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Guia para iniciantes sobre motores de passo e como funcionam

Os motores de passo, pequenos mas potentes, transformam impulsos eléctricos em movimentos precisos, tornando-os essenciais em dispositivos como impressoras 3D e máquinas CNC. A sua principal vantagem reside no posicionamento preciso sem sensores adicionais, utilizando ímanes e indução electromagnética para se moverem em passos definidos. Com designs que incluem ímanes permanentes, relutância variável e tipos híbridos, satisfazem várias necessidades de desempenho. Económicos e fáceis de controlar, requerem uma cablagem adequada, seleção de controladores e manutenção regular para evitar problemas como sobreaquecimento ou saltos de etapas. A procura global continua a aumentar, impulsionada pelas tendências de automatização e miniaturização, prometendo um futuro robusto.

Um motor passo a passo é um motor especial que se move em pequenos passos. Move-se de cada vez que lhe é enviado um sinal elétrico. É possível controlar muito bem o seu movimento. Isto torna os motores de passo diferentes dos motores normais.

Os motores passo a passo podem mover-se para pontos com grande precisão. Podem parar exatamente onde se quer que parem.

Muitos dispositivos utilizam motores passo a passo porque se movem em passos firmes.

O mercado mundial de motores de passo está a crescer. Poderá atingir $8,33 mil milhões até 2032.

Tipo de motor	Gama de custos (por eixo)
Motores de passo	$40 - $80
Servomotores	$150 - $300 (nível de entrada) / $500 - $1.000 (nível industrial)

Se precisar de movimentos simples e repetíveis, os motores passo-a-passo são uma boa escolha.

Principais conclusões

Os motores passo a passo movem-se em passos minúsculos e exactos. Isto ajuda-os a ir para o sítio certo sem sensores extra. Estes motores funcionam bem quando é necessário efetuar movimentos estáveis e repetíveis. São utilizados em coisas como impressoras 3D e máquinas CNC. Ao escolher um motor passo a passo, pense na distância que ele precisa de se mover. Além disso, pense na rapidez e precisão que deve ter. Deve também verificar o local onde vai ser utilizado. Isto ajuda-o a escolher o o melhor para o seu projeto. Os motores passo a passo podem aquecer demasiado ou saltar etapas. A realização de verificações regulares e a utilização das definições corretas podem evitar estes problemas. Atualmente, há mais pessoas a comprar motores passo a passo. Isto torna-os uma boa escolha para muitos trabalhos e indústrias.

O que é um motor de passo

Definição simples

A motor de passo é um motor elétrico especial. Move-se em pequenos passos, não numa rotação suave. Cada sinal fá-lo rodar uma determinada quantidade. Isto ajuda-o a controlar muito bem a sua posição. As pessoas utilizam motores de passo em máquinas que precisam de se deslocar para locais exactos. Exemplos disso são as impressoras 3D e os robots.

Eis duas definições formais de engenheiros:

Definição	Descrição
Motor de passo	Um motor elétrico DC sem escovas que gira por fases quando lhe é fornecida tensão DC. Funciona em sistemas de circuito aberto. É possível controlar a sua posição contando os passos.
Motor de passo	Um motor elétrico que roda o seu eixo num número fixo de graus. Isto permite-lhe controlar o seu ângulo sem sensores.

�� Sugestão: Não são necessários sensores adicionais para um motor de passo. Basta contar os passos para saber para onde aponta.

Caraterísticas principais

A motor de passo tem caraterísticas especiais que o tornam útil. Eis algumas das mais importantes:

Posicionamento exato: Pode ser deslocado para um local exato. Pode parar com uma precisão tão fina como ±0.05°. Isto é melhor do que muitos outros motores.

Elevada capacidade de resposta: O motor de passo reage rapidamente aos seus sinais. Move-se com cada impulso que envia.

Binário forte a baixas velocidades: Proporciona uma boa potência a velocidades baixas e médias. Isto ajuda quando é necessário um movimento estável.

