Eletromecanica Basica

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Informações Complementares
Tecnologia Eletromecânica
Visão Geral da Tecnologia
Fig. 1.2 Servosistema de malha fechada de controle de velocidade.
O Drive
Trata-se de um amplificador eletrônico de potência que fornece
a energia para a operação do motor em resposta a
sinais de controle de baixa tensão. Em geral, o drive é projetado
especificamente para operar com um tipo particular de
motor - não se pode empregar um drive para motor de passo
na operação de um motor CC com escova, por exemplo.
Sinais de
Comando
Comandos de
Alto Nível
Computador
ou PLC
Indexador/
Controlador
Drive Motor
Passo Híbrido
Servo CC
Servomotor Brushless
Passo Linear
Encoder
Controlador Drive Motor
Circuito de feedback
Visão Geral da Tecnologia
O controle de movimento, em seu sentido mais amplo, pode
se relacionar a qualquer coisa, de um robô de solda ao sistema
hidráulico de um guindaste móvel. No campo do Controle
Eletrônico de Movimento, nos ocupamos principalmente
com sistemas que se enquadram em uma gama de potência
limitada, tipicamente até cerca de 10KW, e que requerem
precisão em um ou mais aspectos. Isto pode envolver
o controle preciso da distância ou da velocidade, muitas
vezes dos dois, e às vezes de outros parâmetros tais como
torque ou taxa de aceleração. No caso dos dois exemplos
acima, o robô de solda requer o controle preciso tanto da
velocidade quanto da distância; o sistema de guindaste hidráulico
emprega o drive como sistema de feedback, portanto
sua precisão varia com a habilidade do operador. Neste
contexto, este não seria considerado um sistema de controle
de movimento.
Nosso sistema padrão de controle eletrônico de movimento
consiste de três elementos básicos:
Fig. 1.1 Elementos de um sistema de controle de movimento.
O Motor
Este pode ser um motor de passo (rotativo ou linear), um
motor CC com escova ou um servomotor brushless. O motor
deve ser dotado de algum tipo de dispositivo para feedback,
a não ser que seja um motor de passo.
A Fig. 1.2 mostra um sistema completo, com feedback para
controle da velocidade e posição do motor. Este sistema é
conhecido como servosistema de malha fechada de controle
de velocidade.
O sistema de Controle
A tarefa desempenhada de fato pelo motor é determinada
pelo indexador/controlador; ele envia parâmetros como velocidade,
distância, direção e taxa de aceleração. A função
de controle pode estar distribuída entre um controlador hospedeiro,
como um computador industrial, e uma unidade
escrava que aceita comandos de alto nível. Em um sistema
multi-eixos, um controlador poderá operar em conjunto com
diversos drives e motores.
Estaremos vendo cada um destes elementos do sistema,
bem como sua relação entre si.
Seleção da Tecnologia do Motor
A seção "Comparativo de Tecnologia" deste manual
estabelece, em linhas gerais, os méritos relativos a cada
tecnologia de motor e discute o tipo de aplicação adequado
a cada uma. A tabela na página a seguir permite uma visão
geral das considerações de escolha e pode ser utilizada
como guia geral para se chegar ao tipo mais adequado de
motor. Lembre-se de que muitas aplicações podem ser
igualmente atendidas por mais de uma tecnologia de motor,
e poderão haver outras considerações que influenciem a
escolha, como compatibilidade com equipamentos existentes
ou preferências do cliente. No entanto, em termos gerais,
o sistema de passo oferece a solução de mais baixo custo,
enquanto o servomotor brushless oferece o melhor
desempenho em geral.
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Informações Complementares
Tecnologia Eletromecânica
Tabela de Seleção da Tecnologia
Fig. 1.3 Tabela para seleção de tecnologia.
Um motor de passo
atenderá aos requisitos
de torque/velocidade?
Você precisa operar
continuamente acima
de 2000 rpm?
Você precisa
controlar o
torque?
A carga muda
rapidamente durante
a operação?
Utilize um drive de
micro passo com
viscosidade eletrônica
a amortecimento ativo
É importante um tempo
curto para alcançar
o set-point?
A suavidade a
baixas velocidades
é importante?
Considere
um drive de
mini passo
Considere um
sistema
direct drive
A taxa de inércia da
carga em relação
ao motor é superior
a 10:1?
Use um sistema
de servomotor
brushless
Adicione realimentação
com encoder no
Controlador
Inicie Aqui
Sim
Sim
Não
Sim
Não
Sim
Não
Não
Não
Sim
Não
Sim
Não
Você precisa operar
continuamente acima
de 120 rpm?
Utilize um servomotor
brushless com caixa
de transmissão
(redutor planetário)
Tente um drive
de micro passo
Não
É preciso detectar
perda de posição
ou medir a posição
real da carga para
correção de folga?
Sim
Sim
Sim
Tabela de Seleção da Tecnologia
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Princípios Básicos
Tecnologia Eletromecânica
Motores de Passo
Motores de Relutância Variável (V.R.)
Um motor V.R. não possui magneto permanente, portanto o
rotor gira livremente sem torque de “retenção”. A saída de
torque para uma dada dimensão da estrutura é restrita,
embora a taxa de torque por inércia seja boa, sendo que
este tipo de motor é freqüentemente empregado em
pequenas dimensões para aplicações como mesas de
microposicionamento. Motores V.R. são pouco utilizados em
aplicações industriais. Não possuindo magneto permanente,
eles não são sensíveis à polaridade da corrente e
necessitam de um arranjo de drive diferente dos outros tipos
de motor.
Fig. 2.3 Motor de relutância variável.
Motores Híbridos
O motor híbrido mostrado na Fig. 2.4 é, de longe, o motor
de passo mais utilizado em aplicações industriais. O nome
é proveniente do fato de que ele combina os princípios
operacionais dos outros dois tipos de motores (PM e VR). A
maioria dos motores híbridos é de 2 fases, embora sejam
utilizadas versões de 3 e 5 fases. Um outro desenvolvimento
é o motor “híbrido aperfeiçoado” (“enhanced hybrid”), que
emprega magnetos para focagem do fluxo que propiciam
um aumento significativo no desempenho, muito embora a
um custo maior.
Fig. 2.4 Motor de passo híbrido.
A operação do motor híbrido pode ser compreendida mais
facilmente analisando-se um modelo muito simples que
produzirá 12 passos por revolução (Fig. 2.5).
Fig. 2.1 Motor tipo “canstack”, ou de magneto permanente.
Motores de Magneto Permanente (P.M.)
O motor do tipo “canstack” mostrado nas Figuras 2.1 e 2.2 é
talvez o tipo de motor mais amplamente utilizado para aplicações
não industriais. Ele é essencialmente um dispositivo
de baixo custo, baixo torque e baixa velocidade ideal para
aplicações em campos como periféricos de informática. A
construção do motor resulta em ângulos de passo relativamente
grandes, porém a simplicidade geral permite a produção
em larga escala a custo muito baixo. O motor de vão
axial ou disco é uma variação do projeto de magneto permanente
que apresenta um melhor desempenho, em grande
medida devido à inércia muito baixa do motor. No entanto,
isto restringe as aplicações do motor às que envolvem
baixa inércia caso seja exigido todo o desempenho do motor.
Fig. 2.2 Vista em corte de motor com magneto permanente.
N
N N N
N
S
S S
S
S
S
S
S
S
N
N N
N
N
N S
S
Carcaça
Eixo de aço
inoxidável não
magnético
Rotor
Mancal
Pré-lubrificado
Estator
Diagrama cortesia da Airpax Corp., EUA
Espira A
Espira B
Rotor
Proteção do estator A
Proteção do estator B
Eixo de saída
Motores de Passo
Há três tipos principais de motores de passo:
n Motores de magneto permanente (P.M.)
n Motores de relutância variável (V.R.)
n Motores híbridos
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Princípios Básicos
Tecnologia Eletromecânica
Motores de Passo
Mudando-se o fluxo da corrente do primeiro para o segundo
conjunto de espiras do estator (b), o campo do estator
rotaciona 90º e atrai um novo par de pólos do rotor. Como
resultado o rotor gira 30°, correspondendo a um passo
completo. A reversão do primeiro conjunto de espiras do
estator, porém com sua energização na direção oposta
rotacionamos o campo do estator mais 90° e o rotor efetua
mais um passo de 30° (c). Finalmente, o segundo conjunto
de espiras é energizado na direção oposta (d) para propiciar
uma terceira posição de passo. Podemos agora retornar à
primeira condição (a), e, após estes quatro passos, o rotor
terá se movido pelo equivalente a uma largura de dente
(“tooth pitch”). Este motor simples executa portanto 12
passos por revolução. Obviamente, caso as bobinas sejam
energizadas na seqüência inversa, o motor girará no sentido
oposto.
Caso duas bobinas sejam energizadas simultaneamente
(Fig. 2.7), o rotor assume uma posição intermediária, pois
fica igualmente atraído por dois pólos do estator. Esta
condição produz um torque maior, pois todos os pólos do
estator estão influenciando o motor. Pode-se fazer o motor
dar um passo completo simplesmente revertendo-se a
corrente em um conjunto de espiras; isto provoca uma
rotação de 90° dos campos do estator, como no caso anterior.
Na verdade, esta seria a forma normal de acionamento
do motor no modo de passo completo, sempre mantendo
as duas espiras energizadas e revertendo-se a corrente em
cada espira, alternadamente.
Fig. 2.5 Motor híbrido simples de 12 passos/revolução.
O rotor desta máquina consiste de duas peças de pólo com
três dentes cada uma. Entre estas peças de pólo há um
magneto permanente magnetizado em paralelo com o eixo
do rotor, tornando uma ponta um pólo norte e a outra um
pólo sul. Os dentes são defasados nas extremidades norte
e sul conforme mostrado no diagrama. O estator consiste
de uma carcaça com quatro dentes que tem toda a extensão
do rotor. As bobinas são enroladas sobre os dentes do
estator e estão conectadas aos pares. Não havendo corrente
fluindo em nenhuma espira do motor, o rotor tenderá a
assumir uma das posições mostradas na Fig. 2.6. Isto se
deve ao fato do magneto permanente no rotor estar tentando
minimizar a relutância (ou “resistência magnética”) do
percurso do fluxo de uma extremidade à outra. Isto ocorrerá
quando um par de dentes do rotor nos pólos norte e sul
estiverem alinhados com dois pólos do estator. O torque que
tende a manter o motor em uma destas posições é em geral
pequeno, e é chamado de “torque detentor”. O motor mostrado
terá 12 posições possíveis de detenção.
Caso, agora, a corrente atravesse um par das espiras do
estator, como mostrado na Fig. 2.6(a), os pólos norte e sul,
resultantes no estator, atrairão os dentes de polaridade oposta
em cada extremidade do rotor. Há agora apenas três posições
estáveis para o rotor, o mesmo número de dentes do
rotor. O torque requerido para defletir o motor para fora de
sua posição de estabilidade é agora muito maior, e é chamado
de “torque de retenção”.
Fig. 2.6 Passo completo, uma fase ligada.
Fig. 2.7 Passo completo, duas fases ligadas.
Energizando-se alternadamente uma e depois duas espiras
(Fig. 2.8), o rotor se movimenta por apenas 15° em cada
estágio, e o número de passos por revolução será dobrado.
Isto é denominado “meio passo” (half-stepping), e a maioria
das aplicações industriais emprega este modo de passo.
Embora haja às vezes uma pequena perda de torque, este
modo resulta em uma suavidade muito melhor a baixas
velocidades, e menos “overshoot” e oscilação (ringing) ao
final de cada passo.
N
S
N
N
S
S
N
S
1A
2A 2B
1B
N
S
N
N
S
S
N S
N
N
N
S
S
S
S N
S
S
S
N
N
N
S
N
S
S
N N
N
S
N
S
(a) (b)
(c) (d)
N
N S
S
N
N
N
S
S
S
S
N S
N
N
N
N
S
S
S
N
S N
S
S
S
S
N
N
N
S
S N
N
S
S N
N
N
S
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Tecnologia Eletromecânica
Motores de Passo
Micro-passo
Verificamos que energizar as duas fases com correntes
iguais produz uma posição de passo intermediária a meio
caminho entre as posições em que há uma fase única ligada.
Caso as correntes nas duas fases sejam desiguais, a posição
do rotor será deslocada em direção ao pólo mais forte. Este
efeito é empregado no drive de micro-passo, que subdivide
o passo básico do motor estabelecendo uma escala
proporcional da corrente nas duas espiras. Desta forma, o
tamanho do passo é diminuído e a suavidade do movimento
em baixas velocidades é sensivelmente melhorada. Os
drives de micro-passo de alta resolução dividem o passo do
motor em até 500 micro-passos, propiciando 100.000 passos
por revolução. Nesta situação, o padrão de corrente nas
espiras é muito semelhante a ondas senoidais com um
deslocamento de fase de 90° entre elas (veja a Fig. 2.12).
O motor está agora sendo acionado de forma muito
semelhante ao que seria um motor síncrono CA convencional.
Na verdade, o motor de passo pode ser acionado
desta forma a partir de uma fonte com onda seno de 50 Hz
com a inclusão de um capacitor em série com uma das fases.
Ele girará a 60 rpm.
Fig. 2.12 Correntes de fase no modo de micro-passo.
Fig. 2.8 Meio passo.
Padrões de Corrente nas Espiras do Motor
Quando o motor é acionado em seu modo de passo
completo, energizando-se duas espiras, ou “fases”, por vez
(veja a Fig.2.9), o torque disponível em cada passo será o
mesmo (estando sujeito a variações muito pequenas nas
características do motor e do drive). No modo de meio passo,
estamos alternadamente energizando duas fases e então
apenas uma, como mostrado na Fig. 2.10. Supondo que o
drive forneça a mesma corrente para as espiras nos dois
casos, isto fará com que seja produzido um torque maior
quando houverem duas espiras energizadas. Em outras
palavras, os passos serão alternadamente fortes e fracos.
Isto não significa uma limitação importante no desempenho
do motor - o torque disponível é obviamente limitado pelo
passo mais fraco, porém haverá uma melhoria significativa
na suavidade do movimento a baixas velocidades no modo
de passo completo.
Obviamente, gostaríamos de produzir um torque aproximadamente
igual em todos os passos, e este torque deveria
estar ao nível do passo mais forte. Podemos obter isso
empregando um nível mais alto de corrente quando houver
apenas uma espira energizada. Isto não provoca dissipação
excessiva do motor pois a classificação de corrente do
fabricante supõe que duas fases estejam sendo energizadas
(a classificação de corrente se baseia na temperatura
permissível na carcaça). Com apenas uma fase energizada,
se dissipará o mesmo total caso a corrente seja elevada em
40%. Empregando esta corrente mais alta no estado de
apenas uma fase ligada produz um torque aproximadamente
igual nos passos alternados (veja a Fig. 2.11).
1 2 3 4 5 6 7 8
Fase 1
Fase 2
1 2 3 4 5 6 7 8
Fase 1
Fase 2
Corrente da Fase 1:
Corrente da Fase 2:
+
-
+
-
S N
S
S N
N
N
S
S
S N
N
S
S N
N
N
S
S
N
S
S
N N
N
S
1 2 3 4
Fase 1
Fase 2
Fig. 2.9 Corrente de passo completo, duas fases ligadas.
Fig. 2.9 Corrente de passo completo, duas fases ligadas.
Fig. 2.9 Corrente de passo completo, duas fases ligadas com
correção de corrente.
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Tecnologia Eletromecânica
Motores de Passo
O Motor Híbrido Padrão de 200 Passos
O motor de passo padrão opera da mesma forma que nosso
modelo simples, porém possui um número maior de dentes
no rotor e no estator, o que propicia um tamanho menor
para o passo básico. O rotor é construído em duas seções
como anteriormente, porém possui 50 dentes em cada
seção. O deslocamento de meio dente entre as duas seções
foi mantido. O estator possui 8 pólos, cada um com 5 dentes,
perfazendo um total de 40 dentes (veja a Fig. 2.13).
Fig. 2.13 Motor híbrido de 200 passos.
Se imaginarmos que um dente está colocado em cada um
dos intervalos entre os pólos do estator, haveria um total de
48 dentes, dois a menos do que o número de dentes do
rotor. Portanto, se os dentes do rotor e do estator estiverem
alinhados na posição vertical superior (correspondente à
posição de 12 horas de um ponteiro de relógio), eles também
estarão alinhados na posição vertical das 6 horas. Nas
posições correspondentes a 3 e 9 horas os dentes estarão
desalinhados. No entanto, devido ao deslocamento entre os
conjuntos de dentes do rotor, o alinhamento ocorrerá nas
posições correspondentes a 3 e 9 horas na outra extremidade
do rotor. As espiras estão arranjadas em conjuntos de
quatro, e enroladas de forma tal que os pólos diametricamente
opostos são equivalentes. Portanto, em referência à
Fig. 2.13, os pólos norte nas posições de 12 e 6 horas atraem
os dentes pólo sul na parte frontal do rotor; e os pólos sul
nas posições de 3 e 9 horas atraem os dentes pólos norte
na parte traseira. Ao se mudar a corrente para o segundo
conjunto de bobinas, o padrão do campo magnético do
estator rotaciona 45°. No entanto, para alinhar este novo
campo, o rotor precisa girar apenas 1,8°. Isto equivale a um
quarto de giro de dente no rotor, o que resulta em 200 passos
por revolução.
Observe que há o mesmo número de posições detentoras
quanto passos por revolução, normalmente 200. As posições
detentoras correspondem aos dentes do rotor estando
totalmente alinhados com os dentes do estator. Ao se aplicar
energia a um drive de passo, é usual que ele se energize no
estado de “fase zero”, onde há corrente em ambos os
conjuntos de espiras. A posição resultante do rotor não
corresponde a uma posição detentora natural, portanto um
motor sem carga se moverá, pelo menos, meio passo no
momento da energização. É claro que, se o sistema foi
desligado num estado diferente do de fase zero, ou se o
motor for movimentado enquanto desligado, poderá ocorrer
um movimento maior no momento da energização. Outro
ponto a se lembrar é o de que, para um dado padrão de
corrente nas espiras, o número de posições estáveis é igual
ao de dentes do motor (50 para um motor de 200 passos).
Caso um motor seja dessincronizado, o erro posicional resultante
sempre será equivalente a um número inteiro de dentes
do rotor ou um múltiplo de 7,2°. O motor, propriamente dito,
não pode “perder” passos individuais - erros de posição, de
um ou dois passos, devem ser atribuídos a ruído, pulsos de
passo falsos ou perdidos, ou falha do controlador.
