Motor de passo, Servo motor e Placa Arduino

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Motor de Passo
História do Motor de Passo
Os motores de Passo deixa os laboratórios e torna-se comercial no início da década de 60 com o advento dos transistores. Nos anos 70, ele sofreu rápido desenvolvimento graças ao seu emprego em periféricos de computadores pessoais. Nos anos 80, aumentou-se o interesse em âmbito mundial devido a sua versatilidade, principalmente nas aplicações industriais. A preocupação ambiental devido a emissão de gases pelos veículos automotivos, deram uma nova impulsão a esses produtos no início dos anos 90, a ponto de cada veículo ter um motor de passo em seu sistema de injeção eletrônica.
O que é o motor de passo? 
Os Motores de Passo são dispositivos eletromecânicos que convertem pulsos elétricos em movimentos mecânicos que geram variações angulares discretas. O rotor ou eixo de um motor de passo é rotacionado em pequenos incrementos angulares, denominados “passos”, quando pulsos elétricos são aplicados em uma determinada sequência nos terminais deste. A rotação de tais motores ´e diretamente relacionada aos impulsos elétricos que são recebidos, bem como a sequência a qual tais pulsos são aplicados reflete diretamente na direção a qual o motor gira. A velocidade que o rotor gira é dada pela frequência de pulsos recebidos e o tamanho do ângulo rotacionado é diretamente relacionado com o número de pulsos aplicados.
Os motores de passo são divididos em três tipos a saber: relutância variável, magneto permanente e híbridos.  Vamos focar exclusivamente nos motores de passo híbridos, os quais são largamente utilizados na indústria. Os motores de Passo Híbridos são de 2 fases. Sua construção é bem simples, são constituído por um rotor, um estator, tampa de montagem, flange e rolamentos.
O rotor é construído em duas secções, cada seção possuí 50 dentes. O Estator, que é a carcaça, possuí 8 pólos, cada um com 5 dentes, perfazendo um total de 40 dentes. As bobinas são enroladas sobre os dentes do estator e estão conectadas aos pares. Desse modo, quando a corrente atravessa um par de espiras do estator, atrairão os dentes de polaridade opostas em cada extremidade do rotor. Então energizando alternadamente um e depois duas espiras o rotor se desloca um incremento de 1.80 em cada estágio.
Exemplos de aplicação:
Um motor de passo pode ser uma boa escolha sempre que movimentos precisos são necessários. Eles podem ser usados em aplicações onde é necessário controlar vários fatores tais como: ângulo de rotação, velocidade, posição e sincronismo. O ponto forte de um motor de passo não é a sua força (torque), tampouco sua capacidade de desenvolver altas velocidades - ao contrário da maioria dos outros motores elétricos - mas sim a possibilidade de controlar seus movimentos de forma precisa. Por conta disso este é amplamente usado em impressoras, scanners, robôs, câmeras de vídeo, brinquedos, automação industrial entre outros dispositivos eletrônicos que requerem de precisão.
Os motores de passo são usados em:
Drives de disquete;
Scanners planos;
Impressoras;
Injeção eletrônica nos automóveis e muitos outros dispositivos;
Motores de automóveis.
Aplicação Recomendada: O motor de passo é recomendado no uso em equipamentos que exigem um posicionamento preciso de erro pequeno e não cumulativo. Podemos citar tais exemplos como scanners, impressoras, bem como certos dispositivos robóticos que não requerem “retorno” do posicionamento. Também podemos citar exemplos que requerem rápida aceleração e desaceleração, mais uma vez inferindo aos motores de impressoras e dispositivos robóticos que efetuam movimentos rápidos e precisos, tais quais um motor de passo pode oferecer. 
Aplicação Não-Recomendada: O motor de passo não é recomendado em casos em que o dispositivo trabalhe em altas velocidades uma vez que devido a inércia do rotor as bobinas podem não ser capazes de atrair o mesmo para uma determinada posição fazendo com o que o motor “perca passos”. Também não se recomenda o uso do motor de passo em aplicações que exigem um torque grande uma vez que o torque do motor é dado pela atração entre o rotor e a bobina energizada. Uma vez que a carga exceda a força desta interação entre a bobina e rotor o motor perderá passos e sairá de controle.
