Relatorio acionamento de um motor de passo utilizando flip-flops com um contador síncrono

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO CEARÁ 
IFCE CAMPUS SOBRAL 
TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL 
DISCIPLINA: ELETRÔNICA DIGITAL 
PROFESSOR: FRANCISCO ALDINEI PEREIRA ARAGÃO 
 
 
 
 
 
ACIONAMENTO DE UM MOTOR DE PASSO UTILIZANDO FLIP-FLOPS COM 
UM CONTADOR SÍNCRONO 
 
 
 
 
 
 
 
CÉSAR AUGUSTO VICTOR 
FRANCISCO EMERSON LOPES CAMILO 
 
 
 
 
 
 
 
 
SOBRAL 
2023 
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SUMÁRIO 
 
1.0 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 3 
2.0 FLIP-FLOPS .................................................................................................................... 3 
3.0 LM555 ............................................................................................................................. 3 
4.0 MOTOR DE PASSO ........................................................................................................ 4 
4.1 28BYJ-48 – 5V Stepper Motor ............................................................................................ 4 
5.0 METODOLOGIA ............................................................................................................ 5 
5.1 Simulação no Software ..................................................................................................... 8 
6.0 MONTAGEM DA PLACA ............................................................................................... 9 
7.0 CONCLUSÃO ................................................................................................................ 10 
8.0 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................ 10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.0 INTRODUÇÃO 
O vigente relatório tem como objetivo a elaboração de um acionamento de um motor 
de passo utilizando flip-flops com um contador síncrono e que podemos trocar o sentido de giro 
do motor. O motor de passo é um motor extremamente importante, principalmente em 
indústrias, porém por ele ser diferente de outros motores é pouco visto, ele é aplicado 
principalmente em projetos que requer precisão como por exemplo em braços robóticos, 
esteiras e CNCs. 
2.0 FLIP-FLOPS 
Os circuitos flip-flops são usados para armazenar dados binários e são utilizados em 
sistemas de controle que tenham uma ou mais entradas. Eles são blocos de construção 
fundamentais em sistemas eletrônicos, como computadores, contadores e dispositivos de 
comunicação. 
Nos flip-flops é possível armazenar bits únicos ou dígitos binários de dados. Existem 
vários tipos como o FF JK, SR, D e T, porém o que se usará neste projeto será o FF JK que é 
mostrado na figura 1. A diferença dele para os outros são as lógicas de funcionamento e ele é 
bem mais preciso e completo para o funcionamento do projeto. 
 
Figura 1: Circuito flip-flop. 
 
Fonte: Elaboração dos autores (2023). 
3.0 LM555 
O LM555 que é mostrado na figura 2 é um circuito integral de temporização muito 
barato e útil que pode ser usado como um temporizador simples para gerar PWM ou atrasos 
longos. Ele pode ser usado de diferentes configurações como um multivibrador monoestável, 
biestável ou astável, por ser muito preciso pode gerar uma variedade de aplicações como em 
temporizadores, geração de pulsos, fontes de alimentação, conversores, enfim alguma forma 
de controle sequencial é possível se usar ele. 
 
Figura 2: Circuito Interno do LM555. 
 
Fonte: DATASHEET. LM555 Timer. (2023). 
4 
4.0 MOTOR DE PASSO 
Um motor de passo é um motor de corrente contínua composto por rotor e estator, 
porém diferente de outros motores ele não possui escova. Existem alguns tipos de motores, 
como o motor de imã permanente, relutância variável e o híbrido. No projeto será usado o 
motor de ímã permanente então é desse motor que vamos explicar o seu funcionamento. 
O motor de passo com ímã permanente tem seu estator construído de um conjunto de 
bobinas, que são montadas em locais estratégicos para criar campos magnéticos que repelem 
ou atraem os ímãs que contém no rotor, o rotor por sua vez é imã que está acoplado ao eixo 
que deve ser girado pela atração de quando essas bobinas forem energizadas, como mostra a 
figura 3. 
Figura 3: Motor de passo. 
 
Fonte: Elaboração dos autores (2023). 
4.1 28BYJ-48 – 5V Stepper Motor 
O motor a ser usado no projeto será o Motor 28BYJ-48 como é possível visualizar na 
figura 4. Esse motor de passo tem 5 fios, ou seja, quatro fios para controle de bobinas e um 
comum de alimentação. 
Figura 4: Motor 28BYJ-48. 
 
Fonte: DATASHEET. 28BYJ-48 – 5V Stepper Motor (2023). 
 Esse motor tem apenas duas bobinas em sua construção interna, porém no ponto central 
dessas duas bobinas o comum é conectado nelas, portanto é possível fazer o controle dessas 4 
bobinas. Os motores de passo podem ser Unipolares e Bipolares, dependendo de como suas 
bobinas estão interligadas, no caso desse motor como ele tem 4 bobinas de controle e o comum 
5 
conectado em todas elas por isso são chamados de motor unipolar, já no motor bipolar, as 
bobinas são separadas e visualmente é possível ver que o motor tem duas bobinas de controle 
diferentes e que não estão ligadas em um comum diretamente como mostra na figura 5. 
Figura 5: Motor Unipolar e Bipolar. 
 
