os motores de passo podem apresentar algumas variações construtivas, de modo a obter um desempenho mais satisfatório. Os principais tipos de motor de passo são: motores de imã permanente; motores de relutância vari-ável e motores híbridos.

Motores de imã permanente

Souza (2006) pontua que esse tipo de motor de passo é o mais utilizado para aplicações não industriais, reunindo características ideais para periféricos de informática, como baixo custo, baixo tor-que e baixa velocidade de operação. A figura a seguir apresenta um esquema em corte de um motor de passo de imã permanente.

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Figura 1. Vista em Corte de Motor de Passo de Imã Permanente

Fonte: Souza (2006, p. 5).

Motores de relutância variável

Essa configuração do motor de passo não apresenta imã per-manente em seu interior, e isso faz com que não haja nenhum tor-que residual, quando ele está desenergizado.

Este tipo de motor consiste em um rotor de ferro, com múl-tiplos dentes e um estator com enrolamentos. Quando os enrolamentos do estator são energizados com corrente DC os pólos ficam magnetizados. (BRITES; SANTOS, 2008, p. 6).

Figura 2. Vista em Corte de Motor de Relutância Variável


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Motores híbridos

Essa configuração de motor de passo combina as principais características dos motores de imã permanente e de relutância vari-ável, sendo o tipo mais utilizado nas aplicações industriais.

Um motor de relutância variável tem a vantagem de uma menor inércia do rotor e, portanto, uma resposta dinâmi-ca mais rápida. O motor de passo de imã permanente tem a vantagem de um torque de retenção residual pequeno, denominado torque residual, mesmo quando o estator não está energizado. (ALCIATORE; HISTAND, 2014, p. 457, grifo do autor).

Nesse tipo de motor, o rotor é composto por uma combinação de material ferromagnético e imã permanente, sendo que o material ferromagnético também possui saliências, a exemplo do motor de relutância variável, porém com dois ou mais empilhamentos mon-tados de forma que as saliências possuam polaridades e alinhamen-tos alternados. Entre os empilhamentos, existe um imã permanente que faz a sua polarização.

Figura 3. Vista em Corte de Motor de Passo Híbrido.


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Modo de ligação unipolar

Uma outra característica construtiva que se deve levar em conta para diferenciar os motores de passo, é quanto ao modo de interligação das bobinas. No modo unipolar, as bobinas possuem uma derivação central. Externamente, essa característica pode ser observada pelo número de fios para a ligação do motor de passo, que nesse caso pode apresentar 5 ou 6 fios.

Figura 4. Esquema de Ligação Unipolar

Fonte: Brites; Santos (2008, p. 8).

Na Figura 4, está representado o esquema de ligação unipo-lar, com duas bobinas (1 e 2) cada uma, com uma derivação central que as divide em duas, formando 4 fases (1a, 1b, 2a e 2b).

As derivações centrais das bobinas usualmente são ligadas ao positivo da fonte, os modelos de 5 fios possuem as derivações centrais das duas bobinas (Comum) interligadas internamente, con-forme a figura a seguir.

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Figura 5. Esquemas de ligação unipolar com 5 e 6 fios.

Fonte: Neomotion ([S.d.], p. 5 e 7).

Modo de ligação bipolar

No modo de ligação bipolar, as duas bobinas do motor de passo não possuem derivação central, sendo necessário, portanto, um circuito para inverter o sentido da corrente e a polaridade dos campos magnéticos, o que também torna o driver de controle mais complexo em relação ao motor de passo unipolar.

Figura 6. Esquema de Ligação Bipolar.

Fonte: Brites; Santos (2008, p. 8).

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Uma vantagem importante que o motor de passo bipolar ofe-rece em relação ao unipolar é a maior potência de torque:

Os motores de passo bipolares são conhecidos por sua excelente relação tamanho/torque: eles proporcionam um maior torque, cerca de 40% a mais, comparativamente a um motor unipolar do mesmo tamanho. Isto se deve ao fato de que quando se energiza uma fase, se magnetiza ambos os pólos em que a fase (ou bobina) está instalada. Assim, o rotor sofre a ação de forças magnéticas em ambos os pólos, ao invés de apenas um, como acontece no motor unipolar. (SOUZA, 2006, p. 10).

