guia de aplicação de servoacionamentos

Servodrive

Servoconvertidor

Servoconversor

SCA

Motors | Energy | Automation | Coatings

User's GuideGuia del UsuarioGuia do Usurio

GUIA DE APLICAO DE SERVOACIONAMENTOS

Srie: Servoacionamentos

Idioma: Portugus

N do Documento: XXXXXXXX

Modelos: XXX

Data da Publicao: 03/2009

Autoria

2 | Guia de Aplicao Servoacionamento

AUTORIA

Este Guia de Servoacionamentos foi escrito pelos Dr. Richard M. Stephan (coordenao do trabalho e criao dos captulos 1, 2, 3, 4 e parte do 5), Dr. Vitor F. Romano (captulo 5 e parte do captulo 6) e Dr. Lus Guilherme B. Rolim (captulo 3.1), todos professores da Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ.Coube WEG a criao dos captulos 7, 8, 9, 10 e anexos I e II como tambm a reviso tcnica do mesmo.

Indice

0NDICE

INTRODUO1.1 SERVOMOTORES DE CORRENTE CONTNUA .................................................................................1-2

DESCRIO DO SERVOMOTOR2.1 SERVOMOTOR DE CORRENTE ALTERNADA SNCRONO ..............................................................2-12.2 CARACTERSTICAS CONSTRUTIVAS .............................................................................................. 2-2

2.2.1 Sensores de posicionamento e velocidade ............................................................................ 2-22.2.3 Aspectos trmicos .................................................................................................................... 2-8

DESCRIO DO SERVOCONVERSOR3.1 CONSTITUIO BSICA DO CONTROLADOR ELETRNICO ....................................................... 3-1

3.1.1 Microcontrolador ........................................................................................................................ 3-13.1.2 Memrias (Eprom - EEprom - RAM) ........................................................................................ 3-23.1.3 Sistema de Entrada e Sada de Dados .................................................................................... 3-3

3.2 ESTGIO DE POTNCIA DO SERVOCONVERSOR ......................................................................... 3-43.2.1 Modulao por largura de pulsos - PWM ............................................................................... 3-43.2.2 Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ............................................................... 3-73.2.3 Servoacionamentos trifsicos ................................................................................................. 3-8

MODELAMENTO MATEMTICO E CONTROLE DO SERVOMOTOR4.1 MODELO VETORIAL DO SERVOMOTOR .......................................................................................... 4-14.2 EQUAO MECNICA DO ROTOR ................................................................................................... 4-34.3 SISTEMAS DE CONTROLE ................................................................................................................ 4-4

NOES FUNDAMENTAIS E DIMENSIONAMENTO DO SERVOACIONAMENTO5.1 DEFINIES ........................................................................................................................................ 5-1

5.2 Torque ............................................................................................................................................ 5-15.3 VELOCIDADE DE ROTAO .............................................................................................................. 5-15.4 POTNCIA ............................................................................................................................................ 5-25.5 INRCIA ............................................................................................................................................... 5-2

5.7.1 Consideraes bsicas ............................................................................................................. 5-45.7.2 Transmisses mecnicas .......................................................................................................... 5-55.7.3 Dinmica das transmisses mecnicas .................................................................................. 5-85.7.3.1 Movimento uniforme ............................................................................................................... 5-95.7.3.2 Movimento acelerado ............................................................................................................5-115.7.3.3 Movimento de desacelerao ..............................................................................................5-17

APLICAES TPICAS PARA SERVOACIONAMENTOS6.1 TORNO DE SUPERFCIE / LAMINADOR DESFOLHADOR .............................................................. 6-26.2 SISTEMAS DE TRANSPORTE ............................................................................................................ 6-36.3 TREFILAS ............................................................................................................................................. 6-46.4 MISTURADORES ................................................................................................................................. 6-46.5 BOBINADORES / DESBOBINADORES ............................................................................................. 6-46.6 ALIMENTAO DE TIRAS EM PRENSAS ......................................................................................... 6-56.7 FRESAGEM .......................................................................................................................................... 6-66.8 SISTEMAS DE DOSAGEM .................................................................................................................. 6-7

INSTALAO DE SERVOACIONAMENTOS8.1 INSTALAO MECNICA ....................................................................................................................7-2

8.1.1 Ambiente .......................................................................................................................................7-28.1.2 Posicionamento e fixao ..........................................................................................................7-3

8.2 INSTALAO ELTRICA .................................................................................................................... 7-48.2.1 Conexes de Potncia ............................................................................................................... 7-48.2.2 Conexes de Sinal e Controle ...................................................................................................7-78.2.3 Reatncia de rede ..................................................................................................................... 7-8

Indice

0 PARMETROS DO SERVOACIONAMENTOS9.2 PARMETROS DE REGULAO ....................................................................................................... 8-39.3 PARMETROS DE CONFIGURAO ................................................................................................ 8-39.4 PARMETROS DE SERVOMOTOR .................................................................................................... 8-69.5 PARMETROS DAS FUNES ESPECIAIS ..................................................................................... 8-79.6 EXEMPLOS DE PARAMETRIZAO ................................................................................................. 8-8

PARMETROS DA PLACA POSICIONADORA10.1 PARMETROS DE LEITURA ............................................................................................................ 9-110.2 PARMETROS DE REGULAO ..................................................................................................... 9-110.3 PARMETROS DE CONFIGURAO .............................................................................................. 9-210.4 PARMETROS DAS FUNES ESPECIAIS ................................................................................... 9-2

10.5.1 Contatos e bobinas .................................................................................................................. 9-310.5.2 STS e RTS ................................................................................................................................. 9-310.5.3 NTS e PTS ................................................................................................................................. 9-410.5.4 Contador ................................................................................................................................... 9-410.5.5 Seguidor .................................................................................................................................... 9-510.5.6 Busca do Zero .......................................................................................................................... 9-510.5.7 Em Velocidade .......................................................................................................................... 9-610.5.8 Em Posicionamento ................................................................................................................. 9-710.5.9 Trajetria Trapezoidal .............................................................................................................. 9-710.5.10 Trajetria em Curva S ............................................................................................................ 9-910.5.11 Jog ...........................................................................................................................................9-1010.5.12 Stop .........................................................................................................................................9-10

10.5.13 TEMPORIZADOR .........................................................................................................................9-11

LINHA DE SERVOACIONAMENTOS

ANEXO 1 - CLCULO DO MOMENTO DE INRCIA DE MASSA1. MOMENTO DE INRCIA DE FORMAS SIMPLES ..............................................................................11-12. TEOREMA DOS EIXOS PARALELOS ..................................................................................................11-33. MOMENTO DE INRCIA DE FORMAS COMPOSTAS .......................................................................11-34. MOMENTO DE INRCIA DE CORPOS QUE SE MOVEM LINEARMENTE ......................................11-45. TRANSMISSO MECNICA ................................................................................................................11-46. EXEMPLOS DE CLCULOS DE MOMENTO DE INRCIA DE MASSA ............................................11-4

ANEXO 2 - CHECK-LIST PARA DETALHAMENTO DA APLICAOFOLHA DE DADOS PARA DIMENSIONAMENTO - SERVOACIONAMENTOS ....................................12-1

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

Introduo

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Guia de Aplicao Servoacionamento | 1-1

INTRODUO

Servoacionamentos so sistemas eletromecnicos de controle de preciso.

Eles encontram aplicaes em diferentes campos da indstria como, por exemplo:

Mquinas-ferramenta a comando numrico Sistemas de posicionamento Linhas de transporte Robs industriais Sistemas flexveis de manufatura.

Servomotores so os motores utilizados nos servoacionamentos.

Os circuitos de alimentao dos servomotores encontram-se em uma unidade chamada servoconversor.

Assim:

Servoacionamento = servomotor + servoconversor.

Uma primeira caracterstica necessria para a escolha de um motor para tal funo relaciona-se com a facilidade e simplicidade de atuao no torque da mquina.Neste ponto, vale ressaltar a importncia do torque nos acionamentos eletromecnicos. Ele a nica grandeza comum aos mundos eltricos e mecnicos e, portanto, a varivel de interface. Tenses e correntes, por exemplo, pertencem ao mundo eltrico. J velocidades e posies so grandezas mecnicas (figura 1.1).

Figura 1.1: A importncia do torque nos acionamentos eletromecnicos

Antes do advento dos dispositivos semicondutores de potncia com capacidade de conduo e bloqueio, como o IGBT, dos materiais magnticos de elevado magnetismo remanente e fora coercitiva, como o Nd-Fe-B ou o Sm-Co, e dos microprocessadores de baixo custo, ocorridos nas ltimas dcadas do sculo XX, os motores de corrente contnua (CC) ocupavam o maior espao das aplicaes em servoacionamentos, pois eram os motores que permitiam o controle do torque com mais facilidade e preciso.

Nesta apostila, ser visto que os Motores Sncronos de m Permanente (MSIP), acionados por circuitos de eletrnica de potncia e controlados por microprocessadores digitais, representam o estado da arte dos servoacionamentos. Sero apresentadas informaes sobre a construo dos motores, sobre ms e sensores, circuitos magnticos e de eletrnica de potncia, microprocessadores, tcnicas de controle e aplicaes tpicas.

Introduo

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1-2 | Guia de Aplicao Servoacionamento

Os servomotores CC sero inicialmente apresentados apenas como ponto de referncia ou paradigma para o estudo dos modernos servomotores WEG.

1.1 SERVOMOTORES DE CORRENTE CONTNUA

O torque nas mquinas de corrente contnua dado pela relao:

T = k1 . . ia (1.1)

onde:T = torque;k1 = constante que depende das caractersticas construtivas da mquina; = fluxo magntico; eia = corrente de armadura.

Mantendo-se constante, o torque pode ser diretamente modificado pela corrente.

Por sua vez, a corrente dada por:

va = Ra . ia + La . (d ia / dt) + ea (1.2)

onde:va = tenso de armadura;Ra = resistncia de armadura;La = indutncia de armadura;

e a fora contra eletromotriz dada por:

ea = k2 . . n (1.3)

onde:n = representa a velocidade no eixo da mquina;k2 = constante que depende das caractersticas construtivas da mquina.

As Eqs. (1.1), (1.2) e (1.3) levam ao circuito equivalente apresentado na figura 1.2.

