Drives bipolares e unipolares para motores de passo: uma comparação

Um motor de passo é um tipo de motor CC sem escovas composto por bobinas conectadas chamadas “fases”. Esses dispositivos eletromecânicos são geralmente acionados em malha aberta sem sensor de realimentação, com corrente aplicada nas fases sem conhecer a posição do rotor. O rotor se alinha por meio do fluxo magnético do estator, gerado pela corrente que flui nas fases. A cada pulso, a corrente pode ser fornecida para a próxima fase, permitindo movimentos rotacionais incrementais, ou passos.

Existem dois métodos para fornecer corrente nas bobinas: bipolar e unipolar. Este artigo explicará as diferenças entre motores bipolares e unipolares, seus métodos de acionamento e vantagens e limitações.

A Figura 1 mostra um motor de passo de ímã permanente de quatro etapas. O rotor é feito com um ímã de um par de pólos e o estator consiste em duas fases: Fase A e Fase B. No método unipolar, a corrente flui sempre na mesma direção. Cada bobina é dedicada a uma direção de corrente, portanto a bobina A+ ou A- é alimentada; as bobinas A+ ou A- nunca são alimentadas juntas. No método bipolar, a corrente pode fluir em ambas as direções em todas as bobinas. As fases A+ e A- são alimentadas juntas. Um motor bipolar requer no mínimo uma bobina por fase e um motor unipolar requer no mínimo duas bobinas por fase. Aqui está uma visão detalhada de ambas as opções:

Na configuração unipolar, cada fase do motor é composta por dois enrolamentos de bobina. Com motor bifásico composto pelas Fases A e B, o motor possui quatro enrolamentos de bobina, conforme mostra a figura 2.

A Fase A é composta por A+, A-

A Fase B é composta por B+, B-

A corrente em cada bobina só pode fluir em uma única direção, tornando-a unipolar. No acionamento por tensão, o sistema de controle é fácil, com apenas uma chave, ou transistor, por bobina. Quando o transistor está fechado, a bobina é energizada. Para comutar o motor, os transistores são fechados e abertos alternadamente.

Na Figura 3, os transistores Q1 e Q2 não podem ser fechados ao mesmo tempo. Para alimentar a Fase A, você deve fechar o transistor Q1 ou Q2, dependendo da direção em que a corrente precisa funcionar. Com o controle unipolar, apenas metade da fase é alimentada por vez, portanto a corrente utiliza apenas metade do volume de cobre. Com inversores de tensão, normalmente são aplicadas resistências seriais para diminuir a constante de tempo elétrica. Este cenário será explicado posteriormente neste artigo.

Os motores bipolares precisam apenas de um enrolamento de bobina por fase e a corrente pode fluir em ambas as direções por bobina. São necessários oito transistores com duas pontes H para controlar motores bipolares, conforme mostra a figura 4.

Na Figura 5, os transistores são alternadamente fechados e abertos para fornecer comutação. Os drives bipolares têm a vantagem de utilizar todo o cobre por fase. Esses acionamentos bipolares são usados ​​no acionamento de tensão do motor ou na fonte de corrente. Para a fonte de corrente, a corrente em cada fase é controlada com uma modulação por largura de pulso (PWM). Duas técnicas são usadas para PWM: decaimento lento ou decaimento rápido, dependendo se a corrente deve diminuir lenta ou rapidamente através da fase do motor durante o tempo “desligado” do PWM.

Unidade de tensão. Um circuito simples com quatro transistores fornece controle unipolar econômico. Um inversor de tensão para motores bipolares requer duas pontes H (oito transistores).

Unidade atual. Um modo bipolar é preferível para acionamentos de corrente porque a tecnologia unipolar requer componentes eletrônicos mais complexos para obter menor desempenho do motor.

Precaução no acionamento de tensão. Devido ao efeito de indutância, a corrente precisa de algum tempo para subir na bobina. Para unidades unipolares ou bipolares, você pode adicionar uma resistência serial para diminuir a constante de tempo elétrica (L/R). Ao adicionar uma resistência externa, a corrente diminui (i = U/(R+r)).

Em resumo, adicionar resistência para a mesma potência fornecida resulta em um torque menor em baixa velocidade. A corrente é menor devido à potência joule dissipada na resistência externa. Como o torque é proporcional à corrente, o motor fornecerá menos torque. Em alta velocidade, resulta em um torque maior. Mesmo que alguma potência joule seja dissipada na resistência externa, o motor será capaz de fornecer mais torque graças à menor constante de tempo elétrica. Isso permite que a corrente aumente mais rapidamente na bobina. (Nota: Com um aumento na tensão de alimentação, você pode compensar a corrente mais baixa; no entanto, a eficiência energética geral será menor. O torque é melhorado em alta velocidade e mantido em baixa velocidade.)