Evitando a Ressonância Com Motores De Passo

Motores de passo são motores elétricos sem escova, normalmente com um alto número de polos. Normalmente são usados como uma solução de posicionamento fácil e econômica, já que podem ser acionados passo a passo sem precisar de um sistema de feedback de posição do rotor (como um encoder ou sensor hall integrado). Essa forma de conduzir um motor sem feedback também é chamada de controle de "ciclo aberto". No entanto, o design desses motores e a maneira como são conduzidos pode levar a problemas em determinadas condições. Neste informe, iremos analisar diferentes maneiras de evitar esses problemas e garantir um movimento adequado.

GENERALIDADE SOBRE MOTORES DE PASSO

As fases do motor de passo são comutadas sequencialmente por um driver eletrônico externo que irá movimentar consequentemente o rotor (normalmente carregando um ímã permanente) de uma posição estável para a próxima. O motor selecionado deve oferecer torque suficiente para mover o rotor e carregar para a próxima etapa após cada comutação. Se o torque não for suficiente ou se a velocidade for muito alta, há um risco de perder o sincronismo entre o driver e a posição real do rotor, podendo causar a perda de passos, possíveis alterações na direção da rotação e um movimento errático geral.

A figura 1 mostra o conceito de um motor de passo de 2 fases muito simples com um par de polos. A sequência de comutação acionada eletronicamente (A, B, -A, -B) criará uma revolução completa do rotor em quatro etapas (90° por passo).

OSCILAÇÃO EM RELAÇÃO A UMA POSIÇÃO ESTÁVEL

Em cada passo, o rotor tende a alinhar seus polos com os polos do estator. Contanto que uma fase seja energizada continuamente (sem alternar para a próxima fase), o rotor mantém uma posição estável.

(Figura 2) O gráfico acima mostra que, se o rotor se mover adiante da posição alvo, o motor irá desenvolver um torque negativo que tenderá a puxar o rotor de volta à posição alvo. Por outro lado, quando o rotor está antes da posição alvo (lado esquerdo), um torque positivo irá empurrar o rotor adiante na direção da posição alvo. Nessas condições, parece que um fenômeno de oscilação pode ocorrer facilmente, já que a inércia do rotor (incluindo a inércia da carga, se houver) evitará que o rotor pare exatamente na posição estável. Sempre que o rotor se move de uma posição estável para a próxima posição estável (um passo adiante), a posição angular normalmente ultrapassará a posição alvo do rotor devido à sua energia cinética à medida que se aproxima. Então, ela oscilará ao redor da posição assim que o torque negativo chamar o rotor de volta à posição alvo. A frequência natural dessa oscilação periódica pode ser calculada como se segue:

No entanto, essa oscilação será reduzida em magnitude com o tempo, devido às perdas do sistema. Essa redução de amplitude normalmente é chamada de "amortecimento" e depende de vários fatores. Em algum momento, o amortecimento sempre trará o rotor a uma posição parada se apenas uma fase for energizada, mas em alguns casos, faz sentido otimizar o amortecimento quando as fases são energizadas sequencialmente (comutação).

Em alta velocidade, o período de comutação fica mais curto, e se a oscilação não acabar antes que a próxima etapa seja comandada, há um risco de ressonância (a tendência do sistema mecânico responder a uma amplitude maior). Provavelmente isso irá acontecer se a frequência de comutação estiver próxima à frequência natural do sistema, como visto acima. (Figura 3)

A ressonância pode levar a operação errática do motor, perda de passos e alteração na direção da rotação aleatoriamente. Portanto, é importante tomar medidas preventivas para evitar que ocorra qualquer ressonância para garantir o sincronismo adequado entre o comando e a posição real do rotor.

MANEIRAS DE EVITAR A RESSONÂNCIA

Evite a frequência natural
A ressonância ocorre tipicamente quando a frequência de comutação está próxima à frequência natural de vibração do sistema mecânico. Consequentemente, a maneira mais básica de evitar a ocorrência de ressonância é manter a frequência de comutação distante da frequência natural do sistema usando os parâmetros descritos. No entanto, mudar a frequência de comutação nem sempre é possível, porque isso às vezes requer que outras mudanças compensem a mudança de velocidade.

Desloque a frequência natural
Em vez de alterar a frequência de comutação, é melhor deslocar a frequência natural para uma mais alta ou baixa a fim de evitar que a frequência de comutação corresponda a ela. Normalmente, isso é feito trabalhando-se nos dois parâmetros que influenciam a frequência natural: o torque de retenção e a inércia total do sistema.