Figura 1.2: Circuito equivalente do motor de corrente contnua

A potncia eltrica convertida em potncia mecnica pode ser determinada por:

pe = ea . ia = k2 . . n . ia (1.4)

O torque est relacionado com a potncia por:

T = pe / n (1.5)

Introduo

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Logo,

T = k2 . . ia (1.6)

Comparando-se as Eqs. (1.1) e (1.6) constata-se que:

k1 = k2 (1.7)

desde que se trabalhe com um sistema coerente de unidades, como o MKS, o sistema internacional de unidades (SI).

Da Eq. (1.2) verifica-se que a corrente de armadura (torque) da mquina CC pode ser modificada pela tenso de armadura.

Para contornar o efeito da fora contra eletromotriz (ea) e melhor controlar o desempenho da mquina pode-se empregar uma malha de controle de corrente. Este aspecto ser discutido com mais detalhe no Cap. 4, quando as tcnicas de controle dos servoacionamentos forem estudadas.

A diminuio do fluxo magntico , mantidas as condies de tenso e corrente nominais, permite a operao do motor com velocidade superior nominal, mas com reduo de torque. Isto pode ser concludo da observao das equaes (1.1) e (1.3) com uma reduo de para ea e ia constantes. Este modo de operao conhecido como enfraquecimento de campo ou como regio de potncia disponvel constante (ea . ia = constante).

1.2 SERVOMOTORES DE CORRENTE ALTERNADA

A mquina bifsica de corrente alternada tambm foi empregada como servomotor. Nesta mquina, uma das fases alimentada com tenso alternada de freqncia e amplitude constante e a outra fase recebe uma tenso de mesma freqncia, mas defasada de 900 eltricos e amplitude ajustvel. Estes servomotores apresentam uma preciso menor que a dos servomotores CC.

Atualmente, com os IGBTs e ms de Nd-Fe-B, as Mquinas Sncronas trifsicas de m Permanente (MSIP) so a melhor opo de servomotores e sobre estas mquinas versar este guia.

Introduo

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Descrio do Servomotor

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DESCRIO DO SERVOMOTOR

2.1 SERVOMOTOR DE CORRENTE ALTERNADA SNCRONO

Com a disponibilidade de materiais magnticos com elevado magnetismo remanente (superior a 1T) e altas foras coercitivas (da ordem de 7000 A/cm), como o Sm-Co ou o Nd-Fe-B, os Motores Sncronos de m Permanente (MSIP) se tornaram uma opo atrativa para servomotores de potncia inferior a 10kW. Estes materiais, baseados em terras-raras, requerem menos volume para a construo dos motores e praticamente no podem ser desmagnetizados acidentalmente por elevadas correntes de curto. Estes motores apresentam uma razo Potncia/Volume superior a de motores CC e mesmo a de motores de induo, que dependem de correntes no rotor para a produo de torque.

A figura 2.1 mostra a seco de um motor MSIP. Os ms podem ser considerados parte do entreferro uma vez que apresentam alta resistividade eltrica e permeabilidade magntica praticamente igual a do ar, um fato surpreendente. Esta caracterstica implica em uma pequena reatncia sncrona, o que minimiza a reao de armadura. Na figura tambm est indicado que o estator possui skew. Este termo tcnico pode ser traduzido por inclinao e significa alinhar o incio de uma ranhura com o fim da seguinte na outra extremidade do eixo, ou, alternadamente, inclinar a linha dos ms de um passo de ranhura. O objetivo minimizar o torque de relutncia, existente na mquina, e que produz um movimento aos solavancos, conhecido como cogging.

Figura 2.1: Seco de um Motor Sncrono de m Permanente (MSIP)

O motor da figura 2.1 apresenta perfeita simetria em relao aos plos Norte e Sul. Para efeitos de enfraquecimento de campo no MSIP, assunto que ser abordado no item 4.1, pode ser conveniente criar uma diferena entre as direes Norte e Sul. A figura 2.2, mostra algumas configuraes possveis de mquinas sncronas de m permanente com rotores ditos anisotrpicos.

Figura 2.2: Rotores anisotrpicos


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Os servomotores apresentados anteriormente possuem uma distribuio espacial senoidal do fluxo de entreferro. Os servomotores WEG empregam esta tecnologia e so todos 8 plos.Existe um grupo de servomotores de m permanente com distribuio trapezoidal do fluxo de entreferro.Estas mquinas so menos precisas que as MSIP e no sero consideradas neste guia. Na literatura tcnica, elas so tambm chamadas de Mquinas de Corrente Contnua Sem Escovas (Brushless DC Machines).

2.2 CARACTERSTICAS CONSTRUTIVAS

2.2.1 Sensores de posicionamento e velocidade

Os servoconversores necessitam de informaes de posio e/ou velocidade para o controle dos servomotores. Estas informaes podem ser estimadas ou medidas. Nas aplicaes de maior preciso, impe-se o emprego de medio por meio de sensores. Os principais tipos sero descritos a seguir:

Encoders

Os chamados encoders podem ser de dois tipos: incrementais ou absolutos. A figura 2.3 ilustra estas duas possibilidades.

Figura 2.3: (a) Encoder incremental (b) Encoder absoluto

O encoder incremental apresenta construo mais simples. So gerados pulsos (A e B na figura 2.3a) oriundos de duas marcaes radiais, igualmente espaadas, que permitem a deteco da posio, pela contagem dos pulsos, e do sentido de rotao, pelo defasamento das faixas A e B. Uma marca de zero, localizada em uma terceira circunferncia, fornece a indicao do trmino de uma volta e do incio da contagem.


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No encoder absoluto, cada posio do disco corresponder a uma combinao de sinais (A1, A2, ...A6 na figura 2.3b), em geral fornecidos por sensores ticos ou magnticos que percebem a passagem pelas marcas do disco. prefervel empregar uma codificao tal que s ocorra a mudana de um bit a cada alterao de posicionamento, como o cdigo Gray. Isto evita ambigidades, facilitando a deteco de erros.

Por ocasio de uma perda de energia ou desligamento, o sensor incremental necessita da passagem pela marca de zero para reiniciar sua contagem aps o religamento. J o sensor absoluto pode disponibilizar a informao da posio logo que energizado. H dispositivos comercializados que chegam a ter resoluo superior a 10 bits. A informao da velocidade pode facilmente ser obtida a partir da derivada da informao da posio, programada digitalmente.

Tacogeradores

Os tacogeradores so geradores CC de m permanente ou geradores sncronos CA, tambm de campo produzido por ims, conhecidos como alternadores. Os tacogeradores CC apresentam uma tenso proporcional velocidade, positiva ou negativa, dependendo do sentido de rotao e, como toda mquina CC, trabalham com escovas. Os alternadores no necessitam de escovas, o que representa uma vantagem. Em geral, a tenso de sada retificada por uma ponte de diodos, o que faz com que a tenso retificada tenha sempre o mesmo sinal, independentemente do sentido de rotao.

Resolvers

Os resolvers so transformadores de alta freqncia (5 a 10kHz) conforme sugere a figura 2.4. O primrio est situado no rotor e existem dois secundrios em quadratura no estator. As amplitudes e fases das tenses induzidas nos secundrios so funo da posio do rotor. Um circuito condicionador processa as tenses induzidas nos secundrios fornecendo uma tenso proporcional posio.

Figura 2.4: Resolver

Os sincro transformadores, empregados em tradicionais malhas de controle, podem ser vistos como resolvers alimentados em 60Hz.

2.2.2 CIRCUITO MAGNTICO

Os modernos servomotores so construdos com ms de terras-raras. Assim, para o melhor entendimento do seu funcionamento, a seguir ser apresentado um resumo das principais relaes para a resoluo de circuitos magnticos com ms.

ms

Nos meios e materiais no magnticos, o vetor intensidade de campo magntico (H) e o vetor densidade de fluxo magntico (B) esto relacionados pela equao

B = . H, (2.1)

onde:


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= permeabilidade magntica do meio.Para o ar, = 0 = 4 10-7 H/m

A intensidade de campo magntico (H) est relacionada com a corrente total enlaada em uma trajetria fechada pela lei de Ampre:

H . dl = i (2.2)

Para o circuito ilustrado na figura 2.5, a aplicao desta lei leva a:

H1 l1 + Hg lg = N1 i1

Figura 2.5: Ilustrao da lei da Ampre e da lei de Faraday

J a densidade de fluxo magntico (B) est relacionada com a tenso (v) pela lei de Faraday

v = - N1 . (d / dt), (2.3)

onde:

= B . dA o fluxo magntico que atravessa a rea A.

No interior dos materiais magnticos, a relao entre B e H no-linear. As curvas B x H, como a apresentada na figura 2.6, ensinam as principais propriedades destes materiais:

Existe uma densidade de fluxo magntico de saturao (BSAT). O aumento de H, produzido por um aumento de corrente de excitao, no corresponde a um aumento significativo de B, quando se opera prximo da saturao;

Ao se retirar a corrente de excitao (H = 0), o material ainda guarda uma densidade de fluxo magntico (BR). Isto um m. A polaridade deste fluxo remanente funciona como uma memria, indicando qual o sentido da ltima corrente aplicada. Esta propriedade foi usada para a construo das memrias de ferrita de computadores;

A fora coercitiva (HC) indica a corrente que deve ser aplicada para desmagnetizar um material (ou seja, levar B a zero). Quanto maior for HC, mais difcil a perda do magnetismo remanente de um m;

BR e HC so conseqncia do lao de histerese caracterstico do material. Variaes em torno de um ponto de operao da curva B x H seguem um pequeno lao de histerese.

Quando a curva de histerese se apresenta como uma linha reta, estes laos deixam de existir, o que significa a manuteno das propriedades magnticas do m.


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Figura 2.6: Curvas B x H de um material magntico

O segundo quadrante das curvas B x H dos principais materiais magnticos empregados na fabricao de ms esto dadas na figura 2.7.

Figura 2.7: Curvas B x H dos principais ms

Observamos que o Alnico (Alumnio-Nquel-Cobalto), fabricado a partir de 1945, possui elevado magnetismo remanente mas pouco resistente desmagnetizao. A Ferrita, datada de 1950, apresenta valores mdios de BR e HC. J o Sm-Co (Samrio-Cobalto, 1975) e o Nd-Fe-B (Neodmio-Ferro-Boro, 1983) alm de apresentarem elevado magnetismo remanente e elevada fora coercitiva, possuem uma curva B x H linear. Esta caracterstica linear significa que no ocorrer perda de densidade de fluxo magntico caso o sistema seja submetido a uma variao cclica de H.

