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Servomotores

ENGENHARIA ELÉTRICA

Servoacionamento e servomotores

Máquinas DC



Três tipos de motor de carga

cargas do motor Description Examples

Cargas de torque

constante

Potência de saída

varia, mas o torque é

constante

Transportadores, fornos

rotativos, bombas de

deslocamento constante

Cargas de torque

variável

O torque varia com

quadrado da

velocidade de

operação

Bombas centrífugas,

ventiladores

Cargas de potência

constante

Torque muda

inversamente com a

velocidade

Machine tools



A classificação de Motores

Electric Motors

Alternating Current

(AC) Motors

Direct Current (DC)

Motors

Synchronous Induction

Three-PhaseSingle-Phase

Self ExcitedSeparately

Excited

Series ShuntCompound



• Controle de velocidade, sem qualidade de imapcto da qualidade da fonte

de alimentação:

- Mudando tensão de armadura;

- Mudando corrente de campo.

• Restrição de utilização:

- Poucas aplicações de velocidade baixa / média

- Áreas limpas, não-perigosos

• Caro em comparação com motores AC.

Motor DC



Motor DC autoexcitado: Motor shunt

• Enrolamento de campo paralelo com o de armadura;

• Corrente = I Campo + Iarmadura;

• Controle de velocidade: Resistência na corrente de campo ou de

armadura;

• Veloc. constante independente do aumento de torque da carga.



© UNEP 2006(Rodwell Int. Corporation)

Motor DC autoexcitado: Motor shunt



Adequado para cargas com alto torque de partida: guindastes,

guinchos;

Enrolamento de campo em série com armadura do

enrolamento;

Corrente de campo = corrente de armadura;

Velocidade limitada a 5000 RPM;

Evite uso sem carga: velocidade descontrolada.

Motor DC autoexcitado: Motor Serie



Motor DC autoexcitado: Motor Serie



Motor DC autoexcitado: Motor Compound

Adequado para alto torque de partida se elevado% de

composição: guindastes, guinchos;

Enrolamento de campo em série e em paralelo com armadura

do enrolamento;

Bom torque e velocidade estável;

Troque superior ao série = alto torque de partida



Motor DC autoexcitado: Motor Compound



segments

brushes



Servomotores estão disponíveis como motores AC ou DC.

O motor deve ser capaz de:

- operar com uma gama de velocidades;

- operar a uma velocidade zero e reter torque suficiente para suportar

uma carga em posição; e

- operar em velocidades muito baixas por longos períodos de tempo

sem superaquecimento.


Servo acionamento e servomotores

Possuem respostas rápidas, trabalhando com frequências de 400 [Hz] ou

mais.

Com altas velocidades de trabalho, os servomotores aceitam velocidades de

até 5000 [rpm], com precisão no posicionamento.

Servomotores são equipamentos ótimos para trabalhar em altas velocidades

e também onde necessitamos de um alto torque.

Servodrivers ocupam pouco espaço para atingir altas potências..



Nos modos de controle, podemos citar algumas funcionalidades disponíveis:

• Controle de velocidade (comandos através de entradas analógicas);

• Controle de posicionamento (comando através do trem de pulso);

• Controle de torque (comandos através de entradas analógicas);



Nos modos de controle, podemos citar algumas funcionalidades disponíveis:

• Ajuste para controle interno de velocidade (sem realimentação externa):

- Controle de velocidade;

• Controle de posicionamento com os seguintes intertravamentos:

- Controle de velocidade (comandos através de entradas analógicas);

- Controle de torque (comandos através de entradas analógicas)



Os servomotores possuem três componentes básicos, que são:

a) Sistema atuador: pode ser um motor elétrico com corrente alternada

(CA), corrente contínua (CC).

Além do motor, utilizamos acoplado a ele um conjunto de engrenagens com

relação bem longa, conhecido como redução.

A redução tem o objetivo de amplificar o torque e, assim, reduzir a potência

do motor a ser utilizado, reduzindo os custos envolvidos.