Longo tempo de vida: A maioria motores de passo último sobre 10.000 horas. Alguns duram dezenas de milhares de horas se forem utilizados corretamente. Se o utilizar durante um turno de oito horas por dia, pode durar quase cinco anos. Alguns motores podem funcionar até 20 anos, dependendo dos rolamentos e da forma como são utilizados.

Controlo simples: Não são necessários sistemas de feedback ou sensores. Basta contar os passos para saber a sua posição.

Caraterística	Motores de passo	Outros motores (por exemplo, Servo)
Precisão de paragem	±0,05° (±1,4µm com fuso de esferas)	±10µm (terra), ±20µm (laminado)
Caraterísticas de binário	Elevada na gama de baixa/média velocidade	Plano das gamas média e alta velocidade
Capacidade de resposta	Alto, funciona em sincronia com o impulso	Atrasos devidos ao feedback do codificador

Poderá ter alguns problemas com motores de passo. Aqui estão questões comuns e as suas causas:

Problema comum	Causas possíveis
O atuador do motor passo a passo não se move	Fios não ligados, condutores defeituosos, sinais de impulsos errados, alimentação fraca ou algo que o esteja a bloquear.
Ruído ou vibrações excessivas durante o funcionamento	Ligações de carga não alinhadas, rolamentos velhos, definições incorrectas.
Problemas de sobreaquecimento do atuador do motor de passo	Demasiada corrente, ar insuficiente, definições incorrectas do controlador.
Paragens inesperadas em actuadores de motores passo-a-passo	Problemas de alimentação, circuitos de proteção térmica ou problemas de software.

A maioria dos problemas pode ser evitada verificando os fios e mantendo o motor limpo.

Utilize as definições corretas para o seu projeto.

Nota: Quanto tempo o seu motor de passo A durabilidade depende da forma e do local de utilização. Uma boa manutenção ajuda-o a durar mais tempo.

Como funciona um motor passo a passo

Estrutura: Rotor e estator

Dentro de um motor passo a passo, existem duas partes principais. O rotor situa-se no meio e gira quando o motor funciona. Pode ser feito de um íman ou de um núcleo de ferro especial. Muitos motores passo a passo têm três peças de rotor: o copo do rotor 1, o copo do rotor 2 e um íman permanente. Os pólos norte e sul do íman correm ao longo do comprimento do rotor.

O estator gira à volta do rotor e não se move. O estator tem muitos pólos magnéticos, frequentemente dez. Cada pólo tem uma bobina de fio enrolada à sua volta. Quando a eletricidade passa através das bobinas, o estator cria um campo magnético. Este campo empurra e puxa o rotor para que este se mova. A forma como o rotor e o estator são construídos permite-lhe controlar o motor passo a passo em passos pequenos e exactos.

Sugestão: As bobinas do estator criam o campo magnético que puxa o rotor para o seu lugar. O número de pólos e bobinas altera o número de passos que o motor pode dar numa volta.

Princípio de funcionamento

Um motor passo a passo move-se em passos minúsculos e controlados. Isto acontece devido ao seu funcionamento. Quando se envia corrente eléctrica para as bobinas do estator, estas criam um campo magnético. Este campo puxa o rotor para que fique alinhado com o estator. Se ligar as bobinas numa determinada ordem, o rotor desloca-se para o ponto seguinte. Cada vez que se muda a bobina que recebe energia, o rotor salta para uma nova posição. É por isso que um motor passo a passo se move por etapas e não numa rotação suave.

"Um motor de passo é um motor DC sem escovas que divide uma volta completa em passos iguais. Os motores normais estão sempre a girar, mas os motores de passo movem-se em pequenos passos. Cada passo corresponde a um determinado ângulo. Isto torna-os excelentes para trabalhos que necessitam de um movimento ou posicionamento exato.

A principal forma de funcionamento de um motor passo a passo é a indução electromagnética. Quando a corrente eléctrica passa pelas bobinas do estator, cria um campo magnético. Este campo interage com o rotor. Ao ligar as bobinas do estator numa ordem especial, o motor gira em pequenos passos controlados."

