Tópicos:
- Introdução
- Motor de passo de ímã permanente (tipo PM)
- Motor de passo de relutância variável (VR)
- Motor de passo híbrido
Introdução:
Um motor de passo, como o nome sugere, pode ser ajustado em várias etapas. O número de etapas pode variar. Dependendo da aplicação, o motor de passo pode ajustar de 4 a 200 passos por rotação, o que pode equivaler a uma rotação controlada de 0,8° de rotação do rotor.
A rotação angular de um motor de passo pode ser determinada com muita precisão. O motor de passo é basicamente um motor elétrico CC síncrono sem escovas de carvão porque as peças e os métodos de controle são muito semelhantes, mas mesmo assim se distingue deste motor DC pelas seguintes propriedades:
- Um motor de passo tem um torque relativamente grande em baixas velocidades e pode, portanto, dar partida muito rapidamente a partir de uma paralisação;
- O movimento de um motor de passo é lento e muito preciso. O motor DC é usado para funcionar rapidamente por um longo tempo;
- A velocidade de rotação e a posição do motor de passo são controladas por um sinal de controle da unidade de controle. Isto significa que nenhum sensor de posição ou outra forma de feedback é necessário;
- Um motor de passo faz mais ruído e causa mais vibrações em comparação com um motor DC sem escovas.
O motor de passo é usado em muitos lugares do carro para fazer com que as peças façam um movimento elétrico controlado. Abaixo estão três aplicações nas quais o motor de passo pode ser encontrado, a saber: para controle de marcha lenta, os ponteiros no painel de instrumentos e as válvulas de aquecimento para controle de ventilação.
Motor de passo para controle de marcha lenta:
A válvula borboleta de um motor a gasolina está fechada em repouso. É necessária uma pequena abertura para permitir que o motor funcione em marcha lenta. A passagem também deve ser ajustável, porque a temperatura e a carga (por exemplo, quando consumidores como a bomba de ar condicionado estão ligados) influenciam a quantidade necessária de ar aspirado.
Nos motores modernos, a posição da válvula borboleta é controlada com precisão. Também encontramos sistemas nos quais a válvula borboleta está completamente fechada e o ar é guiado ao redor da válvula borboleta através de um controle de bypass. A circulação de ar pode ser realizada através de um motor DC controlado por PWM ou por um motor de passo. Veja a página sobre o acelerador.
As três imagens abaixo são de um motor de passo que funciona como controlador de velocidade de marcha lenta. A abertura do bypass é controlada pelo eixo com extremidade cônica. Girar a armadura no motor de passo resulta na rotação da engrenagem helicoidal.
- Gire no sentido anti-horário: a engrenagem helicoidal gira para dentro (grande abertura no bypass);
- Rotação no sentido horário: a engrenagem helicoidal gira para fora (pequena abertura no bypass).
Painel de instrumentos:
O painel de instrumentos é frequentemente equipado com vários motores de passo para o medidor de nível do tanque, velocímetro, tacômetro, temperatura do motor e, no exemplo abaixo, também o medidor de consumo sob o tacômetro. O painel de instrumentos de um BMW é mostrado abaixo.
Na parte traseira (interior) do painel de instrumentos encontramos os cinco motores de passo com carcaça preta. À direita vemos o motor de passo em questão sem carcaça. Aqui você pode ver claramente as duas bobinas e as quatro conexões (duas à esquerda, duas à direita) pelas quais podemos reconhecer o motor de passo bipolar. O motor de passo pode ajustar as agulhas do ponteiro em pequenos passos. O comando para ajustar vem da ECU no painel de instrumentos.
O diagrama a seguir mostra as entradas e saídas do driver do motor de passo. Este é o IC no painel de instrumentos que traduz as informações recebidas em uma saída para o motor de passo:
- nível de combustível no tanque (bóia do tanque);
- velocidade do veículo (gerador de pulsos na caixa de câmbio ou sensores ABS);
- rotação do motor (sensor de posição do virabrequim);
- temperatura (sensor de temperatura do líquido refrigerante).
No diagrama de blocos, as setas vermelha e verde mostram as conexões (A a D) nas bobinas do motor de passo.