É necessário conhecer o torque a ser aplicado, a velocidade necessária para

o motor, o material das engrenagens da redução, a liberdade de giro do eixo

e a potência do motor.




b) Sensor: o segundo componente básico é o sensor acoplado diretamente

no eixo do servomotor.

Este sensor pode ser de três tipos:

- encoder absoluto;

- encoder incremental; ou

- resolver.

A qualidade e a precisão do sensor a ser utilizado interferem diretamente no

valor de retorno para o servodriver.




c) Servodriver: este componente é conhecido também como circuito de

controle e é formado por componentes eletrônicos ou circuitos integrados,

responsáveis por executar as lógicas de controle internamente, através da

recepção do sinal de retorno do campo, atuando diretamente no servomotor

e mandando-o para a posição desejada.



O servomotor brushless é projetado para operar sem escovas.

Isto significa que a comutação que as escovas fornecida deve agora ser

fornecido eletronicamente.

Comutação eletrônica é fornecida por comutação de transistores e desliga

em momentos apropriados.

O ponto principal sobre o brushless servomotor é que ele pode ser

alimentado por uma tensão alternada ou tensão CC.



Servo Motor CC com Ímãs Permanentes

◼ Os servomotores CC serão inicialmente apresentados apenas como

ponto de referência ou paradigma para o estudo dos modernos

servomotores.

▪ A maioria dos servomotores atuais são motores CA sem escovas

com ímãs permanentes, projetados para atender diversas

aplicações como: robôs industriais, bobinadeiras, máquinas de corte

e solda e máquinas-ferramenta a comando numérico.

▪ Suas características permitem uma rotação suave e uniforme em

todas as velocidades, baixo nível de ruído e vibração, ampla faixa

de rotação com torque constante, baixa manutenção (servomotores

sem escovas), elevada capacidade de sobrecarga, baixa inércia e

resposta dinâmica instantânea



Servo Motor CC com Ímãs Permanentes



Servo Motor CC com Ímãs Permanentes com Escovas

(Brushed DC Motor)

❑ Os estatores, deste tipo de servomotor, são pares de pólos

magnéticos. Quando o motor é alimentado, há uma interação entre o

campo magnético criado no rotor com o campo fixo do estator, o que

resulta em um momento de um binário (torque).

❑ Desta forma, o rotor pode se movimentar de maneira a alinhar-se com

campo do estator. Assim quando o rotor alcança o alinhamento, as

escovas energizam o próximo elemento do comutador. Esta

sequência continua enquanto existir tensão de excitação no rotor.

❑ A substituição do campo bobinado (convencional) por ímãs

permanentes elimina tanto a necessidade de excitação separada e

perdas elétricas que ocorrem nos enrolamentos do campo.



Servo Motor CC com Ímãs Permanentes com Escovas

(Brushed DC Motor)

❑ Tais servomotores podem ter armaduras formadas por bobinas

laminadas em formas de disco ou copo. Elas são leves, de baixa

inércia, que permitem ao motor acelerar mais rápido.

❑ A força do campo é

aumentada pela

cerâmica e pelos

ímãs feitos em

neodímio-ferro-boro

em comparação aos

antigos alumínio-

níquel-cobalto (Al-Ni-

Co) .



Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas

(Brushless DC Motor – BLDC Motor)

❑ Os rotores magnéticos cilíndricos de motores CC sem escovas são

magnetizados lateralmente para formar pólos opostos ao norte e ao

sul em torno do rotor. Estes rotores são normalmente feitos de

materiais magnéticos neodímio-ferroboro ou samário-cobalto, que

oferecem maior densidade de fluxo do que ímãs de Al-Ni-Co.



Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas (Brushless DCMotor – BLDC Motor)

❑ O diagrama abaixo mostra o sistema para controlar a tensão e a

velocidade com as formas de onda de corrente e tensão associadas

sobrepostas nos circuitos.



Servomotores de Corrente Contínua

❑ Da Equação 1.2 verifica-se que a corrente de armadura da máquina

CC pode ser modificada pela tensão de armadura.

