Motores NEMA. Problemas mais frequentes

Um dos componentes básicos em qualquer impressora 3D FFF são os motores. São responsáveis por fazer os movimentos necessários para posicionar a cabeça de impressão, bem como por puxar o filamento no extrusor.

Os motores utilizados são motores passo a passo, sendo os tipos mais comuns o NEMA 17 e o NEMA 23.

Imagem 1: Tipos de motores NEMA. Fonte: motioncontrolproducts.com

Os motores passo-a-passo de boa qualidade têm uma fiabilidade muito elevada, pelo que a principal causa de falha do motor é geralmente externa, normalmente relacionada com o condutor de energia ou a ligação.

Motores passo-a-passo

Os motores passo-a-passo são um tipo de motor de rotação contínua. A rotação ocorre em saltos discretos de um determinado ângulo. É um motor a meio caminho entre um motor CC standard e um servo motor. Tal como os motores CC, eles permitem múltiplas voltas de 360 °, ao mesmo tempo que permitem um posicionamento angular preciso, como os servomotores.

Os mais utilizados nas impressoras 3D são motores passo a passo híbridos bipolares, geralmente no formato NEMA17 ou NEMA23. Os motores híbridos combinam a pequena capacidade de passo dos motores VR com a elevada capacidade de inércia dos motores de ímanes permanentes. Por outro lado, os motores bipolares fornecem maior torque e ancoragem do que os motores unipolares, ao mesmo tempo que são mais leves em peso e mais pequenos em tamanho, contudo requerem controladores de potência específicos.

Ao seleccionar um motor passo-a-passo, devemos conhecer as suas características principais:

• Passo: Este é o ângulo mínimo que o motor pode girar diretamente (sem a utilização de controladores de microstep). Normalmente podemos encontrar motores com passos de 1,8 º ou 0,9 º. Em geral, um passo menor implica uma maior precisão, mas também uma velocidade máxima de rotação mais baixa.
• Corrente de trabalho: Este é o valor máximo de corrente a que devemos alimentar o motor para que este funcione correctamente. Quanto mais corrente aplicarmos ao motor, mais binário conseguiremos obter e, por conseguinte, ele será capaz de resistir a uma maior inércia sem perder passos, no entanto, haverá também um maior aquecimento e desgaste. A utilização de correntes superiores às especificadas pelo fabricante irá causar deterioração e falha do motor.
• Tensão por fase: Esta é a tensão requerida por cada uma das bobinas para funcionar corretamente.
• Resistência de fase: A resistência elétrica fornecida por cada uma das bobinas.
• Inductancia de fase: Es el valor de inductancia máxima generada por cada una de las bobinas cuando se activan.
• Precisão de posicionamento: O desvio máximo que pode ocorrer durante um movimento de rotação. Em geral, um valor mais baixo representa uma maior precisão.
• Temperatura máxima de funcionamento: Esta é a temperatura máxima de funcionamento que o motor pode suportar. Exceder esta temperatura por longos períodos de tempo resultará em falha do motor.
• Inércia do rotor: É a inércia proporcionada pelo rotor quando vazio devido ao seu próprio peso. A inércia suportada pelo motor será a soma desta mais a dos elementos acoplados ao motor.
• Torque ou torque de retenção: Este é o torque máximo que o motor pode suportar quando as fases estão inactivas (sem corrente), sem causar a rotação do veio.
• Torque de ancoragem: Este é o torque máximo que o motor pode suportar quando está parado e as fases estão activas (ao vivo), sem causar a rotação do eixo. O valor é considerado para um motor fornecido com corrente máxima.
• Torque de arranque: Este é o torque necessário para superar a inércia do rotor de modo a que este comece a rodar.
• Torque de rotação: Este é o torque máximo que o motor pode suportar quando está a girar sem causar perda de passo. O valor é considerado para um motor fornecido com corrente máxima.

Se estivermos à procura de um motor que nos permita utilizar velocidades elevadas e suportar inércias elevadas durante o movimento, por exemplo no caso de eixos XY, devemos escolher um motor com passos de 1,8 º e torque elevado.

O motor do eixo Z não exigirá velocidades de trabalho elevadas, pelo que um motor de 0,9 º proporcionará movimentos mais suaves. Neste caso, deve ser escolhido um motor com o máximo torque de retenção e ancoragem para suportar o peso da plataforma ou do pórtico (dependendo do desenho da impressora).

Ligação de motores passo a passo bipolares

Ao ligar correctamente os motores passo-a-passo, é útil ter disponível a folha de especificações do fabricante, pois a posição dos fios varia de um modelo para outro.

Tipicamente, um motor passo-a-passo bipolar terá 4 ligações que consistem em dois circuitos de alimentação de energia independentes. Cada circuito consiste de um pólo positivo e um pólo negativo que fornece energia a cada uma das bobinas do motor.

