FORMAÇÃO - PRÁTICAS DE ELECTRICIDADE
revista técnico-profissional
o electricista
36
Manuel Teixeira e Paulo Peixoto ATEC
ficha prática n.º 22
{MOTORES ELÉCTRICOS – ROBOTS - PARTE 1}
ROBOT E ROBÓTICA Na peça R.U.R., o checoslovaco Karel Capek descreve uma classe de escravos humanóides criados a partir de material biológico com o propósito de servir os humanos em trabalhos forçados na indústria e no exército. Nesta peça, estes escravos eram chamados de “robota” (que em checoslovaco significa “trabalho forçado”) de onde derivou a palavra “robot”. Mais tarde o escritor Isaac Asimov usou pela primeira vez a palavra robótica (“robotics” em inglês) juntando as palavras “robot” e “electrónica” (“robot” e “electronics”).
Assim como grande parte dos seres vivos necessitam de se deslocar, ou, pelo menos, de executar movimentos físicos, também os robots na sua vasta maioria, executam movimentos. Para isto acontecer, além do seu “cérebro” que irá comandar o robot neste sentido, são necessários actuadores. Visto que o que dá “vida” aos robots é a energia eléctrica, os actuadores mais utilizados Isaac Asimov (1920-1992) são os motores eléctricos. São já utilizados actuadores pneumáticos, hidráulicos e estão em desenvolvimento “air muscles” e os SMA. Iremos a partir daqui estudar quais os tipos de motores eléctricos mais utilizados na robótica, tais como os motores passo-a-passo e os servo-motores. Também se fará uma breve referência a motores experimentais utilizados em micro-robots.
MOTORES PASSO-A-PASSO › Definição
Imagem da peça de Karel Lapek R.U.R.
Embora a definição etimológica da palavra robot e robótica não sejam relevantes relativamente ao funcionamento destes, são deveras elucidativos e apropriados para o tema a ser estudado. Os robots, conforme o conceito de Karel Lapek, são deveras escravos dos homens com vasta aplicação na indústria, no exército, mas também, mais e mais, no dia-a-dia da sociedade humana. Os robots na peça de Karel Lapek, eram seres inteligentes. Da mesma maneira, idealmente, o robot será um ser inteligente. Não é de interesse discutir o conceito de inteligência a fundo, nem os dilemas e polémicas que daí advém, mas pode-se adiantar que a diferença entre um robot e um mero sistema automático é que, idealmente, o robot tem uma percepção do mundo, e que a partir desta, através de instruções nele programadas, este tomará a melhor decisão atingível, e executá-laá. Também será um sistema que é possível “ensinar”. Relativamente ao termo cunhado por Isaac Asimov, também é pertinente, pois a relação entre a electrónica e a robótica é extraordinária.
Basicamente, pode-se referir que o motor passo-a-passo enquadrase nos motores síncronos mas com a peculiaridade da maneira como se faz o comando do motor. A alimentação do estator não é a comum corrente alternada com ondas sinusoidais, ou até em corrente contínua, mas a rotação do rotor do motor é controlada por impulsos digitais, ondas quadradas, também denominadas PWM (Pulse-Width Modulation). Este é um motor de precisão pois, controlando a frequência e número de impulsos no sinal de comando, saberemos respectivamente qual a velocidade e graus de rotação descritos, sendo este controlado por sistemas digitais.
› Princípio de Funcionamento Como já referido, o comando do movimento do motor é feito através de impulsos digitais PWM. Acontece também que os motores de
Com um impulso PWM, o motor dá um “passo”
Número de passos será igual ao número de impulsos
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› Resistências em série com os enrolamentos: Limitam a corrente máxima mas aumentam muito as perdas por efeito de Joule, e reduzem a eficiência do motor. › Variadores de Corrente Constante: Estes variadores aplicam grandes tensões e assim geram a corrente nos enrolamentos. Os sensores detectam quando a corrente passa valores limites, causando um corte na tensão e uma descida na corrente. Quando a corrente volta a valores aceitáveis, o circuito é posto de novo sobre tensão. Geralmente, neste tipo de controlo da indutância, muito mais eficiente do que o anterior mas também muito mais avançado, usam-se transístores de potência para cortar ou fornecer tensão aos enrolamentos. Este circuito é mais complexo, mas com menos perdas, há maior aproveitamento, binário e velocidade!
› Passo Completo 2 (Full-step) Nº do passo 1 2 3 4
B3
B2
B1
B0
Decimal
1 0 0 1
1 1 0 0
0 1 1 0
0 0 1 1
12 6 3 9
As características deste modo de operação são: › Um maior binário; › Maior velocidade; › O único inconveniente é o maior consumo de energia.
SEQUÊNCIA DE MEIO-PASSO O que se passa entre o controlador e o motor é considerado a seguir.
MODOS DE OPERAÇÃO DE MOTORES PASSO-A-PASSO Consoante a sequência em que os diferentes pólos do motor são ligados, haverá diferentes repercussões no comportamento e na prestação do motor. Passa-se a explicar as diferentes sequências de ligação do motor passo-a-passo.
SEQUÊNCIA DE PASSO COMPLETO Há dois tipos de sequência de passo completo: Nesta primeira sequência, o controlador envia para o rotor uma sequência e inicia o movimento pela influência do enrolamento que é alimentado de cada vez. A seguinte consequência contida na Tabela que se segue ilustra este modo de operação num hipotético motor passo-a-passo tetrapolar:
› Passo Completo 1 (Full-step) Nº do passo 1 2 3 4
Por uma combinação das duas sequências de passo completo chegase a uma sequência que oferece maior precisão, denominada sequência de meio-passo. Neste modo, mais complexo, a sequência no mesmo motor tetrapolar, hipotético, seria conforme mostrado na Tabela:
› Meio Passo (Half-step) Nº do passo 1 2 3 4 5 6 7 8
B3
B2
B1
B0
Decimal
1 1 0 0 0 0 0 1
0 1 1 1 0 0 0 0
0 0 0 1 1 1 0 0
0 0 0 0 0 1 1 1
8 12 4 6 2 3 1 9
APLICAÇÕES
B3
B2
B1
B0
Decimal
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
8 4 2 1
As vantagens deste modo de operação são: › Pouco consumo de energia, visto que só uma bobina é alimentada de cada vez; › Uma maior velocidade; › Um binário mais fraco. A segunda sequência de passo completo é exactamente igual à primeira, à excepção que de cada vez dois enrolamentos são ligados, como se pode discernir na Tabela seguinte:
Em sistemas em que nos interessa saber a posição ou o número de passos que o rotor deu a partir de determinado instante, os motores passo-a-passo podem ser utilizados. Preferir-se-á estes motores aos servo-motores por uma questão económica e de simplicidade. Algumas aplicações comuns são as máquinas CNC, lasers, impressoras, disk-drives, scanners e claro, robots.