Os Motores de Passo

Em 18 de Março de 2013

Uma dúvida bastante recorrente é quanto a ligação dos motores de passo nas controladoras. Não quero entrar em muitos detalhes técnicos quanto ao funcionamento, mas pelo menos uma introdução é necessária antes de mostrar na prática como podem ser feitas as ligações nos diferentes tipos de motores.

Ao contrário dos motores de corrente contínua muito encontrados em brinquedos, os motores de passo não rodam simplesmente aplicando uma voltagem nos seus terminais. Eles necessitam de uma sequência de pulsos em ordem nas suas bobinas, de acordo com a direção e velocidade que se quer rodar o motor. Com isso é possivel controlar com grande precisão a posição do eixo, sendo ideal para máquinas CNC.

Apesar de ter características mecânicas semelhantes, quanto a eletrônica eles podem ser divididos em três grandes grupos:

Motores Unipolares

Os motores unipolares tem uma bobina com um fio de centro por fase. Eles se tornaram populares entre os hobbystas principalmente por causa da simplicidade da controladora, geralmente baseada em transistores de potência e muitos acabam montando suas próprias placas. Um exemplo bem conhecido para este caso seria a controladora CNC3AX.

Nos unipolares temos 5 fios, porque o centro das bobinas são ligados internamente.




Motores Bipolares

Nos motores bipolares são usados apenas uma bobina por fase, o que torna a controladora sensivelmente mais complicada. Apesar de existirem alguns CIs já para controle direto de motores bipolares, o mais comum é se optar por controladoras prontas, principalmente depois da "invasão" das chinesas, baseadas no TB6560 da Toshiba. O motor bipolar tem apenas 4 fios, 2 para cada bobina.




Motores "Híbridos"

Estou chamando de híbridos os motores que tem 6 ou 8 fios e podem ser usados tanto por controladoras Unipolares quanto Bipolares. Eles geralmente são montados com duas bobinas por fase e conforme a combinação dos fios atendem aos dois tipos de controle.





Bem, vimos os tipos mais comuns de motores, mas e agora, como ligá-los? O primeiro passo é identificar o tipo de motor e a pinagem caso ela não seja conhecida.

Unipolar (5 fios)

Neste caso, temos um fio ligado internamente no centro das duas bobinas, como dito acima. Com o multímetro temos que descobrir qual é o fio que mede sempre a menor resistência com quando combinado com os outros quatro. Num suposto exemplo, digamos que temos um motor que tem os fios laranja, vermelho, cinza, branco e azul. Com uma ponta do multímetro no cinza e outra no laranja, temos por exemplo 5 ohms. Já laranja com vermelho marcou 10 ohms, enquanto cinza com vermelho marcou novamente 5 ohms. Logo, fica evidente que esse fio cinza seria o "Comum" do motor, bastando confirmar medindo com os outros fios restantes. Descoberto o Comum, para os outros não tem muito jeito, a não ser experimentar para descobrir a sequencia correta de acionamento. Poderíamos ligar assim por exemplo na controladora como teste:

cinza: Comum
laranja: A+
branco: A-
vermelho: B+
azul: B-

Feito isso, mandamos rodar o motor. Caso o motor não gire para nenhum dos lados, trocamos A+ com B+, então:
vermelho: A+
laranja: B+

Se ele roda ao inverso do comandado, (mandamos rodar em sentido horário mas ele rodou anti-horário), basta inverter uma das bobinas (qualquer uma delas).
Exemplo:
vermelho: B-
azul: B+


bipolar (4 fios)

A identificação é bem simples, basta ver quais os dois fios que marcam resistência baixa utilizando o multímetro. Num suposto motor que tenha as cores laranja, amarelo, verde e azul e o laranja e amarelo mediram resistência, teríamos:
Laranja: A+
Amarelo: A-
Verde: B+
Azul: B-

Se precisar inverter a direção do motor, basta também apenas inverter os dois fios de qualquer uma das fases.
Verde: B-
Azul: B+