Válvulas guia de ar na casa do fogão:
Muitas vezes encontramos motores de passo nas válvulas de ventilação operadas eletronicamente no casa do fogão. As imagens abaixo mostram a foto de uma válvula de temperatura do ar (esquerda) e uma ilustração da posição de instalação (direita). O motor de passo opera a válvula por meio do mecanismo, onde o número 4 na ilustração indica o ponto de articulação. Se o motor de passo funcionar incorretamente ou após a substituição, as posições inicial e final deverão ser informadas na ECU. Com equipamentos de diagnóstico podemos aprender as paradas da válvula, para que a ECU saiba quando a válvula está totalmente aberta ou fechada, para que também possa determinar por quanto tempo deve acionar o motor de passo para abrir parcialmente a válvula.
Motor de passo de ímã permanente (tipo PM):
Este tipo de motor de passo possui um rotor com ímã permanente. A vantagem deste motor de passo é a sua construção simples e, portanto, um preço baixo. Abaixo estão informações sobre o funcionamento deste motor de passo.
O rotor do motor de passo pode fazer uma rotação completa com vários passos intermediários. No exemplo das quatro imagens abaixo, são mostradas quatro etapas intermediárias por rotação. O rotor pode, portanto, ser parado a cada 90 graus. O motor de passo esquerdo está na posição 1, com o pólo norte do rotor na parte superior e o pólo sul na parte inferior. Para mover o rotor 90 graus no sentido horário, a corrente para a bobina com terminais C e D é interrompida e a outra bobina é energizada. Isso pode ser visto no segundo motor de passo. A sapata do pólo esquerdo fica vermelha (pólo norte) e a direita fica preta (pólo sul). Isso colocará o rotor na posição 2.
Isto também funciona desta forma com as configurações 3 e 4; a bobina entre C e D é energizada para a posição 3, mas a corrente flui na direção oposta à da posição 1. A sapata do pólo superior é agora o pólo norte e a inferior é o pólo sul. O rotor estará agora na posição 3. Para a posição 4, a bobina inferior é energizada novamente e o rotor girará para a posição 4.
O motor de passo de quatro velocidades pode ser parado a cada 90 graus. Se isto for insuficiente para a aplicação para a qual o motor de passo é utilizado, ele também pode ser ajustado em oito etapas. Isto é possível com o mesmo motor de passo, mas durante estas etapas intermediárias ambas as bobinas serão energizadas simultaneamente.
A imagem abaixo mostra essas etapas intermediárias. Estas são as etapas 5 a 8. Como você pode ver, a configuração 5 está entre as etapas 1 e 2. O mesmo se aplica à etapa 6 (entre as etapas 2 e 3), etc. Durante essas etapas intermediárias, uma corrente flui através de ambas as bobinas.
Quando o rotor tem que ser girado para o passo 5, uma corrente flui tanto na bobina inferior de A para B quanto na bobina superior de C para D. Portanto, existem agora dois pólos norte (as sapatas vermelhas) e dois pólos sul (as sapatas pretas). O rotor estará na posição 5.
Para girar o rotor mais 45 graus (para a posição 2), o diagrama do motor de passo com quatro posições se aplica novamente. A bobina inferior será energizada novamente para permitir que uma corrente flua de A para B.
Se o motor de passo for girado mais 45 graus (para a posição 6), a imagem acima será aplicada novamente, com ambas as bobinas energizadas.
O motor de passo é sempre controlado por um dispositivo de controle. Os transistores no IC do driver do dispositivo de controle fornecem o fornecimento e descarga de corrente de e para as sapatas polares. A unidade de controle contém oito transistores. Ao controlar corretamente esses oito transistores, o motor de passo fará uma revolução completa em quatro ou oito etapas. A rotação pode ser em duas direções; esquerda e direita. O dispositivo de controle garante que os transistores corretos sejam condutivos.
Na imagem vemos um motor de passo controlado por um dispositivo de controle. Os transistores 1 e 4 estão ligados. Para esclarecer o controle, os transistores e fios são coloridos em vermelho e marrom. O transistor 1 (vermelho) conecta o terminal A ao positivo e o transistor 4 (marrom) conecta o terminal B ao terra.
Como os transistores 2 e 3 não estão ligados, nenhuma corrente flui através deles. Se fosse esse o caso, ocorreria um curto-circuito.
Na imagem, o motor de passo é girado um pouco mais. Para este propósito, os transistores 6 e 7 também devem ser tornados condutores.
Para permitir que o motor de passo gire um pouco mais, a condução dos transistores 1 e 4 é interrompida. Somente os transistores 6 e 7 ainda conduzem, fazendo com que o motor de passo assuma a posição 3.
Para a próxima etapa, os transistores 2 e 3 devem estar ligados.