Funcionamento

Muito embora a construção dos motores de passo seja consi-derada simples, Fitzgerald, Kingsley Jr. e Umans assinalam que as máquinas de relutância variável sejam “[...] talvez as mais simples das máquinas” (2006, p. 390) – sua utilização requer uma unidade de controle bastante elaborada, capaz de distribuir os pulsos elé-tricos na sequência correta para as fases, em uma velocidade que garanta a eficiência da operação.

Para a demonstração do princípio de funcionamento do motor de passo, Chapman (2013) utiliza a representação de um motor de passo simples com um estator trifásico de dois polos, e rotor de imã permanente, associado com sua unidade de controle.

Figura 7. Motor de Passo Trifásico Simples e sua Unidade de Controle.

Fonte: Chapman (2013, p. 603).

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A unidade de controle recebe um sinal CC composto por um trem de pulsos e, conforme os pulsos direciona a tensão para as fases (bobinas) a, b e c, de maneira sequencial, a fim de produzir o movimento de rotação em passos, como se pode visualizar no dia-grama e tabela a seguir.

Figura 8. Diagrama e Tabela de Tensão de Saída da Unidade de Controle em Função do Número do Pulso.


Na figura a seguir (a), o estator recebe uma tensão na fase a, gerando um campo magnético BS, que interage com o campo mag-nético do rotor BR, gerando um movimento anti-horário, observado em (b). Sequencialmente, a tensão passa a ser aplicada somente na fase c, provocando um novo conjugado, que movimenta novamente o eixo do rotor no sentido anti-horário (c).

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Figura 9. Sequência de Funcionamento do Motor de Passo.


Aplicações

Devido as suas características construtivas e modos de fun-cionamento, os motores de passo se apresentam como uma solução eficaz e de custo relativamente baixo para uma grande variedade de máquinas, processos e sistemas automatizados, uma vez que pode ser usado para produzir movimentos rotativos ou lineares, com ve-locidade e sentido facilmente modificáveis, de acordo com a neces-sidade dos projetos.

Figura 10. Aplicações dos Motores de Passo.

Fonte: Oriental Motor (2015, p. 9).

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Fiztgerald, Kingsley Jr. e Umans (2006) ressaltam que “Uma característica importante do motor de passo é a sua compatibilida-de com os sistemas eletrônicos digitais” (2006, p. 418), e é devido a essa compatibilidade que os motores de passo são dispositivos versáteis que contribuem para a melhoria de processos industriais e o avanço da tecnologia de diversos dispositivos elétricos e mecâ-nicos.

Aplicações típicas incluem motores de alimentação de pa-pel e posicionamento da cabeça de impressão em impres-soras e plotters, motores de acionamento e posicionamento da mesa da cabeça em unidades de disco e toca-CDs, e motores de posicionamento da mesa de trabalho e da ferra-menta em equipamentos de usinagem controlados numeri-camente. Em muitas aplicações, a informação de posição pode ser obtida simplesmente deixando registrado o nú-mero de pulsos enviados ao motor, caso em que não são necessários sensores de posição nem controle realimenta-do. (FITZGERALD; KINGSLEY JR.; UMANS, 2006, p. 418).

Os periféricos de computador são considerados por Souza (2006) como o campo de maior utilização dos motores de passo. A popularização dos computadores pessoais, a partir dos anos 80, ge-rou uma grande demanda desse dispositivo, que foi utilizado para controlar os drives de disquetes, no passado, e, atualmente, os dri-ves de CDs, impressoras, scanners, entre outros.

Na indústria, os motores de passo possuem uma infinidade de aplicações, possibilitando a automação de processos, dos mais simples aos mais elaborados, proporcionando o desenvolvimento de tecnologias, bem como a economia, qualidade e segurança dos processos de produção.

Por conta do seu modo de funcionamento, os motores de passo se estabeleceram em uma grande gama de aplica-ções, como: Routers CNC, Máquinas de Corte a Plasma, Máquinas de Corte a Laser, Rotuladoras Sleeve, Rotula-doras Autoadesivo, Máquinas de serigrafia, Máquinas Hot Stamp, Controle de Válvulas, Dosadores por Rosca, Mesas de Posicionamento, Braços Manipuladores, atuadores li-neares, etc. (NEOMOTION, [s.d.], p. 2).