Estes materiais so chamados de materiais ferromagnticos duros. Materiais ferromagnticos com um estreito lao de histerese so chamados de moles e servem para a construo de circuitos magnticos, mas no so adequados para a produo de ms. Os materiais ferromagnticos moles so produzidos na forma de lminas de espessura inferior a 1mm para minimizar as perdas por corrente parasita em transformadores e motores eltricos.


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Continuidade do Fluxo Magntico

As linhas de fluxo que penetram em uma superfcie fechada tambm devem sair desta superfcie. No existe uma fonte ou um sumidouro de fluxo magntico. Por exemplo, no circuito da figura 2.8, pode-se escrever:

1 + 2 = 3 ou B1 . A1 + B2 . A2 = B3 . A3

Figura 2.8: Continuidade do fluxo em circuitos magnticos

Este fato uma conseqncia das linhas de fluxo formarem sempre caminhos fechados.

Relutncia

A aplicao da lei de Ampre e a propriedade da continuidade do fluxo podem ser combinadas para a introduo do conceito de relutncia, que facilita muito a soluo de circuitos magnticos.

O produto Hk.lk pode ser reescrito como:

Hk . lk = Hk . ( . Ak) [lk /( . Ak)] =( . Hk) . Ak . [Ik /( . Ak)] =

(Bk . Ak) [lk /( . Ak)] =k [lk /( . Ak)]

Chama-se de relutncia do trecho k a relao:

Rk = [lk / ( . Ak)] (2.4)

A relutncia depende das dimenses do material e de sua permeabilidade magntica.

Para um caminho fechado, pode-se ento escrever a lei de Ampre, apresentada na equao (2.2), como:

Rk . k = i (2.5)

Seja, por exemplo, o circuito magntico da figura 2.9 onde esto indicados os fluxos e as relutncias de cada trecho.


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Figura 2.9: Circuito magntico

Percorrendo o circuito magntico pelo caminho I, pode-se escrever:

N1 . i1 + N3 . i3 = R1 . 1 + R3 . 3 (2.6)

O caminho II leva a:

N2 . i2 + N3 . i3 = R2 . 2 + R3 . 3 (2.7)

Por outro lado:

3 = 1 + 2 (2.8)

Conhecidos os valores de i1, i2 e i3 , as equaes acima poderiam ser resolvidas para obter 1 , 2 e 3.

Tudo se passa como se tratasse do circuito eltrico resistivo apresentado na figura 2.10, estabelecidas as seguintes analogias:

CIRCUITO MAGNTICO CIRCUITO ELTRICONi V IR R 1/

Figura 2.10: Circuito resistivo equivalente

Onde, Ni chamada fora magnetomotriz e a sua polaridade depende do sentido do enlaamento da corrente. Por exemplo, na figura 2.11, i1 produz uma fora magnetomotriz positiva para o estabelecimento de e i2 uma fora magnetomotriz negativa. O polegar da mo direita, quando os demais dedos fecharem-se contra a palma da mo acompanhando a corrente nos condutores, indica o sentido do fluxo para uma fora magnetomotriz positiva.


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Figura 2.11: Sentido da fora magnetomotriz

2.2.3 Aspectos trmicos

A curva B x H de um m depende da temperatura, podendo at ocorrer perdas de magnetismo remanente a partir de uma determinada temperatura, conhecida como temperatura de Curie. Para os servomotores, a temperatura absoluta de 150 C pode ser tomada como um valor mximo que no deve ser ultrapassado por medida de segurana. Neste particular, os ms de Nd-Fe-B so mais sensveis que os de Sm-Co. No entanto, o Samrio (Sm) encontra-se disponvel em poucos lugares do mundo, o que torna os ms de Sm-Co bem mais caros que os ims de Nd-Fe-B. interessante destacar que o Brasil possui jazidas tanto de Sm quanto de Nd. Infelizmente, no dominamos o processo metalrgico de produo industrial de ms de terras raras.

As resistncias eltricas tambm variam com a temperatura, afetando com isto as caractersticas do servomotor.

Na prtica, existe uma gama de efeitos trmicos que devem ser considerados, alm dos relativos aos parmetros do motor. Por exemplo, o calor transferido pelo eixo da mquina pode afetar um mecanismo de posicionamento de preciso.

Descrio do Servoconversor

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DESCRIO DO SERVOCONVERSOR

3.1 CONSTITUIO BSICA DO CONTROLADOR ELETRNICO

3.1.1 Microcontrolador

O controle de equipamentos para acionamentos industriais comumente realizado por intermdio de um microprocessador embarcado no produto, o qual carrega um programa armazenado composto de algoritmos dedicados aplicao em questo. Muitas vezes um nico processador acumula, alm das funes de controle, tambm as funes de dilogo com o operador e comunicaes com outros dispositivos, atravs de redes industriais (tambm conhecidas como barramentos de campo). Para que seja possvel integrar em software as sofisticadas tcnicas de controle utilizadas atualmente no acionamento de mquinas eltricas, juntamente com outros mdulos de programas que assegurem conectividade em rede e interface amigvel com o operador, tudo isso a custo competitivo, necessrio escolher adequadamente o processador a ser utilizado.

O tipo de microprocessador que melhor se presta a esta categoria de aplicaes costuma ser aquele que integra na mesma pastilha de silcio, alm da unidade central de processamento (CPU), tambm circuitos de memria e uma diversidade de circuitos auxiliares (perifricos) dedicados a funes de entrada e sada (E/S) especficas, tais como converso analgico-digital (A/D) e sadas digitais moduladas por largura de pulso (PWM). Tal tipo de processador usualmente chamado de microcontrolador. Com relao arquitetura interna da CPU, os microcontroladores atualmente disponveis no mercado podem ser classificados em trs grupos principais:

os que possuem arquitetura de Von Neuman; os de arquitetura de Harvard; os de arquitetura RISC (arquitetura utilizada pelo servoconversor WEG SCA-05).

Devido simplicidade dos seus circuitos internos, os microcontroladores com CPU do tipo RISC tendem a operar com maior eficincia (menor consumo de energia) com freqncias de clock mais elevadas. Tambm por este motivo, possvel integrar quantidades muito maiores de memria junto com a CPU e os circuitos perifricos na pastilha de silcio (chip) que constitui o microcontrolador. Com isso torna-se vivel a incorporao de novas facilidades ao software de controle do produto, com menor impacto nos custos de produo.

Outra importante diferena encontrada entre famlias distintas de microcontroladores reside no comprimento de palavra nativo da CPU, que normalmente vai de 8 a 32 bits. De um modo geral, os microcontroladores com palavras maiores so mais eficientes na execuo de algoritmos matemticos, como por exemplo os que costumam ser empregados para o acionamento de mquinas eltricas. Isto pode acabar se refletindo na preciso e no desempenho dinmico dos controles efetuados pelo microcontrolador.

Em aplicaes tpicas de controle digital, a execuo dos algoritmos de controle precisa ocorrer a intervalos de tempo regulares. No caso particular do controle de dispositivos eletromecnicos, comum que estes intervalos de tempo sejam muito reduzidos, da ordem de 10-4s, alm de no serem tolerveis grandes variaes nos mesmos. Estes aspectos caracterizam o software a ser utilizado neste caso como sendo programas de tempo real crtico. Em programas assim, a sincronizao da execuo dos algoritmos de controle freqentemente obtida atravs de mecanismos de interrupes produzidas por circuitos temporizadores internos ao microcontrolador.

Interrupo um mecanismo de hardware disponvel na maioria dos microprocessadores, cuja finalidade desencadear a execuo de uma rotina de software em reposta a um evento ocorrido em circuitos internos ou externos CPU.

As interrupes internas podem ser causadas por determinadas condies de erro (as quais costuma-se denominar excees), resultantes da execuo de certas operaes, ou ainda pela execuo de instrues especficas para essa finalidade (as assim chamadas interrupes de software).

As interrupes externas so usualmente disparadas por transies de nvel lgico em determinados pinos do circuito integrado (CI) que contm a CPU, ou em determinados bits de registradores associados a circuitos perifricos internos ao CI. Ocorre porm que atrasos inerentes ao prprio sistema de interrupes (tambm chamados latncias) e atrasos devidos execuo de determinadas operaes podem prejudicar o desempenho do


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software em aplicaes de tempo real crtico. Por isso o microcontrolador e o software devem ser cuidadosamente especificados para programas desse tipo e, mais uma vez, a arquitetura RISC com comprimento de palavra de 32 bits oferece vantagens para aplicaes como essa.

Em uma aplicao de controle de servoacionamento, o microcontrolador responsvel pelas seguintes tarefas de tempo real:

Aquisio de sinais de posio e velocidade para fins de controle, atravs de interfaces digitais para sensores do tipo resolver ou encoders (geradores de pulsos);

Execuo do algoritmo de controle de velocidade ou posio; Aquisio de sinais de corrente para fins de controle e proteo (converso A/D); Execuo do algoritmo de controle em coordenadas sncronas (d-q); Clculo de valores de referncia para modulao PWM das tenses produzidas pelo conversor (PWM senoidal

ou modulao do vetor espacial).

Algumas dessas tarefas so executadas por circuitos perifricos especficos integrados no prprio CI do microcontrolador, enquanto que outras so feitas por sub-rotinas ativadas por interrupo, que so chamadas rotinas de servio de interrupo (RSI).

3.1.2 Memrias (Eprom - EEprom - RAM)

As instrues de um programa de controle, assim como os dados processados pelo mesmo, so armazenados em circuitos de memria, que podem ser basicamente classificados em dois tipos: voltil e no-voltil. Numa aplicao onde o microcontrolador esteja embarcado em um equipamento, instrues de programa e parmetros invariantes so normalmente armazenados em memria no-voltil, enquanto os dados (cujos valores podem variar durante a execuo do programa) residem em memria do tipo voltil. O contedo da memria voltil perdido quando o suprimento de energia desligado, enquanto a memria no voltil retm seu contedo mesmo na ausncia de alimentao.