Motor de 6 fios em modo Unipolar

Com o multímetro, identifique primeiramente os 3 fios que medem resistência entre eles. O fio central será o que der metade da resistência em relação aos outros dois. Digamos que existam os fios nas cores amarelo, vermelho e branco que já foram identificados como sendo uma fase. Com o multímetro conseguimos as seguintes supostas medidas:
Amarelo com vermelho: 10 ohms
Amarelo com branco: 5 ohms
Vermelho com branco: 5 ohms

Fica bem evidente que amarelo e vermelho são os terminais, enquanto o branco seria o fio central. Então basta repetir o mesmo procedimento com os fios restantes e teremos identificado todas as ligações. No nosso exemplo, digamos que seria verde, azul e preto o centro dessa bobina. Então para as ligações teríamos:

Amarelo: A+
Branco: Comum
Vermelho: A-
Azul: B+
Preto: Comum
Verde: B-

Se girou ao inverso, trocamos as ligações de uma das bobinas:
Azul: B-
Verde: B+

Motor de 6 fios em modo Bipolar (ligação em série)




Os motores de 6 fios, como eu tinha dito, podem ser ligados também em modo bipolar. Numa ligação que chamamos "em série", apenas ignoramos os fios centrais e ligamos os terminais de cada fase. Pegando o exemplo de motor que usei no exemplo anterior (já que a identificação dos fios do motor é exatamente a mesma), ligado em modo bipolar em série seria:
Amarelo: A+
Vermelho: A-
Azul: B+
Verde: B-
Nesse tipo de ligação, estamos priorizando o TORQUE do motor, ou seja, ele poderá mover mais carga, porém com uma velocidade reduzida.

Motor de 6 fios em modo Bipolar (ligação meio-motor)




Na ligação "meio-motor", pegamos o fio central com apenas um dos terminais de cada fase. Novamente, considerando o motor do exemplo anterior ligado em modo meio-motor:
Amarelo: A+
Branco: A-
Azul: B+
Preto: B-
Aqui, estamos priorizando a VELOCIDADE do motor, ou seja, ele moverá menos carga, porém com uma velocidade maior que na ligação anterior.

O motor de 8 fios




Os motores de 8 fios são os verdadeiros "coringas" dos motores, porque eles podem ser ligados em QUALQUER configuração e tanto numa controladora unipolar quanto numa bipolar. A identificação dos pares de fios é bem simples, bastando achar qual dupla mede uma resistência baixa. No entanto como pode ser visto no desenho, são duas bobinas separadas para cada fase, logo, após identificado os pares o jeito é ligar na controladora e comandar o motor. Se o motor não rodar, basta trocar apenas um par de uma das fases por outro. Para efeitos de exemplificação, digamos que num suposto motor achamos as seguintes cores seguindo o desenho acima:
Fio 1 - Vermelho
Fio 3 - Amarelo
Fio 2 - Branco
Fio 4 - Preto
Fio 5 - Azul
Fio 7 - Verde
Fio 6 - Marrom
Fio 8 - Laranja

Motor de 8 fios em modo Unipolar



Aqui, precisamos de um centro para cada bobina como já vimos anteriormente. Logo, deveriamos ligar da seguinte maneira:
Vermelho: A+
Amarelo e Branco (juntos): Comum
Preto: A-
Azul: B+
Verde e Marrom (juntos): Comum
Laranja: B-

Motor de 8 fios em modo Bipolar (meio-motor)



Em meio-motor, damos prioridade a velocidade, logo temos:
Vermelho: A+
Amarelo: A-
Azul: B+
Verde: B-

Motor de 8 fios em modo Bipolar (série)



Aqui damos prioridade ao torque, então:
Vermelho: A+
Amarelo e Branco: juntos mas não ligados à controladora
Preto: A-
Azul: B+
Verde e Marrom: juntos mas não ligados à controladora
Laranja: B-

Motor de 8 fios em modo Bipolar (paralelo)