Motor de passo de relutância variável (VR):
Assim como o motor de passo de ímã permanente, o motor de passo de relutância variável contém pólos do estator com bobinas. Ele difere do motor de passo discutido anteriormente por seu rotor dentado feito de metal ferromagnético, como níquel ou ferro. Isso significa que o rotor não é magnético. Este tipo de motor de passo raramente é usado hoje em dia.
A bobina do estator de um lado (A) é enrolada no sentido oposto ao da bobina do outro lado (A'). O mesmo se aplica, é claro, a B e B' etc. Os dentes do rotor são atraídos pelo fluxo magnético criado pela energização das bobinas do estator.
As vantagens do motor de passo VR em relação à versão com ímãs permanentes são:
- Devido à ausência de ímãs permanentes, a produção do motor de passo VR é menos prejudicial ao meio ambiente;
- Não é necessário inverter a polaridade das bobinas do estator. Isto permite um controle mais simples;
As desvantagens são:
- Baixo torque;
- Baixa precisão;
- Maior produção de ruído. O número de aplicações, inclusive automotivas, é, portanto, limitado;
- Devido à ausência de ímãs permanentes, não há torque de retenção quando parado.
Motor de passo híbrido:
O motor de passo híbrido possui um rotor dentado com ímãs permanentes e um estator dentado com oito bobinas com um pequeno entreferro entre o rotor e o estator. O rotor consiste em duas engrenagens deslocadas 3,6° uma da outra. Há um grande ímã no interior do rotor. Duas engrenagens de aço são pressionadas sobre o ímã. As engrenagens também se tornam magnéticas devido à presença do ímã. Uma engrenagem é magnetizada como pólo norte e a outra como pólo sul. Cada dente do rotor se torna um pólo magnético. Falamos, portanto, do “rotor do Pólo Norte” e do “rotor do Pólo Sul”. Devido à mudança das engrenagens, os pólos norte e sul irão alternar durante a rotação. Cada engrenagem possui 50 dentes.
No momento em que o acionador do motor de passo conduz corrente através de uma bobina do estator, a bobina se torna magnética. Os pólos norte das bobinas atrairão os pólos sul do rotor, fazendo com que o rotor gire.
As três imagens abaixo mostram o controle das duas fases (vermelha e laranja) do motor de passo híbrido.
A. O rotor do motor de passo girou para sua posição atual (veja a figura) porque as bobinas mostradas foram tornadas magnéticas.
- A engrenagem verde é o pólo sul, que é atraído pelos pólos norte do estator;
- Os dentes entre o rotor e o estator estão alinhados entre si nos locais onde o rotor foi puxado. Para maior clareza, estes pontos são indicados com uma marca preta nas três situações;
- A engrenagem vermelha está atrás da engrenagem verde. Como as engrenagens giram uma em relação à outra, os dentes vermelhos ficam visíveis. Os pólos norte do rotor são atraídos pelos pólos sul do estator.
B. O controle mudou de fase. O campo magnético entre as bobinas laranja e o rotor desapareceu. Agora as bobinas da fase “vermelha” são controladas, fazendo com que o campo magnético seja construído entre as bobinas vermelhas e o rotor.
- Como resultado da mudança do campo magnético das bobinas laranja para vermelha, o rotor gira 1,8° no sentido horário;
- Para girar o rotor no sentido anti-horário em vez de horário, a polaridade (sentido da corrente) teve que ser invertida através das conexões vermelhas. Afinal, a direção da corrente através da bobina determina a direção do campo magnético e, portanto, a “posição” dos pólos norte e sul.
C. O controle mudou de fase novamente e o rotor girou novamente 1,8° no sentido horário.
- As mesmas bobinas da situação A estão energizadas, mas a polaridade dos fios laranja foi invertida;
- O rotor pode ser girado novamente no sentido anti-horário controlando as bobinas conforme mostrado na situação B;
- Para fazer o rotor girar no sentido horário, as bobinas vermelhas também são energizadas, mas a polaridade é invertida em relação à situação B.
Nos exemplos acima pode-se ver que o rotor do pólo norte é atraído por uma bobina do pólo sul e ao mesmo tempo o rotor do pólo sul é atraído por uma bobina do pólo norte. Isso garante que o motor de passo híbrido faça movimentos muito precisos e também tenha um alto torque.
O motor de passo híbrido pode ser equipado com mais pares de pólos e mais dentes no rotor, permitindo passos de até 0,728° e 500 passos por revolução.
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