O motor passo a passo é controlado através do envio de impulsos eléctricos. Cada impulso faz com que o rotor se mova num ângulo definido, chamado passo. O tamanho de cada passo depende da forma como o rotor e o estator são construídos. Alguns motores passo a passo movem-se 1,8° por passo, pelo que são necessários 200 passos para uma volta completa. Outros podem mover-se em passos ainda mais pequenos para maior controlo.

O rotor e o estator trabalham em conjunto para dar ao motor passo-a-passo o seu movimento especial. O campo magnético do estator agarra o rotor e mantém-no até enviar o impulso seguinte. Isto permite-lhe mover o motor para pontos exactos sem sensores extra.

Tipo de caraterística	Descrição
Caraterísticas dinâmicas	Estes afectam a forma como o motor arranca ou roda e alteram a velocidade a que funciona.
Caraterísticas estáticas	Estes afectam a forma como o ângulo muda quando se pára e alteram a precisão do equipamento.
Binário de retenção máximo (TH)	Este é o binário máximo quando o motor está ligado mas não está em movimento.
Binário de arranque	Este é o binário máximo que o motor pode produzir a cada velocidade.
Ângulo - Caraterísticas de binário	Isto mostra como o ângulo e o binário mudam quando é aplicada força no veio do motor.

Um motor passo a passo consome energia mesmo quando não está em movimento. Necessita de corrente para manter a sua posição. Isto pode fazer com que o motor aqueça e seja menos eficiente do que outros motores, como os servomotores, que só utilizam energia quando estão a mover ou a manter uma carga.

Se quiser saber como funciona um motor passo a passo, lembre-se destes pontos: O estator cria um campo magnético ao alimentar as suas bobinas. O rotor alinha-se com este campo e move-se em passos à medida que se altera as bobinas que recebem energia. O motor funciona por indução electromagnética e por uma temporização cuidadosa dos impulsos eléctricos. Esta conceção permite-lhe controlar muito bem a posição e o movimento do motor.

Tipos de motores de passo

Existem três grandes tipos de motores de passo. Cada tipo funciona à sua maneira. Cada um é bom para trabalhos diferentes. Aprender sobre eles ajuda-o a escolher o motor certo.

Ímanes permanentes

Os motores passo a passo de ímanes permanentes têm um íman no rotor. Este design permite-lhe controlar muito bem o movimento. Também proporciona um binário forte a baixas velocidades. Estes motores são simples e funcionam de forma fiável. Pode encontrá-los em robôs e máquinas CNC. Também são utilizados em impressoras 3D. Os dispositivos médicos e a eletrónica também os utilizam.

Caraterísticas	Aplicações
Controlo preciso	Robótica
Binário elevado a baixas velocidades	Máquinas CNC
Conceção simples para fiabilidade e eficiência	Impressoras 3D
Versatilidade	Dispositivos médicos
Essencial na automatização moderna	Eletrónica de consumo

Sugestão: Os motores passo a passo de ímanes permanentes movem-se suavemente e são fáceis de configurar. Utilize-os quando precisar que as coisas sejam precisas e fiáveis.

Relutância variável

Os motores passo a passo de relutância variável são o tipo mais simples. O rotor não tem enrolamentos. É feito de ferro macio com dentes. O estator tem bobinas que formam um campo magnético. Quando se envia energia, o rotor desloca-se para o ponto mais fácil. Estes motores não produzem um binário de detenção. O rotor não é um íman.

O rotor utiliza ferro macio e tem muitos dentes.

O estator é feito de aço silício e tem bobinas.

O ponto do rotor depende dos dentes e da relutância.

O estator tem um número par de pólos para facilitar o arranque e a rotação nos dois sentidos.

Estes motores têm menos binário, mas mantêm-no a velocidades mais elevadas.

Podem ser ruidosos, pelo que não são adequados para locais tranquilos.

