Quão preciso é realmente o microstepping?

Os motores de passo dividem uma rotação completa em centenas de etapas discretas, o que os torna ideais para controlar movimentos com precisão, seja em carros, robôs, impressoras 3D ou máquinas CNC. A maioria dos motores de passo que você encontrará em projetos DIY, impressoras 3D e pequenas máquinas CNC são motores de passo híbridos bifásicos bipolares, com 200 ou - na variante de alta resolução - com 400 passos por revolução. Isso resulta em um ângulo de passo de 1,8 °, respectivamente 0,9 °.

De certa forma, as etapas são os pixels do movimento e, muitas vezes, a resolução física fornecida não é suficiente. A comutação forçada das bobinas de um motor de passo no modo de passo completo (drive de onda) faz com que o motor salte de uma posição de passo para a próxima, resultando em overshoot, ondulação de torque e vibrações. Além disso, queremos aumentar a resolução de um motor de passo para um posicionamento mais preciso. Os drivers de motor de passo modernos apresentam micropasso, uma técnica de direção que comprime números arbitrários de micropassos em cada passo completo de um motor de passo, o que reduz visivelmente as vibrações e (supostamente) aumenta a resolução e a precisão do motor de passo.

Por um lado, os micropassos são realmente passos que um motor de passo pode executar fisicamente, mesmo sob carga. Por outro lado, eles geralmente não aumentam a precisão de posicionamento do motor de passo. Microstepping é obrigado a causar confusão. Este artigo é dedicado a esclarecer isso um pouco e - como é uma questão muito dependente do driver - também compararei os recursos de micropasso dos drivers de motor A4988, DRV8825 e TB6560AHQ comumente usados.

Em um motor de passo híbrido, um driver de motor habilitado para micropasso ajustará a corrente nas bobinas do estator para posicionar o rotor de ímã permanente em uma posição intermediária entre duas etapas completas subsequentes. Um passo completo é então dividido em vários micropassos, e cada micropasso é alcançado pelas duas correntes da bobina.

Muitos drivers de motores industriais mais antigos apresentam apenas 4 micropassos (modo de quarto de passo), mas hoje, 16, 32 e até 256 micropassos por passo completo são comumente encontrados. Se antes tínhamos um motor de passo de 200 passos por revolução, agora temos um milagre de 51.200 passos por revolução. Em teoria.

Na prática, ainda estamos lidando com drivers de malha aberta, ou seja, o driver do motor não sabe a posição angular exata do eixo do motor e não corrigirá os desvios. O atrito, o torque de retenção do próprio motor e, mais impressionantemente, a carga externa que atua sobre o rotor passarão despercebidos pelo motorista. Sem fechar o loop através de um codificador e um driver especial mais sofisticado, o melhor que podemos supor é que o motor estará em algum lugar ± 2 passos completos (sim, muito ruim) perto de sua posição alvo, que é a deflexão máxima antes do rotor encaixa na posição errada de passo completo, resultando em perda de passo.

O torque incremental de um micro passo para outro é - governado por trigonometria impiedosa - apenas uma fração do torque dinâmico do motor. Para garantir que o eixo do motor realmente ajuste dentro de +/- 1 micropasso, também precisamos reduzir a carga de acordo. Exceder esse torque incremental menor não resultará em perda de passo, mas causará o mesmo erro de posicionamento absoluto de até ± 2 passos completos. A tabela abaixo mostra a relação devastadora.

Fonte: Nota Técnica do Motor de Passo: Microstep Mitos e Realidades por Micromo

A boa notícia é que, desde que usemos um driver de motor forte o suficiente e não excedamos esse torque incremental, seja por meio de uma carga externa ou da inércia interna do motor, o único limite teórico para alcançar a precisão de posicionamento do micropasso são o atrito interno do motor e o torque de retenção. Esses valores dependem muito do tipo de motor, mas geralmente são valores bastante baixos (quase insignificantes). Por exemplo, o motor usado no teste a seguir é especificado com um torque de retenção de 200 g cm. Isso é apenas 5% de seu torque de retenção de 4000 g cm. De acordo com a tabela acima, este motor deve ser capaz de posicionamento preciso com 16 micropassos por driver de passo completo.