Historicamente, circuitos de memria no-voltil foram denominados Read-Only Memory (ROM), enquanto a memria voltil foi batizada de Random-Access Memory (RAM). A sigla RAM pretende sugerir que uma clula qualquer de um bloco de memria possa ser acessada aleatoriamente, praticamente sem variao no tempo de acesso. Na verdade, essa caracterstica se aplica tambm s memrias do tipo ROM. Porm, no passado era comum a utilizao de outros tipos de dispositivo de armazenamento de dados cuja forma de acesso no era aleatria e sim seqencial (e.g. fita magntica). A denominao RAM surgiu ento com o propsito de enfatizar a diferena de forma de acesso com relao a estes dispositivos seqenciais, tendo perdurado at hoje.

Nos circuitos de memria ROM originais, o contedo armazenado era definido no momento da fabricao do CI, no podendo ser alterado posteriormente. Com o desenvolvimento da tecnologia, foram surgindo outros tipos de memria ROM, que podiam ser programadas e at mesmo reprogramadas aps a fabricao. Com isso, as memrias fabricadas j programadas passaram a ser conhecidas como mask ROM, enquanto os demais tipos de memria foram assim denominadas:

PROM (programmable ROM) ou OTP-ROM (One-Time Programmable ROM): memrias programveis apenas uma vez, pelo prprio usurio;

EPROM (Erasable and Programmable ROM): memrias reprogramveis, cujo contedo pode ser apagado por meios diversos antes de uma nova programao.

As primeiras memrias EPROM eram apagveis somente por meio de exposio luz ultravioleta. Posteriormente foram desenvolvidas memrias EPROM cujo apagamento e reprogramao podem ser feitos eletricamente, por meio da aplicao de nveis de tenso diferentes das tenses normais de operao. Memrias desse tipo ficaram conhecidas como EEPROM ou E2PROM (Electrically Erasable and Programmable ROM). Contudo, a reprogramao desse tipo de memria requer que o CI que as contm seja removido do circuito de aplicao e colocado em um dispositivo programador especfico.

Tecnologias desenvolvidas mais recentemente permitem que memrias EPROM sejam reprogramadas sem que seja necessrio remov-las do circuito de aplicao, mediante aplicao das prprias tenses normais de operao. Memrias desse tipo so conhecidas como FLASH-EPROM ou simplesmente memrias FLASH.


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Com relao s memrias RAM h tambm diferentes tecnologias, que so porm classificadas em apenas dois grupos distintos: as memrias RAM dinmicas e as estticas. A diferena bsica entre os dois tipos est ligado ao tempo de reteno do contedo. Nas memrias estticas o contedo se mantm enquanto o circuito estiver energizado, enquanto nas dinmicas o contedo se perde aps algum tempo, mesmo que a alimentao seja mantida. As memrias dinmicas exigem ento uma constante atualizao do contedo (o assim chamado refresh), que precisa ser executada por um circuito auxiliar.

As memrias dinmicas costumavam ser associadas a custos de produo mais baixos, mas ultimamente as memrias estticas vm sendo utilizadas a custos competitivos. Independentemente do tipo de memria empregado, um parmetro importante para o desempenho do sistema de processamento o tempo de acesso memria. Para obter mximo desempenho do processador, importante que a memria utilizada tenha tempos de acesso compatveis com as temporizaes dos sinais gerados pela CPU para controle do acesso memria. Caso contrrio precisam ser inseridos estados de espera (wait states) durante os acessos, o que degrada o desempenho na execuo dos programas. A situao ideal que a memria utilizada possa ser acessada sem estados de espera, sendo as memrias que atendem a estas especificaes comumente denominadas zero wait state.

3.1.3 Sistema de Entrada e Sada de Dados

Os circuitos de entrada e sada (E/S) que costumam ser integrados nos CIs de microcontroladores compreendem funes bastante diversificadas tais como:

Entradas e sadas analgicas; Entradas e sadas digitais paralelas (controle de bits individuais); Comunicao serial sncrona e assncrona; Entradas para contagem e captura de eventos; Interface para encoder incremental de quadratura (gerador de pulsos); Sadas temporizadas; Sadas com modulao por largura de pulso (PWM).

No controle de servoacionamentos, os dispositivos de E/S que se associam mais diretamente aos circuitos eletrnicos de potncia responsveis pelo comando do servomotor so as entradas analgicas e as sadas PWM. Como caractersticas tpicas das entradas analgicas de microcontroladores tem-se: resoluo de 14 bits, tempos de converso da ordem de 10-6s, disparo por software ou hardware, sincronizado ou no, diversos canais de entrada multiplexados e circuito de amostragem e reteno (sample & hold) integrado. Alguns microcontroladores permitem a aquisio simultnea de pares de sinais. Quanto s sadas PWM, so tipicamente disponveis em quantidade suficiente para o comando de uma ou mais pontes inversoras trifsicas, sendo configurveis quanto ao nvel ativo dos sinais de sada, permitindo a gerao de sinais complementares para as chaves semicondutoras de uma mesma fase, com tempo morto gerado automaticamente.

por meio das entradas analgicas que as correntes nas bobinas das fases do motor, depois de serem processadas por transdutores e circuitos de condicionamento de sinais, so convertidas em dados numricos para serem utilizados como valores medidos nos algoritmos de controle realimentado de corrente. Como resultado dos clculos desses algoritmos, os nveis de modulao das sadas PWM so variados em tempo real, a cada intervalo de amostragem do sistema de controle digital da corrente. A produo dos sinais de sada PWM feita a partir de um contador/temporizador dedicado, ao qual so associados circuitos internos de comparao digital. Para a gerao de sinais PWM trifsicos so necessrios trs registradores de comparao. O contador associado a eles deve operar em modo crescente/decrescente, isto , a contagem vai de zero at um valor mximo, correspondente a metade do perodo de modulao, e retorna em seguida a zero com a mesma taxa de variao que na subida. Como resultado pode-se imaginar a variao do contedo do contador como um sinal triangular quantizado. Quando o valor da contagem (contedo do contador) ultrapassa ento o valor armazenado em um registrador de comparao, produz-se automaticamente uma mudana de estado nos pinos de sada correspondentes. Comparando-se ento a operao do circuito gerador de PWM de um microcontrolador com o mtodo tradicional de gerao de PWM por comparao seno/tringulo (portadora triangular e sinal modulante senoidal, como ser visto no item 3.2.1), tem-se que o contedo do contador anlogo ao papel da portadora, enquanto que o papel do sinal modulante desempenhado pela variao do valor armazenado no registrador de comparao.


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3.2 ESTGIO DE POTNCIA DO SERVOCONVERSOR

3.2.1 Modulao por largura de pulsos - PWM

Noes Fundamentais

Os conversores de eletrnica de potncia operam com dispositivos semicondutores nos estados de saturao ou bloqueio. Procede-se deste modo para que as perdas nos dispositivos sejam extremamente reduzidas. Na saturao, por exemplo, a queda de tenso sobre o semicondutor baixa e, portanto, a potncia dissipada tambm. Da mesma forma, no bloqueio, a corrente de fuga, mesmo com tenses elevadas, pequena e, mais uma vez, a potncia dissipada tambm. As maiores perdas ocorrem nos instantes de chaveamento. Estes circuitos so propriamente chamados de circuitos chaveados e pela natureza da sua operao introduzem harmnicos na gerao de sinais contnuos ou alternados. Os servoconversores, necessrios no acionamento de MSIP, produzem sinais alternados de amplitude e freqncia variveis a partir de fontes CC. Isto possvel com o emprego da chamada modulao por largura de pulsos (PWM). Para produzir uma tenso de sada senoidal com determinada amplitude e freqncia, um sinal senoidal de controle (vs) comparado com uma onda triangular (vt) , conforme mostrado na figura 3.1(a). A freqncia da onda triangular, chamada de onda portadora, determina a freqncia de chaveamento.

Figura 3.1: Gerao de um sinal PWM a partir de uma referncia senoidal e de uma onda portadora triangular (PWM seno-tringulo)

A gerao de um sinal chaveado com predominncia de uma componente de primeiro harmnico de freqncia f1 e amplitude V1 pode ser obtida a partir de uma tenso contnua Vd aplicando a seguinte lgica de operao ao circuito da figura 3.2:

vs > vt , TA fechada, TB aberta vAN = Vd / 2vs < vt , TB fechada, TA aberta vAN = - Vd / 2

O resultado desta operao est indicado na figura 3.1(b). Em tracejado est indicada a componente fundamental ou de primeiro harmnico.


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Figura 3.2: Circuito de potncia CC-CA

Se ft e Vt so a freqncia e a amplitude da onda triangular portadora ese f1 e V1 so a freqncia e a amplitude da onda de referncia,define-se:

razo de modulao de amplitude, ma = V1 / Vt ;razo de modulao de freqncia, mf = ft / f1 .

Pode-se demonstrar que a amplitude da componente fundamental proporcional a ma , para ma < 1 e com mf >> 1. A distribuio de harmnicos, obtida pela srie de Fourier, segue a configurao mostrada na figura 3.3. As componentes harmnicas aparecem em torno das freqncias mltiplas de mf , segundo a relao:

h = j mf k, j e k N, (3.1)

onde:h=1 corresponde freqncia fundamental;para j mpar, k assume apenas valores pares;para j par, k assume valores mpares.

Figura 3.3: Espectro harmnico do sinal da figura 3.1

Para que o sinal gerado s contenha harmnicos mpares, mf deve ser escolhido como um nmero mpar. Quanto maior for mf , maior sero as freqncias das componentes harmnicas e, portanto, mais fcil ser a filtragem destes sinais. Por outro lado, valores elevados de mf implicam em chaveamentos mais freqentes (ocorrero mais intersees entre o sinal senoidal e a onda triangular) e, com isto, maiores sero as perdas de chaveamento.

Sobremodulao

Para valores de ma > 1, a operao entra em uma regio onde a amplitude do primeiro harmnico no mais linearmente proporcional ao valor de ma. Esta regio conhecida como regio de sobremodulao. A figura 3.4


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apresenta um grfico que retrata esta situao.

Figura 3.4: Amplitude do primeiro harmnico de um sinal PWM seno tringulo em funo da razo de modulao de amplitude

A situao extrema da sobremodulao corresponde a um sinal de sada onda quadrada como mostrado na figura 3.5.