Nota: Os motores passo a passo de relutância variável são bons para a aprendizagem. Pode utilizá-los para trabalhos que necessitem de uma velocidade média ou rápida.

Híbrido

Os motores de passo híbridos misturam caraterísticas dos outros dois tipos. Proporcionam alta resolução, velocidade e binário. O rotor tem dentes e é magnetizado ao longo do seu comprimento. Esta conceção funciona melhor, mas custa mais.

Caraterística	Motores de passo híbridos	Motores de ímanes permanentes	Motores de relutância variável
Binário	Aumento do binário de retenção e dinâmico	Binário moderado	Binário inferior
Resolução de etapas	Maior resolução (0,9°, 1,8°)	Resolução moderada	Resolução mais baixa
Velocidade	Adequado para velocidades inferiores a 1.000 rpm	Capacidades de velocidade mais elevadas	Capacidades de velocidade limitadas
Complexidade da construção	Mais complexo devido à conceção híbrida	Construção mais simples	Construção mais simples
Custo	Custo mais elevado devido à complexidade	Custo moderado	Custo mais baixo

Os motores passo a passo híbridos são os melhores para trabalhos que necessitam de precisão e binário máximos. Funcionam bem em máquinas e equipamentos avançados.

Sugestão: Os motores passo-a-passo híbridos dão os melhores resultados. Escolha-os para tarefas que necessitem de um controlo cuidadoso e de uma potência forte.

Cablagem do motor de passo

Quando se trabalha com um motor passo a passo, é necessário saber como ligar os seus fios. A cablagem afecta a forma como o motor funciona e o grau de controlo que tem. Verá três configurações de cablagem comuns: 4 fios, 6 fios e 8 fios. Cada tipo dá-lhe diferentes opções para ligar aos controladores e para controlar o movimento.

4 fios

Um motor passo a passo de 4 fios é simples de ligar. Tem duas bobinas no interior do motor. Cada bobina tem dois fios. Liga-se A+ e A- a uma bobina, e B+ e B- à outra bobina. Pode encontrar os pares de fios consultando a folha de dados, utilizando um ohmímetro ou torcendo os fios e sentindo as alterações de resistência. Esta configuração funciona bem com muitos controladores, como o Buildbotics CNC Controller.

Duas bobinas, cada uma com dois fios

Pares de fios fáceis de identificar

Funciona com controladores comuns

Sugestão: Verifique sempre a ficha de dados do motor antes de efetuar a ligação. Isto ajuda-o a evitar erros e mantém o seu motor passo a passo seguro.

6 fios

Um motor passo a passo de 6 fios dá-lhe mais opções. Cada bobina tem três fios: duas extremidades e uma derivação central. Pode utilizar a tomada central para funcionamento unipolar. No modo unipolar, liga-se o fio central à alimentação. Isto permite que a corrente flua numa direção através de cada metade da bobina. Se pretender mais binário, pode ignorar a derivação central e utilizar o modo bipolar. No modo bipolar, a bobina inteira é energizada em ambas as direcções.

É possível alternar entre os modos unipolar e bipolar. Esta flexibilidade ajuda-o a adaptar o motor às necessidades do seu projeto.

8 fios

Um motor passo a passo de 8 fios oferece o maior número de opções de cablagem. É possível ligar os fios em série ou em paralelo. Isto altera o desempenho do motor a diferentes velocidades. O A tabela seguinte mostra como cada método de cablagem afecta o binário:

Configuração da cablagem	Binário a baixas velocidades	Binário a velocidades elevadas
Unipolar	Moderado	Moderado
Meia bobina bipolar	Moderado	Bom
Série Bipolar	Elevado	Moderado
Bipolar Paralelo	Elevado	Elevado

As fresadoras CNC necessitam de um binário elevado a baixas velocidades. A cablagem bipolar em série funciona melhor para estas máquinas.

Se necessitar de uma velocidade muito elevada, a cablagem bipolar de meia bobina dá melhores resultados.

Nota: O motor passo a passo de 8 fios permite-lhe escolher a melhor configuração para a sua aplicação. Pode ajustar a cablagem para obter o binário e a velocidade pretendidos.