❑ Para contornar o efeito da força contra eletromotriz e melhor

controlar o desempenho da máquina pode-se empregar uma malha

de controle de corrente.

❑ A diminuição do fluxo magnético, mantidas as condições de tensão

e corrente nominais, permite a operação do motor com velocidade

superior a nominal.




❑ O “hardware” correspondente ao sistema de controle completo de um

MSIP encontra-se esquematizado na figura.



Motor CC Acionando uma Antena

❖ Os servo motores são usados em várias aplicações quando se deseja

movimentar algo de forma precisa e controlada.

❖ Sua característica mais marcante é a sua capacidade de movimentar

os seu braço até uma posição e mantê-lo, mesmo quando sofre uma

força em outra direção.

❖ Para entendimento de seu funcionamento é necessário o

conhecimento de sua parte interna.




❑ Partes do Servo Motor:

▪ Circuito de Controle – responsável pelo monitoramento do

potenciômetro e acionamento do motor visando obter uma posição

pré-determinada.

▪ Potenciômetro – ligado ao eixo de saída do servo, monitora a

posição do mesmo.

▪ Motor – movimenta as engrenagens e o eixo principal do servo.

▪ Engrenagens – reduzem a rotação do motor, transferem mais

torque ao eixo Principal de saída e movimentam o potenciômetro

junto com o eixo.

▪ Caixa do Servo – caixa para acondicionar as diversas partes do

servo.




❑ Estes componentes estão posicionados internamente a caixa do

servo da forma mostrada na Fig.




❑ Controle do Servo Motor:

❖ O servo motor é alimentado com tensões de 5 V e recebe um sinal no

formato PWM (Pulse Width Modulation). Este sinal é 0 V ou 5 V. O

circuito de controle do servo fica monitorando este sinal em intervalos

de 20 ms.

❖ Se neste intervalo de tempo, o controle detecta uma alteração do

sinal na largura do sinal, ele altera a posição do eixo para que a sua

posição coincida com o sinal recebido..




▪ Um sinal com largura de pulso de 1 ms corresponde a posição do

servo todo a esquerda ou 0 grau.

▪ Um sinal com largura de pulso de 1,5 ms corresponde a posição

central do servo ou de 90 graus.

▪ Um sinal com largura de pulso de 2 ms corresponde a posição do

servo todo a direita ou 180 graus.




❖ Uma vez que o servo recebe um sinal de 1,5 ms (por exemplo),

ele verifica se o potenciômetro encontra-se na posição

correspondente, se ele estiver nada é feito.

❖ Se o potenciômetro não estiver na posição correspondente ao

sinal recebido, o circuito de controle aciona o motor até que o

potenciômetro esteja na posição correta.

❖ A direção de rotação do servo motor depende da posição do

potenciômetro.



❖ Ao se tentar alterar a posição do servo motor, verifica-se uma

resistência feita pelo motor.

❖ Esta resistência é chamada de torque. O torque é uma das

principais características do servo motor. Mede-se o torque em kg-

cm (kilograma por centímetro) ou oz-in (onça por polegada).

Fig. 4 – Servo motor submetido a um torque de 1 kg-cm.




❑ Uma alternativa para se obter maior robustez é utilizar

engrenagens de metal.



Servo Acionamento

❑ Servo acionamentos são sistemas eletromecânicos de controle de

precisão.

❑ Eles encontram aplicações em diferentes campos da indústria como,

por exemplo:

• Máquinas-ferramenta a comando numérico;

• Sistemas de posicionamento;

• Linhas de transporte;

• Robôs industriais;

• Sistemas flexíveis de manufatura.



Servo Acionamento - Aduino



Diagrama de um Servo Acionamento



Servo Motor

❑ Servomotores são os motores utilizados nos servo acionamentos.

❑ Servomotores são caracterizados por um formato compacto, com alta

potência, baixa inércia, e alta eficiência. Devem possuir alto

desempenho dinâmico e excelente precisão.

