Como configurar um driver de motor de passo: guia prático

Para configurar um driver de motor de passo corretamente, é necessário ajustar cinco parâmetros principais:

1. Corrente de saída: deve ser ajustada conforme as especificações do motor e o tipo de ligação das bobinas.
2. Tensão de alimentação: influencia o desempenho do motor, principalmente em altas velocidades.
3. Resolução (microstepping): define o número de pulsos por volta e influencia a suavidade do movimento.
4. Frequência de pulsos: determina a velocidade comandada e deve ser compatível com o controlador e o driver.
5. Corrente em repouso: permite reduzir o aquecimento quando o motor está parado, respeitando o torque necessário para manter a carga.

Esses ajustes devem considerar as características do motor, do controlador e da aplicação.

Configurações inadequadas podem provocar aquecimento excessivo, perda de passos, ruído, vibração e falhas de posicionamento, comprometendo o desempenho e a confiabilidade da máquina.

Neste guia, você vai aprender como realizar cada ajuste, com orientações técnicas, tabelas de configuração e exemplos práticos utilizando dois drivers comercializados pela Kalatec: 

• Driver STR6, da Kalatec, com DSP e tecnologia de anti-ressonância,
• Driver STR8, da Applied Motion Products.

Por que confiar neste guia e drivers kalatec?

Com mais de 36 anos de atuação em automação industrial e mais de 400 mil motores de passo vendidos no Brasil, a Kalatec possui experiência no fornecimento de soluções de movimento para fabricantes de máquinas e integradores.

Um exemplo dessa experiência é a utilização de motores de passo e  drivers fornecidos pela Kalatec nos ventiladores pulmonares do projeto INSPIRE, desenvolvido pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP) durante a pandemia de COVID-19.

O projeto contou com ensaios realizados com apoio do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) e recebeu autorização excepcional da Anvisa em 2020.

Saiba mais sobre o projeto INSPIRE no site oficial da USP.

Qual é a sequência correta para configurar um driver de motor de passo?

A configuração de um driver de motor de passo deve seguir uma sequência que considere as características do motor, os limites do driver e as exigências da aplicação. Isso ajuda a evitar ajustes inadequados que podem causar aquecimento, perda de torque e falhas de posicionamento.

Confira as oito etapas recomendadas:

1. Levante os dados técnicos: consulte as especificações do motor, do driver e da aplicação.
2. Confira as ligações elétricas: conecte o motor, os sinais de controle e a alimentação com o sistema desenergizado, conforme o manual.
3. Ajuste a corrente de saída: considere a corrente nominal do motor, o tipo de ligação das bobinas e o critério de corrente do driver.
4. Defina a tensão de alimentação: escolha uma fonte compatível com o motor, os limites do driver e a velocidade exigida.
5. Configure o microstepping: selecione a resolução de comando considerando a suavidade do movimento e a capacidade do controlador.
6. Calcule a frequência de pulsos: verifique se o controlador e o driver suportam a frequência necessária para a rotação desejada.
7. Ajuste a corrente em repouso: considere o torque necessário para manter a carga posicionada quando o motor estiver parado.
8. Valide o funcionamento: teste o conjunto na aplicação real, verificando temperatura, ruído, vibração e repetibilidade de posicionamento.

Quais informações consultar antes de começar?

Antes de configurar o driver, consulte a folha de dados do motor, o manual do driver e os requisitos da aplicação. Essas informações são essenciais para definir os parâmetros elétricos e de movimento com segurança.

Como configurar a corrente do motor de passo

A corrente de saída do driver deve ser ajustada conforme a corrente nominal do motor de passo, considerando o tipo de ligação das bobinas e as especificações do fabricante. Um ajuste inadequado pode reduzir o torque disponível, provocar perda de passos ou aumentar o aquecimento do motor.

A corrente influencia diretamente o torque do motor de passo, especialmente em baixas velocidades. Entretanto, aumentar a corrente não significa obter um aumento proporcional de torque em todas as condições de operação.

