Motor de passo NEMA 17

O que é

Um NEMA 17 é um motor de passo híbrido em um quadro quadrado de 42 mm. É o motor presente em praticamente toda impressora 3D de mesa, na maioria das pequenas máquinas CNC, gravadoras a laser, carris de câmera e plotters de caneta—não porque seja especial, mas porque o tamanho do quadro atingiu um ponto ideal e todo o ecossistema hobby padronizou-se nele.

O que um motor de passo oferece, ao contrário de um motorredutor CC, é posição sem realimentação. Diga que ele deve avançar 3200 micropassos e, se não tiver sido sobrecarregado, terá avançado 3200 micropassos—sem encoder, sem malha PID e sem ajuste. Essa é uma simplificação realmente grande, e é por isso que uma impressora 3D pode custar 100 libras e ainda posicionar o bico com precisão de décimos de milímetro.

A ressalva está no “se não tiver sido sobrecarregado”, e ela é brusca, não gradual. Um motor de passo solicitado acima do torque de que dispõe não desacelera—ele perde passos e a posição permanentemente, silenciosamente, em saltos de quatro passos completos.

Como funciona

Em seu interior há um rotor de ímã permanente com 50 dentes e duas bobinas dispostas de modo que energizá-las em combinações diferentes produza um campo magnético em direções diferentes. O driver gira esse campo; o rotor o segue.

O valor de 1,8° sai diretamente da contagem de dentes: 50 dentes do rotor × 4 posições de campo por ciclo magnético = 200 posições estáveis por volta, portanto 360 ÷ 200 = 1,8°. Todo “motor de 1,8°” que você encontrar tem essa mesma geometria de 50 dentes, e por isso um passo completo é sempre 90 graus elétricos, independentemente do tamanho ou da marca do motor.

O rotor nunca fica exatamente alinhado ao campo—ele fica atrasado pelo ângulo de atraso, e o torque que produz é proporcional ao seno desse ângulo. Essa única relação explica todo o comportamento de um motor de passo e vale a pena compreendê-la adequadamente, pois explica ao mesmo tempo as perdas de passo, os micropassos, a ressonância e o dimensionamento do motor.

Lendo os números

As duas linhas mais mal interpretadas são o torque de retenção e a indutância.

O torque de retenção é uma medida feita com o motor parado. É real, é o que impede que o eixo seja deslocado quando está em repouso e quase não tem relação com uma máquina em movimento. O torque disponível cai com a velocidade porque a bobina se opõe à corrente—e a indutância mede o grau dessa oposição. Um motor com a mesma classificação de torque, mas menor indutância, atingirá uma velocidade muito maior com a mesma fonte, razão pela qual construtores sérios de máquinas leem a indutância e usuários casuais leem o torque.

A consequência prática cabe em uma linha: mais corrente proporciona torque; mais tensão proporciona velocidade. Se uma máquina trava sob carga em baixa velocidade, aumente o limite de corrente. Se trava somente quando você acelera, aumente a tensão de alimentação—aumentar a corrente não ajudará, pois, após a velocidade de canto, o driver nunca alcançava a corrente ajustada.

Corrente, calor e orçamento de potência

Um motor de passo consome toda a corrente nominal sempre que está energizado, esteja se movendo ou não. Isso surpreende quem vem de motores CC, nos quais um motor travado e sem carga consome quase nada.