Tipos que existem:
Os motores de passo são classificados em relação ao seu tipo construtivo, e podem ser de três tipos: relutância variável, imã permanente e híbridos com escovas redundantes.
Relutância Variável: Este tipo de motor consiste de um rotor de ferro, com múltiplos dentes e um estator com enrolamentos. Quando os enrolamentos do estator são energizados com corrente DC os polos ficam magnetizados. A rotação ocorre quando os dentes do estator são atraídos para os polos do estator energizado, devido `a força que aparece, para que o sistema tenha o circuito com menor relutância.
Imã Permanente: Motores de ímã permanente tem baixo custo e baixa resolução, com passos típicos de 7, 5 o a 15o (48 - 24 passos/revolução). O rotor é construído com ´ímãs permanentes e não possui dentes. Os pólos magnetizados do rotor provém uma maior intensidade de fluxo magnético e por isto o motor de ímã permanente exibe uma melhor característica de torque, quando comparado ao de relutância variável.
Híbrido: O motor de passo híbrido é mais caro do que o de ímã permanente, mas provém melhor desempenho com respeito `a resolução de passo, torque e velocidade. Ângulos de passo típico de motores híbridos estão entre 3,6 o a 0,9 o (100-400 passos por volta). O motor híbrido combina as melhores características dos motores de ´ímã permanente e motor de relutância variável. O rotor é multi-dentado como no motor de relutância variável e contém um ímã permanente ao redor do seu eixo. Os dentes do rotor provém um melhor caminho que ajuda a guiar o fluxo magnético para locais preferidos no GAP de ar.
Servo Motor
História
A história desse mecanismo, passa pelo século XIX onde, no período da Segunda Guerra Mundial, teve seu desenvolvimento iniciado e foi utilizado em controladores de fogo, os quais serviam para ajustar o ângulo de tiro e a proporção ar-combustível. Surgiu para suprir a necessidade de aumento da produção industrial em razão da crescente demanda por produtos e serviços e também foi usado na área de informática nos primeiros estágios de desenvolvimento. Em navios, o regulador / distribuidor do motor a vapor foi considerado como sendo o primeiro servo motor.
Descritivo do Dispositivo
São dispositivos de malha fechada, ou seja: Recebem um sinal de controle; verificam a posição atual; atuam no sistema indo para a posição desejada. Em contraste com os motores contínuos que giram indefinidamente, o eixo dos servo motores possui a liberdade de apenas cerca de 180º graus mas são precisos quanto a posição.
Para isso possuem três componentes básicos:
Sistema Atuador – O sistema atuador é constituído por um motor elétrico, embora também possa encontrar servos com motores de corrente alternada, a maioria utiliza motores de corrente contínua. Também está presente um conjunto de engrenagens que forma uma caixa de redução com uma relação bem longa o que ajuda a amplificar o torque.
A tamanho, torque e velocidade do motor, material das engrenagens, liberdade de giro do eixo e consumo são características-chave para especificação de servo motores.
Sensor – O sensor normalmente é um potenciômetro solidário ao eixo do servo. O valor de sua resistência elétrica indica a posição angular em que se encontra o eixo. A qualidade desse vai interferir na precisão, estabilidade e vida útil do servo motor.
Circuito de Controle – O circuito de controle é formado por componentes eletrônicos discretos ou circuitos integrados e geralmente é composto por um oscilador e um controlador PID (Controle proporcional integrativo e derivativo) que recebe um sinal do sensor (posição do eixo) e o sinal de controle e aciona o motor no sentido necessário para posicionar o eixo na posição desejada.
 
 Sinal de controle de um ServoMotor
Vantagens:
Ciclo de processo mais rápido;
Produtividade maior;
Maior precisão de movimentos;
Flexibilidade de programação.
Partes do Servo do Motor
Circuito de Controle – responsável pelo monitoramento do potenciômetro e acionamento do motor visando obter uma posição pré-determinada.
Potenciômetro – ligado ao eixo de saída do servo, monitora a posição do mesmo. 
Motor – movimenta as engrenagens e o eixo principal do servo. 
Engrenagens – reduzem a rotação do motor, transferem mais torque ao eixo Principal de saída e movimentam o potenciômetro junto com o eixo.