Espiras Bifilares
A maior parte dos motores é descrita como sendo de “espiras
bifilares”, o que significa que há dois conjuntos idênticos de
espiras em cada pólo. Dois filamentos são enrolados juntos
como se fossem uma única bobina. Isto produz dois
enrolamentos que são quase idênticos elétrica quanto
magneticamente - se ao invés disso uma bobina fosse
enrolada sobre a outra, mesmo tendo o mesmo número de
voltas, as características magnéticas seriam diferentes. Em
termos simples, enquanto quase a totalidade do fluxo da
bobina interna fluiria pelo núcleo ferroso, parte do fluxo da
bobina externa fluiria pelo enrolamento da bobina interna. A
origem da espira bifilar data do drive unipolar (veja a seção
de Tecnologia de Drives). Ao invés de ser preciso reverter a
corrente em uma espira, o campo poderá ser revertido transferindo-
se a corrente para uma segunda bobina enrolada
na direção oposta. (Embora as duas bobinas sejam enroladas
da mesma forma, trocando-se suas pontas produz-se o
mesmo efeito.) Portanto, com um motor de espiras bifilares,
pode-se manter um projeto simples para o drive. No entanto,
este requisito já praticamente desapareceu atualmente, com
a ampla disponibilidade do drive bipolar, de maior eficiência.
No entanto, os dois conjuntos de espiras realmente proporcionam
uma flexibilidade maior, e veremos que diferentes
métodos de conexão podem ser empregados para propiciar
características alternativas para torque e velocidade.
Caso todas as bobinas em um motor bifilar sejam retiradas
separadamente, teremos um total de 8 terminais (veja a Fig.
2.14). Esta é a configuração mais comum, pois propicia a
maior flexibilidade. No entanto, há ainda alguns poucos motores
que são produzidos com apenas 6 terminais, com um
terminal atuando como conexão comum a cada espira num
par bifilar. Este arranjo limita a flexibilidade, pois as espiras
não podem ser conectadas em paralelo. Alguns motores são
construídos com apenas 4 terminais, porém estes não têm
espiras bifilares e não podem ser utilizados com um drive
unipolar. Obviamente não há um modo alternativo de
conexão para um motor de 4 terminais, porém para muitas
aplicações isto não constitui desvantagem, e ainda se evita
o problema do isolamento de terminais não utilizados.
4 terminais 5 terminais 6 terminais 8 terminais
Fig. 2.14 Configurações de terminais de motores.
Ocasionalmente pode-se encontrar um motor de 5 terminais.
Estes não são recomendados, pois não podem ser utilizados
com Drives bipolares convencionais, pois requerem isolamento
adicional entre as fases.
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Tecnologia Eletromecânica
Motores de Passo
Observando-se um corte longitudinal do motor (Fig. 2.15),
podemos ver o magneto permanente no rotor e o caminho
do fluxo através das peças que constituem os pólos e o
estator. O fluxo alternado produzido pelas espiras do estator
flui em um plano perpendicular à página, e portanto os dois
caminhos do fluxo estão em ângulo reto entre si e interagem
apenas nas peças que constituem os pólos do rotor. Esta é
uma característica importante do motor híbrido - isto significa
que o magneto permanente no rotor não “enxerga” o campo
alternado das espiras, e portanto não produz um efeito
desmagnetizante. Diferente do servomotor CC, é quase impossível
de se desmagnetizar um motor de passo aplicandose
corrente excessiva. No entanto, um excesso de corrente
danificará o motor de outras maneiras. O calor excessivo
poderá derreter o isolamento ou o suporte das espiras, e
poderá amolecer o material colante que une as laminações
do rotor. Caso isto ocorra e as laminações sejam deslocadas,
os sintomas podem ser os mesmos que os de uma desmagnetização
do rotor.
Fig. 2.15 Corte longitudinal de um motor com simples magnento.
A Fig. 2.15 mostra também que o fluxo do rotor precisa cruzar
apenas um pequeno vão de ar (tipicamente menos de
0,1 mm) quando o rotor está em posição. Magnetizando-se o
rotor após a montagem, obtém-se uma elevada densidade
de fluxo, que será em grande parte destruída caso o rotor
seja retirado. Portanto, os motores de passo jamais devem
ser desmontados apenas para satisfação da curiosidade, pois
neste caso a vida útil do motor chegará certamente ao fim.
Como o eixo do motor passa através do centro do magneto
permanente, deve ser utilizado um material não magnético
para se evitar um curto-circuito. Eixos de motores de passo
são portanto feitos de aço inoxidável, e devem ser manuseados
com cuidado. Motores de pequenos diâmetros são
particularmente vulneráveis, e, caso sofram uma queda
sobre a ponta do eixo, terão inevitavelmente o eixo entortado.
Motores de Múltiplo Magnetos
Para produzirmos um motor com uma saída de torque mais
elevada, devemos aumentar a força tanto do magneto
permanente quanto do campo produzido pelo estator. Podese
obter um magneto mais forte para o rotor aumentandose
o seu diâmetro, o que nos propicia uma área seccional
maior. No entanto, aumentar o diâmetro provocará uma
degradação no desempenho do motor em termos de
aceleração, pois há uma diminuição da relação torque-inércia
(a grosso modo, o torque aumenta com o quadrado do diâmetro,
mas a inércia aumenta à quarta potência). No entanto,
podemos aumentar a saída de torque sem degradação do
desempenho em termos de aceleração adicionando mais
Dentes do Platinado
Espiras ds Campos
Platen
Eletro-magneto
Fase A
Forcer
Magneto
Permanente
A A B B
Faces dos Pólos
N S
{ 1
2
1
2
{
{
{
Vão de Ar
Eletro-magento
Fase B
seções, de magneto ao mesmo eixo (Fig. 2.16). Uma
segunda seção permitirá a produção do dobro de torque, e
duplicará a inércia, portanto mantendo a mesma relação de
torque-inércia. Daí, para cada tamanho do flange os motores
de passo são normalmente produzidos em versões com
seções de magneto simples, duplo e triplo.
Fig. 2.16 Motor de passo híbrido com seção tripla.
Como regra genérica, a relação de torque-inércia é reduzida
numa relação quadrática com cada aumento do diâmetro
do flange. Portanto, girando livremente, um motor tamanho
34 pode acelerar duas vezes mais rápido do que um motor
tamanho 42, independente do número de seções.
Fig. 2.17 Motor de passo linear.
Motores de Passo Lineares
O motor de passo linear é essencialmente um motor de
passo que foi “desenrolado” para operar em linha reta. O
componente móvel é denominado Forcer, e movimenta-se
ao longo de um elemento fixo, ou base. Para fins operacionais,
a base equivale ao rotor em um motor de passo normal,
embora seja um dispositivo inteiramente passivo e não
seja dotado de magneto permanente. O magneto é
incorporado ao Forcer Móvel, juntamente com as bobinas
(veja a Fig. 2.17). O Forcer é equipado com peças de 4
pólos, cada uma possuindo 3 dentes.
Os dentes são escalonados no sentido do comprimento em
relação aos dentes da base, assim, alternando-se a corrente
nas bobinas fará com que o conjunto de dentes seguintes
se alinhem. Um ciclo completo de alternação (4 passos
completos) é equivalente a um deslocamento de um dente
da base. Da mesma forma que o motor de passo rotativo, o
motor linear pode ser acionando por um drive de micropasso.
Neste caso, uma resolução linear típica seria cerca
de 500 passos por mm, ou 2 mícron por passo. O motor
linear é mais adequado a aplicações que requerem o
deslocamento de uma pequena massa em alta velocidade.
Num sistema acionado por rosca, a inércia predominante
em geral é representada pela rosca em si e não pela carga
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Princípios Básicos
Tecnologia Eletromecânica
Motores de Passo
Fig. 2.19 Curva característica de torque em relação ao deslocamento.
Com a defleção do eixo para além de um passo completo, o
torque cairá até estar novamente em zero após dois passos
completos. No entanto, este ponto de zero é instável, e o
torque se reverte imediatamente para além dele. O ponto
estável seguinte é encontrado quatro passos completos
adiante do primeiro, equivalente a uma largura de dente no
rotor, ou a 1/50 de revolução.
a ser movimentada. Portanto, a maior parte do torque do
motor é utilizada para acelerar as engrenagens, e este
problema se torna mais grave à medida em que aumenta a
distância de movimentação requerida. Empregando-se um
motor linear, toda a força desenvolvida pode ser aplicada
diretamente à carga, e o desempenho obtido independe do
comprimento do movimento. Um sistema de rosca pode
atingir maior força linear e mais robustez, porém a velocidade
máxima de um motor linear equivalente poderá ser até dez
vezes superior. Por exemplo, uma velocidade máxima típica
para um motor linear é 2,5 m/seg. Para que isto possa ser
atingido com uma rosca de 10 mm seria necessária uma
velocidade rotativa de 15.000 rpm. Além disso, o motor
linear pode movimentar-se a uma distância de até 2,4 metros
empregando uma base padrão.
Como Funciona o Motor Linear
O Forcer consiste de dois eletromagnetos (A e B) e de um
magneto permanente forte. As faces dos dois pólos de cada
eletromagneto são dentadas, sendo que os quatro conjuntos
de dentes são espaçados em quadratura, resultando que
apenas um conjunto pode ser alinhado aos dentes da base
por vez.
O fluxo magnético que passa entre o Forcer e a base resulta
em uma grande força de atração. A força de atração pode
ser até 10 vezes superior à força de retenção de pico do
motor, requerendo um conjunto de mancais que mantenha
uma distância precisa entre as faces dos pólos e os dentes
da base. São empregados mancais de rolamentos de ar para
manter as distâncias requeridas. Ao se estabelecer a
corrente em uma das espiras, o campo magnético resultante
tende a reforçar o fluxo do magneto permanente em um
pólo e a cancelá-lo no outro. Revertendo-se a corrente, o
reforço e o cancelamento são intercambiados. Removendose
a corrente provoca uma divisão do fluxo eletromagnético
em partes iguais entre as faces dos pólos. Aplicando-se de
forma seletiva a corrente às fases A e B, é possível se
concentrar o fluxo em qualquer uma das quatro faces dos
pólos do Forcer. A face que estiver recebendo a maior
concentração de fluxo tentará alinhar seus dentes com a
base. A Fig. 2.18 mostra os quatro estados primários, ou
posições de passo completo, do Forcer. Os quatro passos
resultam no movimento de uma largura de dente para a
direita. Revertendo-se a seqüência faz com que o Forcer
movimente-se para a esquerda.
Caracterísiticas do Motor de Passo
Poderíamos discutir diversas características de desempenho
dos motores de passo, porém, para manter a simplicidade,
nos restringiremos àquelas com maior significado prático. A
Fig. 2.19 ilustra a curva de torque estático do motor. Isto se
refere a um motor que está energizado porém estacionário,
e mostra como o torque varia com a posição do rotor ao se
defletir do ponto de estabilidade. Estamos supondo que não
há fricção nem outras cargas estáticas aplicadas ao motor.
Com a movimentação do rotor para longe da posição estável,
o torque aumenta de forma estável até atingir um ponto
máximo após um passo completo (1,8°). Este valor máximo
é denominado torque retentor, e representa a maior carga
estática que pode ser aplicada ao eixo sem causar rotação
contínua. No entanto, isto não nos informa o torque máximo
de operação do motor - este é sempre menor do que o torque
retentor (tipicamente em torno de 70%).
Torque
Sentido Horário Sentido Anti-horário
4 Passos do Motor
Torque
Máximo
Estável Instável Estável
Ângulo
N S
N S
N S
B Alinhado
A Alinhado
B Alinhado
N S
Direção do FEM Linhas de Fluxo
Devido ao Eletromagneto
A Alinhado
Fase A Fase B
1
2
2
1
Fig. 2.18 Os quatro estados primários do Forcer.
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Motores de Passo
Embora esta característica de torque estático não tenha
muita utilidade por si só, ela ajuda a explicar alguns dos
efeitos que observamos. Por exemplo, ela indica a robustez
estática do sistema, em outras palavras, como a posição do
eixo muda quando é aplicada uma carga de torque a um
motor estacionário. Claramente, o eixo deverá se curvar até
que o torque gerado se equipare à carga aplicada, portanto,
se a carga varia, assim também o fará a posição estática.
Portanto, erros de posição não cumulativos resultarão de
efeitos como fricção ou cargas de torque em desequilíbrio.
É importante lembrar que a robustez estática não aumenta
com o emprego de um drive de micro-passo - uma dada
carga sobre o eixo produzirá a mesma defleção angular.
Portanto, embora o micro-passo aumente a resolução e a
suavidade do movimento, ele não, necessariamente, aumentará
a precisão de posicionamento. Sob condições dinâmicas
com o motor funcionando, o rotor deverá estar atrasado em
relação ao campo do estator caso esteja produzindo torque.
De forma similar, haverá uma situação de adiantamento
quando o torque se reverter durante a desaceleração. Observe
que o atraso e o adiantamento se relacionam apenas
à posição, e não à velocidade. Tomando-se a curva de torque
estático (Fig. 2.19), claramente este atraso ou adiantamento
não poderão exceder dois passos completos (3,6°) se for
preciso que o motor mantenha o sincronismo. Este limite do
erro de posicionamento pode tornar o motor de passo uma
opção atraente em sistemas onde a precisão do posicionamento
dinâmico seja importante.
Quando o motor de passo executa um único passo, a
natureza da resposta é oscilante, como mostrado na Fig.
2.20. O sistema pode ser comparado a uma massa que
esteja sendo localizada por uma “mola magnética”, e
portanto o comportamento lembra a característica clássica
da massa aplicada a uma mola. Observando-se de forma
simplificada, a curva de torque estático indica que, durante
o passo, o torque é positivo durante o movimento totalmente
à frente e portanto está acelerando o rotor até que seja
atingido um novo ponto estável. Neste momento, o impulso
carrega o rotor para além da posição estável, e o torque
agora é revertido, desacelerando o rotor e o fazendo retornar
na direção oposta. A amplitude, freqüência e taxa de
decaimento desta oscilação dependerão da fricção e da
inércia no sistema, bem como das características elétricas
do motor e do drive. O “overshoot” inicial também depende
da amplitude do passo, portanto o meio passo produz menos
“overshoot” do que o passo completo, e o micro-passo será
ainda melhor.
Fig. 2.20 Resposta de um único passo.
A tentativa de se aplicar ao motor um passo que corresponda
à sua freqüência natural de oscilação pode provocar uma
resposta exagerada conhecida como ressonância. Em casos
graves, isto pode levar ao dessincronismo, ou “perda de
passo” (stalling), do motor. Este problema é incomum com
drives de meio-passo, e ainda menos comum com um micro-
passo. A velocidade natural de ressonância está tipicamente
na faixa de 100 a 200 passos completos/segundo
(0,5 a 1 rev/seg). Em condições dinâmicas incluindo todas
as variáveis, o desempenho do motor é descrito por uma
curva de torque e velocidade como a mostrada na Fig. 2.21.
Há duas faixas de operação, a faixa de início/parada (ou
“pull in”) e a faixa de rendimento (“slew” ou “pull out”).
Na faixa de início/parada, o motor pode ser acionado ou
parado com a aplicação de pulsos de passo a uma
freqüência constante no drive. Em velocidades dentro desta
faixa, o motor possui torque suficiente para acelerar sua
própria inércia até uma velocidade de sincronismo sem que
a defasagem de posicionamento exceda 3,6°. É óbvio que,
se uma carga inercial for adicionada, esta faixa de velocidade
é reduzida. Portanto, a faixa de início/parada depende da
inércia da carga. O limite superior da faixa de início/parada
está localizado tipicamente entre 200 e 500 passos completos/
segundo (1 a 2,5 rev/seg.).
Ângulo
Tempo
Torque
Passos por Segundo
Faixa de
Início/
Parada
Faixa de
Rendimento
Curva de Rendimento
Curva de Início/Parada
Torque
Detentor
Fig. 2.21 Curvas de início/parada e rendimento.
Para operar o motor em velocidades mais elevadas, é
necessário iniciar numa velocidade dentro da faixa de início/
parada e então acelerar o motor para a região de rendimento.
De forma semelhante, ao parar o motor, ele deve ser
desacelerado de volta à faixa de início/parada antes de se
desativar os pulsos de passo. O uso da aceleração e
desaceleração, ou “ramping”, permite que velocidades muito
mais elevadas possam ser obtidas, e em aplicações
industriais a faixa útil de velocidade se estende até cerca
de 3.000 rpm (10.000 passos completos/seg.).
Observe que a operação contínua em altas velocidades não
é normalmente recomendada para um motor de passo
devido ao aquecimento do motor, porém se pode utilizar
altas velocidades com sucesso em aplicações de
posicionamento. O torque disponível na faixa de rendimento
não depende da inércia da carga. A curva de torque e
velocidade é normalmente medida colocando-se o motor
em movimento e então aumentando-se a carga até que o
motor perca o passo. Com uma carga de inércia mais
elevada, deve ser utilizada uma taxa de aceleração mais
baixa, porém o torque disponível na velocidade final não é
afetado.
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Motores de Passo
Perguntas e Respostas Freqüentes Sobre
Motores de passo
1 Por que os motores de passo esquentam?
Por duas razões: 1. A corrente flui através do motor de passo
mesmo ele estando parado. 2. Os projetos de drives com onda
de pulso (PWM) tendem a fazer o motor esquentar mais. A construção
do motor, como o material de laminação e rotores com
calhas, também afetarão o seu aquecimento.
2 Qual é a temperatura segura de operação?
A maioria dos motores possui um isolamento categoria B, classificado
a 130°. Uma temperatura de 90° na carcaça do motor
não deverá causar problemas térmicos. No entanto, os motores
não devem ser montados numa posição onde o operador possa
entrar em contato físico com a carcaça do motor.
3 O que pode ser feito para se reduzir o aquecimento
do motor?
Muitos drives possuem uma redução automática de corrente,
quando parados, acionada através de um comando ou jumper.
Isto reduz a corrente quando o motor estiver parado sem perda
de posição.
4 Qual o significado da especificação de precisão
absoluta?
Isto se refere aos erros não cumulativos encontrados na usinagem
do motor.
5 Como é possível que a especificação de repetibilidade
seja melhor do que a precisão?