Figura 3.5: Onda quadrada

A amplitude do primeiro harmnico desta tenso vale (2/) . Vd e a distribuio dos harmnicos, obtida pela srie de Fourier, est apresentada na figura 3.6.

Figura 3.6: Distribuio harmnica de onda quadrada

PWM Sncrono

Na figura 3.1, os sinais da onda senoidal de referncia (vs) e da onda triangular portadora (vt) esto sincronizados, ou seja, o perodo de vs um mltiplo exato do perodo de vt . Esta situao de sincronismo desejvel para se obter um espectro fixo de componentes harmnicas e mandatria caso mf seja pequeno (mf < 21).


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PWM Assncrono

Quando mf elevado (mf > 21) as freqncias sub harmnicas geradas pelo assincronismo so de pequeno valor e podem ser aceitas em muitos casos. No entanto, o PWM assncrono ser sempre inferior ao PWM sncrono.

Outras formas de PWM

O PWM seno-tringulo apresentado nos itens anteriores um dos mais empregados, no entanto, existem vrios outros tipos de PWM, que sero apenas mencionados aqui:

PWM seno-tringulo com injeo de terceiro harmnico PWM para eliminar determinadas freqncias harmnicas PWM vetorial, para minimizar o nmero de chaveamentos.

3.2.2 Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

O IGBT um dispositivo semicondutor de potncia que combina a tecnologia MOSFET, para o controle da conduo, com a tecnologia do transistor bipolar, para a parte de potncia. Ganha-se, com isto, rapidez e baixo consumo no comando, como nos MOSFET, permitindo operaes com freqncias da ordem de 20 kHz com tempos de conduo (turn-on) e bloqueio (turn-off) prximos de 1s. Paralelamente, as perdas na conduo e a capacidade de conduo de corrente so as de um transistor de potncia, chegando a at 1200A atualmente. A capacidade de bloqueio de tenso direta pode chegar a 2 kV. Em geral, para a alimentao de motores CA at 100cv este o dispositivo mais empregado.O smbolo usado nesta apostila para representar o IGBT est indicado na figura 3.7.

Figura 3.7: Smbolo do IGBT

Curvas caractersticas corrente x tenso so mostradas na figura 3.8. Nesta figura:

VRM = maior tenso reversa que pode ser aplicada ao dispositivo sem danific-lo. Em geral, esta tenso muito baixa e os dispositivos so protegidos com um diodo em anti paralelo.VDM = maior tenso direta que pode ser aplicada.VGE = tenso aplicada entre o gate e o emissor.

Observe-se tambm que quanto maior a tenso VGE tanto maior a regio de conduo de corrente sem saturao.


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Figura 3.8: Curvas caractersticas de um IGBT

Uma seo vertical de um IGBT est representada na figura 3.9.

Figura 3.9: Seo de um IGBT

3.2.3 Servoacionamentos trifsicos

No item 3.2.1 foi apresentada a operao de um inversor monofsico. Para o caso dos MSIP, que so mquinas trifsicas, emprega-se normalmente a topologia apresentada na figura 3.10, que uma simples extenso do caso monofsico, com chaveamentos defasados de 120 eltricos.

A ponte retificadora de diodos transforma a tenso alternada de entrada em uma tenso contnua que filtrada por um banco de capacitores. Este circuito de corrente contnua chamada de circuito intermedirio. A tenso contnua alimenta a ponte inversora formada pelos IGBTs e diodos em anti-paralelo. O comando do gate dos IGBTs, feito por um circuito de comando implementado em um microcontrolador, permite a gerao de uma tenso com amplitude e freqncia controladas. O formato dos pulsos obedece ao princpio de modulao PWM seno-tringulo apresentado anteriormente.

Figura 3.10: Servoacionamento trifsico

Modelamento Matemtico e Controle do Servomotor

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MODELAMENTO MATEMTICO E CONTROLE DO SERVOMOTOR

4.1 MODELO VETORIAL DO SERVOMOTOR

As correntes de armadura de um Motor Sncrono de m Permanente (MSIP) podem ser ajustadas por meio de uma malha de controle com tempo de resposta bem menor que as constantes de tempo mecnicas do sistema. Neste caso, pode-se admitir que as correntes de armadura so impostas mquina. Estas correntes produzem um campo magntico (indicado por uma seta na figura 4.1) que ir interagir com o campo magntico do m (indicado pelos plos N e S na mesma figura). O valor mximo de torque ocorre quando estes campos forem ortogonais.

Figura 4.1: Campos de estator e rotor de uma MSIP

A partir da informao da posio do rotor possvel implementar um sistema de controle que imponha convenientemente as correntes de armadura na condio (a) acima descrita. Empregando a nomenclatura de Park, pode-se escrever:

isd = 0 (4.1)

isq = I (4.2)

Basicamente, a transformao de Park consiste em substituir as trs correntes de fase (ia, ib, ic), por duas correntes apenas (isd, isq). Isto possvel desde queia + ib + ic = 0, o que ocorre quando o neutro do circuito eltrico no est aterrado. Assim, a transformao das correntes do sistema trifsico para o sistema bifsico feito por:

isd cos cos ( - 2 /3) cos ( + 2 /3 ia

= 2/3 ib

isq - sen - sen ( - 2 /3 - sen ( + 2 /3 ic

Onde, representa o ngulo do rotor em relao ao estator da mquina, referenciado pela linha central da fase a.

Pode-se dar a interpretao que as componentes de corrente isd e isq circulam em bobinas fictcias posicionadas na direo do rotor e na direo ortogonal ao rotor. Aqui o ndice s refere-se ao estator (stator em ingls), d eixo direto e q eixo de quadratura.

O torque eltrico produzido dado por

T = k . F . isq (4.3)

onde:F = o campo magntico dos ims permanentes do rotor. interessante notar a semelhana desta ltima equao com a Eq. (1.1), que fornece o torque de um servomotor CC. A componente de corrente na direo do eixo q faz o papel da corrente de armadura, diretamente proporcional ao torque.


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Pode-se demonstrar que a tenso nos terminais do motor, na condio de regime estacionrio, dada por:

Vs = E + (Rs + j . . Ls ) . Is (4.4)

onde:Vs = fasor da tenso terminal;Is = fasor da corrente de armadura, Is = Isd + j Isq ;Rs = resistncia de estator;Ls = indutncia de estator; = freqncia angular da alimentao.

E = j 0,707 . . F (4.5)

A figura 4.2 representa estas relaes:

Figura 4.2: Circuito equivalente de um MSIP em regime estacionrio

A comparao desta figura com a figura 1.2 revela a similaridade eltrica entre os servomotores sncronos de m permanente e os servomotores CC. Os primeiros, no entanto, apresentam caractersticas mecnicas muito mais vantajosas que os segundos, como: comutao eletrnica, baixa manuteno (sem escovas), baixo momento de inrcia, realimentao de velocidade e posio por resolver e maior relao potncia/volume.

O diagrama fasorial correspondente encontra-se na figura 4.3.

Figura 4.3: Diagrama fasorial na condio de torque mximo.

Uma das dificuldades do MSIP que no admite naturalmente a condio de enfraquecimento de campo como ocorre com uma Mquina Sncrona de Rotor Bobinado ou com uma Mquina de Corrente Contnua de Excitao Independente ou mesmo com um Motor de Induo.

O enfraquecimento de campo corresponderia a uma diminuio de F , o que no pode ser diretamente realizado, porque o campo dado por um m permanente. Esta hipottica diminuio acarretaria uma perda de torque, mas, em contra partida, permitiria um aumento na velocidade de rotao, para uma amplitude de Vs constante, como pode ser concludo a partir das Eqs. (4.3) e (4.5). O recurso de enfraquecimento de campo pode ser desejvel em algumas aplicaes onde se faz necessria uma rotao superior nominal com solicitao reduzida de torque.


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Um efeito semelhante ao enfraquecimento de campo MSIP pode, no entanto, ser obtido com a imposio de uma componente negativa de Isd. O novo diagrama fasorial, correspondente a esta situao est apresentado na figura 4.4.

Figura 4.4: Diagrama fasorial na presena de uma componente negativa de Isd

Deste diagrama fasorial, percebe-se que esta componente negativa da corrente na direo do eixo direto permite uma diminuio do valor de Vs . O lugar geomtrico das extremidades do fasor Vs est indicado pela linha pontilhada na figura 4.4. O valor mnimo ocorre quando Vs for perpendicular esta linha. Se |Vs| for mantido constante, raciocnio semelhante permite concluir que uma componente negativa de Isd conduz a um aumento de E e, portanto, da velocidade de rotao.

O torque, dado pela Eq. (4.3), sofre uma diminuio pois a presena da componente Isd implica em uma diminuio da componente Isq de modo a respeitar o valor mximo da corrente total de armadura |Is| , dada por:

|Is| = Isd2 + Isq

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(4.6)

Este encadeamento, ainda que no enfraquea efetivamente F, corresponde a exatamente uma operao de enfraquecimento de campo.

Nos rotores anisotrpicos apresentados na figura 2.2, a reatncia de eixo direto ( . Ld) assume valores maiores que a reatncia de quadratura ( . Lq), como se fosse uma mquina de plos salientes, permitindo o enfraquecimento de campo com componentes de Isd menores.

4.2 EQUAO MECNICA DO ROTOR

No item anterior foi apresentado o modelamento eltrico do MSIP. O comportamento mecnico da mquina regido pela equao de Newton:

T - TL = J . (2/p) . ( d2 / dt2)

(4.7)

com TL = torque de carga; J = momento de inrcia das partes girantes; p = nmero de plos do motor; = freqncia angular da alimentao eltrica.

As equaes trabalhadas nos itens anteriores podem ser apresentadas como diagrama de blocos, figura 4.5.

Figura 4.5: Blocodiagrama do Motor Sncrono de m Permanente


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4.3 SISTEMAS DE CONTROLE

O hardware correspondente ao sistema de controle completo de um MSIP encontra-se esquematizado na figura 4.6.

Figura 4.6: Esquema global de acionamento e controle de um MSIP

O controle industrial desta mquina feito por meio de malhas em cascata, com as malhas internas controlando as variveis com dinmica mais rpida.Esta estrutura de controle apresenta uma srie de vantagens sobre esquemas diretos, destacando-se a facilidade de projeto dos diversos controladores, a simplicidade na colocao em operao a partir das malhas mais internas e procedimentos diretos para diagnstico de falhas e proteo.

malha mais interna de controle de corrente sobrepe-se uma malha de controle de velocidade e a esta uma malha de controle de posio, como apresentado na figura 4.7.

