Motor de passo: começando com baixo custo - Aula 1

Neste primeiro vídeo de uma série de quatro episódios eu introduzo vários conceitos fundamentais sobre o motor de passo e, então, já partimos para a prática, utilizando um motor retirado de um “velho” scanner e um arduino, permitindo um experimento de baixo custo.

Entre as características principais do motor de passo, cito no vídeo que esse permite o controle de velocidade e posicionamento de forma mais precisa, no entanto, necessita de um controle mais complexo para operação. Seu ponto forte é a precisão, e não a velocidade ou torque, ao contrário de outros tipos de motores.

Características principais

·         Não possuem escovas ou comutadores aumentando a vida útil.

·         Permitem o controle de velocidade e posicionamento mais precisos.

·         Necessitam de um controle mais complexo para operação.

·         Rotacionam em ângulos discretos e sequenciais (chamados passos).

·         Seu ponto forte é a precisão, e não a velocidade ou torque, ao contrário dos outros tipos de motores.

Montagem

Na nossa montagem, portanto, usamos um motor que retirei de um scanner, o qual equivale a mais ou menos um Nema 17. Temos um driver, um regulador de tensão e um Arduino Uno. Particularmente, gosto muito de motor de passo, pois o considero indestrutível.

Extraindo o motor do Scanner

O scanner do qual retirei o motor trabalhou continuamente durante cerca de cinco anos e, “pasmem!”, esse motor estava perfeito, ao contrário das engrenagens. Por isso, digo que o motor de passo é uma “maravilha da engenharia”.

Confira abaixo algumas imagens da desmontagem. Lembre-se: cuidado para não cortar os fios.

Motor do Scanner

Configuração das bobinas (Tipos)

As bobinas internas de um motor de passo podem aparecer em duas configurações básicas: UNIPOLAR e BIPOLAR. A forma como as bobinas são ligadas determinará a forma de controle do motor e o tipo de driver que poderá ser utilizado.

Para saber mais, veja esse vídeo: Motor de passo de 4, 5, 6 e 8 fios

Motor Bipolar

As bobinas internas de um motor de passo BIPOLAR são independentes (A+A- e B+B-). Normalmente possuem 4 fios.

Para identificar os pares (A+A- ou B+B-), podemos utilizar um ohmímetro. A resistência elétrica apresentada pelas bobinas é baixa (na ordem de alguns ohms).

Se ao medir, detectarmos  algum valor de resistência, temos um par.

A identificação de qual bobina é A ou B não é importante neste caso. Ao montar o circuito de ativação, perceberemos se alguma das bobinas ficou invertida (+ e -), porque o motor ao invés de girar irá oscilar de um lado para o outro. Basta inverter os fios de alguma das bobinas.

Motores Bipolares precisam de um driver capaz de inverter a polaridade da tensão aplicada nas bobinas (normalmente uma ponte H).

Eletrônica digital e motores de passo

Para controlar os motores de passo, utilizamos circuitos digitais para determinar a sequencia de acionamento das bobinas. E a partir disso, determinar sua velocidade de rotação, direção e posicionamento.

Para isso, vamos programar um Arduino UNO para efetuar o acionamento na sequencia e rapidez que desejamos.

Para motores BIPOLARES em modo FULL STEP:

No modo FULL STEP as bobinas são ativadas e tem suas polarizações invertidas sequencialmente.

Conhecendo o motor...

Com o número de modelo do motor, procuramos pela sua respectiva folha de dados.

Encontramos uma série próxima. Nela pudemos utilizar uma tabela de comprimentos para encontrar o motor mais próximo.

Como o motor possui 30mm de comprimento, a série mais próxima é a 17PM – K2.

Precisamos obter mais informações de nosso motor para poder caracterizá-lo. Uma medida que pode ajudar e é importante é a resistência das bobinas e o número de fios.

 - Nosso motor possui 4 fios.

 - Medindo o resistência do enrolamento encontramos 2,7 ohms  aproximadamente.

Dos dois motores da série 17PM – K2, um deles apresenta uma resistência similar, O 17PM – K249U. Este pode ser o substituto mais atual do nosso motor.

ATENÇÃO!!!

NOSSA INVESTIGAÇÃO NOS LEVOU A UM MOTOR PARECIDO COM NOSSO MOTOR, MAS NÃO SIGNIFICA QUE SEJA O MESMO MOTOR. ISSO SERVIRÁ APENAS COMO NOSSO PONTO DE PARTIDA, ONDE NOS ORIENTAREMOS, MAS NUNCA JULGAREMOS QUE ESTAS INFORMAÇÕES SÃO REALMENTE RELATIVAS AO NOSSO MOTOR.

O MAIS ADEQUADO SEMPRE É TER A FOLHA DE DADOS QUE REALMENTE CORRESPONDA AO COMPONENTE.

Datasheet do motor...

Utilizando a folha de dados de nosso motor, encontramos as seguintes informações:

 - Número de passos por revolução: 200 (1,8 graus por passo)

 - Corrente de operação: possivelmente 800mA

 - Tensão de alimentação: possivelmente até 24V

 - Configuração das bobinas: bipolar (4 fios)

Estas informações servirão apenas para uma orientação preliminar.