Torque de retenção
Normalmente, um motor é dimensionado para ser usado em sua corrente nominal, o que define o torque de retenção. Usar uma corrente mais alta (para aumentar o torque de retenção) não é possível para uma operação contínua já que as perdas mais altas de joules resultaria em uma temperatura excessiva da bobina. No entanto, é possível usar uma corrente mais baixa (para obter um torque de retenção mais baixo e deslocar a frequência natural para baixo), se o torque inferior for suficiente para as necessidades da aplicação.
Inércia
O momento de inércia do sistema mecânico é a soma da inércia do rotor do motor mais a inércia de carga. O desenvolvedor do motor pode alterar a inércia do rotor implementando alterações no design. A frequência de ressonância natural de um motor sem carga é geralmente fornecida nas especificações do motor. Caso contrário, o usuário pode trabalhar na inércia de carga (completamente independente do motor). Aumentar a inércia deslocará a frequência natural do sistema geral para baixo e vice-versa. Alterar a inércia do sistema também pode afetar o desempenho do motor na aplicação e deve ser confirmada com o fornecedor do motor para garantir uma operação adequada.

Evite a ressonância com micropassos
Quanto mais alta a energia trazida ao sistema mecânico, maior é o risco de acionar um fenômeno de ressonância. Para evitar isso, a estratégia de micropassos pode ser uma boa solução em vez de conduzir um motor de passos com passos completos. Cada micropasso (meio passo, ¼ de passo etc.) tem um ângulo de passo menor e exige menos energia para mover-se de uma posição estável para a próxima. A ultrapassagem da posição alvo é menor e também a magnitude da oscilação, o que frequentemente é uma maneira eficiente de evitar a ressonância.

Além disso, a estratégia de micropassos geralmente oferece menos ruído, menos vibração e uma operação mais suave. Os motores de passo normalmente são acionados em micropassos.

Evite a ressonância com amortecimento
Há vários tipos de fatores de amortecimento:

Fricção de carga e fricção do rolamento do motor
A fricção oferece um torque de frenagem (oposto à direção instantânea da rotação) que é constante, independentemente da velocidade do motor. Enquanto isso ajuda a amortecer a oscilação e evita a ressonância, você deve lembrar que a fricção também adiciona à carga aplicada no motor a qualquer velocidade. Então, é importante garantir que o desempenho do motor seja suficiente ao adicionar fricção para evitar ressonância.
Fricção viscosa
A fricção viscosa também oferece um torque de frenagem, mas sua magnitude depende da velocidade do motor. Quanto maior for a velocidade, mais forte é o amortecimento viscoso. Normalmente, esta é a maneira preferida de amortecer um movimento de oscilação. Ela oferece uma frenagem mais forte enquanto a amplitude de oscilação é ótima (velocidade maior no início) e apenas frenagem muito leve assim que a oscilação for menor (diferente da fricção seca que oferece a mesma magnitude de frenagem mesmo em baixa velocidade). Como consequência, a fricção viscosa é uma boa maneira de amortecer a oscilação dentro de um curto período, e sem adicionar carga demais sobre o motor.

Há diferentes fenômenos que podem trazer fricção viscosa a um sistema:

» Corrente parasita gerada no ferro do estator (perdas de ferro), agindo como um torque de frenagem. Essas perdas são mais altas quando a velocidade é maior, e não existem na ausência de movimento, podendo ser consideradas assim como fricção viscosa. Dependendo do design e tecnologia do motor, as perdas de ferro podem ser diferentes de um motor para outro. Motores de disco magnético normalmente têm perdas de ferro limitadas que permite que eles atinjam velocidades relativamente altas. Portanto, não devemos confiar apenas nas perdas de ferro para amortecer a oscilação de um motor de disco magnético e podemos considerar outra maneira de evitar a ressonância com esse tipo de motor.
» Força contra-eletromotriz (tensão) induzida na bobina, resultando em uma corrente e um torque de frenagem que amortecerá a oscilação. Essa corrente normalmente é permitida quando a fase não energizada sofre curto-circuito, e como é proporcional à velocidade do motor (quanto maior a velocidade, mais forte o torque de frenagem), ela também pode ser considerada como uma fricção viscosa. Drivers de inversão (corrente constante) normalmente não permitem esse tipo de amortecimento, já que a corrente é mantida constante apesar das variações da força contra-eletromotriz.
» As soluções de amortecimento eletrônicas podem ser aplicadas acionando o motor de uma maneira particular sem alterar nenhum parâmetro mecânico no sistema.
» Um amortecedor mecânico externo também pode ser adicionado à aplicação ou sobre o motor para absorver alguma energia de vibração por fricção viscosa para evitar a ressonância.

CONCLUSÃO

A operação passo a passo sequencial de motores de passo pode levar a problemas de ressonância sempre que condições favoráveis para ela forem atendidas simultaneamente. Às vezes, agir em apenas uma dessas condições pode ser suficiente para eliminar a ressonância. Deve-se ter em mente que, dependendo da tecnologia e design do motor, pode haver intervalos de frequência adicionais que têm probabilidade de causar ressonância, além da frequência de oscilação natural. Entre elas está, por exemplo, a ressonância de frequência média. Os fornecedores de motor podem ajudar você a determinar quais intervalos de frequência têm a probabilidade de causar uma ressonância e como evitar sua ocorrência.

FALE COM UM ENGENHEIRO

Figura 1 - Conceito básico de um motor de passo de 2 fases com 1 par de polos
Figura 2 - Perfil de torque de motor de passo com 1 fase energizada
Figura 3 - Oscilação do rotor amortecida com o tempo