A repetibilidade indica a precisão com que uma posição anterior
pode ser restabelecida. Há muito poucos erros no sistema
que provoquem a variação de uma posição dada, portanto, basicamente,
a mesma imprecisão é encontrada no retorno àquela
posição.
6 A precisão do motor aumentará proporcionalmente
à resolução?
Não. A precisão absoluta básica e a histerese do motor permanecem
inalteradas.
7 Posso utilizar um motor pequeno em uma carga
grande se o requisito de torque for baixo?
Sim, porém se a inércia da carga for superior a dez vezes à
inércia do rotor, pode ocorrer um amplo efeito de oscilação
(“ringing”) ao final do movimento.
8 Como se pode reduzir a oscilação (“ringing”) ao
final do movimento?
A fricção no sistema ajudará a diminuir esta oscilação. Caso
esteja sendo empregada uma velocidade de início/parada, a
diminuição de seu valor também ajudará. A função de viscosidade
eletrônica no drive ZETA minimiza este problema.
9 Por que um motor pode perder o passo durante um
teste sem carga?
Um motor sem carga desenvolve um torque elevado em relação
à sua própria inércia. Os motores de passo são otimizados para
cargas da mesma ordem que a inércia do motor.
10 Como se pode reduzir as chances de ressonância?
Isto é de ocorrência mais provável em sistemas de passo completo.
Adicionar inércia diminui a freqüência de ressonância, e
a fricção tende a amortecer a ressonância. O emprego de velocidades
de início/parada mais elevadas do que a velocidade
de ressonância ajudará. Passar para um drive de meio passo,
mini-passo ou micro-passo também minimizará qualquer ressonância
que houver. Também são ocasionalmente utilizados
amortecedores inerciais viscosos.
11 Por que o motor às vezes dá saltos ao ser ligado?
O motor possui 200 posições detentoras naturais, porém o drive
é ligado em um estado definido, correspondente a uma, dentre
apenas 50 posições. Portanto, a movimentação pode ser de
até 3,6° em qualquer direção.
12 O motor, propriamente dito, sofre alguma alteração
no caso de emprego de um drive de micro-passo?
Não, o motor é ainda um motor de passo padrão de 1,8°. O
micro-passo é obtido com a aplicação proporcional da corrente
no drive para que se obtenha uma resolução maior.
13 Um movimento foi feito numa direção, e então o
motor é comandado para executar um movimento
na mesma distância porém na direção oposta.
O movimento de retorno é mais curto. Por quê?
Diversos fatores podem estar influenciando os resultados. O
motor possui uma histerese magnética que pode ser influente
em mudanças de direção, que é da ordem de 0,03°. Qualquer
efeito de chicoteamento no sistema criará erros de posicionamento.
Um pulso de passo, que ocorra antes que um sinal de
direção seja estabelecido, provocará um erro.
14 Por que alguns motores são construídos como
motores de oito contatos?
Isto permite maior flexibilidade. O motor pode ser operado como
um motor de seis contatos com drives unipolares. Com drives
bipolares, as espiras podem ser conectadas em série ou em
paralelo para fornecer características diferentes de torque em
relação à velocidade.
15 Qual é a diferença entre a conexão em série e a em
paralelo?
Com as espiras em série, o torque a baixas velocidades é
maximizado. Porém, isto também provoca maior indutância.
Portanto o desempenho a altas velocidades é menor do que
no caso das espiras serem conectadas em paralelo.
16 Pode-se usinar um degrau de encaixe no eixo
do motor?
Sim, porém deve-se tomar cuidado para não danificar os mancais
(veja a seção de Instalação do Motor). O motor não pode
ser desmontado.
17 De que comprimento podem ser os contatos
do motor?
Em condições normais, 15 m para drives unipolares e 30 m
para drives bipolares devem funcionar. Recomenda-se fios
blindados.
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Servomotores
Motores CC com Escova
Princípios
O motor CC com escova baseia-se no conceito de que é
criada uma força quando um condutor é percorrido por uma
corrente quando colocado em um campo magnético
(Fig. 3.1).
Comutação
A força que rotaciona a armadura do motor é resultado da
interação entre dois campos magnéticos (o campo do estator
e o campo da armadura). Para produzir um torque constante
no motor, estes dois campos devem permanecer constantes
tanto em termos de magnitude quanto na orientação relativa.
Fig. 3.3 Esquema elétrico da armadura.
Isto é obtido construindo-se a armadura como uma série de
pequenas seções conectadas em seqüência aos segmentos
de um comutador (Fig. 3.3). A conexão elétrica é feita com o
comutador por meio de duas escovas. Se a armadura girar
1/6 de revolução no sentido horário, a corrente nas bobinas
3 e 6 terá mudado de direção. Com a passagem de segmentos
sucessivos do comutador pelas escovas, a corrente nas
bobinas conectadas a estes segmentos muda de direção.
Este efeito de comutação ou chaveamento resulta em um
fluxo de corrente na armadura que ocupa uma posição fixa
no espaço, independente da posição da armadura. Isto
resultará na produção de uma saída de torque constante no
eixo do motor. O eixo de magnetização é determinado pela
posição das escovas. Se o motor é projetado para possuir
as características similares nas duas direções de rotação, o
eixo das escovas deve ser posicionado para produzir um
eixo de magnetização a 90° em relação ao campo do estator.
Tipos de Motor com Escova
São utilizados dois tipos diferentes de motores CC escova.
Motor com Núcleo de Ferro
Este é o tipo mais comum de motor utilizado em sistemas
CC servo-controlados (veja a Fig. 3.4). Ele é composto por
duas partes principais - uma carcaça contendo os magnetos
do campo, e um rotor com bobinas de fios enroladas em
ranhuras sobre um núcleo de ferro e conectadas a um
comutador. As escovas em contato com o comutador levam
a corrente às bobinas.
Fig. 3.2 Armadura do motor CC.
Com a rotação da armadura, o campo magnético é também
rotacionado. A armadura irá parar com seu campo magnético
estando alinhado com o campo do estator, a não ser que
haja algum dispositivo para mudar constantemente a direção
da corrente em cada bobina da armadura.
Fig. 3.1 Força sobre um condutor em um campo magnético.
A força que age sobre o condutor é o produto da corrente e
da densidade do fluxo:
F = I x B
onde B = densidade do fluxo magnético e I = corrente
A força disponível pode ser aumentada utilizando-se mais
condutores, ou enrolando-se um fio numa forma de bobina.
Esta é a base do motor CC com escova.
Considerações Práticas
O problema agora é como utilizar esta força para produzir o
torque contínuo requerido numa aplicação prática de motor.
Para obter a maior força possível, um grande número de
condutores deve ser colocado no campo magnético. Na
prática, isto produz um cilindro de fios, com as espiras
colocadas em paralelo ao eixo do cilindro. Um eixo mecânico
passando pelo eixo do cilindro age como pivô, e este arranjo
é chamado de armadura do motor (Fig. 3.2).
Força (F)
Campo Magnético (B)
Condutor de Corrente (I)
(Perpendicular à página)
Força sobre o Condutor F = I x B
Campo Resultante
Devido à Corrente
na Armação
Eixo
Armação
Direção da Corrente
Perpendicular
à Página
Campo do Estator
2
1 3
4
5
6
Entrada
de Corrente Saída
Comutator
Escovas
Espiras do Rotor
Magnetos do Estator
Fig. 3.4 Motor com núcleo de ferro.
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Servomotores
Motor com Bobina Móvel
Há duas formas comuns deste motor - o motor “impresso”
(Fig. 3.5), empregando uma armadura de disco, e a
armadura do tipo “concha” (Fig. 3.6).
Como estes motores não possuem ferro móvel em seus campos
magnéticos, eles não sofrem perda de ferro. Isto significa
que se pode obter velocidades de rotação mais elevadas
com baixa potência de entrada. No entanto, sua capacidade
térmica é muito pequena, portanto eles são danificados mais
facilmente pelo excesso de corrente.
Fig. 3.5 Motor “impresso” com armadura de disco.
Fig. 3.7 Curva característica da FEM.
Equações do Motor
Diferente de um motor de passo, o motor CC com escova
exibe uma relação simples entre corrente, tensão, torque e
velocidade. É útil verificar estas relações como auxílio na
aplicação de motores com escova.
O Circuito Equivalente do Motor Escova
Se você aplicar uma tensão constante aos terminais de um
motor com escova, ele se acelerará até uma velocidade final
constante (n). Sob estas condições, a tensão (V) aplicada
ao motor é oposta pela FEM inversa (nKE); a tensão
resultante da diferença leva a corrente do motor (I) através
da armadura do motor e da resistência das escovas RS).
O circuito equivalente de um motor CC é mostrado na
Fig. 3.8.
Fig. 3.8 Circuito equivalente do motor.
RS = resistência do motor
L = indutância da espira
Vg = FEM inversa
RL representa as perdas magnéticas.
O valor de RL é, em geral, grande, e portanto pode ser
ignora-do, da mesma forma que a indutância L, que é, em
geral, pequena.
Se aplicarmos uma tensão V ao motor e uma corrente I fluir,
então:
V = IRS
+ Vg
mas Vg = nKE
portanto V = IRS + nKE (1)
Esta é a equação elétrica básica do motor.
Se KT é a constante de torque do motor (em Nm por amp),
então o torque gerado pelo motor será dado por:
T = IKT (2)
Há um torque oposto devido à fricção e ao amortecimento
interno, porém é em geral pequeno e pode ser ignorado
para os fins deste cálculo inicial.
As equações (1) e (2) são tudo o que precisamos para chegar
à corrente e a tensão de acionamento necessárias para
atender aos requisitos dados de torque e velocidade. Os
valores de KT, KE e RS podem ser encontrados nos dados do
fabricante do motor.
Rs
RL Vg
L
v
I
Tensão
de Saída
Velocidade do Eixo
Fig. 3.6 Motor com armadura do tipo concha.
Força Eletromotriz (FEM) Inversa
Ao ser acionado mecanicamente, um motor CC, com magneto
permanente, atuará como gerador. Com a rotação do
eixo, surgirá uma tensão elétrica nos terminais das escovas.
Esta tensão é denominada FEM inversa (Força Eletromotriz),
e é gerada mesmo quando o motor é acionado por uma
tensão aplicada a ele.
A tensão de saída tem uma relação essencialmente linear
com a velocidade do motor, e sua taxa é definida como a
constante de tensão do motor, KE (Fig. 3.7). O KE é em geral
expresso em volts por 1.000 rpm.
S
S
Movimento
Vão de Ar Pólo do Magneto
Caminho do Fluxo
Armação Núcleo
(Conjunto de Condutores
em Forma de Cilindro Oco)
Diagramas cortesia da Electro-Craft Ltd.
Magneto Permanente
(8 pólos)
Movimento
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Motores sem Escova (Brushless)
Antes de abordarmos em detalhes o assunto de motores
sem escova, vamos esclarecer um ponto de terminologia. O
termo “sem escova” (“brushless”) agora é aceito como referente
a uma variedade específica de motor servocontrolado.
Claramente, um motor de passo é um aparelho sem escova,
da mesma forma que um motor CA de indução. No entanto,
o chamado motor “sem escova” foi projetado para ter um
desempenho semelhante ao motor DC com escova, porém
sem suas limitações. O principal fator limitador do desempenho
dos motores com núcleo de ferro é o aquecimento
interno. É preciso expulsar este calor, seja através do eixo
e dos mancais para a carcaça externa, ou através do vão
de ar entre a armadura e os magnetos de campo e daí para
a carcaça. Nenhuma destas rotas é termicamente eficiente,
portanto a refrigeração na armadura do motor é sempre
muito pobre.
Fig. 3.9 Motor Brushless.
No motor brushless, a construção do motor com núcleo
ferroso é virada ao avesso de forma que o rotor se torna um
magneto permanente, e o estator se torna um núcleo ferroso
com espiras. As bobinas transmissoras de corrente estão
agora localizadas na carcaça, propiciando um caminho
térmico curto e eficiente para o ar exterior. A refrigeração
pode ser melhorada ainda com aletas dissipadoras na
carcaça externa e soprando-se ar sobre elas, se necessário
(para se refrigerar eficazmente um motor com escova com
núcleo ferroso, deve-se soprar ar por dentro dele). A facilidade
de refrigeração do motor brushless permite que ele
produza uma potência muito maior relativamente ao seu
tamanho. A outra grande vantagem do motor brushless é a
ausência de um comutador convencional e das escovas.
Estes ítens são fontes de desgaste e de potenciais
problemas, e podem requerer manutenção freqüente. Pelo
fato de não possuir estes componentes, o motor brushless
é por si só mais confiável e pode ser utilizado em condições
ambientais adversas. Para se obter um torque elevado e
uma inércia baixa, os motores brushless empregam magnetos
ferrosos, muito mais caros do que os magnetos
cerâmicos convencionais. O drive eletrônico necessário para
um motor brushless é também mais complexo do que o de
um motor com escova. Na categoria dos motores brushless
existem dois tipos básicos: trapezoidal e de onda senóide.
Embora sua construção seja praticamente idêntica, a forma
de controle dos dois tipos é significativamente diferente. O
motor trapezoidal é muitas vezes referido como servomotor
CC brushless, enquanto o motor de onda senóide é às vezes
chamado de servomotor CA brushless, pois é muito parecido
com o motor CA síncrono. Para explicar completamente a
diferença entre estes dois motores, precisamos rever a
evolução do servomotor brushless. Um motor simples de
CC com escova convencional (Fig. 3.10) consiste de um rotor
com espiras que gira dentro de um campo magnético
fornecido pelo estator. Se as conexões das bobinas fossem
feitas através de anéis deslizantes, este motor se comportaria
como um motor de passo (revertendo-se a cor-rente no
rotor faria com que ele virasse 180°). Incluindo o comutador
e as escovas, a reversão da corrente é feita automaticamente,
e o motor continua a girar na mesma direção.
Fig. 3.10 Motor CC com escova convencional.
Para transformar este motor em um servomotor brushless,
devemos começar eliminando as espiras no rotor. Isto pode
ser obtido virando-se o motor do avesso. Em outras palavras,
fazemos com que o magneto permanente seja a parte
rotatória e colocamos as espiras nos pólos do estator. Ainda
precisaremos de algum meio para reverter a corrente
automaticamente - uma chave reversora operada por uma
came poderia fazer este trabalho (Fig. 3.11).
Fig. 3.11 Motor CC “do avesso”.
Obviamente, um arranjo assim com uma chave mecânica
não é satisfatório, porém a capacidade de chaveamento
propiciada por dispositivos sem contato tende a ser muito
limitada. No entanto, em uma aplicação servocontrolada,
empregaremos um amplificador eletrônico ou drive que
também pode ser usado para executar a comutação em
resposta a sinais de baixa intensidade provenientes de um
sensor óptico ou Hall (veja a Fig. 3.12). Este componente é
referido como o Controlador de Comutação. Portanto,
diferente do motor CC com escova, a versão brushless não
pode ser acionada simplesmente conectando-a a uma fonte
de corrente contínua. A corrente do circuito interno deve ser
revertida em posições definidas do rotor. Portanto, o motor
está, na verdade, sendo acionado por uma corrente alternada.
S
S
N N
Caminho de Retorno
por Trás do Elemento
Ferroso
Dentes
Laminados
do Estator
Magnetos
Espiras
Comutador
+ -
N S
+ -
Chave Reversora
S
N
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Fig. 3.12 Servomotor brushless.
Voltando ao motor convencional com escova, um rotorconsistindo
de apenas uma bobina, exibirá uma ampla
variação de torque conforme rotaciona. Na verdade a
característica será senoidal, com o torque máximo sendo
produzido quando o campo do rotor estiver em ângulo reto
com o campo do estator, e com torque zero no ponto de
comutação (veja a Fig. 3.13). Um motor CC, na prática,
possui um grande número de bobinas no rotor, cada uma
conectada não apenas a seu próprio par de segmentos do
comutador, mas também às outras bobinas.
Desta forma, a contribuição principal para o torque será feita
por uma bobina próxima à sua posição de pico de torque;
há também um efeito de uma corrente média que flui em
todas as outras bobinas, portanto a ondulação resultante
(ripple) do torque é muito pequena.
Fig. 3.13 Curva característica da posição em relação ao torque.
Gostaríamos de reproduzir uma situação similar no servomotor
brushless, mas isto iria requerer um grande número
de bobinas sendo distribuídas em torno do estator. Isto pode
ser possível, porém cada bobina requereria seu próprio
circuito individual de acionamento.
Isto é claramente proibitivo, portanto um servomotor
brushless típico possui dois ou três conjuntos de bobinas
ou “fases” (veja Fig. 3.14). o servomotor mostrado é um
projeto de dois pólos e três fases; em geral o motor possui
quatro ou seis pólos do rotor, com um aumento correspondente
no número de pólos do estator. Isto não aumenta o
número de fases, cada fase possui suas espiras distribuídas
entre diversos pólos do estator.
Fig. 3.14 Servomotor trifásico brushless.
Fig. 3.15 Posições do campo do estator para diferentes correntes
de fase.
A curva característica de torque na Fig. 3.13 indica que o
torque máximo é produzido quando os campos do rotor e
do estator estão a 90° entre si. Portanto, para gerar um torque
constante precisaríamos manter o campo do estator a um
ângulo constante de 90° à frente do rotor. Limitar o número
de fases a três significa que podemos fazer com que o campo
o estator avance apenas em incrementos de 60° (a Fig. 3.15
mostra as posições do campo do estator para três, dos seis
caminhos possíveis da corrente). Em outras palavras, o
campo do estator permanece no mesmo lugar durante 60°
da rotação do eixo. Portanto, não podemos manter um ângulo
de torque constante de 90°, mas podemos manter uma
média de 90° trabalhando entre 60° e 120°. A Fig. 3.16 mostra
a posição do rotor em um ponto de comutação; quando
o ângulo de torque cai para 60°, o campo do estator avança
de 2 para 3 para que o ângulo agora aumente para 120°, e
permanece ali pelos próximos 60° de rotação.
A2
C1
B2
B1
C2
A1
B2
C1
A2
B1
C2
A1
N
S
Atraso Médio = 90°
120°
Campo
do Estator
Campo do Rotor
Rotação
Campo
do Estator
60°
2
3
Direção do Campo
do Rotor Relativamente
ao Campo do Estator
- 90° 180°
+
Torque
0°
Drive
Comutador
Encoder
N
S
I
N
S N
S
N
N
S
S
C1
A2
B2
B1
C2
A1
S
S
N
N
B2
C1
A2
B1
C2
A1
B2
C1
A2
B1
C2
A1
A1
C2
B1
A2
C1
B2
Campo do
Estator
Campo do
Estator
Campo do
Estator
I
I
A1
C2
B1
B2
A2
C1
C1
A2
B2
B1
C2
A1
Fig. 3.16 Posição do rotor no ponto de comutação.