Figura 4.7: Controle em cascata (posio, velocidade, corrente) de um MSIP

Quando apenas a malha de controle de corrente est operante, o servoconversor dito estar no Modo de Controle de Torque, uma vez que o torque proporcional corrente.No Modo de Controle de Velocidade, sobrepe-se uma malha de controle de velocidade malha de controle de corrente.Finalmente, no Modo de Controle de Posio, mais uma malha de controle de posio inserida na estrutura de controle em cascata.

Noes Fundamentais e Dimensionamento do Servoacionamento

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NOES FUNDAMENTAIS E DIMENSIONAMENTO DO SERVOACIONAMENTO

5.1 DEFINIES

Iniciaremos este captulo com algumas definies, com o objetivo de alicerar claramente os assuntos que sero abordados.

5.2 Torque

J na primeira pgina deste Guia ressaltamos a importncia do torque nos acionamentos eletromecnicos. Ele definido pelo produto da fora tangencial F (N) aplicada a um eixo pela distncia r (m) do ponto de aplicao da fora ao centro do eixo. A unidade de torque (T) no SI (Sistema Internacional de Unidades) Nm (Newton metro).

T = F . r (5.1)

interessante observar que torque dimensional a trabalho, porm, ainda que Nm seja tambm Joule (J), a unidade de trabalho no sistema SI, a unidade de torque ser sempre dada pelo produto de uma unidade de fora por uma de comprimento, ressaltando assim a origem desta grandeza fsica.

Pode-se determinar o torque demandado para por em movimento uma mquina, utilizando-se uma chave de grifo e um dinammetro de mola, como sugere a figura 5.1.

Figura 5.1: Medio de torque

Exemplo:Se obtivermos uma leitura de fora de 5 N (~0,51 kgf) a 0,6m (600 mm) do centro do eixo, o torque ser:

T = 5 . 0,6 = 3 Nm (5.2)

5.3 VELOCIDADE DE ROTAO

A velocidade de rotao fornece a razo entre o nmero de rotaes de um eixo pelo perodo de tempo necessrio para efetuar este nmero de rotaes. Usualmente, a velocidade de rotao representada pela letra n.

A unidade de velocidade de rotao no sistema SI rad/s (radianos por segundo). Em trabalhos de engenharia, costuma-se empregar as unidades rotaes por minuto (rpm) ou rotaes por segundo (rps). O relacionamento entre estas unidades facilmente obtido por:

1 rps = 60 rpm = 2 rad/s (5.3)

A velocidade de rotao no deve ser confundida com a freqncia de rotao, ainda que exista um relacionamento direto entre estas grandezas. Exemplificando, uma velocidade angular de 2 rad/s ou 1 rps corresponde a uma freqncia de rotao de 1 Hz.


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Neste ponto, vale destacar a relao que existe entre a velocidade de rotao de uma mquina sncrona (n), a freqncia eltrica de alimentao desta mquina (f) e o seu nmero de plos (p):

[rps] = f [Hz] / (p/2) (5.4)

ou

[rpm] = 120. f [Hz] / p (5.5)

A relao

= 2 f (5.6)

conhecida como freqncia angular eltrica, uma vez que a componente fundamental de tenso de alimentao tem a forma:

v (t) = Vmax sen (2 f t + ) = Vmax sen ( t + ) (5.7)

Onde um ngulo de fase.

Exemplo:Um MSIP de 8 plos, comandado por um servoconversor cuja freqncia de sada 150 Hz, gira a uma velocidade sncrona de

n = ( 120 . 80 ) / 2 = 4800 rpm (5.8)

5.4 POTNCIA

A potncia P dada pelo produto do torque T pela velocidade de rotao n. No sistema SI, T dado em Nm, a velocidade de rotao em rad/s e a potncia em W (watts). Para velocidades em rpm, a relao fica:

P = (2 / 60) . n . T (5.9)

com P em watts (W).

Exemplo:Se a mquina dos exemplos anteriores demandasse os mesmos 45 Nm a uma velocidade de rotao de 1760 rpm, ento a potncia seria:

P = (2 / 60) . 3 . 1760 =552,6 W 0,5526 kW

(5.10)

5.5 INRCIA

Inrcia a resistncia que uma massa oferece modificao do seu estado de movimento. Todo corpo que tem massa tem inrcia. Uma massa em repouso requer um torque (ou fora) para coloc-la em movimento; uma massa em movimento requer um torque (ou fora) para modificar a sua velocidade ou para coloc-la em repouso. O momento de inrcia de massa J (kgm2) de um corpo depende da sua massa m (kg) e da distribuio da massa ao redor do eixo de giro, ou seja, da sua geometria. O Anexo 1 traz as frmulas para o clculo do momento de inrcia de massa de diversos corpos comuns.


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5.6 ACELERAO / DESACELERAO

O torque T (Nm) necessrio para acelerar (ou desacelerar) uma carga com momento de inrcia de massa (ou simplesmente inrcia) J (kgm2), da velocidade de rotao n1 (rpm) para n2 (rpm), em um tempo t (s), dado por

Td ac = (2 . /60) . J . (n2 n1) / t (5.11)

Este torque chamado de torque dinmico de acelerao, Td ac. Se n2 > n1 (acelerao), Td ac positivo, significando que seu sentido igual ao sentido de rotao; se n2 < n1 (desacelerao), Td ac negativo, significando que seu sentido contrrio ao sentido de rotao.

Exemplo:Um cilindro macio de alumnio, de dimetro d = 165 mm e comprimento l = 1.200 mm, e portanto com uma massa m de aproximadamente 10 kg, tem momento de inrcia de massa J de (eq. A1, Anexo 1)

J = 1/8 . 10 . (0,165)2 = 0,034 kgm2 (5.12)

Se o corpo deve acelerar de de 0 a 1.760 rpm no tempo de 1,0s, ento o torque de acelerao ser (eq. 5.11)

Td ac = (2 / 60) . 0,034 . (1.760 0) / 1,0 = 6,26 Nm

(5.13)

Adicionando-se o torque de acelerao acima calculado ao torque de atrito calculado no primeiro exemplo do item 5.2, tem-se

T = 3 + 6,26 = 9,26 Nm (5.14)

e para a potncia (eq. 5.9)

P = (2 / 60) . 9,26 . 1760 = 1705,8 W (~ 1,70 kW)

(5.15)

O perfil de velocidade ou acelerao de um servoacionamento WEG pode ser definido pelo usurio. Os mais comuns so conhecidos como perfil de velocidade rampa linear e perfil de velocidade rampa S.

A figura 5.2 (a) e (b) ilustra estas situaes. A vantagem do perfil em rampa S que a acelerao no sofre variaes bruscas, o que desejvel quando se trata de movimentos em estruturas mecnicas complexas, como robs, evitando choques mecnicos durante aceleraes ou desaceleraes.

Uma possvel combinao destes perfis est dada na figura 5.2 (c).


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Obs: O Jerk definido como a derivada da acelerao

Figura 5.2: Curvas de acelerao (a) curva linear (b) curva S (c) percentual varivel de curva S

5.7 DIMENSIONAMENTO DE SERVOACIONAMENTOS

5.7.1 Consideraes bsicas

O dimensionamento do servomotor para uma determinada aplicao requer um amplo conhecimento dos parmetros de operao da carga a ser movimentada.

Em geral, o servomotor associado a um sistema de transmisso de potncia mecnica e este carga movida, conforme apresentado na figura 5.3.

Figura 5.3: Esquema de um conjunto acionamento e carga movida


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O desempenho do conjunto acionamento e carga movida influenciado por vrios fatores que podem ocasionar erros de posio e instabilidade no controle. Dentre estes se destacam:

Backlash Folga existente entre dentes de engrenagens ou partes mveis de uma transmisso. dimensionada para permitir a lubrifi cao e ajuste de imperfeies na fabricao e montagem.

Rigidez da transmisso relacionada com a deformao que ocorre ao se aplicar uma fora/momento no elemento que transmite potncia. Quanto maior a rigidez, menor ser a deformao resultante.

Vibrao pode ocorrer devido a desbalanceamento no conjunto ou montagem mal realizada.

Freqncia de ressonncia: a freqncia onde se verifi cam valores mximos de amplitude de vibrao no conjunto. A freqncia de giro do servomotor deve ser sempre menor que este valor.

O projeto completo de um equipamento servoacionado envolve diversas reas de conhecimento e, neste contexto, o equipamento pode ser caracterizado como um sistema mecatrnico.

Diversos critrios de otimizao podem ser empregados para nortear o projeto de um equipamento. Apenas para citar alguns critrios, tem-se: o menor consumo de potncia mecnica, o menor tempo gasto para a realizao da tarefa, o movimento mais suave, a melhor relao entre carga movida e rigidez da transmisso, etc.Portanto, convm ao projetista de mquina que sejam bem definidas as aplicaes do equipamento, bem como os seus parmetros de operao para que se obtenha o melhor desempenho possvel do conjunto acionamento e carga movida.

5.7.2 Transmisses mecnicas

A funo principal de uma transmisso mecnica alterar os parmetros operacionais do servomotor (torque, posio, velocidade, acelerao/desacelerao), para torn-los compatveis com a demanda da carga movida.

As transmisses mecnicas mais utilizadas com servomotores so: redutores de velocidade com engrenagens, polias e correias, correntes e rodas dentadas, fusos, cabos e polias. H ainda redutores de velocidade com engrenagens planetrias; redutores tipo harmonic drive; cames; mecanismos; entre outros. A tabela 5.1 relaciona os principais tipos de transmisso mecnica e suas caractersticas.

