Quão preciso é realmente o microstepping?

Os motores de passo dividem uma rotação completa em centenas de passos discretos, o que os torna ideais para controlar movimentos com precisão, seja em carros, robôs, impressoras 3D ou máquinas CNC. A maioria dos motores de passo que você encontrará em projetos DIY, impressoras 3D e pequenas máquinas CNC são motores de passo híbridos bipolares e bifásicos, com 200 ou - na variante de alta resolução - com 400 passos por revolução. Isso resulta em um ângulo de passo de 1,8°, respectivamente 0,9°.

De certa forma, as etapas são os pixels do movimento e, muitas vezes, a resolução física fornecida não é suficiente. A comutação forçada das bobinas de um motor de passo no modo de passo completo (acionamento por onda) faz com que o motor salte de uma posição de passo para a próxima, resultando em ultrapassagem, ondulação de torque e vibrações. Além disso, queremos aumentar a resolução de um motor de passo para um posicionamento mais preciso. Os drivers de motor de passo modernos apresentam micropassos, uma técnica de acionamento que comprime números arbitrários de micropassos em cada passo completo de um motor de passo, o que reduz visivelmente as vibrações e (supostamente) aumenta a resolução e precisão do motor de passo.

Por um lado, os micropassos são, na verdade, passos que um motor de passo pode executar fisicamente, mesmo sob carga. Por outro lado, eles geralmente não aumentam a precisão de posicionamento do motor de passo. Microstepping certamente causará confusão. Este artigo é dedicado a esclarecer um pouco isso e - como é uma questão muito dependente do driver - também compararei as capacidades de microstepping dos drivers de motor A4988, DRV8825 e TB6560AHQ comumente usados.

Em um motor de passo híbrido, um driver de motor habilitado para micropasso ajustará a corrente nas bobinas do estator para posicionar o rotor de ímã permanente em uma posição intermediária entre duas etapas completas subsequentes. Um passo completo é então dividido em vários micropassos, e cada micropasso é alcançado pelas duas correntes da bobina.

Muitos drivers de motores industriais mais antigos apresentam apenas 4 micropassos (modo quarto de passo), mas hoje são comumente encontrados 16, 32 e até 256 micropassos por passo completo. Se antes tínhamos um motor de passo de 200 passos por revolução, agora temos um milagre de 51.200 passos por revolução. Em teoria.

Na prática, ainda estamos lidando com drivers de malha aberta, o que significa que o driver do motor não sabe a posição angular exata do eixo do motor e não corrigirá os desvios. O atrito, o torque de retenção do próprio motor e, mais surpreendentemente, a carga externa que atua sobre o rotor passarão despercebidos pelo motorista. Sem fechar o circuito através de um codificador e de um driver especial mais sofisticado, o melhor que podemos assumir é que o motor estará em algum lugar ± 2 passos completos (sim, isso é ruim) próximo de sua posição alvo, que é a deflexão máxima antes do rotor encaixa na posição errada de passo completo, resultando em perda de passo.

O torque incremental de uma microetapa para outra é – governado por trigonometria impiedosa – apenas uma fração do torque dinâmico do motor. Para garantir que o eixo do motor realmente se ajuste dentro de +/- 1 micropasso, precisamos também reduzir a carga de acordo. Exceder esse torque incremental menor não resultará em perda de passo, mas causará o mesmo erro de posicionamento absoluto de até ± 2 passos completos. A tabela abaixo mostra o relacionamento devastador.

Fonte: Nota Técnica do Motor de Passo: Mitos e Realidades do Microstepping da Micromo

A boa notícia é que, desde que utilizemos um driver de motor suficientemente forte, e se não excedermos esse torque incremental, seja através de uma carga externa ou da inércia interna do motor, o único limite teórico para alcançar a precisão de posicionamento em micropassos é o atrito interno do motor e o torque de retenção. Estes valores dependem muito do tipo de motor, mas geralmente são valores bastante baixos (quase insignificantes). Por exemplo, o motor usado no teste a seguir é especificado com um torque de retenção de 200 g·cm. Isso representa apenas 5% do torque de retenção de 4.000 g cm. De acordo com a tabela acima, este motor deve ser capaz de posicionamento preciso com 16 micropassos por driver de passo completo.