A primeira coisa a saber é a posição destas quatro ligações na nossa placa de controlo da impressora. Podemos encontrar dois tipos de nomenclatura nos quadros de controlo. O primeiro é 1A 1B 2A 2B, onde cada número representa um circuito e as letras A e B representam os pólos. A segunda é A A^- B B^- onde cada letra representa um circuito e o acento representa o pólo negativo.

Uma vez determinadas as ligações no quadro, o mesmo deve ser feito para os motores.

Imaxe 2. Exemplo de ligações numa folha de especificações do motor NEMA17. Fonte: Bondtech

Se estiver disponível uma folha de especificações, a ordem dos fios no conector deve ser consultada. Neste caso, a nomenclatura A A^- B B^- é a mais comum.

No caso da placa e do motor utilizarem a mesma nomenclatura, a ligação é tão simples como emparelhar cada terminal. Se utilizarem nomenclatura diferente, devem ser emparelhadas da seguinte forma:

• 1A - A
• 1B - A^- 
• 2A - B
• 2B - B^-

Se não estiver disponível nenhuma ficha de dados do motor, o par de ligação de cada bobina deve ser determinado. Isto é feito através da medição da resistência em todas as combinações possíveis de pares de pinos de conectores. Quando a resistência não é infinita, o primeiro par foi localizado. As combinações mais comuns utilizadas pelos fabricantes de motores são 1-3 4-6 ou 1-4 3-6, por isso comece por testar estas duas combinações.

Uma vez localizada, cada fase é ligada a cada uma das bobinas. É importante que as duas fases estejam ligadas às bobinas na mesma polaridade, por isso, se as tivermos colocado em fase invertida, ao enviar corrente para o motor não se moverá e emitirá um ruído. Neste caso, a polaridade de uma das bobinas deve ser invertida.

É muito importante manter ambas as fases separadas, pelo que o estado dos conectores deve ser verificado com frequência. Um mau contacto ou uma ponte entre fases fará com que o motor pare de funcionar.

Ajustar a corrente dos motores

Os motores passo-a-passo são alimentados através de controladores ou condutores específicos. Existem muitos modelos diferentes no mercado. Os de maior qualidade geralmente proporcionarão uma maior durabilidade e um funcionamento mais silencioso.

Dentro dos modelos disponíveis, existem dois métodos para ajustar a corrente enviada para os motores:

• Por meio de um parafuso de ajuste. Em geral, condutores de qualidade inferior ou mais baratos permitem que a corrente de saída seja ajustada por meio de um potenciómetro sob a forma de parafuso. Neste caso, é necessário utilizar um multímetro e uma chave de fendas de cerâmica de precisão para fazer o ajuste. Neste caso, o ajustamento pode ser feito de duas maneiras:
  
• Por Corrente: Com a impressora ligada e os motores ligados, a corrente numa das fases será medida e ajustada para o valor adequado. Este método não é recomendado, especialmente a primeira vez que um novo condutor é ligado, uma vez que os motores são inicialmente alimentados sem saber se a corrente de saída é superior à corrente permitida pelo motor.
• Por voltagem de referência: Este é um método um pouco mais complexo, mas mais recomendável. Primeiro temos de determinar a tensão de referência necessária utilizando a fórmula:

$Vref\; =\; I$_max · 8 · Rs

Onde I_max é a corrente máxima a que o motor será alimentado (geralmente no máximo 90 % do máximo especificado pelo fabricante) e Rs é a resistência de detecção do condutor.

Para o ajustar no driver, basta ligar o condutor, medir a tensão entre o pin Vref (geralmente o próprio potenciómetro) e um pin de terra (geralmente o pin de alimentação) e definir o valor adequado utilizando o potenciómetro.

• Por firmware: Muitos controladores de corrente não têm um potenciómetro de ajuste e permitem que a corrente de saída seja definida directamente pelo firmware. Para o fazer, basta definir o valor actual apropriado na secção do motor do firmware.

Ao seleccionar a corrente de saída dos drivers, não é aconselhável utilizar o valor máximo determinado pelo fabricante. A fim de prolongar a vida útil dos motores, não exceder 90 % do valor máximo do fabricante, sendo a corrente óptima a corrente mínima necessária para gerar um binário suficiente para suportar as inércias.
Corrente mais elevada, para além de maior par, significa também maior aquecimento, maior ruído motor e maior desgaste.

Velocidade máxima de um motor passo-a-passo

Os motores passo a passo avançam por impulsos, pelo que a velocidade máxima do motor dependerá da frequência máxima de sinal que a placa de controlo for capaz de enviar. Além disso, deve ser tido em conta que normalmente vários motores estão a funcionar simultaneamente, pelo que a frequência para cada um deles irá diminuir.

Por exemplo, se a placa de controlo funcionar a 100000 Hz e 4 motores (X,Y,Z e extrusor) estiverem a funcionar simultaneamente, cada motor será controlado a 25000 Hz, ou 25000 impulsos por segundo. Isto significa que um motor de 1,9 ° sem microstepping será capaz de rodar a um máximo de 125 rps. Num sistema de accionamento por correia dentada GT2 8 (o mais comum), isto traduz-se numa velocidade linear máxima teórica de 3600 mm/s.