Caixa do Servo – caixa para acondicionar as diversas partes do servo.
 
Vista interna do servo motor.
Servos possuem três fios de interface, dois para alimentação e um para o sinal de controle. O sinal de controle utiliza o protocolo PWM (modulação por largura de pulso) que possui três características básicas: Largura mínima, largura máxima e taxa de repetição.
A largura do pulso de controle determinará a posição do eixo:
– largura máxima equivale ao deslocamento do eixo em + 90º da posição central;
– largura mínima equivale ao deslocamento do eixo em -90º;
– demais larguras determinam a posição proporcionalmente. 
Aplicações:
Robótica;
Dosadoras;
Bobinadeiras;
Maquinas de corte / solda.
Classificação dos Servos Motores 
Os servos motores podem ser classificados em: 
Standard – são os servos mais comuns. Grandes e robustos, pesam em torno De 35 gramas.
Mini – são menores que os standard pesando entre 20 a 28 gramas. 
Micro – são pequenos e leves com um bom torque. Pesam entre 6 a 20 gramas.
Padrões de Conexão 
Os fabricantes de servos obedecem um padrão (Airtronics é uma exceção). 
Placa Arduino
História
O arduino surgiu na Itália, no ano de 2005, através do professor chamado Massimo Banzi, que queria ensinar programação de computadores e eletrônica a seus alunos de design, para que os mesmo pudessem utilizar em seus projetos de arte interativa e robótica, pois ele enfrentava uma grande dificuldade que era a falta de placas poderosas que fossem baratas no mercado. 	
Foi com base nesta carência que o professor Massimo e o David Cuartie, decidiram criar uma placa simples, mas que fosse similar a um computador, pois possui um processador, memória flash e memória RAM, eles também tiveram a ajuda do David Mellis, que era aluno do professor Massimo e que ficou responsável pela linguagem de programação da placa que foi apelidada de Arduino.
O projeto iniciou-se na cidade de Ivrea, Itália, em 2005, com o intuito de interagir em projetos escolares de forma a ter um orçamento menor que outros sistemas de prototipagem disponíveis naquela época. Seu sucesso foi sinalizado com o recebimento de uma menção honrosa na categoria Comunidades Digitais em 2006, pela Prix Ars Electronica, além da marca de mais de 50.000 placas vendidas até outubro de 2008. 
Atualmente, seu hardware é feito através de um micro controlador Atmel AVR, sendo que este não é um requisito formal e pode ser estendido se tanto ele quanto a ferramenta alternativa suportarem a linguagem Arduíno e forem aceitas por seu projeto. Considerando esta característica, muitos projetos paralelos se inspiram em cópias modificadas com placas de expansões, e acabam recebendo seus próprios nomes.
Apesar do sistema poder ser montado pelo próprio usuário, os mantenedores possuem um serviço de venda do produto pré-montado, através deles próprios e também por distribuidores oficiais com pontos de venda mundiais.
Aplicações:
A principal finalidade do Arduino num sistema é facilitar a prototipagem, implementação ou emulação do controle de sistemas interativos, a nível doméstico, comercial ou móvel, da mesma forma que o CLP controla sistemas de funcionamento industriais. Com ele é possível enviar ou receber informações de basicamente qualquer sistema eletrônico, como identificar a aproximação de uma pessoa e variar a intensidade da luz do ambiente conforme a sua chegada. Ou abrir as janelas de um escritório de acordo com a intensidade da luz do sol e temperatura ambiente. 
Os campos de atuação para o controle de sistemas são imensos, podendo ter aplicações na área de impressão 3D, robótica, engenharia de transportes, engenharia agronômica e musical. 
Tipos de Arduino
Como há vários tipos de Arduino no mercado e já que muitos ficam na dúvida sobre qual versão deve comprar, hoje decidimos escrever sobre as características das principais versões existentes, para que você possa escolher o correto para o seu projeto, ou o que mais lhe convém.