Escolhendo o driver para controle

Não podemos utilizar o Arduino para controlar diretamente as bobinas do motor.

Para isso será necessário utilizar um circuito intermediário capaz de fornecer as tensões e correntes adequadas. No caso, um circuito chamado de driver.

Sua função será ajustar os sinais de controle enviados pelo Arduino para os níveis adequados.

Para nosso tipo de motor usaremos o L298N, que possui 2 pontes H internamente onde ligaremos cada uma das bobinas e ele será responsável pela polarização correta e o fornecimento de corrente.

O L298N pode suprir 2 ampères por canal. Nossa expectativa é que o motor tenha um consumo por volta de 800mA. Como utilizaremos uma fonte ajustável de tensão para alimentar o motor e monitoraremos a corrente drenada da fonte, poderemos realizar a montagem com segurança.

Faremos isso aumentando a tensão de alimentação e monitorando a corrente até que o motor apresente o torque adequado.

Descrição dos pinos

Sequência de ativação

Montagem do circuito

Conexões

Código – Fonte do Arduino

Declarações Globais:

Começamos definindo constantes que representarão os pinos D2, D3, D4, D4 e D5 do Arduino. Estes pinos serão os responsáveis pela transmissão da sequencia de acionamento para o driver.

Criamos também uma variável chamada “velocidade”, que podemos utilizar para alterar a velocidade motor. Criamos como uma variável para poder explorar, caso desejássemos,  a velocidade do motor utilizando o próprio código.

// Declaração Global de constantes que representarão os pinos do Arduino
const byte INPUT_1 = 2;
const byte INPUT_2 = 3;
const byte INPUT_3 = 4;
const byte INPUT_4 = 5;

//criando uma variável que determinará a velocidade do motor
int velocidade = 1000; 

Setup – Ajustando o Arduino

Na função void setup(), ajustamos a função dos pinos de comando como saídas digitais.

void setup() {
// Ajustando os pinos do Arduino para operarem como saídas digitais
  pinMode(INPUT_1, OUTPUT);
  pinMode(INPUT_2, OUTPUT);
  pinMode(INPUT_3, OUTPUT);
  pinMode(INPUT_4, OUTPUT);
}

Loop – Executando a sequencia de ativação

Será na função void loop()  onde executaremos  o acionamento sequencial das portas de comando,  que transmitirão esta sequencia para o driver L298N que consequentemente ativará as bobinas.

O código simplesmente ativa os pinos como mostrado na tabela para cada um dos passos.

Vamos ver em detalhes.

void loop() {
  
// Passo 1: + - - -
  digitalWrite(INPUT_1, HIGH);
  digitalWrite(INPUT_2, LOW);
  digitalWrite(INPUT_3, LOW);
  digitalWrite(INPUT_4, LOW);
  
//Aguarda
  delay(velocidade);

// Passo 2: - + - -
  digitalWrite(INPUT_1, LOW);
  digitalWrite(INPUT_2, HIGH);
  digitalWrite(INPUT_3, LOW);
  digitalWrite(INPUT_4, LOW);
  
//Aguarda
  delay(velocidade);

// Passo 3: - - + -
  digitalWrite(INPUT_1, LOW);
  digitalWrite(INPUT_2, LOW);
  digitalWrite(INPUT_3, HIGH);
  digitalWrite(INPUT_4, LOW);
  
//Aguarda
  delay(velocidade);

// Passo 4: - - - +
  digitalWrite(INPUT_1, LOW);
  digitalWrite(INPUT_2, LOW);
  digitalWrite(INPUT_3, LOW);
  digitalWrite(INPUT_4, HIGH);
  
//Aguarda
  delay(velocidade);
}

Detalhe do Loop – Passo 1

// Passo 1: + - - -
  digitalWrite(INPUT_1, HIGH);
  digitalWrite(INPUT_2, LOW);
  digitalWrite(INPUT_3, LOW);
  digitalWrite(INPUT_4, LOW);
  
//Aguarda
  delay(velocidade);

Detalhe do Loop – Passo 2

// Passo 2: - + - -
  digitalWrite(INPUT_1, LOW);
  digitalWrite(INPUT_2, HIGH);
  digitalWrite(INPUT_3, LOW);
  digitalWrite(INPUT_4, LOW);
  
//Aguarda
  delay(velocidade);

Detalhe do Loop – Passo 3

// Passo 3: - - + -
  digitalWrite(INPUT_1, LOW);
  digitalWrite(INPUT_2, LOW);
  digitalWrite(INPUT_3, HIGH);
  digitalWrite(INPUT_4, LOW);
  
//Aguarda
  delay(velocidade);

Detalhe do Loop – Passo 4

// Passo 4: - - - +
  digitalWrite(INPUT_1, LOW);
  digitalWrite(INPUT_2, LOW);
  digitalWrite(INPUT_3, LOW);
  digitalWrite(INPUT_4, HIGH);
  
//Aguarda
  delay(velocidade);

Entendendo o programa

Esquema geral:

Arquivos para download:

INO

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