O boletim técnico do driver STR8, da Applied Motion Products, apresenta uma relação importante: em determinadas condições, o torque é aproximadamente proporcional à corrente, enquanto as perdas resistivas nos enrolamentos variam com o quadrado da corrente.

Por exemplo, considerando a corrente nominal como referência:

• 90% da corrente nominal: aproximadamente 90% do torque de referência e 81% das perdas resistivas.
• 70% da corrente nominal: aproximadamente 70% do torque de referência e 49% das perdas resistivas.

Esses valores são aproximações utilizadas para demonstrar a relação entre corrente, torque e perdas elétricas. A temperatura real do motor também depende das condições de operação, ventilação e dissipação térmica.

Na prática: o objetivo é configurar a corrente necessária para atender ao torque exigido pela aplicação, respeitando os limites elétricos e térmicos do motor e do driver.

Qual é a diferença entre corrente nominal, RMS e de pico?

Para configurar corretamente a corrente de um driver de motor de passo, é importante distinguir três conceitos:

• Corrente nominal: valor de corrente especificado pelo fabricante do motor, considerando as condições de operação e a configuração das bobinas.
• Corrente RMS (eficaz): valor equivalente de corrente utilizado no cálculo das perdas resistivas e do aquecimento dos enrolamentos.
• Corrente de pico: valor máximo instantâneo da corrente, conforme a forma de onda e o critério de especificação adotado pelo fabricante.

Um erro comum é utilizar diretamente o valor nominal do motor na configuração do driver sem verificar se o ajuste é especificado em corrente RMS ou de pico.

No driver KTC-STR6, o manual apresenta uma tabela com valores de corrente de pico e RMS, facilitando a identificação do ajuste adequado.

Para motores de oito fios ligados em paralelo, o manual do KTC-STR6 orienta multiplicar a corrente bipolar de referência por 1,3 para determinar a corrente de pico a configurar, conforme o critério de especificação adotado.

Como definir a corrente correta no driver

No KTC-STR6, a corrente dinâmica é definida pelas chaves SW1, SW2 e SW3 do DIP switch. Selecione a linha mais próxima da corrente necessária:

Fonte: Manual KTC-STR6, seção 7.2.

No STR8, o processo é diferente: um seletor rotativo define o motor, e o driver ajusta automaticamente a corrente máxima e os parâmetros de anti-ressonância. 

As chaves 1 e 2 permitem reduzir a corrente para 100%, 90%, 80% ou 70%, o que é útil quando o motor está montado em uma superfície que dissipa pouco calor ou quando o ambiente é quente. 

Alguns exemplos da tabela de seleção para motores Kalatec:

Fonte: Boletim Técnico nº 4, STR8. A tabela completa está no documento.

O que acontece quando a corrente está alta ou baixa demais?

O melhor ajuste não é o maior valor possível, e sim o que entrega o torque necessário dentro de uma faixa térmica segura.

Como ajustar a tensão de alimentação do driver

A tensão de alimentação do driver de motor de passo deve ser escolhida conforme as características elétricas do motor, a velocidade exigida pela aplicação e os limites especificados pelo fabricante. 

Nos drivers KTC-STR6 e STR8, a faixa de alimentação indicada nos respectivos manuais é de 24 a 75 VDC.

“A tensão influencia principalmente o desempenho do motor em altas velocidades, enquanto o ajuste de corrente tem maior influência sobre o torque disponível, especialmente em baixas rotações.” – Reforça Samir Kassouf – Diretor Técnico da Kalatec Automação

Tensões mais elevadas podem melhorar a resposta da corrente nos enrolamentos e favorecer o desempenho em velocidades maiores. Entretanto, também exigem atenção ao aquecimento, às condições de operação e aos possíveis picos de tensão durante a desaceleração.

No KTC-STR6, o manual informa que a proteção contra sobretensão atua em aproximadamente 78 ± 1 VDC. Por isso, utilizar uma fonte de 72 VDC é a mais recomendada.

Em determinadas aplicações, fontes de 48 VDC podem oferecer um bom equilíbrio entre desempenho e margem de tensão. A escolha, porém, deve considerar a indutância do motor, a velocidade, a carga e as condições de aceleração e desaceleração.