Controlo do motor de passo

Sinais de controlo

Os sinais de controlo dizem ao motor passo a passo como se deve mover. Estes sinais decidem os passos e a direção. Os sinais mais comuns são os sinais de impulso e os sinais de direção. Cada impulso faz com que o motor se mova um passo. O sinal de direção indica para que lado o motor roda. É possível enviar muitos impulsos por segundo com um controlador moderno. Isto ajuda-o a alterar rapidamente a velocidade e a posição.

Os sinais de controlo podem ter um aspeto diferente. Poderá utilizar modulação por largura de pulso (PWM) para alterar a potência, tornando cada impulso mais largo ou mais fino. O controlo sinusoidal utiliza uma onda suave para ajudar o motor a funcionar de forma silenciosa e precisa. Alguns sistemas utilizam PWM de extremidade única, que envia ondas quadradas. Outros utilizam PWM diferencial, que envia duas ondas para um melhor controlo.

Tipo de sinal de controlo	Descrição
Modulação da largura de pulso (PWM)	Altera a largura do impulso para controlar a potência, frequentemente a partir de microcontroladores.
Controlo sinusoidal	Utiliza uma onda sinusoidal para um controlo suave e preciso.
PWM de extremidade única	Envia sinais de onda quadrada com uma frequência definida.
PWM diferencial	Utiliza duas formas de onda para um controlo mais preciso.

Sugestão: Pode utilizar um microcontrolador para produzir sinais de controlo. Isto permite-lhe controlar facilmente a velocidade e a direção.

Controladores e microcontroladores

Um controlador liga os seus sinais de controlo ao motor. O controlador recebe os sinais e envia a tensão e a corrente corretas para as bobinas do motor. É necessário um controlador porque um microcontrolador não pode fornecer energia suficiente sozinho. Diferentes drivers proporcionam um controlo e um desempenho diferentes.

Tipo de condutor	Prós	Contras
L/R (controlado por resistência)	Design simples e económico	Não é bom para velocidades elevadas
Chopper (Corrente constante)	Funciona de forma eficiente	O circuito é mais complexo
Drivers de micropasso	Torna o movimento muito suave	Pode diminuir o binário em pequenos passos
Controladores de passo inteligentes	Permite o diagnóstico em tempo real	Mais custos

É possível utilizar um microcontrolador, como um PIC16F877AO microcontrolador permite programar o movimento do motor. O microcontrolador permite-lhe programar a forma como o motor se move. Liga o controlador, que alimenta o motor. Pode definir a velocidade, direção e tamanho do passo no seu código. O controlador do motor de passo utiliza o microcontrolador e o controlador para um controlo exato.

Os microcontroladores produzem sinais de controlo na ordem correta.

O controlador aumenta estes sinais para mover o motor.

É possível programar o microcontrolador para tarefas de controlo especiais.

 Nota: Obtém os melhores resultados quando escolhe o controlador certo para as suas necessidades de motor e controlo.

Escolher um motor de passo

Factores de seleção

Quando escolhe um motor passo a passo, precisa de pensar em algumas coisas. Quer que o motor se adapte ao seu projeto. Primeiro, descubra a distância que o motor precisa de percorrer. De seguida, decida a velocidade a que deve chegar. Também precisa de saber quão exato deve ser o movimento. Alguns projectos necessitam de pequenos passos. Outros podem utilizar passos maiores.

Eis algumas aspectos importantes a verificar:

* A distância que o motor percorre

* O tempo máximo permitido para a deslocação

* Com que exatidão o motor pára

* Se o motor ultrapassar o seu objetivo

* Tempo para o motor assentar após o movimento

* Resolução do passo, com base no tamanho do passo e na conceção

* Atrito na sua instalação

* A inércia, que afecta a velocidade de arranque e de paragem

* Velocidade e binário necessários

* Relação binário-inércia para arranques rápidos

* Binário extra para um melhor desempenho

Também deve pensar no local onde vai utilizar o motor. O calor elevado pode fazer com que o motor fique demasiado quente e funcione menos bem. A humidade e o pó podem encurtar a vida útil do motor. Se trabalhar em locais difíceis, escolha um motor com uma classificação IP elevada. Isto protege-o da água e do pó.

