DIFERENÇA ENTRE ACIONAMENTO BIPOLAR E ACIONAMENTO UNIPOLAR PARA MOTORES DE PASSO

Trabalhar em um desenvolvimento motorizado requer certo conhecimento sobre motores e controladores. Este artigo aborda os motores de passo, que são um tipo de motor DC sem escovas com muitos polos. Esta tecnologia geralmente utiliza circuito aberto sem qualquer sensor de feedback, o que significa que, normalmente, a corrente é aplicada nas fases sem saber a posição do rotor. O rotor se move para ficar alinhado ao fluxo magnético do estator, então a corrente pode ser fornecida para a fase seguinte.

Consideraremos duas maneiras de fornecer corrente à bobina: modo bipolar e modo unipolar. Neste artigo, explicaremos as diferenças entre os motores bipolares e unipolares e os métodos de acionamento. Mostraremos as vantagens e limitações de ambas as tecnologias.

Vamos examinar o exemplo de um motor de passo de ímã permanente de quatro passos (veja a Figura 1). O rotor é feito com um ímã de um par de polos e o estator é composto por duas fases, Fase A e Fase B.

  • Modo unipolar: a corrente flui sempre no mesmo sentido. Cada bobina é dedicada a um sentido da corrente, o que significa que a bobina A+ ou a bobina A- é energizada. As bobinas A+ e A- nunca são energizadas simultaneamente.
  • Modo bipolar: a corrente pode fluir em ambos os sentidos em todas as bobinas. As fases A+ e A- são energizadas simultaneamente.

Um motor bipolar requer no mínimo uma bobina por fase e o motor unipolar requer no mínimo duas bobinas por fase. Vamos examinar as duas opções com mais detalhes.

CONSTRUÇÃO DO MOTOR

UNIPOLAR

Na configuração unipolar, cada fase do motor é composta por dois enrolamentos. Um motor bifásico composto pelas fases A e B e o motor possui quatro enrolamentos de bobinas (veja a Figura 2).

  • A fase A é composta por A+ e A-
  • fase B é composta por B+ e B-

Em cada bobina, a corrente só pode fluir em um único sentido. É por isso que o chamamos de unipolar.

No caso do acionamento por tensão, o sistema de controle é muito fácil, pois há um transistor (chave) por bobina. Quando o transistor fecha, a bobina é energizada. Para comutar, os transistores são fechados e abertos alternadamente.

Os transistores Q1 e Q2 não podem ser fechados ao mesmo tempo. Para energizar a fase A, fechamos o transistor Q1 ou Q2, dependendo do sentido da corrente em que desejamos trabalhar (veja a Figura 3).

Com o controle unipolar, apenas metade da fase é energizada por vez, o que significa que a corrente usa apenas metade do volume de cobre. Normalmente, resistências seriais de acionamento por tensão são aplicadas para diminuir a constante de tempo elétrica (veja mais detalhes abaixo).

BIPOLAR

Os motores bipolares precisam de apenas de um enrolamento por fase. São chamados de bipolar porque a corrente pode fluir em ambos os sentidos em cada bobina. Para controle, são necessários oito transistores com duas pontes H (veja a Figura 4).

Para comutar, os transistores são fechados e abertos alternadamente conforme mostrado abaixo (veja a Figura 5).

A vantagem do motor bipolar é que todo o cobre por fase é usado.

Esses motores bipolares são usados tanto no acionamento por tensão quanto na fonte de corrente. No caso de fonte de corrente, normalmente a corrente em cada fase é controlada com uma modulação por largura de pulso (PWM).

VANTAGENS E LIMITAÇÕES

ACIONAMENTO POR TENSÃO

No caso de acionamento por tensão, o controle de motores unipolares é muito fácil, pois requer um sistema eletrônico simples com quatro transistores. Esta é uma solução muito econômica. Os engenheiros costumavam se interessar por esse tipo de solução há muitos anos, quando os componentes eletrônicos eram mais caros do que atualmente.

Os motores bipolares podem ser acionados por meio de acionamento por tensão; isso requer pontes 2H.

ACIONAMENTO POR CORRENTE

Para o acionamento por corrente, recomendamos escolher o modo bipolar. Trabalhar com acionamento por corrente com tecnologia unipolar requer uma solução eletrônica mais complexa e o desempenho do motor é inferior ao da tecnologia bipolar.

CUIDADO A TOMAR COM O ACIONAMENTO POR TENSÃO

Devido ao efeito da indutância, a corrente na bobina precisa de algum tempo para aumentar. Tanto no motor unipolar como no bipolar, é possível adicionar uma resistência em série para diminuir a constante de tempo elétrica (L/R).

