102308671 servo motores
TRANSCRIPT
CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIVATES
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
DISCIPLINA DE CONVERSÃO DE ENERGIA
Servomotores
Nome:
Eric Augusto R. de Quadros
Luan Araujo dos Santos
Rafael de Moraes Cantú
Lajeado, 2 de julho de 2012.
2
Sumário
1. Resumo .......................................................................................................................................... 3
2. Introdução ...................................................................................................................................... 3
3. Sensores de posição e velocidade ............................................................................................ 3
3.1 Encoders ..................................................................................................................................... 3
3.2 Tacogeradores ........................................................................................................................... 4
3.3 Resolver ...................................................................................................................................... 5
3.4 Potenciômetros .......................................................................................................................... 5
4. Servomotores CA ......................................................................................................................... 5
4.1 Síncronos .................................................................................................................................... 5
4.2 Assíncronos ................................................................................................................................ 6
5. Servomotores CC ......................................................................................................................... 6
5.1 Servomotores CC com controle de campo ............................................................................ 7
5.2 Servomotores CC de controle na armadura .......................................................................... 8
5.3 Servomotores CC de campo permanente com controle na armadura. ............................. 8
5.4 Servomotores CC do tipo série com campo dividido. .......................................................... 9
6. Aplicações ................................................................................................................................... 10
6.1 Sistemas de transporte. .......................................................................................................... 10
6.2 Sistemas de dosagem ............................................................................................................. 11
6.3 Fresagem .................................................................................................................................. 11
7. Conclusão .................................................................................................................................... 11
8. Referências ................................................................................................................................. 11
3
1. Resumo Os servomotores são muito empregados na otimização de máquinas e
equipamentos, esses motores permitem maior controle do processo, isto é possível através
de servoatuadores com realimentação e com monitoramento de posição, velocidade e
torque. Este controle depende de uma série de requisitos como: dependência de um
servoconversor dedicado a cada servomotor. A possibilidade de se controlar a torque no
eixo de forma constante em diversas faixas de rotação é uma das principais vantagens
desses motores. Os servomotores são comumente divididos em AC síncrono, o qual
depende da realimentação a partir de um resolver, o AC assíncrono que se assemelha a um
motor trifásico gaiola de esquilo convencional, dependendo da realimentação obtida por um
encoder e o servomotor DC, esse bastante semelhante a um motor DC comum.
2. Introdução Os servomotores são motores de malha fechada, ou seja, recebem um sinal,
verificam a posição atual e atuam no sistema para colocar o eixo na posição desejada e que
são precisos quanto à posição em que se encontram.
Eles são formados por três componentes distintos:
- Sistema atuador: constituído por um motor elétrico (corrente alternada ou corrente
contínua) que possui uma caixa de redução com uma relação bem longa, o que garante
uma amplificação do torque.
- Sensor: formado por um potenciômetro, encoder, sensor de efeito Hall ou outro
mecanismo acoplado ao eixo do motor que possui uma grandeza que varia conforme a
posição dele.
- Circuito de controle: constituído de componentes eletrônicos que recebem o sinal
de controle e o sinal do sensor e acionam o motor no sentido necessário para posicionar o
eixo na posição desejada.
Independente da aplicação para a qual os servomotores serão utilizados, eles
necessitam ter alta dinâmica de torque, baixo momento de inércia, alto tempo de sobrecarga
mecânica e de corrente sem aquecimento, torque contínuo, operação suave, alto
rendimento, alta precisão de posicionamento e alta potência.
3. Sensores de posição e velocidade Há vários tipos de sensores de posição e velocidade que são utilizados nos
diferentes tipos de servomotores, dentre eles podemos destacar os encoders, os
tacogeradores, os resolvers e os potenciômetros.
3.1. Encoders
Os encoders podem ser incrementais ou absolutos. O encoder incremental possui
uma construção mais simples e possui marcações radiais que geram pulsos à medida que o
motor gira em seu eixo. A detecção da posição na qual ele se encontra é feita através da
contagem de pulsos que zera quando ele passa por uma marcação de início de volta. O
principal ponto negativo na utilização deste tipo de encoder é que caso ele deixe de ser
energizado no meio de uma volta, ele não saberá a posição na qual ele se encontra quando
ele voltar a ser energizado, até o momento que ele passar pela marcação de início de volta.
4
Figura 1: Encoder incremental
Já o enconder absoluto possui um código para cada posição da rotação, então a
medida que o eixo vai girando, o circuito de controle sabe onde lê o código da posição e
sabe onde ele se encontra. Com isso, mesmo que o motor deixe de ser energizado, ele vai
saber onde se encontra quando receber energia novamente.