Dica: Escolha sempre um motor passo a passo que corresponda ao seu projeto e ao local onde o vai utilizar.

Aplicações comuns

Os motores passo a passo são utilizados em muitos domínios. Ajudam as máquinas a moverem-se com precisão e a repetirem passos. Eis algumas formas de os utilizar:

As impressoras 3D utilizam motores de passo para controlar a cabeça de impressão e a base.

As máquinas CNC utilizam motores de passo para cortar e moldar.

Os robôs utilizam motores de passo para movimentos exactos e grande potência.

Os motores passo a passo também se encontram na eletrónica e na automação. Por exemplo, as câmaras dos smartphones utilizam pequenos motores de passo para uma focagem rápida e nítida. As máquinas de etiquetagem nas fábricas de alimentos e medicamentos utilizam motores passo-a-passo para maior velocidade e precisão.

Aplicação	Descrição	Precisão
Câmara de smartphone AF (iPhone)	Motor de passo minúsculo, focagem rápida, sem atraso do obturador	±0.05°
Máquinas de etiquetagem em linha	Etiquetas mais precisas e trabalho mais rápido	±0,5 mm

Pode ver que os motores passo a passo ajudam muitos dispositivos a funcionar melhor e com mais frequência.

Um motor passo a passo transforma impulsos eléctricos em passos exactos. Isto permite-lhe controlar muito bem a posição. Obtém-se erros baixos e poupa-se dinheiro em muitos projectos. Ao escolher um motor passo a passo, pense na forma como pretende que ele se mova. Além disso, considere a velocidade, o peso, o modo de passo e a cablagem.

Pode ler guias como Tudo sobre motores de passo. Também pode frequentar aulas como Dominando motores de passo: Um curso de robótica Arduino para saber mais.

Os motores passo a passo estão a ficar mais inteligentes e mais pequenos. Também estão a ficar mais fortes. Experimente usá-los e veja o que consegue fazer!

FAQ

O que distingue um motor de passo de um motor normal?

Os motores passo a passo movem-se em pequenos passos. Cada passo é controlado por um impulso elétrico. Os motores normais rodam suavemente. Os motores passo a passo permitem-lhe definir posições exactas. Não são necessários sensores adicionais.

Sugestão: Utilize motores passo a passo quando necessitar de um controlo preciso.

É possível fazer funcionar um motor passo a passo sem um controlador?

Não é possível fazer funcionar um motor passo a passo diretamente a partir de um microcontrolador. O controlador aumenta os sinais e fornece energia suficiente. Utilize sempre um controlador para proteger o seu motor e obter um movimento suave.

Como escolher o motor passo a passo certo para o seu projeto?

Verifique as necessidades de velocidade, binário e precisão do seu projeto. Observe o ângulo de passo do motor e o tipo de cablagem. Adapte o motor ao seu ambiente de trabalho. Utilize as folhas de dados para obter detalhes.

Fator	O que verificar
Velocidade	RPM necessárias
Binário	Peso da carga
Exatidão	Ângulo de passo

Porque é que um motor de passo aquece durante a utilização?

Os motores passo a passo consomem energia mesmo quando mantêm a posição. Isto torna-os quentes. Uma corrente elevada ou um fluxo de ar deficiente podem causar sobreaquecimento. Certifique-se de que utiliza as definições corretas e mantém o motor frio.

Quais são os problemas comuns dos motores de passo?

Poderão ocorrer passos falhados, ruído ou sobreaquecimento. Verifique a cablagem, as definições do controlador e a fonte de alimentação. Limpe o motor e utilize as definições corretas para evitar a maioria dos problemas.

Nota: As verificações regulares ajudam o motor passo a passo a durar mais tempo.