Até agora, nas ligações acima, tínhamos torque OU velocidade, mas não os dois juntos. O motor de 8 fios permite uma conexão extra, que é o bipolar-paralelo, onde combinamos a força e a velocidade das duas bobinas.
Vermelho e Branco (juntos): A+
Amarelo e Preto: (juntos): A-
Azul e Marrom (juntos): B+
Verde e Laranja (juntos): B-


Bem, com isso concluímos todos os tipos de ligações nos principais tipos de motores. Vale também uma observação: sempre consulte o datasheet do motor antes de ligá-lo, se possível! Confirme se sua controladora tem corrente o suficiente para tocar o motor, principalmente na ligação bipolar-paralelo, onde o consumo é alto!





Adaptando motores de 6 fios


Como vimos, uma ligação das bobinas em bipolar-paralelo podemos ter tanto um bom torque quanto uma boa velocidade, mas sendo necessário que o motor tenha 8 fios. Bem, com uma adaptação razoavelmente simples é possivel converter um motor de 6 fios em 8 fios, ou mais simples ainda, fazer já a conexão bipolar-paralelo internamente no motor. Infelizmente o motor precisa ser aberto, mas não requer nenhum equipamento "diferente" e é facílimo de fazer, desde que observado algumas recomendações.

Nas fotos fiz a conversão num motor Minebea 23KM-C051-07V, os famosos motores de 9,9kgf, que se encontram aos montes à venda por preços módicos. Na verdade eu tinha duas versões do motor, ambas bem similares, e fotografei todo o processo para não haver dúvidas. Provavelmente é possível aplicar a mesma adaptação em qualquer motor de 6 fios.


O primeiro passo é retirar os quatro parafusos que ficam em volta do eixo do motor.


Em seguida, retire a tampa traseira.
ATENÇÃO: não retire o eixo do motor de dentro do corpo. Isso pode danificar permanentemente o motor.
Retire apenas a tampa, que sai facilmente com os parafusos soltos.


Agora precisamos cortar a junção das duas bobinas. Nas fotos veja que eu cortei a trilha próximo aos números "5" e "4", onde as bobinas se juntavam. Se o seu motor for diferente, basta medir os pontos de solda e ver qual dá o 0 ohms e cortar a trilha correspondente. Tenha cuidado para não cair particulas do corte dentro do motor, porque pode travá-lo.


Após o corte, precisamos combinar as bobinas. No caso desse motor o começo de cada bobina fica próximo um do outro, então foi bem simples, sendo necessário apenas um pedacinho de fio, mas no meu caso usei um pedaço de terminal cortado de um componente para fazer a ligação.


Agora é só fechar o motor, recolocando a tampa e apertando os parafusos. Vale também aqui uma outra observação: não faça as soldas muito "altas" porque elas não podem tocar a tampa de metal. Não esqueça de, depois do motor fechado, conferir as ligações com um multímetro para ter certeza que nenhuma das bobinas ficou em curto com a tampa.

Abaixo, as ligações num outro motor igual, porém com a placa interna diferente.





Nas fotos não aparece, mas para facilitar a minha vida eu coloquei o motor em cima de um pedaço de madeira com um furo para o eixo sobre a bancada, mas esqueci de fotografar. Assim o motor ficou equilibrado, facilitando o processo de corte e solda das trilhas.

Fiz vários testes com o motor adaptado e até me surpreendi com a velocidade que ele conseguiu mover uma estrutura razoavelmente pesada de um router todo em alumínio. Pelo custo quase irrisório desses motores, fica muito em conta para montagem de routers entre pequenos e médios. Vale lembrar também que o consumo do motor aumenta depois da modificação. O datasheet deste Minibea diz que ele consome 2.1A por fase, com essa modificação ele consumirá exatamente o dobro, 4.2A. Antes de partir para a adaptação, tenha certeza que sua fonte e controladora conseguirão suprir a corrente necessária.

Dúvidas ou sugestões, escreva no espaço abaixo.




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