Compreendendo a atração

Valentin Raschke | 13 de setembro de 2022

Quando é hora de especificar um motor de alto desempenho que oferece posicionamento preciso e economia, os motores de passo oferecem muitas vantagens em relação aos motores CC, graças à sua tecnologia sem escovas. Embora a seleção de um motor de passo envolva muitas considerações, os projetistas devem entender e levar em consideração as curvas de torque pull-out e pull-in, que descrevem as características de velocidade e torque do motor quando ele é acionado. Este artigo fornecerá uma visão geral dos conceitos de torque pull-out e pull-in a serem considerados ao implementar motores de passo com um sistema de movimento.

A Figura 1 abaixo mostra o torque produzido por um motor trifásico brushless DC (BLDC) com comutação de seis passos. Os sensores Hall são integrados ao motor para rastrear a posição do rotor. Esta informação permite a comutação das três fases no momento certo para manter um ângulo de 90°± 30° entre o campo magnético do rotor e o estator. Há uma pequena ondulação de corrente, mas o torque desenvolvido pelo motor é relativamente estável e um tanto dependente da posição do rotor. Um encoder de alta resolução pode fornecer feedback de posição do rotor mais preciso e reduzir a ondulação de torque para quase zero.

Figura 1. Fase e torque do motor de um motor BLDC.

A Figura 2 abaixo mostra uma versão simples de um motor de passo: um ímã com um par de pólos servindo como rotor e duas fases separadas localizadas no estator. Este projeto fornece quatro etapas completas em uma revolução mecânica. As curvas de torque resultantes indicando uma corrente contínua sendo aplicada em cada fase são mostradas na Figura 3, representadas por gráficos em azul e laranja. Se o motor for acionado em passo completo, habilitando apenas uma fase por vez, uma corrente será aplicada na seguinte ordem: A, B, -A e -B.

Figura 2. Um motor de passo com um par de pólos.

Os gráficos verdes abaixo nas Figuras 3a e 3b ilustram o torque resultante no eixo do motor. Ao contrário de um motor BLDC, o torque do motor de um motor de passo dependerá significativamente da posição do rotor. Para obter um design simples e econômico, o motor de passo é normalmente acionado em modo de malha aberta sem realimentação da posição do rotor. A comutação ocorre, portanto, com um sinal externo - em passos por segundo - sem uma posição de rotor de corrente estabelecida. Uma comutação "ideal" permitiria a corrente na fase quando o rotor está posicionado exatamente entre duas fases. No entanto, em um circuito aberto - sem realimentação da posição do rotor - o rotor pode nem sempre estar na posição ideal. Ao dimensionar um motor de passo, o projetista deve levar em consideração essa incerteza aplicando um fator de segurança no torque máximo.

Figura 3a. Uma comutação "ideal" de um motor de passo bifásico.

Figura 3b. Comutação realista de um motor de passo bifásico, em malha aberta.

Para entender melhor como o torque máximo de extração é definido, é importante revisar como ele é medido. Normalmente, o torque pull-out é medido nas seguintes condições:

A Figura 4 abaixo mostra a configuração de medição para o torque máximo. O motor será conectado a um driver, que define o sentido de rotação e a velocidade do motor por meio de um sinal pulsado. O eixo do motor é conectado a um sistema de freio variável, como um freio de corrente parasita, que permite que uma carga variável seja aplicada ao motor.

Figura 4. Configuração para medir o torque de extração.

A medição é realizada da seguinte forma:

Figura 5. Um exemplo de uma curva de torque pull-out.

Os valores de carga máxima para cada velocidade medida durante a Etapa 3 representam a curva de torque máximo do motor, conforme mostrado acima na Figura 5. Devido à ressonância, certas velocidades podem fazer com que o motor se comporte de forma irregular e devem ser evitadas. Esta condição pode ser mostrada no diagrama de torque pull-out.

Na prática, o torque pull-out é usado para definir uma faixa de torque e velocidade para acionar com segurança os motores em malha aberta. Para o torque máximo de carga, um fator de segurança de tipicamente 30 por cento é considerado (representado nas Figuras 6a e 6b pela linha pontilhada azul), em comparação com o torque máximo disponível (representado abaixo nas Figuras 6a e 6b pelo sólido linha Azul).