Arduino Uno
A versão UNO hoje em sua terceira geração é a mais conhecida e usada entre os utilizadores desse hardware, pois possui uma configuração básica e normalmente suficiente para um projeto, pois conta com um microcotrolador Atmel Atmega328 de 8 bit, 32kb de memória flash e 2kb de ram, operando em até 20 Mhz, possui também 14 pinos digitais de 5V estes podem ser de entrada ou saída, 6 entradas analógicas também com 5V, 1 conector DC para alimentação e uma entrada USB tipo B.
Esta versão é uma ótima opção para quem está começando na área pois possui uma boa capacidade de processamento e utiliza a linguagem mais comum deste tipo de hardware, além de ser simples a utilização de seus periféricos.
Arduino Mega 2560
A versão Mega é uma das maiores existentes, principalmente na quantidade de portas, ele possui um microcontrolador ATmega2560, incríveis 54 portas digitais de entrada e saída das quais 15 podem ser usadas como saídas PWM, 16 entradas analógicas e 4 UARTs (portas seriais), 256 KB de memória flash e 8 KB de ram, operando em 16 MHz, com alimentação através de um conector DC e entrada USB tipo B.
A versão Mega 2560 possui uma configuração de hardware bem superior as demais, sua quantidade de portas parece ser suficiente para a maioria das aplicações imagináveis, seria uma boa opção para quem pretende criar um projeto com muitos periféricos e módulos.
Arduino Leonardo
A versão Leonardo lançada recentemente possui um microcontrolador Atmel  ATmega32u4, 20 portas digitais podendo 7 ser usadas como PWM e 12 analogicas,32kb de memória flash, 2.5kb de ram, uma entrada micro USB e um conector DC de 7V-12V , estas características proporcionam ao Leonardo uma maior capacidade de processamento do que o Arduino UNO, mas sua principal diferença é que ele proporciona uma maior facilidade de comunicação com o computador pois o ATmega32u4 oferece comunicação serial UART TTL e CDC fazendo o Arduino Leonardo aparecer como uma porta virtual para o computador.
A versão possui mais capacidade de processamento do que a versão UNO, portanto podendo ser usado em projetos maiores, mas por ter uma comunicação serial diferente das demais é necessário que o programador tenha conhecimento da linguagem utilizada no Leonardo, então é indicado para pessoas que já tem algum conhecimento na área.
Arduino Ethernet
A versão Ethernet utiliza um microcontrolador ATmega328, 32kb de memória flash, 2kb de ram, possui uma velocidade de processamento de 16 MHz, entrada para cartão SD, 14 pinos digitais de entrada e saída e 6 pinos analógicos de entrada, porem os pinos 10,11,12 e 13 são reservados para seu principal diferencial, o modulo Ethernet, nesta versão não existe uma porta USB onboard (é necessário utilizar um adaptador).
O Ethernet é uma ótima opção para quem deseja desenvolver um projeto que ocupe pouco espaço e seja necessário utilizar uma comunicação com a internet, porém não poderá ser usado nos projetos que utilizem muitos periféricos, pois tem uma quantidade reduzida de portas.
Arduino Nano
O Arduino nano é a menor versão existente, medindo 1,85 x 4,31 cm porem não perde em processamento, possui um microcontrolador ATmega328, 2kb de ram, 32 kb de memória flash, além do tamanho o nano tem outra característica diferente dos demais, possui 14 portas digitais e 8 analógicas todas macho, conexão serial UART TTL que facilita a comunicação com outros equipamentos e ele é alimentadopela porta mini-B USB que possui.
O nano une a facilidade de comunicação com outros dispositivos e dimensões super reduzidas, é uma opção para quem planeja criar um projeto em espaço super reduzido, possui uma linguagem de comunicação serial diferente das demais versões.
BIBLIOGRAFIAS:
Motor de passo:
https://www.telecom.uff.br/pet/petws/downloads/tutoriais/stepmotor/stepmotor2k81119.pdf
https://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_passo
Servo Motor:
https://sites.google.com/site/aldofbaum/9-artigos/2-servo-motores
https://www.trabalhosgratuitos.com/Exatas/Engenharia/Servomotor-350671.html
https://lelinopontes.wordpress.com/2011/01/04/o-servo-motor-por-dentro/
Placa Arduino:
http://www.sobrearduino.com.br/2014/09/tipos-de-arduino.html
https://pt.wikipedia.org/wiki/Arduino