Como estimar a tensão a partir da indutância do motor?

Uma regra empírica utilizada como referência em algumas aplicações de motores de passo é:

V ≈ 32 × √L

Em que:

• V: tensão estimada, em volts.
• L: indutância da fase do motor, em milihenrys (mH).

Por exemplo, para um motor com indutância de 2,5 mH:

V ≈ 32 × √2,5 ≈ 50,6 V

Nesse cenário, uma fonte de 48 VDC pode ser considerada como ponto de partida para avaliação técnica, desde que seja compatível com o driver e com as exigências da aplicação.

Como a tensão influencia o torque em alta velocidade

Os enrolamentos de um motor de passo possuem indutância, o que faz com que a corrente elétrica leve algum tempo para atingir o valor ajustado no driver.

Em baixas rotações, o tempo disponível para a corrente se estabelecer é maior. Já em altas velocidades, o intervalo entre os passos diminui e a corrente pode não atingir o valor programado. Como consequência, o torque disponível tende a cair.

“Uma tensão de alimentação mais elevada permite que a corrente varie mais rapidamente nos enrolamentos, ajudando o motor a manter o torque em rotações superiores.” – Afirma  Eng. Samir Kassouf | Diretor da Kalatec Automação

Veja no vídeo a seguir como a tensão de alimentação influencia o funcionamento de um motor de passo.

Como configurar o microstepping

O microstepping divide eletronicamente cada passo de 1,8° do motor em passos menores, o que deixa o movimento mais suave e reduz ruído e ressonância. 

A resolução é informada em pulsos por volta: com 3.200 pulsos por volta, cada pulso move o eixo 0,1125°.

No driver STR6, a resolução é definida pelas chaves SW5 a SW8, com 16 opções:

Fonte: Manual KTC-STR6, seção 7.1. Por software, a resolução chega a 102.400 pulsos por volta.

No STR8, as chaves 5, 6 e 7 oferecem oito opções: 200, 400, 2.000, 5.000, 12.800 e 20.000 pulsos por volta, além de 200 SMOOTH e 400 SMOOTH, que usam o filtro de suavização explicado mais abaixo.

Como escolher o microstepping sem comprometer o desempenho

A resolução maior não significa precisão maior na mesma proporção. O torque de retenção do motor não muda com o microstepping, mas o torque incremental de cada micropasso, ou seja, a força disponível para vencer atrito e folgas em um único micropasso, cai rapidamente:

Cálculo: torque incremental = sen(90° ÷ número de subdivisões).

Na prática, isso significa que micropassos muito pequenos melhoram a suavidade, mas nem sempre se traduzem em posição real, porque folgas e elasticidade da mecânica dominam. Algumas orientações:

• 1.600 a 3.200 pulsos por volta atendem a maioria das aplicações industriais, com bom equilíbrio entre suavidade e frequência de pulsos.
• Resoluções decimais facilitam a programação. Com um fuso de passo 5 mm e 5.000 pulsos por volta, cada pulso equivale a exatamente 0,001 mm.
• Resoluções muito altas exigem frequências de pulso elevadas e só valem a pena quando o controlador consegue gerá-las.

Como calcular a frequência de pulsos necessária

Frequência de pulsos (Hz) = rotação (rpm) × pulsos por volta ÷ 60. 

Exemplo: 600 rpm com 3.200 pulsos por volta exigem 600 × 3.200 ÷ 60 = 32.000 Hz (32 kHz).

Pela conta inversa, você descobre a velocidade máxima possível com o controlador que já tem: rotação máxima (rpm) = frequência máxima × 60 ÷ pulsos por volta. 

A tabela mostra a frequência necessária para cada combinação:

⚠ Acima do limite de 200 kHz da entrada do STR6. Nesse caso, reduza a resolução.

Confira os dois lados: o controlador precisa gerar essa frequência, e o driver precisa aceitá-la. 