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Os motores de passo podem ser aplicados na movimentação coordenada de esteiras que transportam as embalagens através de uma máquina de envase, por meio da programação, os motores se movimentam de forma que as embalagens se fiquem posicionadas sob os bicos até que o produto seja depositado e, após esse evento, continuem seguindo o fluxo da linha de fabricação, como pode ser observado na figura a seguir.

Figura 11. Linha de Envase de Líquidos com Movimento Intermi-tente do Motor de Passo.


Outra interessante aplicação dos motores de passo pode ser observada nos sistemas de movimentação espacial nos eixos X, Y e Z utilizados em máquinas como impressoras 3D, Router CNC, Máquinas de Corte a Laser e Plasma, por exemplo. Os motores são acoplados a mecanismos de transmissão por correia dentada ou bar-ra roscada que movimentam o bico injetor no caso da impressora 3D, ou a ferramenta de corte no caso da Router CNC e Máquinas de Corte, conforme figuras a seguir.

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Figura 12. Sistema de Operação nos Eixos X e Y utilizando Motor de Passo.


Figura 13. Sistema de Operação nos Eixos X, Y e Z utilizando Motor de Passo.


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4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

No presente trabalho, foram apresentadas as principais infor-mações a respeito dos motores de passo, como princípio de fun-cionamento, suas várias configurações, modos de acionamento e aplicações no âmbito da indústria de equipamentos e da automação de processos.

Diante do exposto até aqui, pode-se compreender com mais clareza a importância dos motores de passo para o avanço e o de-senvolvimento de tecnologias no sentido de melhoria do bem-estar das pessoas, por meio de equipamentos voltados tanto para a infor-mática, como também para a indústria em geral.

Através do estudo de suas características construtivas, mag-néticas e elétricas, é possível criar soluções para as mais variadas situações-problema enfrentadas no dia a dia dos engenheiros, assim como também é possível o desenvolvimento de novos componen-tes e dispositivos que venham a potencializar suas características positivas.

A evolução dos processos de produção tem acontecido em uma velocidade cada vez maior, em virtude da utilização sobretudo da informática. E, nesse sentido, os motores de passo constituem uma ferramenta imprescindível, graças a sua simplicidade de cons-trução e, ao mesmo tempo, pela compatibilidade com os sistemas digitais, que também estão em pleno desenvolvimento.

A área de máquinas elétricas é um campo de estudo vasto, porém, mesmo tratando especificamente do escopo dos motores de passo, é possível chegar a inovações que possam melhorar seu desempenho e possibilitar aperfeiçoamentos de equipamentos, pro-cessos e também novas formas de aplicação.

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REFERÊNCIAS

ALCIATORE, D. G.; HISTAND, M. B. Introdução à mecatrônica e aos sistemas de medições. 4. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014.

BRITES, F. G.; SANTOS, V. P. de A.. Programa de educação tutorial: motor de passo. Disponível em <http://www.telecom.uff.br/pet/petws/downloads/tutoriais/stepmotor/stepmotor2k81119.pdf>. Acesso em: 24 jul. 2018.

CHAPMAN, S. J. Fundamentos de máquinas elétricas. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013.

FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY JR., C.; UMANS, S. D. Máquinas elétricas: com introdução à eletrônica de potência. 6. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006.

GIL, A. C. Como elaborar projetos de pesquisa. 4. ed. São Paulo: Atlas, 2002.

NEOMOTION. AK23/21F8FN1.8 Data sheet. Joinville: Grupo Neoyama, [s.d.].

ORIENTAL MOTOR. Stepper motors introduction. Los Angeles: Oriental Motor U.S.A. Corp., 2015.

________. AZ Series mechanical sensor equipped motor catalog. Los Angeles: Oriental Motor U.S.A. Corp., 2017.

SILVA, E. L. da; MENEZES, Estera Muszkat. Metodologia da pesquisa e elaboração de dissertação. 4. ed. rev. atual. Florianópolis: UFSC, 2005.

SOUZA, P. J. A. de. Motor de passo. Disponível em <http://www.ebah.com.br/content/ ABAAAAFWcAK/motor-passo>. Acesso em 24 abr. 2018.

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