Ao adicionar uma resistência externa, a corrente diminui (i = U/(R + r)). Em resumo, com a resistência adicional para a mesma potência fornecida, teremos:

  • Em baixa rotação, torque menor. A corrente é menor devido à potência dissipada por efeito joule na resistência externa, como o torque é proporcional à corrente, o motor produzirá menos torque.
  • Em alta rotação, torque maior. Mesmo que alguma potência seja dissipada na resistência externa por efeito joule, o motor será capaz de fornecer mais torque graças à constante de tempo elétrica mais baixa, permitindo que a corrente suba mais rapidamente na bobina.

Observação: se aumentarmos a tensão de alimentação, podemos compensar a corrente mais baixa, mas a eficiência energética geral diminui. O torque melhora em alta rotação e permanece o mesmo em baixa rotação.

TORQUE DE RETENÇÃO

O torque de retenção é o torque máximo que o motor pode reter ao travar. O torque de retenção é proporcional à constante de torque e à corrente na fase.

É possível gerar torque mais alto aumentando o número de espiras da bobina ou aumentando o fluxo de corrente.

Holding Torque Math Formula

O aumento da corrente gera calor adicional devido à perda de potência dissipada por efeito joule (Pjoule = R × i2). O fornecimento de corrente é limitado pela capacidade térmica da bobina. A temperatura da bobina geralmente pode atingir a temperatura máxima admissível da bobina, normalmente 100 °C ou 130 °C, dependendo do tipo de motor.

Agora, vamos olhar para as perdas de potência por efeito joule em ambas as combinações (veja a Figura 6), considerando 1 fase energizada:

Considerando que cada bobina individual tem sua própria resistência, indutância e constante de torque e se as perdas de potência por efeito joule forem iguais em ambos os casos, Pjoule uni = Pjoule uni = P0

Então teremos:

Bipolar and Unipolar formula

Para a mesma perda de potência por efeito joule, o motor bipolar pode produzir √2 (≈40%) mais torque do que o motor unipolar.

Para a mesma potência elétrica, o motor bipolar proporciona melhor resultado do que o motor unipolar.

MODO DINÂMICO

Conforme demonstrado acima, para a mesma potência dissipada, o modo bipolar pode fornecer 40% a mais de torque. No entanto, em alta rotação no acionamento por tensão, o motor unipolar pode fornecer um torque maior do que o motor bipolar, pois a corrente pode percorrer a bobina mais rapidamente. Você pode ver um exemplo abaixo (veja a Figura 7).

FIOS/CONEXÃO DO MOTOR

Um motor bipolar tem, geralmente, quatro fios, enquanto um motor unipolar tem seis ou oito fios se o ponto do meio não estiver conectado (veja a Figura 8).

8 FIOS

Se o motor unipolar tiver oito fios, ele poderá ser convertido em uma versão bipolar conectando as meias fases. Se trabalharmos com motor de 8 fios no modo bipolar, as bobinas poderão ser conectadas em série ou em paralelo. Ambas as opções possuem a mesma regulagem do motor (R/k^2) e o mesmo desempenho de torque para a mesma potência elétrica (veja a Figura 9).

Um conjunto conectado em série tem resistência quatro vezes maior do que um conjunto conectado em paralelo.

Uma conexão em série requer duas vezes a corrente e metade da tensão de uma conexão em paralelo.

Uma conexão em série ou em paralelo corresponderá à fonte de alimentação.

CONCLUSÃO

Ambos os conjuntos unipolar e bipolar têm vantagens (veja a Figura 10).

O controle unipolar era comumente usado no passado. Devido à melhoria de custo dos componentes eletrônicos, a tendência agora é trabalhar com o bipolar de acionamento por corrente. Para acionamento por tensão, o unipolar ainda é uma opção econômica.

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Figura 1. Motor de passo de 4 passos
Figure 2
Figura 2. Construção do motor e acionamento unipolar
Figure 3
Figura 3. Eletrônica para acionamento unipolar
Figure 4
Figura 4. Construção do motor e acionamento bipolar
Figura 5. Eletrônica para acionamento bipolar
Figura 6: Cálculos da perda de potência por efeito joule
Figure 7 Chart
Figura 7. Torque máximo vs. Rotação
Figure 8 Unipolar and Bipolar
Figura 8. Conexões
Figura 9. Diferenças entre conexão em série e em paralelo
Figura 10 Tabela resumo
Figura 10. Tabela resumo