Figura 2: Encoder absoluto
3.2. Tacogeradores
Os tacogeradores são geradores CC de ímã permanente ou geradores síncronos
CA, também de campo produzido por imãs, conhecidos como alternadores. Os
tacogeradores CC apresentam uma tensão proporcional à velocidade, positiva ou negativa,
dependendo do sentido de rotação e, como toda máquina CC, trabalham com escovas. Os
alternadores não necessitam de escovas, o que representa uma vantagem. Em geral, a
tensão de saída é retificada por uma ponte de diodos, o que faz com que a tensão retificada
tenha sempre o mesmo sinal, independentemente do sentido de rotação.
5
3.3. Resolver
O resolver, é um transformador de alta frequência geralmente de 5KHz a 10KHz,
sendo que o primário está no rotor, e dois secundários no estator. Ele funciona como um
gerador, onde seu rotor é acoplado ao eixo do servomotor e faz com que a interação do
campo eletromagnético atue sobre o bobinado do estator.
As amplitudes e fases das tensões induzidas nos secundários são funções da
posição do rotor. Os secundários estão defasados 90º entre si, para geração de sinais
senoidais, estes serão condicionados e transformados em sinais de realimentação do
sistema através de circuitos eletrônicos dispostos no servoconversor.
Figura 3: Resolver
A posição inicial (alinhamento) do resolver é feita na fábrica, na montagem do
servomotor e só pode ser alterada se o ajuste for refeito precisamente, numa posterior
remontagem. Mas caso seja desmontado e não remontado adequadamente haverá uma
eventual perda em seu sincronismo.
3.4. Potenciômetros
Nos servomotores que possuem um número limitado de voltas ou de graus na
rotação, é utilizado um potenciômetro acoplado ao eixo, assim o circuito de controle lê a
tensão que passa por ele, pois o valor de sua resistência é alterada conforme a posição na
qual ele se encontra.
4. Servomotores CA Nos servomotores CA, uma das fases é alimentada com tensão alternada de
frequência e amplitude constante e a outra fase recebe uma tensão de mesma frequência,
mas defasada de 90º em fase e com amplitude ajustável. Estes servomotores apresentam
uma precisão menor que a dos servos-motores CC.
4.1. Síncronos
É um dispositivo eletromecânico que possui uma parte fixa (estator) e outro móvel
(rotor), o estator possui bastante semelhança ao de uma máquina elétrica convencional,
porém com restrições quanto à alimentação, já o rotor é composto por imãs permanentes,
os quais são posicionados alinhadamente sobre o rotor e com o controlador, ou gerador de
sinais, chamado de resolver. A figura 4 mostra a estrutura deste servomotor.
6
Figura 4: Principais partes de um Servomotor
Ao se utilizar imãs permanentes, pode-se ter um maior controle e precisão da
velocidade e da posição, além de ter a grande vantagem de ser possível controlar o torque
no eixo para diversas velocidades e de forma constante.
Porém para ser possível esse controle de velocidade, posição e torque é
necessário o emprego do servoconversor, os quais são desenvolvidos especificamente para
cada servomotor. Estes têm a função de controlar o fluxo eletromagnético e fornecê-lo para
o servomotor, pois os fluxos oriundos da rede não são adequados para aciona-los.
4.2 Assíncronos
Outro tipo de servomotor CA é o assíncrono, que traz a robustez dos motores
trifásicos “gaiola de esquilo” e a controlabilidade do servomotor síncrono, mas com a
necessidade de um sinal de realimentação. Estes obrigam a utilização de ventilação forçada
para seu estator, efeito do seu alto desempenho.
Os servomotores assíncronos são quase idênticos aos motores convencionais na
sua forma de construção, diferenciando apenas por uma ponta adicional no eixo do rotor,
utilizada para acoplar um sistema de controle de posição e velocidade, podendo esse ser
um transdutor de posição angular, encoder. A imagem do motor a figura 5 trás um
servomotor CA Assíncrono.
Figura 5 - Servomotor AC Assíncrono
5. Servomotores CC São basicamente motores de corrente contínua, sendo que o estator é do tipo imã
permanente estes imãs têm a adição de elementos da série dos lantanídeos para
potencializar seu desempenho. A figura 6 trás a configuração básica para um servomotor
CC, Onde (1) Potenciômetro de referencia; (2) Rampa de aceleração/desaceleração; (3)
7
Regulador de velocidade; (4) Regulador de corrente;(5) Circuito gerador de pulsos;(6) Ponte
Retificadora tiristorizada para alimentação da armadura;(7) Ponte Retificadora para
alimentação do campo;(8) Servomotor CC;(9) Enrolamento de campo do motor; (10) Taco
Gerador.
Figura 6 - Configuração básica de servomotor CC.
O servomotor CC é um motor de corrente com elevada dinâmica, ou seja, seu
projeto é feito de forma tal que a interação do fluxo proporcione torque relativamente
constante ao longo de uma grande faixa de velocidade e rápida resposta. O sentido do giro
é dado pela polaridade da corrente do motor. São usualmente divididos em quatro tipos de
servomotores CC.