Fonte: Romero, André. (2019). 
5.0 METODOLOGIA 
 Após o estudo do funcionamento do motor e controle de acionamento das bobinas 
começamos a fazer a lógica de controle, para isso usamos flip-flops e contador síncrono, ou 
seja, é um circuito em que os flip-flops ficam em paralelo e são disparados simultaneamente 
pelo mesmo clock. Como foi visto lá no tópico o estator é formado por bobinas que são 
localizadas em pontos estratégicos para fazer com que o rotor gire, para isso precisamos saber 
a lógica, então vamos lá, acompanhe na figura 6 como as bobinas irão ser acionadas. 
Figura 6: Bobinas Motor de Passo. 
 
Fonte: Elaboração dos autores (2023). 
Para fazer o controle do motor precisará de uma lógica sequencial para acionar as 
bobinas, existem várias formas de lógica de controle para esse motor, como por exemplo o 
passo completo, meio passo e o micro passo que é quando tem se o controle de corrente em 
cada bobina, neste caso iremos utilizar o acionamento de passo completo com duas bobinas 
acionada ao mesmo tempo. Para isso, vamos chamar a bobina 1 do motor de A e a bobina 2 de 
B do motor, tendo como terminais das mesmas o A’ e o B’. 
 
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Figura 7: Logica de sequenciamento das bobinas. 
 
Fonte: Elaboração dos autores (2023). 
Como é possível visualizar na figura 7 temos somente duas variáveis de controle então 
usaremos dois flip-flops para fazer o controle, portanto será utilizado o contador síncrono uma 
estratégia em que é possível controlar as saídas dos flip-flops na sequência desejada, portanto 
foi criado uma tabela com toda as sequências das bobinas. 
Tabela 1: Sequência de estados das bobinas. 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Elaboração dos autores (2023). 
Na tabela 1 é possível ver mais uma variável que é a letra C, iremos utilizar para inverter 
o sentido do giro do motor, portanto não precisará de mais um flip-flop pois é ela quem vai 
definir se a sequência vai no sentido horário e anti-horário como mostra na figura 7. Feito a 
tabela de estados atuais e próximos estados e a tabela de transição das entradas dos flip-flops 
será feito o mapa de Karnaugh para definir os circuitos de entradas como mostra a figura 8. 
Figura 8: Mapa de Karnaugh. 
 
 
JB=C’A+CA’ KB=CA’+CA JA=C’B’+CB KA=C’B+CB’ 
 JB= C A KB= C’ A’ JA= C’ B’ KA= C B 
Fonte: Elaboração dos autores (2023). 
ATUAL PROXIMO ENTRADAS 
C B A B A JB KB JA JB 
0 0 0 0 1 0 x 1 x 
0 0 1 1 1 1 x x 0 
0 1 0 0 0 x 1 0 x 
0 1 1 1 0 x 0 x 1 
1 0 0 1 0 1 x 0 x 
1 0 1 0 0 0 x x 1 
11 0 1 1 x 0 1 x 
1 1 1 0 1 x 1 x 0 
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Após concluído o mapa de Karnaugh foi obtido o circuito do projeto que é mostrado na 
figura 9. 
Figura 9: Mapa de Karnaugh. 
 
Fonte: Elaboração dos autores (2023). 
Após o circuito do projeto ser obtido pelo mapa de Karnaugh, iremos para o circuito do 
clock, como já foi mencionado lá em cima iremos utilizar o LM555, um circuito de que pode 
ser configurado para gerar PWM (Pulse-width modulation). A configuração que será usada ser 
a astável ela funciona como um oscilador gerando na saída pulsos alternados, ou seja, o PWM 
que já foi mencionado e esses pulsos trabalham em uma determinada frequência em que é 
possível controlar essa a mesma com os resistores Ra e Rb que é mostrado na figura abaixo 
que foi tirado do datasheet do LM555. 
Figura 10: Configuração Astável LM555. 
 
Fonte: DATASHEET. LM555 Timer (2023). 
Para fazer o calculo da frequência, foi consultado o datasheet do motor e foi verificado 
que sua frequência máxima de trabalho é 100Hz, ou seja, ao utilizar uma frequência de 100Hz 
no motor ele estará em sua velocidade máxima. Por tanto a frequência foi calculado a partir da 
formula a seguir que se encontra no datasheet do componente. É importante ressaltar que esse 
motores de passos sua velocidade é controlada pela frequência pois é pelos pulsos que são 
ligado as bobinas diferente dos motores CC que seu controle de velocidade é feito pelo nível 
de tensão recebido em seus terminais. 
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Figura 11: Formula da frequência no LM555. 
 