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O Motor Trapezoidal
Com um nível fixo de corrente nas espiras, o uso desta parte
estendida da curva característica de torque senoidal causa
uma grande flutuação do torque. Podemos minimizar o efeito
manipulando o projeto do motor para “aplainar” a característica,
fazendo-o trapezoidal, (Fig. 3.17). Na prática, isto não
é muito fácil de se fazer, portanto ainda haverá algum grau
de não-linearidade. O efeito disto tende a ser um ligeiro
“golpe” nos pontos de comutação, que pode ser sentido
quando o motor estiver girando devagar.
Fig. 3.17 Curva característica do motor trapezoidal.
A ondulação (Ripple) do torque resultante da não-linearidade
da curva característica do torque tenderá a produzir uma
modulação da velocidade na carga. No entanto, em um
sistema empregando feedback de velocidade, o loop de
velocidade terá, em geral, um ganho elevado. Isto significa
que um aumento muito pequeno na velocidade gerará um
grande sinal de erro, reduzindo a demanda de torque para
corrigir a mudança de velocidade. Portanto, na prática, a
corrente de saída do amplificador tende a “espelhar” a curva
característica de torque (Fig. 3.18) para que a modulação
resultante da velocidade seja extremamente pequena.
Fig. 3.18 Perfil da corrente no servocontrolador por velocidade.
Servomotor Brushless Senoidal
No Servomotor Brushless senoidal, não há a tentativa de
modificar a curva característica senoidal básica do torque.
Este servomotor pode ser acionado da mesma forma que
um motor síncrono de CA com a aplicação de correntes
senoidais as espiras do motor. Estas correntes devem ter o
deslocamento adequado de fase, de 120° no caso do motor
trifásico. Precisamos agora de um dispositivo com resolução
muito mais alta para controlar a comutação se quisermos
uma rotação suave a baixas velocidades. O drive precisa
gerar 3 correntes que estejam em relação correta entre si
em qualquer posição do rotor. Portanto, ao invés do simples
Controlador de Comutação gerando vários pontos de
chaveamento, precisamos agora de um resolver ou de um
encoder óptico de alta resolução. Desta forma é possível se
manter um ângulo de torque de 90° com muita precisão,
resultando em uma rotação bem suave à baixa velocidade
e uma ondulação desprezível do torque.
O drive de um Servomotor Brushless Senoidal é mais
complexo do que o da versão trapezoidal. É preciso uma
tabela de referência da qual possamos gerar as correntes
senoidais, e estas devem ser multiplicadas pelo sinal de
demanda do torque para se determinar a amplitude absoluta.
Com um motor trifásico conectado em estrela, basta determinar
as correntes em duas das espiras - isto automaticamente
determinará o que acontece na terceira espira.
Como mencionamos anteriormente, o Servomotor Brushless
Senoidal precisa de um dispositivo de feedback de alta
resolução, que no entanto pode atuar para fornecer as informações
de posição e velocidade para o controlador. Para
entender por quê um Servomotor Brushless Senoidal produz
um torque constante, é mais fácil pensar em termos de um
motor bifásico. Este possui apenas dois conjuntos de espiras
alimentados com correntes senoidais a 90° entre si. Se
representarmos a posição do eixo do motor por um ângulo
φ, então as correntes nas duas espiras são da forma Isenφ
e Icosφ. Voltando ao nosso modelo original de motor, você
se lembrará de que a curva característica fundamental de
torque do motor é também senoidal. Portanto, para uma
dada corrente I, o valor instantâneo do torque é dado por:
T = I KT senφ
onde KT é a constante de torque do motor. Tornando a
corrente do motor também senoidal, e em fase com a curva
característica de torque do motor, o torque gerado por uma
fase se torna:
T1 = (I senφ) KT senφ
= I KT sen2φ
De forma similar, o torque produzido pela outra fase é:
T2 = I KT cos2φ
O torque total é:
T1 + T2 = I KT (sen2φ + cos2φ)
mas: sen2φ + cos2φ = 1 para qualquer valor de φ
portanto: T1 + T2 = IKT
Portanto, para correntes de fase senoidais com amplitude
constante, o torque resultante é também constante e
independente da posição do eixo. Para que esta condição
continue verdadeira, as correntes de acionamento devem
seguir precisamente uma relação seno-cosseno. E isto pode
ocorrer apenas com uma resolução suficientemente alta do
encoder ou resolver utilizado para comutação.
Motores de Acionamento Direto
("Direct Drive")
Em algumas situações, um motor servocontrolado convencional
pode não ter o torque ou a resolução adequados para
satisfazer às necessidades da aplicação. Um sistema de
redução mecânica é então empregado para aumentar o
torque e/ou a resolução.
Os sistemas de acionamento direto acoplam a carga
diretamente ao motor sem uso de correias ou engrenagens.
O motor Dynaserv oferece um torque muito elevado
diretamente, e soluciona muitas das questões referentes a
desempenho levantadas pela caixa de redução.
60°
60°
60°
(Torque)
Corrente
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A Fig. 3.19 mostra a construção do motor de acionamento
direto Dynaserv em comparação a um motor convencional
com caixa de redução. A caixa de redução introduz perdas
significativas de fricção entre o motor e a carga, e a precisão
poderá ficar sacrificada devido a erros mecânicos ou efeito
chicote. O motor de acionamento direto é brushless e sem
engrenagens, portanto elimina a fricção na transmissão.
Como o elemento de feedback é acoplado diretamente à
carga, a precisão e repetibilidade do sistema são mantidas,
e o efeito chicote é eliminado.
Fig. 3.19 Comparação entre o convencional e o acionamento direto.
O motor contém mancais de precisão, componentes
magnéticos e um dispositivo integrado de feedback em um
pacote compacto (veja a Fig. 3.20). O motor é do tipo rotor
externo, propiciando movimentação direta da carcaça
externa, que é presa à carga. Os mancais de rolamentos
cruzados, que suportam o motor, são muito rígidos para
permitir que o motor receba a carga diretamente. Em muitos
casos é desnecessário utilizar mancais ou eixos adicionais
para conexão.
Fig. 3.20 Vista explodida do Dynaserv.
O torque é proporcional ao quadrado da soma do fluxo
magnético do rotor de magneto permanente (φm), e do fluxo
magnético das espiras do estator (φc) - veja a Fig. 3.21. O
torque elevado é gerado devido aos seguintes fatores:
1. O diâmetro do motor é grande. As forças tangenciais entre
o rotor e o estator agem com um raio grande, resultando
num torque elevado.
2. Um grande número de dentes no rotor e no estator significa
que o motor possui um grande número de pólos, em
outras palavras, possui muitos ciclos magnéticos por
revolução. Este elevado número de pólos resulta numa
saída de torque elevado.
Fig. 3.21 Circuito magnético do Dynaserv.
Vantagens do Motor de Acionamento Direto
Alta Precisão
Os motores de acionamento direto eliminam folgas e a
histerese que são inevitáveis quando se emprega uma caixa
de redução. O posicionamento absoluto de 30 arc-seg é
típico, com uma repetibilidade de ±2 arc-seg.
Tempo mais Rápido de Parada
Devido ao projeto sem engrenagens, o acionamento direto
aumenta a produção diminuindo os tempos de parada.
Torque Elevado à Alta Velocidade
A curva de torque pela velocidade no servo de acionamento
direto é muito plana. Isto resulta em uma grande aceleração
em velocidades que seriam difíceis de serem atingidas com
uma tabela rotativa convencional (de até 4 revoluções/
segundo).
Rotação Suave
O servo de acionamento direto possui uma ondulação muito
pequena de velocidade e torque, o que contribui para sua
excelente controlabilidade numa faixa de velocidade superior
a 1000:1.
Operação Limpa
O projeto brushless e sem engrenagens resulta em uma
operação livre de manutenção. Com a preparação adequada,
o Dynaserv pode operar em ambientes categoria 10.
Caixa de
Redução
Motor Convencional Motor de Acionamento Direto
Motor
CC/CA
Controlador Núcleo do Rotor
Encoder PCB
Mancal Elemento
Rotativo
Núcleo do Estator
Placa de Circuito
Impresso do
Controlador
Elemento
Estator
Hub
Núcleo do Rotor
Núcleo do Estator
Anel de Retenção
Kit do Compartimento
Braçadeira
Kit de LED
Placa do Controlador Kit PDA
Controlador
Compartimento
Núcleo
T
Rotor
Bobina de
Excitação
Magneto
Permanente
Estator A
Estator B
Φm
Φm
Φc
Condições
• Carga 30 x Inércia do
Rotor
• Rotação horária
• Modo de Velocidade
15
10
5
3
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0°
Ondulação da Velocidade
(DM1150A)
Revolução (rps)
Ondulação (%)
Ondulação de Torque
(DM1015A)
Ângulo de Rotação (graus)
90° 180° 270° 360°
20
15.3
15
14.7
0
5
5%
Torque (N • m)
Fig. 3.22 Ondulação de velocidade/torque do Dynaserv.
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Drive para Motores de Passo e Servomotores
Drives para Motores de Passo
O drive para motor de passo fornece energia elétrica ao
motor em resposta a sinais de baixa tensão do sistema de
controle. O motor é um dispositivo de criação de torque, e
esse torque é gerado pela interação de campos magnéticos.
A força responsável pelo campo estator é a força magnetomotriz
(MMF), que é proporcional à corrente e ao número
de espiras no enrolamento. Refere-se a isso freqüentemente
como produto de amp por volta. Assim, essencialmente o
drive deve funcionar como uma fonte de corrente. A tensão
aplicada só é significativa como meio de controlar a corrente.
Os sinais de entrada para o drive do motor de passo
consistem em trens de pulso e um sinal direcional, sendo
necessário um pulso para cada passo que o motor for dar.
Isso é válido independentemente se o drive é passo, meio
passo, portanto o drive pode exigir entre 200 e 100.000
pulsos para produzir uma rotação do eixo. Até recentemente,
o modo de passo mais freqüentemente usado em aplicações
industriais era o modo de meio passo, no qual o motor dava
400 passos por rotação. A introdução de motores de minipasso
baratos aumentou essa resolução para entre 4.000 e
5.000 passos por rotação.
Com a velocidade do eixo em 3.000 rpm, o meio passo
corresponde a uma freqüência de pulso de passo de 20kHz.
Essa velocidade a 25.000 passos por rotação exige
freqüência de passo de 1.25MHz, e controladores de
movimento para motores de micropasso devem poder operar
em freqüências de passo muito mais altas.
Fig. 4.1 Elementos de um drive de motor de passo.
Os componentes lógicos do drive de motor de passo são
freqüentemente chamados de tradutor. Sua função é converter
os sinais direcionais e de passo em ondas de controle
para o gerador de energia (ver Fig. 4.1). As funções básicas
do tradutor são comuns à maioria dos tipos de drives, embora
o tradutor seja necessariamente mais complexo no caso de
um motor de micropasso. Contudo, o projeto do gerador de
energia é o principal fator que influencia o desempenho do
motor, e vamos analisá-lo mais detalhadamente.
O tipo mais simples de estágio de potência é o arranjo unipolar
mostrado na Fig. 4.2. Ele é chamado de drive unipolar
porque a corrente só flui em uma direção através de um
único terminal do motor. Um motor com espiras bifilares deve
ser usado pois a reversão do campo estator é atingida
transferindo-se a corrente para a segunda bobina. No caso
desse drive simples, a corrente é determinada somente pela
resistência do enrolamento do motor e a tensão aplicada.
Fig. 4.2 Motor unipolar básico.
Tal drive funcionará perfeitamente com baixas velocidades,
mas à medida que a velocidade aumenta o torque cai
rapidamente devido à indutância do enrolamento.
Analogia com a Indutância da Água
Para os que não conhecem bem a propriedade da
indutância, a seguinte analogia com a água pode ser útil
(Fig. 4.3). Um indutor comporta-se da mesma forma que
uma turbina conectada a um volante. Quando a torneira é
aberta e pressão é aplicada à tubulação de entrada, será
necessário um tempo para que a turbina se acelere devido
à inércia do volante. A única forma de aumentar a taxa de
aceleração é aumentar a pressão aplicada. Se não houver
fricção ou vazamento no sistema, a aceleração permanece
indefinidamente enquanto a pressão continuar sendo
aplicada. Na prática, a velocidade final será determinada
pela pressão aplicada e pela fricção e vazamento pelas
Tradutor Chaveamento hélices da turbina.
Passo
Direção
Elementos de um Drive
de Motor de Passo
Motor
Fase 1
Fase 2
Passo
Direção
1A 2A 2B
V+
0V
TR1 TR2 TR3 TR4
1B
Corrente
(Fluxo)
Tensão
(Pressão)
Pressão Reversa quando
o Fluxo é Interrompido
Alta Pressão acarreta
em Aceleração mais
do Volante
Registro
Válvula de
1 via
Fluxo de Água
Equivalente a Corrente
Turbina
Energia Cinética do
Volante Equivalente a
Energia Armazenada
no Campo Magnético
Pressão Equivalente
a Tensão Aplicada
Fig. 4.3 Analogia com a indutância da água.
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Aplicar tensão aos terminais de um indutor produz efeito
similar. Com indutância pura (nenhuma resistência), a
corrente aumentará de forma linear enquanto a tensão
continuar sendo aplicada. A taxa de aumento da corrente
depende da indutância e da tensão aplicada, portanto uma
tensão mais alta deve ser aplicada para fazer com que a
corrente cresça mais rapidamente. Num indutor real que
possui uma certa resistência, a corrente final é determinada
pela resistência e pela tensão aplicada.
Uma vez que a turbina tenha atingido a velocidade, pará-la
não é tarefa simples. A energia cinética armazenada no
volante tem de ser dissipada, e quando a torneira é fechada,
o volante aciona a turbina como uma bomba, e tenta manter
a água fluindo. Isso cria alta pressão em toda a tubulação
de entrada e saída na direção inversa. O estoque de energia
equivalente no indutor é o campo magnético. À medida que
esse campo se desintegra, ele tenta manter o fluxo de
corrente gerando alta tensão reversa. Incluindo-se uma
válvula de uma via nas conexões da turbina, a água pode
continuar circulando quando a torneira é fechada. A energia
armazenada no volante é então útil para manter o fluxo.
Usamos a mesma idéia no circuito chopper do drive, no qual
um diodo permite que a corrente recircule depois de ter se
acumulado. Voltando a nosso simples motor unipolar, se
observarmos como a corrente se comporta (Fig. 4.4),
podemos ver que ela segue um modelo exponencial com
valor final determinado pela tensão e a resistência do
enrolamento. Para fazer com que ela se acumule mais
rapidamente, podemos aumentar a tensão aplicada, mas
isso aumentaria também o nível de corrente final. Uma
maneira simples de solucionar esse problema é acrescentar
resistores em série com o motor para manter a corrente final
no mesmo nível de antes.
Motor R-L
Esse é o princípio usado no drive limitado por resistência
(R-L), ver Fig 4.4. Com uma tensão aplicada de 10 vezes à
tensão do motor, a corrente atingirá seu valor final em um
décimo do tempo. Em termos de constante de tempo elétrica,
a redução é de L/R para L/10R, portanto ganha-se aumento
de velocidade. Porém nós estaremos pagando um preço por
esta performance extra. Sob condições estáveis, a energia
dissipada nos resistores em série é 9 vezes maior que no
motor, produzindo uma quantidade significativa de calor.
Além disso, a energia extra deve vir toda da fonte de corrente
contínua, criando a necessidade de que esta seja muito
maior. Os motores R-L são, assim, adequados somente para
aplicações de baixo consumo de energia. Em contrapartida,
oferecem vantagens como simplicidade, robustez e baixa
interferência.
Fig. 4.4 Princípio do motor R-L.
O Drive Bipolar
A maior desvantagem do drive unipolar é sua incapacidade
de utilizar todas as bobinas do motor. Sempre haverá fluxo
de corrente em somente metade de cada enrolamento. Se
pudermos utilizar ambas as partes ao mesmo tempo,
poderemos obter aumento de 40% em amp por volta para
mesma dissipação de energia no motor.
Para atingir alto desempenho combinado à alta eficiência,
precisamos de um drive bipolar (que possa direcionar corrente
em ambas as direções em cada bobina do motor) e de
um método melhor de controle de corrente. Vamos analisar
primeiramente como podemos montar um drive bipolar.
Fig. 4.5 Drive bipolar simples.
Uma possibilidade óbvia é o circuito simples mostrado na
Fig. 4.5, no qual duas fontes de energia são usadas com um
par de transistores de comutação. Pode-se fazer a corrente
fluir em qualquer direção pela bobina do motor acionando
um ou outro transistor. Contudo, há desvantagens claras
nesse esquema. Para começar precisamos de duas fontes
de energia, ambas capazes de fornecer a corrente total para
ambas as fases do motor. Quando toda a corrente estiver
vindo de uma fonte, a outra está parada, fazendo com que
a utilização das fontes de energia seja baixa. Além disso, os
transistores devem suportar duas vezes a tensão que pode
ser aplicada ao motor, exigindo o uso de componentes caros.
Fig. 4.6 Ponte bipolar.
O arranjo padrão usado num drive bipolar é o sistema de
ponte mostrado na Fig. 4.6. Embora ele use um par extra de
transistores de comutação, os problemas associados à
configuração anterior são eliminados. Somente uma fonte
de energia é necessária e é plenamente utilizada; a tensão
TR1
V+
0V
VTR2
TR1
TR2
TR3
TR4
V+
0V
L R I
L R R I
V
2V I
2V
V
I V
R
2V
2R
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nos transistores é igual à disponível para impulsionar o motor.
Em sistemas de baixo consumo de energia, esse arranjo
pode ainda ser usado com limite de resistência, como mostra
a Fig. 4.7.
Fig. 4.7 Motor bipolar R-L.
O Drive com Estágio de
Recirculação Chopper
O método de controle de corrente, usado na maioria dos
motores de passo, é a recirculação ou chopper de três
estados (Fig. 4.8). Esse método é baseado na ponte de
quatro transistores com diodos de recirculação e um resistor.
O resistor tem baixo valor (tipicamente 0,1 ohm) e fornece
tensão de resposta proporcional à corrente no motor.