Tabela 5.1: Principais tipos de transmisso mecnica, caractersticas e desempenho

TIPOS DE TRANSMISSO

CONVERSO DO MOVIMENTO CARACTERSTICAS E DESEMPENHO

Engrenagens cilndricas de dentes retos e/ou heloicoidais

R/R

valores amplos de razo de transmisso elevada rigidez estrutural de transmisso elevada eficincia mecnica velocidades altas necessidade de lubrificao

Engrenagens cnicas

R/R

valores baixos de razo de transmisso elevada rigidez estrutural de transmisso elevada eficincia mecnica estrutura complexa para montagem das

engrenagens necessidade de lubrificao

Pinho e cremalheira

R/T elevados valores de razo de transmisso transmisso de movimento a grandes

distncias baixo custo de fabricao mdia eficincia mecnica necessidade de lubrificao


5


TIPOS DE TRANSMISSO


Sem-fim e coroa

R/R

elevados valores de razo de transmisso baixa rigidez estrutural de transmisso gerao de calor no engrenamento baixa eficincia mecnica necessidade de lubrificao

Fuso convencional

R/T

valores elevados de razo de transmisso elevada rigidez estrutural de transmisso baixa eficincia mecnica custo de fabricao mdio necessidade de lubrificao

Fuso de esferas recirculantes

R/T valores elevados de razo de transmisso e

eficincia elevada rigidez estrutural de transmisso ausncia de backlash devido a pr-carga preciso e confiabilidade muito elevados necessidade de lubrificao custo de fabricao elevado

Polia e correia sincronizadora

R/R e R/T

valores amplos de razo de transmisso moderada rigidez estrutural de transmisso massa reduzida transmisso de movimento a grandes

distncias

Corrente e roda dentada

R/R e R/T

massa elevada baixa vibrao mecnica transmisso de movimento a grandes

distncias velocidades moderadas necessidade de lubrificao

Cabos e polias

R/R e R/T

elevada flexibilidade baixa eficincia mecnica timo em transmisso de movimento a grandes

distncias velocidades moderadas necessidade de lubrificao


5


TIPOS DE TRANSMISSO


Redutor planetrio

R/R

dimenso compacta elevada razo de transmisso elevada rigidez estrutural de transmisso aplicaes de alto desempenho necessidade de lubrificao

Onde:R/R = movimento rotacional para rotacional;R/T = movimento rotacional para tranlacional;n (e ou s) = rotao de entrada (ne) ou sada (ns);T (e ou s) = torque de entrada (Te) ou sada (Ts);Vs = velocidade linear de sada;Fs = fora de sada;M = massa da carga.

O servomotor fornece uma potncia mecnica de entrada, Pe (W) definida pelo produto entre o torque Te (N.m) e a velocidade angular de entrada, ne (rpm).

2Pe = Te . ne 60

(5.16)

Dependendo da transmisso mecnica empregada, a potncia de sada, Ps (W) estar associada a movimentos de rotao (R) ou translao (T). Por exemplo, para um redutor do tipo engrenagens cnicas, tem-se movimentos de rotao na entrada e sada (R/R). A potncia de sada dada por:

2Ps = Ts . ns 60

(5.17)

No caso de uma transmisso pinho-cremalheira, a entrada um movimento de rotao, enquanto que a sada de translao (R/T). A potncia de sada vale:

Ps = Fs . Vs (5.18)

onde,Fs = fora (N)Vs = velocidade linear (m/s)

Parte da potncia mecnica que o servomotor fornece transmisso mecnica consumida pelas perdas internas devido essencialmente a: atrito (calor, rudo), geometria da transmisso, desgaste e folgas entre as partes mveis.


5


A perda de potncia expressa em termos de eficincia (rendimento) mecnica, T.

T < 1 (5.19)

Figura 5.4: Relao de potncias em uma transmisso mecnica

Portanto, o torque de entrada a ser fornecido pelo servomotor Te, e o torque de sada requerido pela carga movida Ts, esto relacionados pela equao:

TsTe = it . t (5.20)

sendo,it = razo de transmisso it = ne / ns

5.7.3 Dinmica das transmisses mecnicas

Seja o conjunto apresentado na figura 5.5, formado de servomotor, sistema de transmisso mecnica (TM), tambor, cabo e uma massa M a ser deslocada.A modelagem do conjunto leva em conta a eficincia mecnica no rotor do servomotor (SM), na transmisso mecnica (T) e entre o tambor e o cabo (TC). A eficincia nos mancais e as inrcias das rvores e acoplamento foram desprezadas na anlise.

Figura 5.5: Exemplo de conjunto acionamento e carga movida

O movimento controlado do conjunto pode ser especificado nas variveis de estado posio e velocidade. Para um deslocamento ponto-a-ponto a partir de uma posio de repouso, a trajetria da massa M ser composta de trechos de acelerao, movimento uniforme e desacelerao.


5


5.7.3.1 Movimento uniforme

No trecho de movimento uniforme o torque total que o servomotor fornece para a movimentao da mquina ser de natureza esttica, sendo denominado torque esttico de atrito, TeAT.A soluo emprega o modelo esttico de anlise.

Anlise da carga movidaA carga movida aqui definida como o subconjunto tambor, cabo e massa M (figura 5.6). Para um movimento com velocidade de subida constante vy (m/s) e acelerao da gravidade (m/s

2), a potncia (W) requerida pela carga ser:

2Pc = Tc . nc 60

(5.21)

onde,Tc - torque da carga (subconjunto)nc - velocidade angular no tambor

Figura 5.6: Esquema dos elementos da carga movida

Aplicando a condio de equilbrio esttico, tem-se:- somatrio das foras na direo Y (figura 5.6a)

Fy = 0F = M.g

(5.22)

- somatrio dos momentos na direo do eixo 2-2 (figura 5.6b)

MB = 0Tc = F.r / TC (5.23)

- velocidade angular

60 vync = 2 r (5.24)

onde,r = raio do tambor (m)

Anlise do sistema de transmisso mecnicaA partir da demanda calculada para a carga movida (Tc, nc), deve-se selecionar um tipo de TM que melhor se adapte s condies de operao e potncias disponveis pelos servomotores WEG.


5


Os movimentos de entrada e sada da TM neste exemplo so de rotao, logo a escolha restrita as TMs do tipo R/R, tabela 5.1, como redutor de engrenagens, correia-polias, cabo, etc. A figura 5.7 mostra algumas das principais grandezas mecnicas do sistema.

Figura 5.7: Parmetros de uma transmisso mecnica

Onde:Pe = potncia de entrada na TMPsm = potncia do servomotorne = velocidade angular de entradaTM = transmisso mecnicait = razo de transmissoT = rendimento mecnico da TMPs = potncia de sada da TMPc = potncia de demanda da cargans = velocidade angular de sada da TM

Portanto, como parmetros de entrada na TM, tem-se:

- Torque de entrada

TsTe = it . t (5.25)

e

Ts = Tc

onde,Ts = torque de sadaTc = torque de demanda da carga

- Velocidade de entrada

ne = ns . it (5.26)

e

ns = nc

onde,ns = velocidade angular de sada da TM (rpm)ne = velocidade angular de entrada da TM (rpm)


5


- Potncia de entrada:

2Pe = Te . ne 60

(5.27)

Anlise do servomotor

Torque

TeTeSM = tSM 5.28)

Velocidade

neSM = ne (5.29)

Potncia

2PSM = TSM . nSM 60

(5.30)

5.7.3.2 Movimento acelerado

No trecho de movimento acelerado, o torque total fornecido pelo servomotor ter um componente dinmico, torque dinmico de acelerao TdAC, alm do torque esttico de atrito previamente calculado.

TTOTAL = TeAT + TdAC (5.31)

O torque TdAC de um corpo (figura 5.8) estimado atravs da equao 5.32:

Figura 5.8: Parmetros dinmicos de um corpo rgido

TdAC = Jaa . A N.m (5.32)

onde,Jaa = inrcia de massa em relao ao eixo a-a (kg.m

2)A = acelerao angular no eixo a-a (rad/s2)

Para o exemplo em estudo, tem-se:


5


Anlise da carga movida

Figura 5.9: Esquema dinmico da carga movida

Aplicando-se a condio de equilbrio dinmico no modelo da figura 5.9, obtm-se:

- somatrio de foras na direo Y (figura 5.9a)

Fy = M . aFdAC M . g = M . aFdAC = M (g + a) (5.33)

Desprezando-se o termo esttico, a expresso passa a ser:

FdAC = M . a (5.34)

onde,FdAC = fora dinmica de acelerao a = acelerao linear da massa M

- somatrio dos momentos na direo do eixo 2-2 (figura 5.9b)

MB = TdCTdC = (FdAC . r + JT . C) / TC (5.35)

como a = C . r = 2 . r, tem-se:

TdC = 2 (M . r2 + JT) / TC (5.36)

ou

2 . JCTdc = tc (5.37)

onde,JC = inrcia equivalente da carga movida


5


Anlise do sistema de transmisso mecnica

Figura 5.10: Sistema de transmisso por engrenagens

As inrcias das partes que compe a TM so consideradas no clculo dinmico. No caso de um par de engrenagens cilndricos (dentes retos ou helicoidais), E1 (no eixo 1-1) e E2 (no eixo 2-2), as inrcias so JE1 e JE2 respectivamente (figura 5.10).

A engrenagem 2 est rigidamente vinculada ao eixo 2-2, assim como o tambor, logo ambos possuem a mesma acelerao angular e velocidade.

Portanto, a equao do torque no eixo 2-2 deve incluir a inrcia JE2.

Td2-2 = TdC + ( 2 . JE2 ) / Tdc (5.38)

Td2-2 = 2 . ( JC + JE2 ) Tdc

(5.39)

ou

Td2-2 = 2 . Jeq2-2 Tdc

(5.40)

onde,Jeq2-2 = inrcia equivalente no eixo 2-2

O torque de entrada na TM ocorre no eixo 1-1, logo deve-se transferir Td2-2 ao eixo 1-1. Especificamente, para o par de engrenagens a transferncia feita atravs da razo de transmisso it, refletida no ponto A.

TdA = Td2-2 / it . T (5.41)

Como a engrenagem E1 est vinculada ao eixo 1-1, o torque na entrada da TM ser:

Tde = TdA + 1 . JE1 (5.42)

onde: 1 = 2 . it

Tde = 2 . Jeq2-2 / ( it . T . TC ) + 1 . JE1 (5.43)


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como it = 1 / 2

Tde = 1 (Jeq2-2 / ( i2

t . T . TC ) + JE1 (5.44)

ou

Tde = 1 . Jeq1-1 (5.45)

onde,Jeq1-1 = inrcia equivalente no eixo 1-1

NOTA!A tabela 5.2 apresenta as relaes de inrcia para diversos sistemas de transmisso de potncia mecnica.

