Formas de controle de passo em malha fechada

2017 - Artigo mais popular - Para obter o mais alto desempenho, o motor de passo pode ser tratado como um servo motor sem escova de 2 fases. A corrente para o motor será controlada em função do sinal de erro, assim como nos servomotores padrão.

Contribuição de | Galil Motion Control, Inc.

Os motores de passo são empregados em uma variedade de aplicações em todo o espectro da engenharia porque são baratos, simples de operar e oferecem alto torque em baixas velocidades. No entanto, os motores de passo sofrem de desvantagens, como etapas perdidas, diminuição do torque em altas velocidades, ressonâncias e alto consumo de energia. Para mitigar esses problemas, Galil tem três métodos de fechar o circuito em torno de um motor de passo: correção de ponto final, micropasso de circuito fechado e acionamento do motor de passo como um motor sem escova de 2 fases.

Os motores de passo têm vários eletroímãs "dentados" dispostos em torno de um rotor em forma de engrenagem. Para fazer o eixo do motor girar, esses eletroímãs são energizados em uma sequência específica. A Figura 1 mostra uma visão simplificada desse processo para um motor de passo bifásico. Cada sequência específica corresponde a uma etapa do motor. Um motor de passo normalmente tem 200 passos por revolução.

Os motores de passo não vêm sem algumas desvantagens. A primeira desvantagem de um motor de passo é que ele opera com corrente total o tempo todo. Isso leva ao desperdício de energia e à geração excessiva de calor. Em segundo lugar, fundamental para a operação dos motores de passo é a vibração causada quando eles mudam de posição em etapas discretas. Quando a frequência de passo corresponde à oscilação natural ou frequência de ressonância do motor de passo, a amplitude dessas vibrações aumentará, levando à perda de posição. Os motores de passo também experimentam uma diminuição significativa do torque à medida que a velocidade do motor aumenta. Uma curva comum de velocidade-torque é mostrada em Error: Reference source not found. Por fim, a resolução posicional é limitada pelo número de passos por revolução. Se for necessária uma resolução maior, o stepper pode ser conduzido pelo processo de microstepping.

Microstep é um método de acionar um motor de passo de modo que cada etapa inteira do motor seja dividida em incrementos menores chamados microsteps. O micropasso normalmente cria entre 2 e 256 micropassos por passo completo, o que significa que o motor de 200 passos por revolução agora pode ter até 51200 desses micropassos por revolução. A Figura 3 detalha a forma de onda atual através de cada fase do motor de passo com um número crescente de micropassos por passo completo.

A precisão real do micropasso depende em grande parte de forças externas. O micropasso é preciso dentro de um passo completo do motor, no entanto, se houver mais de meio passo de erro, ocorrerá perda de posição. O movimento não ocorrerá se o atrito, a gravidade ou qualquer outra força for grande o suficiente para evitar que a pequena mudança na corrente entre duas posições de micropasso afete a posição do motor. A Figura 4 mostra um gráfico de um movimento ponto a ponto executado em um sistema acionado por um motor de passo acoplado a um codificador. A linha vermelha é a posição esperada do motor de passo, a linha roxa é a saída dos pulsos de passo para o motor e a linha azul é a posição do motor medida pelo encoder. A linha preta indica quando o controlador está ativamente traçando o perfil do movimento. Devido ao atrito no sistema, a posição final do motor de passo não corresponde à posição comandada, resultando em algum erro de estado estacionário.

Utilizando o feedback do encoder para reconhecer este erro de posição, o ponto final pode ser ajustado comandando pulsos de passo adicionais para colocar o motor na posição correta. Galil chama isso de modo Stepper Position Maintenance, ou SPM. O SPM ainda opera o stepper no modo microstep, mas a precisão do ponto final agora pode ser verificada e ajustada. Este modo funciona comparando a posição comandada do motor de passo com a saída da posição real do codificador logo antes da conclusão de um movimento. A Figura 5 mostra o mesmo sistema da Figura 4 agora sendo operado no modo Stepper Position Maintenance. Após o fim do movimento, o erro de posição é reconhecido e a posição de referência é ajustada para compensar esse erro. Um movimento de correção de erro é então comandado para trazer o stepper para a posição correta. Ao adicionar o codificador, o controlador agora tem a capacidade de reconhecer e corrigir erros presentes no sistema. O mesmo movimento que anteriormente resultava em erro de estado estacionário devido ao atrito pode agora ser contabilizado e corrigido.