A corrente é introduzida no enrolamento acionando um
comutador superior e um inferior, e isso aplica a tensão total
em todo o motor. A corrente aumentará de forma quase
linear e podemos monitorar essa corrente observando o resistor.
Quando a tensão necessária tiver sido atingida, o
comutador superior é desligado e a energia armazenada na
bobina mantém a corrente circulando via comutador inferior
e diodo. As perdas no sistema fazem com que essa decaia
lentamente, e quando um limite mais baixo pré-determinado
é atingido, o comutador superior é religado e o ciclo se repete.
A corrente é, portanto, mantida no valor médio correto
comutando ou “cortando(chopping)” o fornecimento para o
motor.
Métodos alternativos são empregados para determinar os
pontos de comutação. A freqüência de comutação pode ser
determinada juntamente com um limite superior único,
situação em que a amplitude de onda da corrente, e não a
taxa de comutação, irá variar com a carga. Quando um
controle de corrente mais apurado for necessário, como no
caso de um motor de micropasso, a modulação de largura
de pulso é usada.
Esse método de controle de corrente é muito eficiente porque
muito pouca energia é dissipada nos transistores de comutação
quando não estão em estado de comutação transiente.
A energia obtida da fonte está intimamente relacionada à
potência mecânica gerada pelo eixo (diferentemente do
motor R-L, que extrai o máximo de energia da fonte quando
parado). Uma variante desse circuito é o circuito chopper
de dois estados. Nesse drive, a tensão fornecida é aplicada
ao enrolamento do motor em direções alternadas, fazendo
com que a corrente suba e desça em taxas aproximadamente
iguais. Essa técnica tende a exigir menos componentes
e consequentemente tem custo mais baixo. Contudo, a
onda de corrente associada no motor é normalmente maior
e aumenta o calor no motor.
V+
0V
TR2
TR1
TR4
TR3
TR1 TR3
TR2 D1 D2 TR4
Vs
Rs
TR1 TR3
TR2 D1 D2 TR4
Vs
Rs
Injection Recirculation
Motor current
+ +
– –
Fig. 4.8 Drive chopper com recirculação.
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Regeneração e Descarga de Energia
Como outras máquinas rotativas com magnetos permanentes,
o motor de passo agirá como um gerador quando o
eixo for movido mecanicamente. Isso significa que a energia
reservada à inércia de carga durante a aceleração é
devolvida ao drive durante a desaceleração. Isso aumenta
a corrente do motor e pode danificar os comutadores de
energia se a corrente extra for excessiva. Um detetor de
limite no drive percebe esse aumento de corrente e momentaneamente
desliga todos os transistores ponte (Fig. 4.9).
Cria-se assim um caminho para que a corrente de regeneração
volte ao capacitor de fornecimento, onde aumenta a
tensão. Durante essa fase a corrente não está mais fluindo
pelos resistores, e os comutadores devem ser ligados
novamente após um curto período (tipicamente 30 microsegundos)
para que as condições sejam reavaliadas. Se a
corrente continuar muito alta, o drive volta ao estado de
regeneração.
Fig. 4.9 Fluxo de corrente durante a regeneração.
Um pequeno aumento na tensão de fornecimento durante a
regeneração é aceitável, mas se o aumento for muito grande
os comutadores podem ser danificados por excesso de
tensão ao invés de excesso de corrente. Para solucionar
esse problema, usamos um circuito de descarga de energia
que dissipa a energia regenerada.
O circuito de descarga de energia típico é mostrado na Fig.
4.10. Um retificador e um capacitor alimentados com
corrente alternada do transformador fornecem uma tensão
de referência igual ao valor de pico da corrente alternada
de entrada. Sob condições normais esse valor será igual à
tensão do motor. Pode ocorrer durante a regeneração um
excesso de tensão no drive que superará essa referência, e
isso irá ligar o transistor de descarga que conecta o resistor
de 33 ohms à fonte de energia. Quando a tensão tiver caído
o suficiente, o transistor é desligado novamente. Embora a
corrente instantânea, passando pelo resistor de descarga,
possa ser relativamente alta, a energia média dissipada é
normalmente pequena pois o período de descarga é muito
curto. Em aplicações em que a energia regenerada for alta,
talvez devido à desaceleração freqüente e rápida de uma
carga de alta inércia, um resistor suplementar de descarga
(resistor de frenagem) de alta potência pode ser necessário.
Drives de Micropasso
Como já foi dito, a subdivisão do passo básico do motor é
possível fornecendo-se corrente aos dois enrolamentos do
motor. Isso produz uma série de posições de passo
intermediárias entre os pontos de uma fase ligada. É
claramente desejável que essas posições intermediárias
sejam igualmente espaçadas e produzam torque aproximadamente
igual quando o motor estiver em funcionamento.
Um micropasso preciso aumenta a exigência de precisão
no controle da corrente no motor, particularmente com baixos
níveis de corrente. Um pequeno desequilíbrio de fase, que
pode ser até difícil de detectar num motor de meio passo,
pode produzir erros de posicionamento inaceitáveis num
sistema de micropasso. A modulação de largura de pulso é
freqüentemente usada para atingir uma precisão maior que
a que pode ser atingida usando-se um simples sistema de
limites. As correntes de fase necessárias para produzir os
passos intermediários têm uma forma aproximadamente sinusoidal,
como mostra a Fig. 4.11. Contudo, essa forma não
oferecerá a melhor resposta com todos os motores. Alguns
trabalharão bem com a forma sinusoidal, mas outros precisarão
de um formato mais abaulado ou aparado (Fig. 4.11).
Assim, um drive de micropasso para operação com vários
tipos de máquinas precisa poder ajustar-se à forma da
corrente. Os níveis de corrente intermediários são normalmente
armazenados como dados num EPROM, com alguns
meios de modificar os dados para obtenção de diferentes
formas. Pode-se pensar na mudança de forma como a adição
ou subtração de um terceiro componente harmônico à onda
seno básica.
Fig. 4.10 Circuito de descarga de energia típico.
Sinewave Filled out Trimmed
AC
in
C1 R1
1K
D1 R2
D2
HV
R6
33
10W
TR1
R5
100K
R3
R4
TR2
0V
Ω
+V
Power
supply
capacitor
Power
dump
circuit
Fig. 4.11 Forma de corrente de micropasso.
No caso de motores de micropasso de alta resolução
produzindo 10.000 passos por rotação ou mais, o máximo
desempenho será obtido somente com um tipo particular
de motor. Nesse motor os dentes do estator ficam num
espaçamento de 7,5°, onde 48 espaços iguais resultam em
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360°. Na maioria dos motores de passo híbridos, os dentes
do estator tem o mesmo espaçamento que os dentes do
rotor, resultando em incrementos iguais de 7,2°. Esse último
arranjo tende a oferecer uma produção de torque superior,
mas é menos satisfatória que um motor de micropasso pois
os pólos magnéticos são mais “fixos” - não há transferência
progressiva de alinhamento dos dentes de um pólo para o
próximo. Na verdade, com esse tipo de motor, pode ser mais
difícil encontrar uma forma de corrente que dê bom
posicionamento estático combinado a uma rotação leve e
de baixa velocidade. Uma alternativa para obter um estator
com espaçamento de 7,5° é tornar os dentes do rotor mais
oblíquos. Isso produz um efeito similar e tem a vantagem de
usar lâminas de 7,2°. Aumentar a obliqüidade é um recurso
também usado em motores escova de corrente contínua para
melhorar a suavidade. Devido a essa dependência do tipo
de motor para obtenção de bom desempenho, é comum que
sistemas de micropasso de alta resolução sejam fornecidos
num pacote motor-drive.
A Curva de Velocidade/Torque do
Motor de Passo
Vimos que a indutância do motor é o fator que impede
rápidas mudanças de corrente e, portanto, torna mais difícil
conduzir um motor de passo em altas velocidades.
Observando a curva torque-velocidade na Fig. 4.12,
podemos ver o que acontece. Em baixas velocidades, a
corrente tem tempo suficiente para atingir o nível exigido e
a corrente média no motor é muito próxima do valor regulado
pelo motor. Mudar a corrente regulada ou mudar para um
drive com corrente diferente afeta o torque disponível.
Fig. 4.12 Regiões reguladas e de tensão limitada da curva de
torque-velocidade.
À medida que a velocidade aumenta, o tempo que a corrente
leva para subir passa a ser uma proporção significativa do
intervalo entre os pulsos de passo. Isso tem o efeito de
reduzir o nível de corrente médio, e o torque começa a cair.
Quando a velocidade aumenta ainda mais, o intervalo entre
os pulsos de passo não dá tempo para que a corrente atinja
um nível em que a ação circuito de chopper possa atuar.
Nessas condições, o valor final da corrente depende somente
da indutância do motor e da tensão. Se a tensão aumenta,
a corrente aumenta mais rapidamente e atinge um valor mais
alto no tempo disponível. Assim, essa região da curva é
descrita como de “tensão limitada”, pois uma mudança na
corrente do drive não teria conseqüências. Podemos concluir
que em velocidades baixas o torque depende da corrente
do drive, e em altas velocidades depende da tensão de
alimentação do drive. Fica claro que o desempenho em altas
velocidades não é afetado pela corrente do drive. Reduzir a
corrente simplesmente “achata” a curva de torque sem
restringir a capacidade de funcionamento em altas velocidades.
Quando o desempenho é limitado pelo torque de alta
velocidade disponível, há muito a dizer quanto ao funcionamento
com corrente mais baixa que dê margem de torque
adequada.
Em geral, a dissipação no motor e drive é reduzida e o
desempenho em baixa velocidade, em particular, será mais
suave e produzirá menos ruído audível. Com um drive bipolar,
há alternativas para conexões com o motor, como mostra
a Fig. 4.13. Um motor de 8 contatos pode ser conectado às
duas metades de cada enrolamento em série ou em paralelo.
Com um motor de 6 contatos, uma metade do enrolamento,
ou as duas metades, podem ser conectadas em série. Os
esquemas de conexão alternativos produzem diferentes
características de torque-velocidade e também afetam a
corrente do motor.
Fig. 4.13 Conexões em série e em paralelo.
Fig. 4.14 Curvas de velocidade/torque em série e paralelo.
Comparado ao uso de somente uma metade do enrolamento,
a conexão de ambas as metades em série resulta no fluxo
da corrente no drive através do dobro de voltas do enrolamento.
Para a mesma dissipação no motor, um aumento de
40% no torque de baixa velocidade é atingido usando-se
somente 70% da corrente anterior. Mas, dobrar o número
de voltas no enrolamento que recebe corrente significa em
aumentarmos a indutância 4 vezes. Isso faz com que o torque
caia muito mais rapidamente do que a velocidade aumenta,
o que faz com que o modo em série seja mais útil em velocidades
baixas. A máxima potência de eixo que pode ser obtida
numa série é tipicamente metade da disponível em paralelo.
Average
Current
During
Pulse
Speed
Drive with
Higher Supply
Voltage
Voltage-Limited
Regulated Region Region
Torque
Series Parallel
1A 1B 2A 2B 1A 1B 2A 2B
Series
Parallel
Speed
Torque
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Conectar as duas metades do enrolamento de um motor de
8 contatos em paralelo faz com que a corrente se divida
entre as duas bobinas. Isso não muda o número efetivo de
voltas e a indutância continua a mesma. Assim, com uma
dada corrente do drive, a característica do torque será a
mesma para dois meios-enrolamentos em paralelo e para
um enrolamento sozinho. Como já foi dito, a corrente de um
motor de passo é determinada pelo aumento de temperatura
permissível. A menos que os dados do fabricante do motor
tenham informação diferente, a taxa é um valor unipolar e
presume-se que ambas as fases do motor sejam energizadas
simultaneamente. Assim, uma corrente de 5A significa
que o motor irá aceitar fluxo de 5A em cada meio-enrolamento.
Quando os enrolamentos de um motor de 8 contatos são
conectados em paralelo, a resistência efetiva cai pela metade.
Para a mesma dissipação de energia no motor, a corrente
pode ser aumentada em 40%. Portanto um motor de 5A
aceitará 7A com os enrolamentos em paralelo, gerando um
aumento significativo no torque disponível.
Por outro lado, conectar os enrolamentos em série duplicará
a resistência total e a corrente será reduzida num fator de
1.4, resultando numa corrente segura de 3.5A para nosso
motor de 5A em série. Via de regra, conexão em paralelo é
o método de conexão preferido pois produz uma curva de
torque mais achatada e maior potência do eixo (Fig. 4.14).
A conexão em série é útil quando um torque alto é necessário
em baixas velocidades, e permite que o motor produza
torque total com corrente mais baixa. Deve-se evitar aquecimento
excessivo do motor em série pois sua corrente é mais
baixa nesse modo. As configurações em série também acarretam
maior probabilidade de ressonância devido ao alto
torque produzido na região de baixa velocidade.
Drives para Motores DC
com Escova
Amplificadores Lineares e de Comutação
Os amplificadores lineares operam de forma que, dependendo
da direção da rotação do motor, ou TR1 ou TR2 estarão
em série com o motor e terão sempre tensão (V) (Fig. 4.15).
Essa característica é a principal limitação do uso de amplificadores
lineares, pois sempre haverá energia dissipada
na saída do amplificador. Para dissipar essa energia, grandes
transistores e reservatórios de calor serão necessários,
tornando esse tipo de amplificador inadequado para uso em
sistemas de alta energia. Contudo, o amplificador linear
oferece a vantagem de baixo nível de ruído elétrico.
Amplificadores de Comutação são o tipo mais usado para
todas as aplicações, exceto as de consumo muito baixo de
energia, e o método mais freqüentemente usado para
controle de saída é a modulação de largura de pulso (PWM).
A dissipação de energia é grandemente reduzida pois os
transistores de saída estão em estado “ligado” ou “desligado”.
No estado “desligado”, nenhuma corrente é reduzida e
nenhuma energia é dissipada. No estado “ligado” a tensão
nos transistores é muito baixa (1-2 volts), e a quantidade de
energia dissipada é pequena. Esses amplificadores são
adequados para uma variedade de aplicações com todos
os níveis de energia. A operação de um amplificador de
comutação ou corte é muito similar a do estágio chopper do
drive de motor de passo já descrita. Somente um conjunto
de comutadores é necessário para conduzir um motor de
corrente contínua, tornando o motor mais simples e menos
caro. Contudo, a função de um drive de corrente contínua é
fornecer uma corrente variável para o motor para o controle
de torque. Essa função pode ser atingida com o uso de
técnicas analógicas ou digitais.
Drives para Servomotores Analógicos
e Digitais
Ao contrário dos drives para motores de passo, os amplificadores
dos servomotores com escova e brushless são ou
analógicos ou digitais. O motor analógico está no mercado
há muitos anos, e o digital é uma inovação relativamente
recente. Ambos os tipos têm seus méritos.
Descrição Geral - Drive Analógico
No drive analógico tradicional, a velocidade desejada é
representada por uma tensão de entrada analógica,
normalmente na faixa de ±10 volts. A velocidade total é
representada por +10v, e a velocidade total reversa por -10v.
Zero volt representa a condição estacionária e as tensões
intermediárias representam velocidades proporcionais à
tensão. Drives analógicos podem também ser configurados
como amplificadores de torque, caso no qual a tensão de
entrada representa um torque e não uma exigência de
velocidade.
Os vários ajustes necessários para afinar um drive analógico
de velocidade são tradicionalmente feitos com potenciômetros.
Com um pouco de experiência isso pode ser executado
bem rapidamente, mas em algumas aplicações difíceis mais
tempo pode ser necessário. Repetir os ajustes nas unidades
subseqüentes pode levar o mesmo tempo, a menos que haja
uma forma fácil de duplicar as definições do potenciômetro.
Por essa razão, alguns drives usam um “cartão individual”
de plug-in que pode conter componentes pré-determinados.
Contudo, isso não só aumenta o custo como pode também
implicar na necessidade de ajustes posteriores.
Fig. 4.15 Servo amplificador linear.
+ Ve
TR1
- Ve
TR2
V
M
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Descrição Geral - Drive Digital
Uma alternativa ao sistema analógico é o drive digital, que é
ajustado através do envio de dados a partir de um terminal
de computador. Isso leva à repetição fácil entre as unidades,
e como tais drives são invariavelmente montados com processadores,
o auto ajuste totalmente automático fica facilitado.
Os drives digitais são normalmente usados junto com os
servomotores brushless e não com motores de corrente
contínua. Tais drives freqüentemente usam um gerador de
potência analógico mas também podem ser totalmente
digitais, incluindo os dispositivos de energia. O feedback de
posição deriva do encoder ou resolver e também é processado
como informação digital. É uma idéia lógica incorporar
um controlador de posição em tal drive, e o passo e os
sinais direcionais podem ser obtidos com um indexador tipo
passo convencional. Igualmente, o posicionador pode ser
controlado através de comandos simples usando linguagem
de controle de movimento de alto nível - ver introdução ao
Código X desta apostila.
Operação do Servo Drive Analógico
Os elementos de um amplificador analógico de velocidade
são mostrados na Fig. 4.16. A função do sistema é controlar
a velocidade do motor em resposta a uma tensão de entrada
analógica.
Fig. 4.16 Elementos de um servo sistema analógico.
A velocidade do motor é medida por um tacogerador
acoplado ao eixo do motor. Isso produz uma tensão
proporcional à velocidade que é comparada com o sinal de
demanda de velocidade de entrada, e o resultado dessa
comparação é uma demanda de torque. Se a velocidade
for muito baixa, o motor fornece mais corrente, que por sua
vez cria torque para acelerar a carga. Da mesma forma, se
a velocidade for muito alta ou a demanda por velocidade for
reduzida, o fluxo de corrente no motor será revertido para
produzir um torque de parada.
Fig. 4.17 Operação em quatro quadrantes.
Esse tipo de amplificador é freqüentemente chamado de
motor de quatro quadrantes. Isso significa que ele pode
produzir tanto aceleração quanto torque de parada em
qualquer direção de rotação. Se desenharmos um diagrama
representando a direção da rotação num eixo e a direção
do torque no outro (ver Fig. 4.17), veremos que o motor pode
operar em todos os quatro quadrantes. Por outro lado, um
motor de velocidade variável simples capaz de rodar em
uma única direção e com desaceleração não controlada,
seria descrito como de quadrante único. O amplificador de
velocidade na Fig. 4.16 tem alto ganho para que uma pequena
diferença de velocidade produza um grande sinal de erro.