5.1 Servomotores CC com controle de campo
Este motor possui torque zero quando não há excitação no campo fornecida pelo
amplificador CC do erro, como visto na figura 7. Desde que a corrente da armadura seja
sempre constante, o torque varia diretamente com o fluxo do campo e também com a
corrente de campo até a saturação (C= k ⋅ φ ⋅ Ia). Se for invertida a polaridade do campo,
inverte-se o sentido de rotação do motor.
Figura 7 - Servomotores CC com controle de campo.
Todavia, o controle da corrente de campo por este método é apenas utilizado em
servomotores pequenos, devido a dois motivos, o primeiro é que é indesejável ter de
fornecer uma corrente de armadura grande e fixa, como seria necessária para grandes
servomotores CC, e o segundo motivo é que a sua resposta dinâmica é mais lenta que a de
8
um motor de controle na armadura, devido à constante de tempo do circuito de campo, que
é altamente indutivo.
5.2 Servomotores CC de controle na armadura
Este servomotor emprega uma excitação de campo CC fornecida por uma fonte de
corrente constante, como se vê na Figura 8. Como se disse, este tipo de controle possui
certas vantagens dinâmicas que o método de controle do campo não tem. Uma variação
súbita, grande ou pequena, da corrente da armadura, produzida por um sinal de erro,
causará uma resposta quase imediata no torque, uma vez que o circuito da armadura é
essencialmente resistivo em comparação ao circuito de campo, que é altamente indutivo.
Figura 8 - Servomotores CC de controle na armadura.
O campo deste motor funciona normalmente bem abaixo do joelho da curva de
saturação, para manter o torque menos sensível às variações leves da tensão de uma fonte
de corrente constante. Além disto, um fluxo elevado de campo aumenta a sensibilidade de
torque do motor ( C = k ⋅φ ⋅ I ) para uma mesma variação pequena na corrente de armadura.
Motores CC de até 1.000 HP são acionados, desta forma, por controle da tensão de
armadura. Se o sinal de erro e a polaridade da tensão da armadura se invertem, o motor
gira no sentido oposto.
5.3 Servomotores CC de campo permanente com controle na
armadura.
São empregados pequenos servomotores CC fracionários, de instrumento com
pequeno torque, visto na Figura 9, com campo de imã permanente para fornecimento de
excitação constante, em lugar de uma fonte de corrente constante.
Figura 9 - Servomotores CC de campo permanente com controle na armadura.
Estes dispositivos são normalmente executados nas tensões 6 V e 200 V. A
estrutura de campo destes motores consiste de uma liga de Alnico VI, fundida na forma de
um anel circular, de cerca de uma polegada de diâmetro, circundando completamente a
9
armadura e proporcionando um fluxo forte associado. Os motores de campo permanente
são bem compensados através de enrolamentos de comutação, para evitar a
desmagnetização dos imãs do campo por ocasião de uma súbita inversão na polaridade da
tensão CC da armadura. Os efeitos da histerese e das correntes parasitas são normalmente
desprezíveis nestes motores, e as peças polares são geralmente laminadas para reduzir o
faiscamento das escovas sempre que ocorrer uma variação brusca da tensão do sinal.
5.4 Servomotores CC do tipo série com campo dividido.
Pequenos motores-série CC, fracionários, de campo dividido podem ser operados
como se fossem motores de excitação independente com controle no campo, como se vê na
Figura 10. Um enrolamento é chamado de enrolamento principal e outro é o auxiliar, embora
tenham genericamente a mesma fmm e estejam enrolados sobre os pó1os num sentido tal
que se produza a inversão do sentido de rotação de um em relação ao outro. Os motores
podem ter excitação independente e a armadura pode ser alimentada por uma fonte de
corrente constante. As vantagens do método do campo dividido, de controle do campo, são
a melhora a resposta dinâmica da armadura, uma vez que os campos estão sempre
excitados (não há atraso devido à constante de tempo indutiva), e o fato de se obter um
controle mais fino, porque o sentido de rotação é mais sensível a diferenças extremamente
pequenas entre as correntes dos enrolamentos principal e auxiliar.
Figura 10 - Excitação independente.
Servomotores maiores funcionam segundo a configuração vista na Figura 11, uma
vez que é difícil obter-se excitação independente para a armadura utilizando-se correntes
elevadas. Nesta configuração, a corrente de armadura do motor série de campo dividido é a
soma das correntes de enrolamento principal e do auxiliar. Mas, quando estas correntes nos
campos-série são iguais e opostas, não se produz torque. Um leve aumento ou diminuição
na corrente do enrolamento auxiliar produzirá um torque instantâneo e a rotação em
qualquer dos sentidos. Servomotores CC série produz um torque de partida elevado e uma
resposta rápida aos menores sinais de erro. A regulação da velocidade é pobre para este
tipo de máquina; mas este fato não é, geralmente, um aspecto de maior importância num
servomecanismo, uma vez que a carga é normalmente fixa. O uso de dois enrolamentos em
oposição reduz um tanto o rendimento do motor, embora este não seja um problema maior
em motores pequenos.