Por motor, com limite de 1,2 A em uma bobina de 2,8 Ω e as duas fases energizadas:

P = 2 × I² × R = 2 × 1.2² × 2.8 ≈ 8.1 W

Oito watts continuamente, por motor, parado. Uma máquina de três eixos com três NEMA 17 dissipa cerca de 24 W antes de fazer qualquer coisa. Isso exige três decisões:

• Dimensionamento da fonte. A alimentação dos motores deve fornecer corrente a todos os eixos ao mesmo tempo. Observe que isso não é current limit × motors no lado da fonte—o circuito de comutação é um conversor buck; portanto, a 24 V, a corrente da fonte fica bem abaixo da corrente de fase. Dimensione pela potência, não pelos ampères, e reserve margem; veja o orçamento de potência do robô.
• Calor. 60–80 °C na carcaça são normais. Sempre que possível, monte o motor em algo metálico.
• Desenergização. Colocar ENABLE em nível alto desenergiza as bobinas e interrompe a geração de calor, mas deixa o eixo livre para ser empurrado. É adequado aos eixos X e Y de um plotter entre trabalhos; é perigoso para um eixo Z que sustenta peso, a menos que o fuso seja autobloqueante.

Conexão a um driver

Quatro fios, duas bobinas. Encontre os pares com um multímetro no modo de resistência—um par apresenta poucos ohms, enquanto pares incompatíveis apresentam circuito aberto—e então:

A ordem dentro de um par apenas inverte o sentido; portanto, se o eixo girar ao contrário, troque dois fios em vez de alterar o firmware. A ordem entre os pares é a que importa: se ela estiver errada, o motor zune e vibra sem girar, porque o campo não está mais girando em uma sequência coerente.

Nunca desconecte um motor enquanto o driver estiver ligado. Uma bobina energizada interrompida no meio de um ciclo de comutação produz um pico de tensão sem destino, e é esse pico que danifica os drivers.

Alguns motores vêm com seis ou oito fios—esses têm bobinas unipolares ou duplo-bipolares. Para um driver bipolar como o A4988, use os quatro fios que formam as duas bobinas completas e isole as derivações centrais com fita; dessa forma, você obtém mais torque do que se as conectasse como unipolares.

Código mínimo funcional

Pulsos em um pino e direção em outro. Não há biblioteca nisso, e nenhuma é necessária:

const int STEP_PIN = 3, DIR_PIN = 4, EN_PIN = 5;
const float STEPS_PER_MM = 80.0;     // 20T GT2 pulley at 1/16 stepping

void setup() {
  pinMode(STEP_PIN, OUTPUT);
  pinMode(DIR_PIN, OUTPUT);
  pinMode(EN_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(EN_PIN, LOW);          // active low: energise
}

// Blocking, unramped. Fine for a bench test, wrong for a machine.
void moveMillimetres(float mm, unsigned stepDelayUs) {
  digitalWrite(DIR_PIN, mm >= 0 ? HIGH : LOW);
  long steps = lround(fabs(mm) * STEPS_PER_MM);
  for (long i = 0; i < steps; i++) {
    digitalWrite(STEP_PIN, HIGH);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(STEP_PIN, LOW);
    delayMicroseconds(stepDelayUs);
  }
}

void loop() {
  moveMillimetres(50, 300);
  delay(500);
  moveMillimetres(-50, 300);
  delay(500);
}

Isso fará um motor funcionar na bancada. Também é a versão da qual você deve se afastar imediatamente, porque a taxa de passos salta de zero para o máximo de repente—acima da taxa de partida do motor, isso produz um zumbido alto e nenhum movimento. Para qualquer aplicação real, acrescente um perfil de aceleração ou entregue o movimento ao AccelStepper e use o padrão de temporização não bloqueante para que os fins de curso continuem sendo lidos.

Dimensionando um motor: exemplo prático

Escolha o motor pela carga, não por uma publicação em um fórum. A conta é curta.

A máquina: eixo X acionado por correia, polia GT2 de 20 dentes (40 mm por volta), carro de 300 g, operando a até 200 mm/s com 2000 mm/s² de aceleração.