No caso de microstepping, a velocidade máxima seria reduzida proporcionalmente, portanto, se forem utilizados 16 microsteps, a velocidade máxima seria de 225 mm/s, mas se forem utilizados 256 microsteps, a velocidade máxima seria reduzida para apenas 14 mm/s.

É muito importante conhecer a frequência de funcionamento da placa de controlo, uma vez que a combinação de uma frequência de saída baixa com uma configuração de microstep elevada pode fazer com que a velocidade máxima admissível seja inferior à velocidade de impressão, resultando numa perda significativa de passos.

Ajuste adequado dos passos por mm

Quando o sinal de movimento é transmitido ao motor, é enviado como uma rotação, contudo os movimentos incluídos nos ficheiros de impressão são lineares. É por isso que a impressora deve ser capaz de traduzir o movimento angular para um movimento linear.

O movimento é geralmente transmitido por meio de roldanas dentadas e correias, em que a conversão passo/mm depende do diâmetro das roldanas. Para o seu cálculo, a seguinte fórmula deve ser simplesmente aplicada:

passos/mm = (360/P) · MS
                    2 · π · R_roldana

Onde P é o passo do motor, MS os micros passos configurados (1 se não for utilizado Microstepping) e R_roldana o raio da roldana utilizada.

No caso de movimentos transmitidos por parafuso, é o passo do parafuso que define a taxa de alimentação. Para tal, a seguinte fórmula é simplesmente aplicada:

passos/mm = (360/P) · MS
                    A

Onde P é o passo do motor, MS os microsteps configurados (1 no caso de não utilizar o microstepping) e A o passo da rosca do parafuso. Existem também muitas calculadoras que facilitam a obtenção destes valores, tais como a oferecida pela Prusa Printers.

Uma vez obtidos estes valores, e embora em teoria estejam correctos, é aconselhável efectuar uma calibração precisa para compensar possíveis defeitos de fabrico ou de montagem.

Para este efeito, deve ser impresso um cubo de dimensões conhecidas (por exemplo 50 x 50 x 50 mm) e as dimensões reais devem ser medidas. Uma vez feito isto, deve ser aplicada a seguinte fórmula:

passos/mm = D_teórica · P_actual
                    D_real

onde D_teórica é o tamanho teórico que a peça deve ter, P_actual é a definição P/mm actual e D_real é o valor de medição obtido a partir da peça impressa.
Ao introduzir o novo valor Passos/mm, deverá obter peças com dimensões adequadas.

Considerações a ter em conta

• Perda de passos: Uma perda de passo é geralmente causada por um torque excessivo no motor. Grandes acelerações ou altas velocidades de mudança de direcção causarão inércias que o binário do motor não pode compensar, resultando numa perda de passos. Da mesma forma, a combinação de baixas frequências de sinal e configurações de micropasso elevadas reduzirá drasticamente a velocidade máxima do motor. Se a velocidade de impressão exceder isto, ocorrerá também uma perda de passos. Em qualquer caso, a perda de passos numa impressora de circuito aberto resultará na perda de posição.
• Temperatura: Uma regulação de corrente elevada provocará o aquecimento do motor. Se o motor estiver dentro de uma estrutura fechada ou aquecida que não permita que o calor se dissipe corretamente, a temperatura de trabalho pode ser ultrapassada, provocando a desmagnetização dos ímanes e um mau funcionamento ou avaria do motor. Em impressoras fechadas, é aconselhável colocar os motores fora da câmara ou, se tal não for possível, reduzir a corrente ao mínimo necessário.
• Histerese: Este é um fenómeno intrínseco aos motores. Pode causar um pequeno erro de posição no final de um movimento. A utilização de motores de qualidade irá reduzir este erro.
• Ressonância: Todos os motores têm uma frequência natural. Se a frequência de pulso enviada para o motor for semelhante à frequência natural, ocorrerá um efeito de ressonância. Isto causará maior vibração, ruído e desgaste.
• Configurações de passos: Configurações incorretas de passos/mm causarão erros de posicionamento, que serão refletidos em erros dimensionais em partes.
• Ligação: As fases de mistura ou de ponte farão com que o motor gire erráticamente ou não gire de todo. A colocação de uma fase com a polaridade invertida em relação à outra provocará a não rotação do motor. A inversão da polaridade de ambas as fases, quando ligadas corretamente, fará com que o motor rode na direção oposta.

Este guia discute conceitos de uma forma geral e não se concentra numa determinada marca ou modelo, embora possam ser mencionados em algum momento. Pode haver diferenças importantes nos procedimentos de calibração ou ajuste entre diferentes marcas e modelos, pelo que se recomenda que o manual do fabricante seja consultado antes da leitura deste guia.