10
Figura 11 - Excitação direta.
6. Aplicações Diversos projetos da área de automação demandam o uso de servomotores uma
vez que estes requerem precisão, e fácil aplicação e controle via sistemas de controle digital
ou analógico. Desta forma os servomotores apresentam se como soluções praticas para
diversas situações uma vez que possuem sua construção projetada para permitirem maior
controle do usuário sobre o sistema de atuação. A seguir são relacionadas algumas
aplicações de servomotores.
6.1 Sistemas de transporte.
Sistemas de transporte são usados em praticamente todos os sistemas de
automação existente uma vez que esses sistemas abrangem: esteiras, correntes, mesas
transportadoras, e etc, a figura 12 trás uma aplicação de servomotor em uma esteira. Se faz
uso dos servomotores nesses sistemas devido aso fato de possuírem torque constante em
diferentes velocidades de operação.
Figura 12 - Esteira de transporte
Os servomotores aplicados nesses sistemas possuem geralmente controle de
velocidade de modo analógico variante de acordo com a carga, mantendo sempre o torque
constante, e possui controle de posição oriundo de um sistema de controle que dita os
momentos de paradas e de transporte, uma vez que os objetos transportados podem
requere diversas paradas ao longo do caminho e todas com alto nível de precisão.
11
6.2 Sistemas de dosagem
Os sistemas de dosagem requerem sistemas que possam controlar a vazão de um
determinado produto de forma precisa e continua, neste caso são empregados servos-
motores para controle de válvulas ou outros dispositivos de fluxos. Neste dispositivos a
velocidade do fluxo é controlada por acionamentos de servomotores ligados em sistemas de
malha fechada onde são levados em consideração parâmetros do processo como: corrente,
pressão, vazão, temperatura, etc.
6.3 Fresagem
Fresagem é um processo mecânico que visa dar uma forma de acabamento
desejado ao material, esse processo usa ferramentas chamadas e fresas para retirar o
excesso de metal ou sobre metal da superfície de uma determinada peça. Nestes sistemas
se faz uso de sistemas CNC que emitem comandos numéricos para o controle de
velocidade e posição dos servomecanismos.
Estas aplicações necessitam que a velocidade de desbastes (retirada de materiais)
se mantenha constante (velocidade do rebolo constante). Assim é interessante que possa
aumentar a velocidade do rebolo conforme o desgaste do mesmo, de forma geral quando o
rebolo é novo a velocidade pode ser menor e conforme ocorre o desgaste do mesmo a
velocidade pode ir aumentando gradativamente podendo chegar a velocidade acima da
nominal do motor.
7. Conclusão Quando torque e posicionamento devem caminhar juntos, servomotores são as
melhores opções, pois eles conseguem manter a mesma força independentemente da
posição na qual se encontra ou da velocidade de rotação.
Seu tamanho também é um fator positivo, devido ao fato de que outros tipos de
motores elétricos com o mesmo torque e eficiência acabam sendo muito maiores e
consomem muito mais energia.
8. Referências GUIA DE APLICAÇÃO DE SERVOACIONAMENTOS WEG. 194 p. Disponível em <http://pessoal.utfpr.edu.br/joaquimrocha/arquivos/Acionamento_Guia_de_Aplicacao_de_Servoacionamentos.pdf>. Acesso em: 25 jun. 2012. SERVOS. Disponível em <pessoal.utfpr.edu.br/favretto/arquivos/Servoacionamentos.pdf>. Acesso em: 25 jun. 2012. SERVOMOTORES. 9 p. Disponível em <http://www.pictronics.com.br/downloads/apostilas/servomotores.pdf>. Acesso em: 25 jun. 2012. SERVOMOTOR: Princípios básicos de Funcionamento. Disponível em <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAaLkAB/servomotor-principios-basicos-funcionamento>. Acesso em: 25 jun. 2012.
12
AUTOMAÇÃO SERVOCONVERSOR SCA06 SERVOMOTOR SWA. Disponível em <http://catalogo.weg.com.br/files/wegnet/WEG-servoconversor-sca06-50022905-catalogo-portugues-br.pdf>. Acesso em: 25 jun. 2012. MÁQUINAS ELÉTRICAS. Disponível em: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA0Z0AA/apostila>. Acesso em: 25 jun. 2012. FITZGERALD, A.E. et al; Máquinas Elétricas., 6ªEdição, Bookman, 2006.