Fonte: DATASHEET. LM555 Timer (2023). 
Para isso será utilizado um trimpot (Resistencia Variável) de 10kΩ sendo o Rb portanto 
Ra será de 310Ω e o capacitor será de 47uF que resultará em uma frequência máxima de 99Hz 
e mínima de 1.5Hz quando o potenciômetro tiver sua resistência mínima 
 Outro ponto importante para que o motor funcione perfeitamente é utilizar um driver 
como ULN2003A que é mostrado na figura abaixo. 
Figura 12: CI ULN2003A 
 
Fonte: DATASHEET.ULN2001A-ULN2002A-ULN2003A-ULN2004A (2023). 
 
Este componente servirá de proteção contra corrente reversa gerada pelas bobinas do 
motor, portanto não será preciso usar diodos de proteção pois já está incluso, este drive é 
importante também pois não é possível conectar as entradas do motor direto ao flip-flop pois 
requer um nível de corrente bem acima suportado pelo flip-flop caso contrario queimaria o CI. 
5.1 Simulação no Software 
 Para fazer a simulação e testar se está tudo funcionando corretamente será utilizado o 
programa SimuIDE, um programa open-source e de fácil utilização. Na figura 13 é possível 
ver o circuito completo montado no software. 
Figura 13: Simulação do Circuito 
 
Fonte: Elaboração dos autores (2023). 
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 O Software permite visualizar em um osciloscópio a frequência de saída do 
LM555 e também as saídas dos flip-flops que traz ainda mais a certeza de que o circuito está 
funcionando adequadamente com os cálculos realizados do LM555 e circuito óbitos pelo mapa 
de Karnaugh. 
6.0 MONTAGEM DA PLACA 
 Na montagem foi utilizado o programa Proteus com a versão 8.13, nesse software foi 
realizado a PCB Layout como é possível visualizar na figura abaixo. 
Figura 14: Simulação do Circuito 
 
Fonte: Elaboração dos autores (2023). 
Na parte da montagem é um processo bem diferente da parte de simulação pois lá é 
tudo perfeito e ideal, na montagem alguns itens foram adicionados como por exemplo, leds 
para verificar se a placa está sendo alimentada, leds para verificar os sinais que estão vindo dos 
flip-flop, um diodo de proteção na entrada caso inverta as polaridades a placa não entre em 
curto e acabe queimando os componentes. 
Figura 15: Simulação do Circuito 
 
Fonte: Elaboração dos autores (2023). 
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No software Proteus é possível visualizar a PCB em 3D como é visto na figura 15, é 
bom ter essa visualização 3D para que ajude ter a noção de espaço e ver se os componentes 
estão coincidindo com os furos da placa. 
Finalizado a placa no software a montagem da placa começou a ser produzida, foi 
utilizado o medo de PCI (Placa de circuito Impresso) um método bem utilizado e fácil, o mesmo 
consiste em imprimir a placa em um papel fotográfico e passar para a placa de fenolite com um 
ferro de engomar ou uma prensa em uma temperatura bem alta, a fim de se que todas as trilhas 
fiquem bem fixadas na placa para depois ser corrida com o percloreto de ferro e soldar todos 
os componentes devido. Todo esse processo pode ser visto na imagem a seguir. 
Figura 16: Simulação do Circuito 
 
Fonte: Elaboração dos autores (2023). 
7.0 CONCLUSÃO 
 Em parte, todo o projeto foi bem tranquilo, desde a parte de cálculos, de simulação e 
a construção de placa. Ocorreu tudo conforme planejado, como o controle de velocidade a 
partir do LM555 e até mesmo a inversão do sentido de giro como uma chave de 3 posições.
 A montagem na protoboard não foi possível ser montada pois ocorreu de ter ficado 
um circuito enorme e com uma grande quantidade de jumper e mal contatos. 
8.0 BIBLIOGRAFIA 
VERTULO, Rodrigo Cesar. Motores de Passo, uma Introdução. Disponível em: 
<http://labdeeletronica.com.br/motores-de-passo-uma-introducao/>. Acesso em: 26/12/2022. 
Romero, André. (2019). Sistema computadorizado para deslocamento de amostra com 
motor de passo utilizando o L298: aplicação na técnica de varredura-Z. Revista Brasileira 
de Ensino de Física. 41. 10.1590/1806-9126-rbef-2019-0018. 
DATASHEET. 28BYJ-48 – 5V Stepper Motor. Disponível em: < 
https://datasheetspdf.com/pdf-file/1006817/Kiatronics/28BYJ-48/1/>. Acesso em:13/01/2023. 
DATASHEET. LM555 Timer. Disponível em: < 
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm555.pdf/>. Acesso em:13/01/2023. 
11 
DATASHEET.ULN2001A-ULN2002A-ULN2003A-ULN2004A. Disponível em: < 
https://www.seeedstudio.com/document/pdf/ULN2003%20Datasheet.pdf/>. Acesso 
em:13/01/2023.