❑ Os circuitos de alimentação dos servomotores encontram-se em uma

unidade chamada servo conversor ou servo drive.

❑ Assim: Servo acionamento = servo motor + servo conversor (servo

drive).



Servo Motor

❑ A Figura mostra uma secção transversal de um servomotor síncrono

com ímãs, permanente típico, com os componentes ativos para a

geração do torque, um resolver para medir os ângulos e velocidade e,

em alguns casos, é equipado com um freio para manter a posição sem

que seja necessário demandar corrente nas bobinas do motor.



MÁQUINA SÍNCRONA



MÁQUINA SÍNCRONA – Imã permanente



Servomotores



AKD Servo Drives and Brushless Servo Motors With Smart Feedback Devices

120 or 240 VAC powered (1 or 3 phases)

Optically isolated I/O and encoder emulation

AKM sizes: 40, 58, 70, 84, 108, and 165 mm

Max speed: 8000 rpm

Continuous rated torque: 0.18 N • m (1.59 lb in.) to 11.9 N • m (105 lb in.)



@1 9

REM SETA I/O#7

REM CIO 000-002

@1 188 7 1

REM TQL 003-007

@1 149 15000 20000 6000 6000

REM ENABLE MULTI-TASKING

REM EMT 008

@1 225

REM ERROR LIMITS (0,05mm/0,01mm/120ms)

REM ERL 009-012

@1 151 -400 -80 1000

REM KILL MOTOR IF TEMPERATURE HIGH

REM KMC 013-015

@1 167 128 0

REM SALTA SE CHAVE HOME FECHADA

REM JOI 016-019

@1 162 -2 0 29

REM RECUA RAPIDO (5mm/s) ATE CHAVE

REM HOME FECHAR OU LIMIT- FOR ATINGIDO

REM MRV 020-028

@1 135 -4000000 500000 160000000 3 0

REM RECUA LENTO (1mm/s) ATE CHAVE

REM LIMIT- ATUAR

REM MRV 029-037

@1 135 -4000000 500000 32000000 -1 0

REM AVANCA LENTAMENTE (0,25mm/s)

REM ATE CHAVE LIMIT- DESATIVAR

REM MRV 038-046

@1 135 1000000 500000 8000000 -1 1

REM AVANCA LENTAMENTE ATE ENCONTRAR

REM INDEX DO ENCODER OU LIMIT+ ATUAR

REM MRV 047-055

@1 135 1000000 500000 8000000 -9 1

REM RETORNA AO INDEX DO ENCODER

REM RAV 056-064

@1 160 2 500000 8000000 0 0

REM DELAY 8000 TICKS (1 sec.)

REM DLY 065-067

@1 140 8000

REM ZERA TARGET E POSICAO

REM ZTP 068

@1 145

REM ZERA I/O#7

REM CIO 069-071

@1 188 7 0

REM FIM DO PROGRAMA

REM END 072

@1 128

REM GRAVA PROGRAMA





X1 : Entradas / Saídas analógicas, Entradas / Saídas digitais



SW1: Seletor de entrada analógica (on: corrente / off: tensão)

Esta Dip switch deve ser utilizada para definir o tipo de sinal que será

conectado às entradas analógicas (-10V a 10V ou -20mA a 20mA).

Como padrão de fabrica as entradas analógicas são selecionadas para -

10V e 10V.

Deve haver a parametrização



Práticas Servoconversor/Servomotor



Atividade 01

Especificação do servoacionamento

Material: Servoconversor e servomotor;

Efetuar a leitura das placas de identificação;

No catálogo identificar: Servomotor -> Torque e velocidade.

Servoconversor -> Corrente e Tensão nominal.

Identificar os cabos entre o servomotor e servoconversor e descreva a

função da cada um.

Como é possível conectar a IHM?



Atividade 02

Acionamento básico via IHM

Material: Fusíveis 16A, servoconversor e servomotor

Procedimento

Montar o circuito como mostra a figura 1

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