Dessa forma, a precisão do controle de velocidade pode
ser muito alta, mesmo quando há grandes variações de
carga. Uma demanda de torque do amplificador de velocidade
representa uma solicitação de mais corrente no motor.
Essa corrente é medida por um resistor R que produz tensão
proporcional à corrente do motor. Essa malha de realimentação
interna é freqüentemente chamada de Amplificador de
Torque pois sua finalidade é criar torque em resposta a uma
demanda do amplificador de velocidade.
Alguns tipos de controladores de posição geram um sinal
de saída de torque ao invés de uma demanda por velocidade,
e também há aplicações na qual o torque, e não a velocidade
é a necessidade principal (enrolar material em torno de uma
bobina, por exemplo). A maioria dos drives analógicos pode
ser configurada como amplificador de torque através de um
comutador ou jumper. Na prática, o sinal de entrada ainda é
levado ao mesmo ponto, mas o amplificador de velocidade
é desconsiderado.
Operação do Servo Drive Digital
A Fig. 4.18 mostra os componentes de um drive digital para
um servo motor. Todas as principais funções de controle são
executadas por um microprocessador, conduzindo um
conversor D-A para produzir um sinal de demanda de torque
analógico. A partir daí, o drive passa a ser um amplificador
de torque analógico. A informação de realimentação vem
de um encoder ou resolver acoplado ao eixo do motor. O
encoder gera um fluxo de pulsos com que o processador
pode determinar a distância percorrida, e calculando a
freqüência de pulso é possível medir a velocidade. O drive
digital executa as mes-mas operações que o analógico, mas
faz isso resolvendo uma série de equações. O microprocessador
é programado com um modelo matemático ou
algoritmo do sistema analógico equivalente. Esse modelo
prevê o comportamento do sistema em resposta a uma
demanda de entrada e posição de saída. Ele também leva
em conta informações adicionais como velocidade de saída,
taxa de mudança da entrada e as várias definições de ajuste.
Resolver todas as equações leva um tempo determinado, e
mesmo quando um processador é rápido esse tempo fica
entre 100 micro-segundos e 1ms. Durante esse tempo, a
demanda por torque deve permanecer constante em seu
valor anteriormente calculado e não haverá resposta a
mudanças na entrada ou na saída. Esse “tempo de
atualização” é portanto um fator crítico no desempenho de
um servo motor digital e em sistemas de alta performance
ele deve ser mínimo.
M T
B
A
R
Torque Feedback Loop
Velocity Feedback Loop
Velocity
Control
Signal
Torque
Control
Signal
Drive
Amplifier
Torque
Rotation
CW
CCW
CCW CW
Braking
CCW
Accelerating
CW
Braking
CW
Accelerating
CCW
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Fig. 4.19 Servo motor sem escova trapezoidal simplificado.
Fig. 4.18 Servo drive digital.
O ajuste de um servo drive digital é feito ou através de botões
ou enviando-se dados numéricos a partir de um computador
ou terminal. Não há ajustes de medidores de potência. Os
dados de ajuste são usados para definir vários coeficientes
no servo algoritmo e assim determinar o comportamento
do sistema. Mesmo se o ajuste for feito através de botões,
os valores finais podem ser transportados para um terminal
de forma a permitir a fácil repetição.
Em alguns aplicativos, a inércia da carga varia numa faixa
ampla - pense num braço mecanizado que começa sem
carga e depois transporta pesadas cargas numa longa
extensão. A mudança na inércia pode ser da ordem de um
fator de 20 ou mais, e tal mudança exige que o drive seja
reajustado para que um desempenho estável seja mantido.
Isso pode ser feito de forma simples enviando novos valores
de ajuste na altura apropriada do ciclo de operação.
Servomotores sem
Escova Brushless
O Drive Trapezoidal
A Fig. 4.19 mostra um layout simplificado para um drive
trapezoidal de três fases. O gerador de energia é baseado
na conhecida ponte em H, mas usa três segmentos da ponte
ao invés de dois. Os enrolamentos do motor são conectados
entre os três segmentos da ponte como mostrado, sem conexão
ao ponto central da junção dos enrolamentos. Ajustando
os dois transistores apropriados na ponte, pode-se criar um
fluxo de corrente em qualquer direção por quaisquer dois
enrolamentos do motor. A qualquer tempo, o caminho da
corrente depende da posição do rotor e da direção de
rotação, e os transistores da ponte são selecionados através
de lógica extraída do encoder de comutação. Em sistemas
trapezoidais o encoder de comutação normalmente usa
dispositivos de efeito Hall.
Um PWM utilizando sistema chopper de recirculação
controla a corrente da mesma forma que o motor com escova
de corrente contínua descrito anteriormente. A informação
da realimentação de corrente exigida é fornecida pelos
resistores conectados em série com dois dos contatos do
motor. Os sinais de tensão obtidos desses resistores devem
ser decodificados e combinados para fornecer uma
referência de corrente, e o circuito que faz isso usa o encoder
de comutação para determinar como interpretar a informação.
Para amenizar o problema de isolar o sinal de corrente
das altas tensões de comutação geradas pelo gerador de
energia, sensores de efeito Hall são freqüentemente usados
ao invés de resistores. As entradas do drive trapezoidal para
servomotores brushless normalmente seguem o mesmo
padrão de um motor com escova analógico (usando um
amplificador de velocidade de alto ganho que gere o sinal
de demanda de torque). A informação de velocidade pode
ser obtida de várias maneiras, e é desejável usar um método
sem contato juntamente com um motor brushless. Uma
solução comum é usar um encoder ótico e converter a
freqüência de pulso do encoder para uma tensão analógica.
O encoder também pode ser usado como dispositivo de
feedback para um controlador de posição.
M E
PWM Amplifier
Control
D to A
Microprocessor Converter
Step
Direction
Tuning
RS-232C
Encoder
-
Velocity +
Input
Velocity
Feedback
Logic
PWM &
Circuit
Commutation
Encoder
Motor
Torque
Velocity Amp Amp
-
+
Current
Sense
Selector
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Fig. 4.20 Drive senoidal de dois estágios para servomotor.
O Drive Senoidal
Os motores senoidais brushless podem ser bi ou trifásicos,
e nosso exemplo mostra um bifásico (Fig. 4.20).Ele usa duas
pontes H para controlar a corrente nos enrolamentos do
motor, e a seção de potência desse motor lembra um par de
drives motores com escova de corrente contínua. Diferentemente
do exemplo anterior, este drive usa uma seção de
controle baseada em processadores digitais que transporta
os sinais de entrada na forma de passo e sinais direcionais.
Precisamos gerar corrente nos dois enrolamentos do motor
que têm formatos seno e coseno à medida que o eixo roda.
O motor mostrado na Fig. 4.20 usa um resolver e um conversor
resolver-digital para detectar a posição do eixo. Ele nos
dá um número que pode ser incluído numa tabela de referência
para determinar os valores de corrente instantâneos para
aquela posição do eixo em particular. É preciso lembrar que
a tabela de referência somente indicará as correntes relativas
nos dois enrolamentos - o valor absoluto dependerá da
demanda de torque na ocasião. O processador deve então
multiplicar os valores seno e coseno pela demanda de torque
para obter o valor final de corrente em cada fase. Os números
resultantes são alimentados em conversores D-A que
produzem uma tensão analógica proporcional à corrente
exigida. A função de multiplicação é às vezes executada
diretamente pelos conversores D-A. O sinal de saída é então
informado a dois amplificadores de corte PWM.
A informação de comutação para um drive senoidal pode
também ser obtida de um encoder ótico incremental ou
absoluto. Um encoder incremental será menos caro para a
mesma resolução, mas exige alguma forma de inicialização
para estabelecer o necessário ângulo de torque de 90°. Isso
pode ser conseguido com um segundo encoder de baixa
resolução simulando a saída de um sistema de sensor Hall.
Graus Mecânicos e Elétricos
Quando falamos sobre motores é importante distinguir entre
graus mecânico e elétrico (nesse contexto, nenhum termo
refere-se a qualificações de engenharia).
Os graus mecânicos são diretos - são graus absolutos de
rotação. Cada volta completa do eixo representa 360 graus
mecânicos. Mas os graus elétricos referem-se a cada ciclo
elétrico individual, e pode haver mais de um por rotação.
A maior parte dos servo motores tem quatro, seis ou oito
pólos, o que significa que têm dois, três ou quatro ciclos
elétricos por rotação respectivamente. Um ciclo elétrico para
um motor de seis pólos, portanto, corresponde a somente
120 graus mecânicos (ver Fig. 4.21).
Cada ciclo elétrico representa 360 graus elétricos, e quando
falamos de ângulos de torque, esses são sempre em graus
elétricos. Portanto um ângulo de torque ideal de 90° corresponde
na verdade a somente 30° mecânicos para o motor
de 6 pólos.
Fig. 4.21 Graus elétricos e mecânicos.
Esse conceito é importante para os dispositivos de
feedback usados para comutação.
Por exemplo, um encoder de 500 linhas irá produzir 2000
contagens por rotação após a decodificação, resultando
numa resolução mecânica de 360/2000 = 0,18°.
Para um motor de 8 pólos haverá 500 contagens por ciclo
elétrico, e a resolução passa a 360/500 = 0,72° em termos
elétricos. Isso representa a mais alta precisão com que o
ângulo de torque de 90° pode ser mantido.
N
S
S N
N
S
360°
mechanical
One electrical cycle
360° electrical
120° mechanical
Microprocessor
D-to-A
Converter
D-to-A
Converter
PWM
Control
PWM
Control
H - Bridge
H - Bridge
Resolver
to Digital
Converter
Step
Direction
Motor
Resolver
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Princípios Básicos
Tecnologia Eletromecânica
Dispositivos de Feedback (Realimentação)
de forma que somente quando suas seções transparentes
estão alinhadas a luz pode passar pelo detetor. (Fig. 5.3).
Um encoder incremental gera um pulso para um dado incremento
de rotação do eixo (encoder rotativo), ou um pulso
para uma dada distância linear percorrida (encoder linear).
A rotação angular total ou distância percorrida é determinada
pela contagem dos pulsos de saída do encoder.
Um encoder absoluto tem vários canais de saída, de forma
que cada posição do eixo possa ser descrita por seu código
único. Quanto mais alta a resolução mais canais de saída
são necessários. Um encoder absoluto, portanto, mede a
posição, enquanto que um encoder incremental mede a
distância percorrida.
Fig. 5.4 Sinais de saída de quadratura.
Fig. 5.3 Princípio do encoder ótico.
Princípios Básicos dos
Encoderes Incrementais
Como o custo é um fator importante na maioria das aplicações
industriais, e o retorno a um ponto inicial depois de
uma falta de energia não é problema, o encoder incremental
rotativo é o preferido pelos projetistas de sistemas. Seu
elemento principal é um disco montado no eixo que transporta
um defrator que roda entre uma fonte de luz e um
detetor com máscara. A fonte de luz é normalmente um diodo
emissor de luz, e o detetor pode ser um fototransistor, um
fotodiodo ou um conjunto de fotodiodos.
Um encoder de dois canais, além de dar a posição do eixo
de decodificação, também pode fornecer informações sobre
a direção da rotação através do exame dos sinais para identificar
o canal principal. Isso é possível pois os canais são
dispostos em quadratura (fase de 90° comutada: Fig. 5.4).
Para a maioria das aplicações de posicionamento ou
máquina-ferramenta, um terceiro canal conhecido como
canal indexador ou canal Z também é incluído. Ele gera um
único pulso de saída por revolução e é usado para
estabelecer a posição de referência ou posição zero da
máquina.
Channel B
Channel A
90 Phase Shift (± Tolerance)
Collimated Grating
Light Source
Mask Detector
Dispositivos de Feedback
O Tacômetro ou Tacogerador
Um motor de corrente contínua de magneto permanente
pode ser usado como tacômetro. Quando operado mecanicamente,
esse motor gera uma tensão de saída que é proporcional
à velocidade do eixo (ver Fig. 5.1). As outras principais
exigências para um tacômetro são que a tensão de saída
seja suave em relação à faixa de operação e que a saída
seja estável em relação a variações de temperatura.
Pequenos Motores de corrente contínua de magneto permanente
são tradicionalmente usados em servo sistemas como
sensores de velocidade. Esses sistemas normalmente incorporam
compensação de temperatura termistor, e utilizam um
comutador de prata e escovas carregadas de prata para
melhorar a confiabilidade da comutação nas condições de
baixa corrente envolvidas.
Para combinar alto desempenho e baixo custo, os projetos
de servo-motores de corrente contínua freqüentemente
incorporam um tacômetro montado sobre o eixo do motor e
internos ao gabinete do motor (Fig. 5.2).
Fig. 5.1 Características de saída do tacômetro.
Fig. 5.2 Motor com tacômetro integral.
Encoderes Óticos
Em sistemas de servo controle, onde a posição mecânica
deve ser controlada, alguns tipos de sensores de posição são
necessários. Há vários tipos em uso: magnéticos, de contato,
resistivos e óticos. Contudo, para um controle de posição
preciso, o mais freqüentemente usado é o encoder ótico. Esse
encoder tem duas formas - absoluto e incremental.
Os encoderes óticos operam através de um defrator que se
move entre uma fonte de luz e um detetor. Quando a luz
passa pelas áreas transparentes do defrator, o detetor produz
um sinal visual. Para maior resolução, a fonte de luz é colimada
e uma máscara é colocada entre o defrator e o detetor.
O defrator e a máscara produzem um efeito de fechamento,
Motor
Tachometer
Shaft Speed
Output
Volts
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Dispositivos de Feedback (Realimentação)
A Fig. 5.4 mostra que para cada período de onda quadrado
completo do canal A, entre os dois canais haverá quatro
bordas de pulso. Isso permite que a resolução do encoder
seja quadruplicada processando-se as saídas de A e B para
produzir um pulso separado para cada borda de pulso
quadrado.
Contudo, para que esse processo seja eficiente, é importante
que a quadratura seja mantida dentro da tolerância
permitida para que os pulsos não colidam. Os encoderes
de saída de ondas quadradas estão disponíveis numa ampla
variedade de resoluções (de até cerca de 5000 linhas/rot),
e com uma variedade de configurações de saída diferentes,
algumas das quais estão listadas abaixo.
TTL (Lógica Transistor-Transistor) - é uma saída comum,
compatível com níveis de lógica TTL, e normalmente exigem
tensão de 5V. As saídas em TTL também estão disponíveis
numa configuração de coletor aberto que permite que o
projetista dos sistemas escolha entre uma variedade de
valores de resistor pull-up.
CMOS (Semicondutor Complementar Óxido-Metálico) -
disponível para compatibilidade com níveis lógicos mais altos,
normalmente usado juntamente com dispositivos CMOS.
Drive de Linha - nesse arranjo, duas saídas derivadas de
cada canal fornecem um par de sinais em antifase um com
o outro. Isso permite máxima imunidade à interferência.
Problemas com Ruído
O sistema de controle de uma máquina é normalmente protegido
com uma caixa metálica. Um encoder pode ser
protegido de forma similar, com uma caixa de metal. Contudo,
a menos que sejam tomadas as precauções cabíveis, o
cabo que conecta os dois pode ser uma fonte de ruído. Esse
cabo pode ter comprimento significativo e passar perto de
dispositivos causadores de ruído. Esse ruído pode causar a
perda ou ganho de contagens de sinal, gerando dados
incorretos e perda de posição.
Fig. 5.5 Deturpação do sinal do encoder devido a ruído.
A Fig. 5.5 mostra como a introdução de dois pulsos de ruído
converte uma seqüência de quatro pulsos numa de seis
pulsos. Várias técnicas estão disponíveis para solução de
problemas causados por ruído. A mais óbvia é usar cabos
de conexão protegidos. Mas, como os sinais são gerados
num nível baixo (5 volts) e podem ser gerados por fontes de
alta impedância, revestir os cabos pode não eliminar
complemente o problema.
A maneira mais eficaz de evitar problemas causados por
ruído é usar um encoder com saídas complementares (Fig.
5.6) e conectá-lo ao sistema de controle através de um cabo
protegido e de par torcido. Os dois sinais são processados
por um receiver diferencial, que rejeita os sinais de ruído
comuns deixando o sinal necessário sem ruído.
Fig. 5.6 Sinais de saída complementares.
Fig. 5.7Redução de ruído num sistema complementar.
Fatores que Afetam a Precisão
do Encoder
Taxa Slew (velocidade) - Um encoder rotativo incremental
terá freqüência máxima na qual possa operar(tipicamente
100KHz), e a velocidade máxima de rotação (ou taxa slew)
será determinada por essa freqüência. Além disso, o sinal
de saída irá se tornar não confiável e a precisão será afetada.
Por exemplo, um encoder de 1000 linhas gera 1KHz a 1 rotação
por segundo. Se a freqüência de operação máxima
for 100 KHz, a velocidade será limitada a 100 rotações/segundo
(6000 rpm).
Se a rotação de um encoder tiver velocidades mais altas
que a máxima especificada em projeto, não somente a
precisão de posicionamento será ameaçada como também
será criado o risco de dano mecânico aos componentes do
encoder.
Erro de Quadratura - se dois canais de quadratura estão
defasados de mais ou menos 90° , precisa detecção de
borda será mais difícil em altas velocidades. Isto acontece
porque bordas alternadas estão muito próximas, reduzindo
assim o tempo disponível para separação do circuito decodificador.
O efeito é introduzir uma limitação na taxa slew.
Erro de Quantificação - como o disco do encoder tem um
número finito de linhas, o conhecimento da posição do
sistema será preciso somente até um quarto da altura da
linha (presumindo decodificação x4 dos sinais da
quadratura).
Excentricidade causada por folga do mancal, disparo do
eixo ou montagem incorreta pode causar vários erros inclusive
modulação da freqüência cíclica e vibração (“jitter”)
intercanais.
Channel A
Negative Noise Pulse
Positive Noise Pulse
Channel A
Noise Spike
A
A
A
A
A
A
Line
drivers
shielded, twisted -
pair cable
differential
line receiver
Encoder Control system
+-
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Dispositivos de Feedback (Realimentação)
Considerações Ambientais
Como ruído elétrico, outros fatores ambientais devem ser
considerados antes da instalação de um encoder ótico. È
recomendável consultar as especificações do fabricante
quanto à temperatura e umidade. Em ambientes onde há
poeira, vapor de óleo ou outras substâncias potencialmente
danosas, pode ser necessário garantir que o encoder seja
mantido numa compartimento vedado.