Tabela 5.2: Tipos de transmisso, equao da inrcia equivalente e nomenclatura

TIPOS DE TRANSMISSO

EQUAO DAINRCIA EQUIVALENTE

NOMENCLATURA

Engrenagens cilndricas de dentes retos e/ou heloicoidais

R/R

1J = Je + Js i2

Je - inrcia da engrenagem e Js - inrcia da engrenagem s J - inrcia do sistema i - razo de transmisso

Pinho e cremalheira

R/T

J = Je + (mcr + ms) r2

ms - massa do sistema a ser movido (carga) mcr - massa da cremalheira r - raio da engrenagem Je - inrcia da engrenagem J - inrcia do sistema


5


TIPOS DE TRANSMISSO

EQUAO DAINRCIA EQUIVALENTE

NOMENCLATURA

Sem-fim e coroa

R/R

1J = Je + Js i2

Je - inrcia do pinho (sem-fim) J - inrcia do sistema Js - inrcia da coroa + carga i - razo de transmisso

Fuso convencional e de esferas recirculantes

R/T

p2 r2J = ms + mf 42 2

J - inrcia do sistema p - passo do fuso ms - massa do sistema a ser movido (carga) mf - massa do fuso r - raio de fuso

Polia e correia sincronizadora

Corrente e roda dentada

Cabos e polias

R/R

(m1 + 2mcor + m2 r1 2

J = r12 + J2 2

2 r2

J - inrcia do sistema J2-2 - inrcia no eixo 2-2 (coroa inclusa) mcr - massa da correia m1 - massa da polia motora m2 - massa da polia movida r1 - raio da polia motora r2 - raio da polia movida

No exemplo, caso a TM fosse do tipo correia-polias, a equao que relaciona as inrcias entre os eixos 2-2 e 1-1, incluindo as polias e correia, vale:


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(m1 + 2mcor + m2 r1 2

Jd1-1 = r12 + Jd2 2

2 r2 (5.46)

onde,Jd-2-2 = inrcia equivalente da carga movida vinculada ao eixo 2-2

Figura 5.11: Modelo de transmisso mecnica com correia e polias

ou seja,as equaes (5.40) a (5.45) seriam reescritas da seguinte forma.

Td2-2 = 2 . Jeq2-2 Tdc

(5.47)

(m1 + 2mcor + m2) r1 2

Tde = 1 r12 + Jd2-2

2 r2 (5.48)

Anlise do servomotorO servomotor fornece a potncia mecnica de entrada para a TM. Entretanto, a inrcia do rotor (JSM) est vinculada ao eixo de giro 1-1, logo deve ser includa na equao dinmica.

torque dinmico

TdSM = Tde + TdROTOR (5.49)

TdSM = Tde + 1 JSM / SM (5.50)

Jeq2-2 + JE1 + JSM TdSM = 1 it

2 . T . TC SM (5.51)


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ou,

TdSM = 1 JeqSM (5.52)

onde,JeqSM = inrcia equivalente do conjunto refletida no servomotorSM = rendimento mecnico do servomotor

torque total

O torque total no servomotor contempla os termos esttico (equao 5.28) e dinmico (equao 5.52).

TTOTAL = TeSM + TdSM (5.53)

Velocidade

nSM = ne = ns . i (5.54)

Potncia

2PSM = TTOTAL . SM 60 (5.55)

5.7.3.3 Movimento de desacelerao

A anlise semelhante ao trecho em acelerao, sendo que o valor de acelerao passa a ser negativo. Assim, a expresso do torque total passa a ser:

TTOTAL = TeSM - TdSM (5.56)


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Aplicaes Tpicas para Servoacionamentos

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APLICAES TPICAS PARA SERVOACIONAMENTOS

Projetos na rea de automao industrial, em geral, envolvem o uso de componentes comerciais fornecidos por diferentes fabricantes, os quais buscam tecnologias capazes de promover a integrao desses componentes para que um determinado equipamento possa ser desenvolvido.

Uma ampla gama de componentes mecnicos, eltricos, eletrnicos, hidrulicos e pneumticos, gerenciados via comandos lgicos por unidades de controle so disponveis no mercado. Esta unio busca uma soluo otimizada para o problema que se apresenta, sendo que a cada aplicao deve-se enquadrar as tecnologias que melhor se adaptem.Os sistemas automatizados, de uma forma sinttica, podem ser descritos como a composio de duas partes, denominadas operativa e de comando (figura 6.1). A parte operativa efetua operaes que produzem alteraes na forma ou na natureza dos produtos processados pelo equipamento e a parte de comando efetua o tratamento das informaes e distribui ordens para a parte operativa, recebendo em retorno, sinais para coordenar as aes. No entanto, um dos grandes problemas para os projetistas a definio das tecnologias envolvidas, tanto na parte operativa quanto na parte de comando.

As tecnologias operativas normalmente empregadas so: mecnica, eltrica, hidrulica e pneumtica. As tecnologias de comando normalmente so: pneumtica, eltrica e eletrnica.

Figura 6.1: Relao entre as partes operativa e comando

Em geral, os elementos das partes operativa e de comando, e suas relaes, podem ser descritos conforme mostrado na figura 6.2.

A definio das tecnologias de comando e operativas a serem empregadas depende de uma srie de fatores que devem ser analisados, que vo desde a quantidade de trabalho a ser desenvolvido s caractersticas ambientais, passando pela anlise da segurana da operao e por uma anlise econmica do sistema. Uma questo fundamental a ser verificada a da segurana da operao. Isto no envolve somente a anlise de risco, mas apresentar projetos que ofeream boas condies de trabalho para o operador, livrando-o de operaes insalubres, repetitivas e que envolvam elevados esforos fsicos.

Figura 6.2: Relaes gerais entre elementos das partes operativa e comando


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A WEG busca atender a demanda de projetos na rea de automao industrial com a sua tecnologia baseada em sistemas servoacionadores (parte de comando) e servomotores (parte operativa).

O desenvolvimento do equipamento automtico requer um nvel de comunicao entre as partes operativa e de comando, que realizado pelo elemento sensor. Dependendo da aplicao podem ser usados sensores do tipo:

binrios: indutivos, ticos, capacitivos, chaves liga-desliga, e etc. digitais: encoder incremental ou absoluto, rgua linear, e etc. analgicos: temperatura, presso, strain-gauges e etc.

Esses sensores podem ser conectados ao servoacionamento WEG para, atravs de programao, criar-se uma seqncia lgica vinculando os dados de entrada (sensores) e os dados de sada (atuadores). Desta forma, obtm-se o controle em malha fechada do processo de produo.

Na utilizao de servoacionamentos nas mais variadas cargas, devem ser levadas em considerao as caractersticas da carga acionada, pois em funo do ciclo do processo, inrcias e caractersticas das redues que se pode fazer o correto dimensionamento do motor.

A seguir, algumas aplicaes tpicas de servoacionamento, onde sero apontadas as suas vantagens e limitaes.

6.1 TORNO DE SUPERFCIE / LAMINADOR DESFOLHADOR

Esta aplicao tem como caracterstica o torque que varia inversamente com a rotao (hiperblico), pois no processo deve ser obedecida a condio de que a velocidade tangencial da pea ou cilindro seja sempre constante, isto , a velocidade superficial entre a pea e a ferramenta de corte tem de ser constante. Esta velocidade definida por:

Vt = x r (6.1)

Como:

= 2 . . f (6.2)

Ento:

Vt = . f . D Vt = 2 . f . r

Onde:Vt = Velocidade tangencial [m/s]; f = Freqncia [Hz];r = Raio [m];D = Dimetro [m]; = Velocidade angular [rad/s].

A medida em que o raio (ou dimetro) da pea diminui, necessrio que a sua rotao aumente para que a velocidade tangencial (ou de superfcie) permanea constante.

Sendo que a fora de corte tambm constante, o torque resistente oferecido pela carga definido por:

Tc = Fc x r (6.3)

Onde:Tc = Torque da carga;Fc = Fora de corte;r = Raio.


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Na medida em que o raio (ou dimetro) da pea diminui, o torque resistente tambm diminui. Destas duas consideraes tem-se ento que para peas de pequeno dimetro a sua rotao deve ser alta e o torque resistente baixo, e que para peas de grande dimetro a rotao deve ser baixa e o seu torque resistente alto.

No acionamento deste tipo de carga com servoacionamento pode-se usar a programao modo torque. Onde geralmente utiliza-se uma entrada analgica configurada em corrente. Essa corrente multiplicada pela constante de torque do servomotor nos fornece o torque do motor, ou seja, o servoconversor funciona somente em loop de corrente mantendo o torque constante. A velocidade ir variar em funo da carga, sem controle algum por parte do servoconversor.

6.2 SISTEMAS DE TRANSPORTE

Fazem parte desta famlia as aplicaes com: esteiras, correias, correntes, mesas transportadoras, monovias, etc (ver figuras 6.3 e 6.4). Estas aplicaes podem ser agrupadas, pois possuem as mesmas caractersticas quanto ao seu acionamento, tendo o torque resistente constante para toda a faixa de velocidade. A programao de operao do servoconvesor podem ser em modos velocidade ou posicionamento, dependendo da aplicao.

Figura 6.3: Sistema com movimentos rotacionais

Figura 6.4: Sistema de produo com esteira transportadora


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No modo velocidade geralmente utiliza-se uma entrada analgica configurada em velocidade de referncia. Onde o servoconversor mantm a velocidade constante no valor determinado pela referncia. A operao do loop de velocidade sobre posto ao loop de corrente. A corrente varia em funo da carga.

J em modo de posicionamento o controle est baseado no sentido de giro e passo de deslocamento. O servoconversor mantm a posio constante no valor determinado pela referncia de posio. Enquanto o servoconversor estiver habilitado o eixo do servomotor ficar travado na posio dada pela referncia de velocidade. J quando o servoconversor estiver desabilitado a referncia de posio setada automaticamente para a posio do servomotor.

A condio de partida do sistema geralmente com carga, ou seja, torque resistente elevado. Nesta condio deve-se levar em considerao a sobrecarga inicial do sistema, onde o servoconversor tende a operar com a corrente dinmica.

Para os sistemas de transportes inclinados em elevao, deve se ter especial ateno na parti

guia de aplicação de servoacionamentos

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