• O STR6 aceita até 200 kHz. 
• No STR8, o filtro digital de ruído das entradas vem ajustado de fábrica em 150 kHz e pode passar para 2 MHz por um jumper interno (S4)

No vídeo abaixo, nossa equipe testa na prática qual é a velocidade máxima de um motor de passo, mostra como ajustar a frequência de trabalho do driver sem perder torque nem precisão e compara o resultado com a tecnologia EasyServo:

Como relacionar frequência de pulsos, velocidade e aceleração

A velocidade de rotação do motor de passo é diretamente proporcional à frequência dos pulsos enviados pelo controlador, desde que a resolução configurada permaneça constante e não ocorra perda de sincronismo.

Para atingir velocidades mais elevadas, normalmente é necessário utilizar uma rampa de aceleração, aumentando gradualmente a frequência dos pulsos. Se a aceleração exigir mais torque do que o motor consegue fornecer, poderá ocorrer perda de passos ou parada do movimento.

Como configurar a redução de corrente em repouso

A redução de corrente em repouso diminui automaticamente a corrente quando o motor está parado, reduzindo o aquecimento sem perder a posição. 

Como o calor varia com o quadrado da corrente, a economia é grande: com 60% da corrente, o calor cai para 36% (0,6² = 0,36). Com 50%, cai para 25%.

Como validar a configuração do conjunto motor e driver

Rode a máquina em ciclo contínuo, nas condições mais severas previstas, até estabilizar a temperatura, e só então avalie o resultado. Problemas térmicos e de perda de passos costumam aparecer apenas depois do aquecimento completo. Os limites do manual do STR6 são:

• Driver: abaixo de 70 °C.
• Motor: abaixo de 80 °C.
• Ambiente: de 0 a 50 °C, sem poeira, névoa de óleo ou gases.

Confira também a repetibilidade: leve o eixo várias vezes a uma posição de referência e veja se ele volta exatamente ao mesmo ponto.

Checklist final para configurar o driver de motor de passo

Antes de colocar o motor de passo em operação, utilize este checklist para verificar se os principais parâmetros elétricos e de movimento foram configurados corretamente.

• Ligações elétricas: conexões de alimentação, motor e sinais conferidas, com polaridade correta, aterramento e organização dos cabos conforme o manual.
• Ligação das bobinas: configuração do motor (série ou paralelo, quando aplicável) identificada e compatível com o driver.
• Corrente de saída: valor ajustado conforme as especificações do motor, o tipo de ligação e o critério de corrente RMS ou de pico do driver.
• Tensão de alimentação: fonte dentro da faixa permitida pelo driver, com margem para possíveis elevações de tensão durante a desaceleração.
• Dimensionamento da fonte: capacidade de alimentação adequada às exigências do conjunto.
• Resolução de passos: microstepping configurado conforme a resolução de comando necessária e as limitações mecânicas da aplicação.
• Frequência de pulsos: valor calculado e compatível com os limites do controlador e do driver.
• Rampas de aceleração e desaceleração: parâmetros testados com a carga e nas condições reais de operação.
• Corrente em repouso: valor configurado conforme o torque de sustentação necessário, especialmente em aplicações com cargas verticais.
• Temperatura de operação: motor e driver avaliados após um ciclo representativo de trabalho, respeitando os limites e pontos de medição especificados pelos fabricantes.
• Validação do movimento: posicionamento, repetibilidade, ruído e vibração verificados nas condições reais de operação, sem evidências de perda de passos.

Conclusão: como garantir a configuração correta do driver de motor de passo?

Configurar corretamente um driver de motor de passo exige mais do que selecionar a corrente e a resolução. 

É necessário considerar a tensão de alimentação, o microstepping, a frequência de pulsos, as rampas de aceleração e a corrente em repouso, sempre de acordo com as características do motor e as exigências da aplicação.

O melhor resultado vem da combinação entre dimensionamento correto, parametrização adequada e testes com a carga real. Por isso, utilize o checklist deste guia antes de colocar o equipamento em operação.

Precisa de ajuda para selecionar ou configurar um driver de motor de passo?

A Kalatec Automação oferece soluções em motores de passo e drivers para fabricantes de máquinas e aplicações industriais. Entre em contato com nossa equipe técnica para avaliar a solução mais adequada ao seu projeto.