Construção Mecânica
Encoder de Eixo (Fig. 5.8). Nesse tipo de encoder, que pode
ser incremental ou absoluto, a parte eletrônica é normalmente
apoiada numa placa que protege os mancais e eixo.
O eixo sai dos mancais na parte externa do encoder, e transporta
o disco rotativo na parte interna. As partes internas
são cobertas por uma capa externa pela qual passam os
contatos interconectores.
Fig. 5.8 Encoder de eixo.
Para uso em condições ambientais ou industriais extremas,
toda a proteção deve ser especificada conforme um padrão
para serviço pesado com mancais vedados e vedações entre
a placa e a cobertura. As conexões elétricas externas
também podem ser trazidas para fora por um conector de
alta qualidade.
Kit Encoder ou Encoder Modular (Fig. 5.9). Estão
disponíveis em várias formas, sendo sua principal vantagem
o custo reduzido.
Fig. 5.9 Encoder modular.
Como muitos servo-motores têm eixo de extremidade dupla,
é simples conectar um kit encoder à traseira do motor. O kit
encoder é normalmente menos robusto que o encoder eixo,
mas isso não é problema se os componentes do encoder
forem adequadamente protegidos. Muitos servo-motores
incorporam um compartimento separado para o encoder
dentro do próprio motor.
Encoder linear. Um encoder linear é usado quando é
necessário fazer uma medição direta do movimento linear.
Ele é composto de uma escala linear (que pode ter de uns
poucos milímetros a 1 metro ou mais de comprimento) e
um cabeçote leitor. Ele pode ser absoluto ou incremental e
a resolução é expressa em linhas por unidade de comprimento
(normalmente linhas/mm). Como o encoder linear
mede a distância percorrida do elemento móvel diretamente,
os efeitos de erros de leadscrew são eliminados.
Princípios Básicos dos
Encoderes Absolutos
Um encoder absoluto é um dispositivo de medição de
posição que oferece uma informação de posição única para
cada localização do eixo. A localização é independente de
todas as outras, ao contrário do que acontece com encoder
incremental, em que a posição é determinada pela soma da
distância percorrida a partir de uma posição de referência.
Fig. 5.10 Disco absoluto.
Fig. 5.11 Disco incremental.
Ao contrário do encoder incremental com sua rota básica
única, um encoder absoluto tem várias rotas concêntricas.
Cada rota tem uma fonte de luz independente. Como a luz
passa por uma abertura, um estado alto (“1”) é criado. Se a
luz não passa pelo disco, o resultado é um estado baixo
(“0”). A posição do eixo pode ser identificada através do
padrão de 1’s e 0’s.
Shaft
Mounting Plate
Cover
Interconnecting
Leads
Cover
Hub and Disc
Electronics
Body
Interconnecting
Leads
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Princípios Básicos
Tecnologia Eletromecânica
Dispositivos de Feedback (Realimentação)
As rotas de um encoder absoluto variam quanto ao tamanho
das aberturas, indo das menores na borda externa para as
maiores em direção ao centro. O padrão de abertura também
é alternado com relação às rotas anteriores e posteriores.
O número de rotas determina a quantidade de informações
de posição que podem ser obtidas com o encoder - a
resolução. Por exemplo, se o disco tem 10 rotas, a resolução
do encoder seria de 210 ou 1.024 posições por rotação. Para
confiabilidade, é desejável usar um disco feito de metal ao
invés de vidro. Um disco de metal é mais robusto e tem
inércia menor.
O padrão do disco de um encoder absoluto é um código de
máquina, normalmente binário, gray-code ou uma variação
deste código. O diagrama representa uma saída binária
simples com quatro informações. A localização atual é equivalente
ao número decimal 11. Indo para a direita a partir
da posição atual, o próximo número decimal é 10 (1010 binário).
Indo para a esquerda a partir da posição atual, a próxima
posição seria 12 (1100).
Fig. 5.12 Saída de encoder absoluto.
Ogray-code é derivado de números binários, mas é arranjado
de forma que somente uma parte mude de estado de
cada vez. Isso evita ambigüidades durante os períodos de
transição quando várias partes mudam de estado simultaneamente.
Fig. 5.13 Encoderes absolutos multivoltas.
Conectar discos absolutos adicionais ao disco de alta
resolução primário possibilita a contagem de voltas, de forma
que uma informação de posição única fica disponível em
várias rotações. Por exemplo, um encoder com resolução
primária de 1024 contagens pode ser equipado para contar
até 512 voltas com o acréscimo de três discos de baixa
resolução. Isso possibilita a resolução de 524.288 posições.
Os três discos de baixa resolução têm 3 rotas de informação
e cada uma é conectada à próxima, a uma razão de 8:1. O
encoder tem então 19 canais de saída e exigirá 83 ou 512
voltas completas do eixo para cobrir todas as posições
possíveis. Teoricamente, discos adicionais podem continuar
a ser incorporados - na prática, a maioria dos encoderes
pára em 512 voltas ou abaixo disso. Os encoderes que usam
essa técnica são chamados de encoderes absolutos
multivoltas. A mesma técnica pode ser incorporada a um
encoder linear de cremalheira e pinhão, resultando longas
extensões de localizações absolutas.
Vantagens dos Encoderes Absolutos
Encoderes absolutos lineares e rotativos oferecem várias
vantagens significativas na área industrial de controle de
movimento e aplicações de controle de processos.
Nenhuma Perda de Posição Durante
Falta de Energia
Um encoder absoluto não é um contador como um encoder
incremental; como um sistema absoluto lê a posição real do
eixo, a falta de energia não faz com que o encoder perca a
informação de posição. Assim que o fornecimento de energia
é restaurado a um sistema absoluto, ele pode ler a posição
atual imediatamente. Isso pode ser importante em aplicações
em que um retorno à posição inicial após falta de energia
não é possível. Um robô de solda operando dentro do corpo
de um carro é um exemplo óbvio - é impossível determinar
como retrair com segurança sem saber a posição atual.
Operação em Ambientes Eletricamente Poluídos
Equipamentos como soldadores e soft startes normalmente
geram ruído elétrico que pode parecer pulsos de um encoder
para um contador incremental. O ruído elétrico pode afetar
uma posição absoluta individual, mas não causará um
erro permanente.
Aplicação de Alta Velocidade
O dispositivo contador é freqüentemente o fator que limita o
uso de encoderes incrementais em aplicações de alta velocidade.
O contador é freqüentemente limitado a uma freqüência
de pulso máxima de 100 KHz. Um encoder absoluto não
exige um contador ou observação contínua do eixo ou localização
da carga. Esse atributo permite que um encoder absoluto
seja usado em aplicações de alta velocidade e alta resolução.
Resolveres
Bit
1
1
0
1
Current
Position
1011 = Decimal 11
Bearing
Seals
Additional Turns
Stages
High Resolution
Main Disk
Winding A
Winding B
EOA
Ei
ø
Fig. 5.14 Princípio do resolver.
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Dispositivos de Feedback (Realimentação)
Um resolver é, em princípio, um transformador rotativo.
Se considerarmos dois enrolamentos, A e B (Fig. 5.14), e
se fornecermos ao enrolamento B uma tensão senoidal, uma
tensão será induzida no enrolamento A. Se girarmos o enrolamento
B, a tensão induzida será máxima quando os planos
de A e B forem paralelos e será mínima quando estiverem
em ângulo reto. A tensão induzida em A também irá variar
sinusoidalmente com o ângulo de B, de forma que EOA =
Ei SenØ. Se introduzirmos um terceiro enrolamento (C) em
ângulo reto com o enrolamento A, quando girarmos o enrolamento
B, uma tensão será induzida nesse enrolamento e
variará como o coseno do ângulo Ø, de forma que EOC =
Ei CosØ.
Na Fig. 5.15 podemos ver que se pudermos medir as
amplitudes relativas das saídas dos enrolamentos A & C
num dado ponto do ciclo, essas duas saídas serão únicas a
essa posição.
Fig. 5.15 Saída do resolver.
Para uso com sistema de posicionamento digital, a saída
da informação das duas fases será normalmente convertida
de analógica para digital através de um conversor resolverpara-
digital (Fig. 5.16). As resoluções de até 65.536 contagens
por rotação são típicas. Além da informação de posição,
a informação de velocidade e direção também pode ser
obtida.
Fig. 5.16 Conversor resolver-para-digital.
Como um encoder absoluto de volta única, o resolver de velocidade
única normal é um dispositivo de informação de
posição absoluta numa rotação. (Há também Resolveres
com mais ciclos elétricos por rotação, por exemplo um
resolver de duas velocidades tem dois ciclos por rotação).
A tensão de excitação E1 pode ser combinada ao enrolamento
de rotação por anéis deslizantes e escovas, mas mais
freqüentemente um arranjo sem escovas é usado no qual a
tensão de excitação é indutivamente combinado ao enrolamento
do rotor (Fig. 5.17).
Fig. 5.17 Resolver brushless.
Stator
Phase 1
Stator
Phase 2
Rotor
1 Electrical Cycle
E Sinφ
360°
i
E i Cosφ
Phase
Comparator
Sine
Multiplier
Cosine
Multiplier
Voltage
Controlled
Oscillator
Up/Down
Counter
DC Signal
(Velocity)
Integrator
Integrator
Digital Output
(Shaft Angle)
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Tecnologia Eletromecânica
Comparação Tecnológica
Uma Comparação Entre as
Tecnologias de Motor de
Passo e Servomotor
Os motores de passo, motores DC com escova e servo
motores brushless têm suas vantagens e desvantagens.
Nenhuma tecnologia é ideal para todas as aplicações, apesar
do que possam alegar alguns fabricantes. Este capítulo
analisa os méritos relativos de cada tecnologia e lista as
aplicações mais apropriadas para cada uma delas.
Vantagens do Motor de Passo
Solução de Custo mais Baixo
Um motor de passo será sempre a solução mais barata. Se
um motor de passo executar o trabalho, fique com ele.
Nenhuma Manutenção
Não há escovas que necessitem de checagem ou substituição
periódica.
Poucas Restrições Ambientais
Um motor de passo pode ser usado em praticamente
qualquer ambiente, incluindo vácuo. Magnetos especiais
podem ser necessários se houver grandes campos magnéticos
por perto, como câmaras de evaporação. Observe a
dissipação no vácuo (não há resfriamento de convecção).
Livre de Defeitos
Qualquer falha no motor impede o movimento, pois a corrente
deve ser continuamente comutada para que haja rotação
contínua. Um motor com escovas é comutado internamente
e pode operar indefinidamente se corrente contínua for
aplicada. Não é facilmente desmagnetizado por excesso de
corrente. Devido aos planos perpendiculares de magnetos
permanentes e rotas de fluxo alternadas.
Controlador Pode ser Compartilhado
Em sistemas multi-eixos quando somente um motor precisa
operar num dado momento. Isso é útil na determinação de
tipos de aplicação como máquinas de impressão. Os servo
motores precisam de um controlador de posição em tempo
integral até mesmo para manter o eixo estacionário.
Estável Quando Parado
Com a corrente contínua fluindo nos enrolamentos o rotor
permanece completamente estacionário. Não há tendência
de vibração (“jitter”) ao redor do encoder ou posição do resolver.
Isso é útil em aplicações como estações microscópicas.
Pode ser parado indefinidamente sem danos. Não há
aumento na corrente do motor como resultado de uma
parada brusca, e portanto não há risco para o motor e o
risco de danos mecânicos é mínimo.
Alto Torque Contínuo em Relação ao Tamanho
Comparado a um servo motor de mesmo tamanho, um motor
de passo pode produzir mais torque contínuo em baixas
velocidades.
Somente 4 Contatos são Necessários
Isso minimiza o custo instalado, o que é particularmente
importante em aplicações em que as conexões são caras
(como em câmaras de vácuo).
Desvantagem do Motor de Passo
Ruído, Ressonância e Baixa Suavidade em
Baixas Velocidades
São críticas geralmente dirigidas a motores de passo
completo. Esses problemas podem ser quase totalmente
resolvidos com o uso de um motor de resolução mais alta.
Perda de Posição não Detectada em Malha Aberta
Isso só deveria ocorrer em situações de sobrecarga e em
muitas aplicações os problemas causados são poucos.
Quando a perda de posição não puder deixar de ser
detectada, um encoder de verificação pode ser acoplado,
resultando num sistema muito seguro (o encoder não é necessário
para o posicionamento, somente para confirmação).
Consome Corrente Quando Parado
Como é necessária corrente para produzir torque estável,
isso aumenta o calor do motor quando parado. Barulhento
em altas velocidades - o rotor de 50 pólos tem freqüência
magnética de 2,5kHz a 3000 rpm. Restrições magnéticas
causam um som alto correspondente.
Excessiva perda Eletromagnética em
Altas Velocidades
Mais uma vez devido à alta contagem de pólos, perdas de
corrente são maiores que num servo motor. Um motor de
passo é portanto não recomendável para operação contínua
em velocidades superiores a 2000 rpm.
Vantagens dos Motores DC com Escova
Baixo Custo
Os servo motores com escova são bem desenvolvidos e
baratos para produzir.
Rotação Suave em Baixas Velocidades
Há motores especialmente projetados para suavidade em
baixas velocidades com alto número de segmentos comutadores.
Drive de Baixo Custo
Um drive para motor DC com escova pode ser produzido
com custos muito baixos pois somente um único circuito
ponte é necessário.
Não Consome Energia Quando Parado
Sem cargas estáticas no motor, não é necessária corrente
para a manutenção da posição.
Alto Pico de Torque Disponível
Em aplicações intermitentes, particularmente quando posicionando
cargas principalmente inerciais, o motor pode ser
levado além de sua faixa contínua.
Curva Chata de Torque-velocidade
Oferece desempenho máximo com aumentos de aceleração
lineares gerados facilmente.
Grande Variedade Disponível
Os motores DC são produzidos em vários estilos incluindo
tipos com inércia muito baixa para aplicações altamente
dinâmicas.
Alta Velocidade
Os motores DC com escova são bons para velocidades de
até 5000 rpm.
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Princípios Básicos
Tecnologia Eletromecânica
Comparação Tecnológica
Desvantagens dos Motores DC
com Escovas
Manutenção das Escovas
Não necessariamente um problema se o motor for facilmente
acessível, mas complicado se o motor não for acessível.
Problemas em Ambientes de Risco ou Vácuo
Ventilação nas escovas é fundamental para sua operação.
Limitações do Comutador
Ciclos árduos causam desgaste, e a comutação mecânica
limita a velocidade. Movimentos repetitivos muito curtos, de
menos de uma rotação do motor, podem desgastar parte
do comutador.
Baixo Desempenho Térmico
Todo o calor é gerado no rotor, de onde a rota térmica para
o revestimento externo é muito ineficiente.
Pode ser Desmagnetizado
Excesso de corrente pode causar a desmagnetização parcial
do motor.
Custo Instalado Maior
O custo instalado de um servo sistema é maior que o de um
motor de passo devido à necessidade de componentes de
feedback.
Benefícios dos Servomotores Brushless
Vantagens de Desempenho
Todas as vantagens listadas para motores DC com escova
são aplicáveis aos servomotores brushless.
Nenhuma Manutenção
A ausência de comutador e sistema de escova elimina a
necessidade de manutenção periódica.
Bom Desempenho Térmico
Todo o calor é gerado no estator, onde pode ser eficientemente
combinado ao revestimento externo.
Possibilidade de Velocidades Muito Altas
Não há comutador mecânico que imponha um limite de
velocidade, e motores pequenos são normalmente
classificados para velocidades de até 12.000 rpm.
Praticamente Nenhuma Restrição Ambiental
Devido à ausência de engrenagem para escova, um servo
motor sem escovas pode ser usado em praticamente
qualquer ambiente. Para operação em altas temperaturas,
o uso de um resolver evita danos aos sistemas eletrônicos
do motor.
Desvantagens do Servomotor Brushless
Custo Mais Alto do Motor
Deve-se o custo mais alto ao uso de magnetos raros.
Drive Mais Complexo e Caro
Drives trapezoidais não são muito mais caros do que os
para motores DC, porém o senoidal é muito mais complexo.
Qual Tecnologia Usar
Este item dá idéia das aplicações que são particularmente
apropriadas para cada tipo de motor, e também certas
aplicações que é melhor evitar. Deve-se enfatizar que há
uma ampla variedade de aplicações que podem ser igualmente
atendidas por mais de um tipo de motor, e a escolha
será freqüentemente determinada pela preferência, experiência
anterior ou compatibilidade com equipamento existente.
Com a crescente demanda por motores inteligentes, o
diferencial de custo real entre servo motores com escova e
sem escova está diminuindo. Na maioria das novas aplicações
a escolha é, portanto, entre o motor de passo e o servo
motor brushless.
Para aplicações em que o custo é fator importante vale
sempre a pena tentar um motor de passo, pois ele geralmente
pode ser vencido em termos de custo. Isso é particularmente
válido quando as exigências dinâmicas não são
severas, como aplicações de “definição”, como ajustes
periódicos em máquinas de impressão.
Aplicações contínuas de alto torque e baixa velocidade
são apropriadas para servo motores de acionamento direto
(direct drive) e também para motores de passo. Em baixas
velocidades o motor de passo é muito eficiente em termos
de torque relativo a tamanho e energia de entrada. Um
exemplo típico seria uma bomba medidora para controle de
fluxo preciso.
Aplicações contínuas de alto torque e alta velocidade são
adequadas para um servo motor e, na verdade, um motor
de passo deve ser evitado em tais aplicações, pois as perdas
em altas velocidades podem levar a aquecimento excessivo
do motor. Um motor de corrente contínua pode oferecer mais
potência contínua do eixo em altas velocidades do que um
motor de passo de mesmo tamanho.
Movimentos repetitivos, rápidos e curtos podem exigir o
uso de um servo motor se houver exigência de alta dinâmica.
Contudo, um motor de passo pode oferecer uma solução
mais econômica quando as exigências forem mais modestas.
Aplicações de posicionamento em que a carga é fundamentalmente
inercial e não de fricção são adequadamente
servidas por um servo motor. A capacidade de fazer um servo
motor ir além das definições em trabalho intermitente permite
que um motor menor seja usado quando a exigência de
torque só ocorre durante aceleração e desaceleração.
Aplicações muito árduas com ciclo de alta dinâmica ou
que exijam velocidades muito altas normalmente exigem um
servo motor brushless.
Aplicações de baixa velocidade e alta suavidade são
adequadas para um sistema de micropasso ou direct drive.