Passo 1 — que torque o movimento exige? Transforme o movimento linear em torque no eixo. O raio efetivo da polia é 40 mm ÷ 2π = 6.37 mm:

accelerating the carriage:  F = m·a = 0.3 kg × 2.0 m/s² = 0.6 N
                            T = F × r = 0.6 × 0.00637 = 0.004 N·m
friction (rails, belt, a dragging cable) ≈ 5 N
                            T = 5 × 0.00637 = 0.032 N·m
rotor's own inertia:        α = a ÷ r = 2.0 ÷ 0.00637 = 314 rad/s²
                            T = J·α = 5.4e-6 × 314 = 0.002 N·m
                                                     ─────────────
                                              total ≈ 0.038 N·m

O resultado merece atenção: o atrito é oito vezes o torque de aceleração. Em uma máquina leve, a carga é quase totalmente atrito, o que significa que uma guia travada custa muito mais margem do que um carro mais pesado. Meça o atrito antes de comprar um motor maior.

Passo 2 — de que velocidade a máquina precisa? 200 mm/s ÷ 40 mm/rev × 60 = 300 rpm.

Passo 3 — leia a curva de torque nessa velocidade, não o número principal. Um motor de 0,44 N·m com limite de 1,2 A em 24 V ainda está na região plana a 300 rpm, portanto há cerca de 0,31 N·m disponível.

Passo 4 — verifique a margem. 0.038 ÷ 0.31 = 12%. Em termos de ângulo de atraso, sin⁻¹(0.12) = 7° dos 90° disponíveis. Essa é uma margem muito confortável, e deveria ser—o número calculado é sempre otimista, porque não inclui o rolamento que fica mais rígido no inverno, a esteira porta-cabos que prende nem a correia tensionada além do pretendido.

O conselho usual de “dimensione para metade do torque disponível” leva à segunda linha, que é o lugar certo. Tudo o que passa da quarta linha produz a classe de falha mais frustrante que existe: uma máquina que funciona na bancada, funciona em uma demonstração e falha uma vez por hora em uso real.

O mesmo eixo em um fuso rosqueado mostra por que o mecanismo importa. O raio efetivo de um T8 para essa finalidade é 8 mm ÷ 2π = 1.27 mm, cinco vezes menor—portanto, os mesmos 5 N de atrito representam apenas 0,0064 N·m no eixo, uma margem de 2%. O custo é a velocidade: o fuso precisa de cinco vezes mais passos para o mesmo deslocamento, e esse é o limite em passos por milímetro.

Motores com seis e oito fios

A maioria dos NEMA 17 vendidos hoje tem quatro fios e é inequivocamente bipolar. Lotes mais antigos e aplicações industriais costumam ter seis ou oito, e os fios extras são derivações das bobinas:

O caso de seis fios é o que precisa ser acertado. Usar a derivação central e uma ponta, acionando o motor como unipolar, energiza metade de cada bobina e custa aproximadamente 30% do torque, sem nenhum benefício com um driver bipolar. Encontre as duas pontas de cada bobina (o par com a maior resistência entre elas; a derivação central apresenta cerca de metade dessa resistência até qualquer ponta), use essas pontas e isole as derivações.

Em motores de oito fios, a ligação em série dobra a indutância e a resistência, aumentando o torque em baixa velocidade e reduzindo a velocidade de canto. A ligação em paralelo faz o oposto. A ligação em série é o padrão certo para uma máquina que transporta carga; a ligação em paralelo é para uma que precisa se mover rapidamente.

Solução de problemas

NEMA 17 ou as alternativas?

O resumo honesto é que um motor de passo é a resposta certa quando você precisa de posição repetível em um eixo e pode garantir a margem de torque. É a resposta errada para uma roda motriz: rodas patinam, o deslizamento não tem limite, e um motor que perde a posição silenciosamente é a última coisa que se quer montar em um robô que tenta fazer odometria.

Onde é usado

Este motor é o atuador do projeto do plotter de caneta e é o assunto de todo o roteiro de movimento de precisão. Você pode observar o comportamento—ângulo de atraso, perda de passos e micropassos—sem comprar um, no simulador de motores de passo.