Para aplicações em ambientes de risco normalmente não
se pode usar um motor DC com escovas. Dependendo das
exigências de carga, use um motor de passo ou servo motor
brushless. Lembre-se de que a dissipação de calor pode
ser um problema no vácuo.
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Aplicações
Tecnologia Eletromecânica
Cálculos de Sistema
Cálculos de Torque e Inércia
O primeiro passo para dimensionar um sistema de posicionamento
é calcular as necessidades de torque e velocidade
da carga. A velocidade é normalmente determinada pela
taxa de produção exigida, embora valha a pena ler as notas
neste capítulo sobre a relação entre potência do eixo e o
tempo de movimento - mesmo pequenas concessões nos
tempos de movimento podem ter efeito significativo na potência
necessária do motor. Estabelecer as necessidades
de torque normalmente exige alguns cálculos, dependendo
da natureza da carga e do movimento necessário. A Parker
tem um programa de dimensionamento para essa finalidade
que simplifica bastante o processo e faz a recomendação
do melhor pacote de motor para uma dada aplicação.
Contudo, iremos analisar os princípios básicos do cálculo
manual já que ele pode ser aplicado em qualquer situação.
Componentes do Torque de Carga
Num típico sistema de posicionamento, o motor deve desempenhar
duas tarefas distintas - acelerar e desacelerar os
componentes mecânicos, e superar a fricção no sistema.
Ambas as tarefas exigem torque do motor, mas cada uma
depende de propriedades mecânicas totalmente diferentes.
Calculando o Momento Inercial
O torque de aceleração/desaceleração depende somente
de dois parâmetros - o momento inercial do sistema todo,
incluindo o motor, e a taxa de aceleração exigida. Ao passo
que a fricção é resistência ao movimento, o momento inercial
pode ser descrito como resistência às alterações na velocidade
(aceleração ou desaceleração). É uma propriedade de
qualquer componente mecânico, e depende principalmente
do peso; mas no caso de componentes rotativos depende
da forma também. Com partes circulares ou cilíndricas como
eixos e polias, o material mais distante do eixo de rotação
tem um efeito muito maior na inércia que o material próximo
do centro. Um volante, por exemplo, que é deliberadamente
projetado para ter alta inércia de forma a minimizar as
mudanças de velocidade causadas por flutuações no torque
do motor, tem a massa concentrada perto das bordas. Se
tivesse espessura uniforme, teria inércia mais baixa para o
mesmo peso.
Em sistemas de posicionamento de alta velocidade é
essencial manter a inércia total no mínimo. Talvez não seja
preciso dizer que deve-se concentrar nos componentes que
mais contribuem para a inércia total, mas nem sempre é
óbvio quais são esses componentes. Em muitos sistemas
de parafuso guia, por exemplo, o próprio parafuso é o componente
inercial dominante e não a carga sendo movida (ver
exemplo a seguir).
Componentes Rotativos
Para calcular o momento inercial dos componentes rotativos
num sistema mecânico, precisamos conhecer seu formato
e peso. Felizmente a maioria desses componentes, como
eixos, parafusos guia, engates e engrenagens aproximamse
de formas cilíndricas simples. E como são normalmente
feitos de aço ou alumínio, podemos usar uma fórmula simples
baseada somente nas dimensões. Veja como calcular
a inércia desses componentes:
Fig. 7.1 Componentes cilíndricos rotativos.
Quando o componente é feito de aço:
J = 761 x D4 x L (J em Kg.m2, D & L em metros)
Para alumínio:
J = 261 x D4 x L (J em Kg.m2, D & L em metros)
Quando o peso é conhecido (ou pode ser calculado):
J = WD2 ÷ 8 (J em Kg.m2, W em Kg, D em metros)
(Observe que quando o comprimento é dobrado, dobra-se
a inércia; mas se o diâmetro for dobrado, a inércia aumenta
16 vezes).
Componentes que Movem-se em Linha Reta
Mesas e suportes móveis normalmente são impulsionados
por uma correia e sistema de polias ou por parafuso.
Fig. 7.2 Sistema movido por correia.
Para um sistema movido por correia ou corrente:
Inércia equivalente do peso W:
Jw = WD2 ÷ 4 (J em Kg.m2, W em Kg, D em metros)
Se a correia ou corrente tiver peso significativo, acrescenteo
ao da parte móvel antes do cálculo. Lembre-se de somar
a inércia de ambas as polias (calcular como cilindro).
W
p
L
D
W
D
Fig. 7.3 Sistema de parafuso.
Para um sistema de parafuso:
Inércia equivalente do peso W:
Jw = Wp2 ÷ (4x107) (J em Kg.m2, W em Kg,
p = distância linear percorrida/
giro em mm)
Lembre-se de somar a inércia do parafuso guia, mais uma
vez calculada como de cilindro.
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Cálculos de Sistema
Lidando com Torque de Atrito
Diferentemente do torque de aceleração, o torque de fricção
é raramente fácil de ser calculado. Ele pode ser extremamente
variável, dependendo de fatores como lubrificação e
o grau de pré-carga do mancal. Tabelas de posicionamento
normalmente têm um torque sem carga ou de liberação
especificado que um útil ponto de partida. Com sistemas
maiores ou montagens customizadas é bom medir o torque
de fricção, deixando uma margem para variações durante a
operação e entre um sistema e outro. Use uma chaveta de
torque se possível, ou enrole uma rosca em torno de uma
polia ou eixo usando uma mola para medir a força necessária
para fazê-lo girar. O torque de fricção é então:
T = WD x 4.9 (T em Nm, W é o contrapeso em Kg,
D é o diâmetro da polia em metros)
Para um fuso acme, pode-se calcular o torque necessário
para superar uma força linear agindo no suporte móvel (pode
ser fricção ou outro tipo de carga de impulso).
Fig. 7.4 Fuso acme com atrito.
Torque devido à força linear F:
T = Fp ÷ 6284e
(T em Nm, F em Newtons, p é a distância linear por volta
em mm, e é a eficiência do parafuso, ex: 0,8)
Para um sistema de correia ou corrente, a fórmula equivalente
é:
Fig. 7.5 Sistema de correia com atrito.
Torque devido à força linear F:
T = FD ÷ 2 (T em Nm, F em Newtons, D em metros)
Se a carga move-se verticalmente, a força linear F devida à
gravidade é:
F = 9,8W (F em Newtons, W em Kg)
O Efeito de Um Sistema de Redução
Introduzir um sistema de redução por engrenagem ou correia
dentada entre o motor e a carga pode ser uma técnica útil
porque a inércia da carga refletida é reduzida pelo quadrado
da razão do fator de redução. Isso pode ajudar a igualar a
carga inercial à inércia do motor, e no caso de sistemas de
fuso pode às vezes ser usada para melhorar o desempenho
dinâmico ou reduzir a necessidade de torque (ver exemplo
mais tarde).
Para um sistema de redução com razão N e eficiência e:
Torque de saída = torque de entrada x Ne
Inércia no eixo de entrada = inércia da carga ÷ N2
Cálculo do Torque de Aceleração
Quando a inércia total do sistema tiver sido determinada, o
torque de aceleração necessário é o produto da inércia e
da taxa de aceleração:
T = J x rot/Seg2 x 2π (T em Nm, J em Kg.m2)
O torque necessário para superar a fricção ou outras cargas
estáticas deve ser adicionado para que se obtenha o torque
total necessário.
Calculando a Potência do Eixo
Quando um motor adequado tiver sido selecionado, vale a
pena calcular o pico de potência exigido pela carga e
compará-lo com o pico de potência disponível no motor. Isso
confirmará que o dimensionamento é realista e pode ajudar
a evitar uma solução ineficiente em que o motor produza
somente uma fração de sua potencial potência de saída,
normalmente girando em baixas velocidades.
Potência é o produto de torque e velocidade:
Potência do eixo:
W = T x rot/seg x 2π (W em watts, T em Nm)
Usando um perfil de movimento trapezoidal típico, o pico de
potência necessário exigido pela carga é o produto de torque
e velocidade no final da aceleração ou início da desaceleração.
O pico de potência disponível num motor de passo é
aproximadamente quando o torque cai para 50% de seu
valor de baixa velocidade. O pico de potência dos servo motores
fica na quina da curva de pico de torque.
Fig. 7.6 Pontos de pico de potência.
W F
D
W
F
p
Time
Speed
Speed
50%
100%
A
A
B
B
Speed
Torque
C
C
Peak power points:
stepper motor
servo motor
load, trapezoidial move
Torque
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Aplicações
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Cálculos de Sistema
O pico de potência da carga deve sempre ser menor que o
pico de potência disponível no motor (não mais que 70% no
caso de um motor de passo). O torque e a velocidade podem
ser trocados mudando a razão de impulso, mas a potência
nunca pode ser aumentada.
Perfis de Movimento
O dimensionamento do motor para aplicações de alta velocidade
é freqüentemente baseado em perfis trapezoidais de
“terços iguais”, nos quais a aceleração, movimento de velocidade
constante e desaceleração ocupam cada um um terço
do tempo de movimento.
Esse perfil exige o pico de potência mais baixo durante o
movimento; um perfil triangular, ou um que tenha um segmento
de velocidade constante mais longo, exigirá pico de
potência do eixo maior para o mesmo tempo de movimento
e distância.
Fig. 7.7 Perfis triangulares e trapezoidais.
É simples calcular esse perfil máximo em que a distância
do movimento é fixa, como no indexamento repetitivo de
uma máquina embaladora, por exemplo. A exceção é o caso
em que isso resultaria numa velocidade máxima excessiva,
caso no qual um segmento de velocidade constante mais
longo será necessário.
Contudo, em muitas aplicações de posicionamento a distância
do movimento é variável, e o perfil só pode ser otimizado
para uma distância específica (não é normal mudar a
aceleração e a velocidade quando a distância do movimento
varia). Movimentos mais curtos que a distância especificada
resultam num segmento de velocidade constante mais curto
ou perfil triangular; movimentos mais longos simplesmente
estendem o segmento de velocidade constante. Em ambos
os casos não há aumento no pico de potência se os valores
de velocidade e aceleração não forem mudados.
A seguinte comparação mostra a velocidade máxima relativa,
taxa de aceleração e pico de potência para perfis triangulares
de trapezoidais de terços iguais para um movimento
de D rotações no tempo de t segundos.
Exemplo de Aplicação
V
Time t
Speed
t/3 2t/3
V
t
Speed
Time
100Kg Motor
10mm
5mm in 120mS
Jm = 5Kg-cm2
Triangular Trapezoidal Variação
trap/tri.
Velocidade Máxima 2D/t 5D/t 75%
Taxa de Aceleração 4D/t2 4,5D/t2 112,5%
Pico de Potência Jx8D2/t3 Jx6,75D2/t3 84%
Fig. 7.8 Exemplo de sistema com fuso acme.
Uma mesa que pesa 100Kg é movimentada por um fuso
acme de aço de 40mm de diâmetro e um metro de comprimento
com passo do fuso de 10mm. A carga precisa
mover-se 5mm em 120mS. O motor tem inércia do rotor de
5 Kg-cm2, e a fricção é desprezível. Usando um perfil de
movimento de terços iguais, quanto torque será necessário?
Inércia refletida da mesa
Jw = 100 x 102 ÷ 4 x 107
= 250 x 10-6 Kg-m2
Inércia do parafuso (cilindro de aço)
Js = 761 x (0,04)4 x 1
= 1900 x 10-6 Kg-m2
Inércia do motor (5 Kg-cm2)
(lembre-se 1 Kg-m2 = 104 Kg-cm2)
Jm = 500 x 10-6 Kg-m2
Inércia total
Jt = 2650 x 10-6 Kg-m2
Taxa de aceleração (distância = 0,5 rot.)
A = 4,5 x 0,5 ÷ 0,122
= 156 rot/Seg2
Torque de aceleração
T = 2650 x 10-6 x 156 x 2π
= 2,6 Nm
Como o torque seria afetado se a eficiência do fuso for
somente 70%?
A eficiência reduzida somente afetará o torque necessário para
acelerar a massa da mesa, pois o fuso propriamente dito é
diretamente conectado. Contudo, a eficiência reduzida do fuso
normalmente implica torque de fricção na porca também.
Proporção de inércia da mesa
= 250 ÷ 2650
= 0,094
Torque para acelerar massa da mesa
= 2,6 x 0,094
= 0,24 Nm
Novo valor com 70% de eficiência
= 0,24 ÷ 0,7
= 0,34 Nm
Aumento do torque
= 0,1 Nm
Nova demanda de torque total
T = 2,7 Nm
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Cálculos de Sistema
A velocidade máxima, a taxa de aceleração e a distância
percorrida pelo motor permanecem as mesmas.
Nova demanda de torque
T = 1225 x 10-6 x 156 x 2π
= 1,23 Nm
Qual é o novo fator de inércia carga/rotor?
Novo fator de inércia
= 725 ÷ 500
= 1,45:1
Como o pico de potência é afetado?
Novo pico de potência
W = 1,23 x 6,25 x 2π
= 48 watts
Esta é uma situação em que aumentando-se o passo do
fuso e a introdução de um redutor resultaram em melhoria
significativa. O fuso somente gira na metade de sua velocidade
anterior devido ao aumento do passo, e o efeito de sua
inércia é reduzido na razão da redução. O torque e potência
do motor necessários foram ambos reduzidos em 50%, e o
fator de inércia carga/motor é mais favorável.
Como a demanda de torque é então cerca de metade do
que era antes, usando o mesmo motor podemos dobrar a
taxa de aceleração e reduzir o tempo geral de movimento
em 30%. Na prática, os componentes de redução também
introduzem alguma inércia e atrito adicional.
Relação entre Potência do Eixo, Distância
de Movimento e Tempo de Movimento
As expressões no item anterior mostraram que a velocidade
máxima é proporcional a D/t, e a taxa de aceleração (portanto
o torque) é proporcional a D/t2. A potência é o produto
do torque e velocidade, e é portanto proporcional a D2 e a
1/t3. Podemos concluir que movimentar duas vezes a distância
no mesmo tempo exigiria 4 vezes a mesma potência do
eixo, e movimentar a mesma distância na metade do tempo
exigiria 8 vezes mais potência.
A potência máxima de um motor está relacionada a seu
tamanho, e um motor capaz de oferecer 8 vezes a potência
será muito maior. Ele terá também muito mais inércia, o que
aumentará ainda mais a demanda de torque. Assim, na
prática a potência adicional exigida para reduzir pela metade
o tempo de movimentação pode ser até 50 vezes maior.
Há duas importantes conclusões:
1. O tempo de movimento é um fator crítico na necessidade
de potência do sistema. Economia significativa pode ser
obtida reduzindo a exigência de tempo de movimento
quando possível, e é sempre bom observar outros aspectos
do ciclo de uma máquina para checar se outras economias
podem ser obtidas.
2. Um sistema de posicionamento bem projetado não pode
operar significativamente mais rapidamente que sua velocidade
de projeto. Por exemplo, com um sistema que
tenha margem de potência de 20%, só se pode esperar
um corte de até 5% no tempo de movimento e fazendo
com que tudo funcione no limite.
O que acontece se os rolamentos que movem a mesa tiverem
coeficiente de atrito de 0,2 (usando o fuso com 70% de eficiência)?
Força gravitacional devida à massa da mesa
= 100 x 9,81
= 981 Newtons
Força de fricção (μ = 0,1)
F = 981 x 0,2
= 196 Newtons
Torque para superar essa força
T = 196 x 10 ÷ 6284 x 0,7
= 0,44 Nm
Nova demanda de torque
T = 3,14 Nm
Quais valores de aceleração e velocidade precisariam ser
programados?
Taxa de aceleração (acima)
A = 156 rot/seg2
Velocidade
V = 1,5 x 0,5 ÷ 0,12
Voltando ao caso com fuso perfeito e nenhum atrito, qual
seria a demanda de pico de potência?
Pico de potência
W = 2,6 x 6,25 x 2π
= 102 watts
Qual o fator de inércia carga/rotor?
Mesa + inércia do fuso
Jw + Js = 2150 x 10-6 Kg-m2
Inércia do motor
Jm = 500 x 10-6 Kg-m2
Fator de inércia
= 2150 ÷ 500
= 4,3:1
Se introduzirmos uma redução de 2:1 e dobrarmos o passo
do fuso para 20 mm, o que acontece com a demanda de
torque? (ignore a inércia do sistema de redução).
Inércia refletida da mesa
Jw = 100 x 202 ÷ 4 x 107
= 1000 x 10-6 Kg-m2
A inércia do fuso será a mesma de antes. A inércia da mesa
mais a do fuso será agora reduzida pelo quadrado da razão
de redução.
Inércia da mesa + fuso
Jw + Js = 2900 x 10-6 Kg-m2
Inércia refletida no motor
= 2900 x 10-6 ( 4 Kg-m2
= 725 x 10-6 Kg-m2
Nova inércia total (acrescentada ao motor)
Jt = 1225 x 10-6 Kg-m2
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Tecnologia Eletromecânica
Cálculos de Sistema
Cálculo de Torque RMS
Quando um servo motor é usado em aplicações intermitentes,
é possível operar o motor em excesso em parte do ciclo
operacional contanto que ele tenha tempo para esfriar
depois. Uma taxa de intermitência típica é de até quatro
vezes o torque contínuo e é normalmente limitada somente
pela corrente disponível no drive. Contanto que o calor total
produzido durante um ciclo de operação não seja maior que
o produzido quando o motor opera de forma contínua em
seu torque especificado, é seguro concluir que o motor não
se superaquecerá.
A principal fonte de calor é a perda resistiva nos enrolamentos
do motor, que é proporcional ao quadrado da corrente
(lembre-se que W = RI2). Como a corrente e o torque são
diretamente relacionados (Constante de Torque), o calor
gerado também é proporcional ao quadrado do torque. Por
exemplo, com o dobro do torque haverá quatro vezes mais
calor produzido. Portanto, não podemos calcular uma simples
média aritmética do torque para calcular o calor total produzido
durante o ciclo. Precisamos usar uma média da raiz quadrada
(RMS-root-mean-square). A fórmula seria assim:
Fig. 7.9 Ciclo simples de máquina.
Tudo que fizemos aqui foi adicionar o calor produzido durante
cada parte do ciclo, dividi-lo pelo tempo total e tirar a
raiz quadrada para chegar a um torque contínuo equivalente.
O Que Acontece em Ciclos de Operação
Muito Longos?
Se o torque exceder a taxa contínua por um período longo,
é obviamente possível que o motor superaqueça durante
esse tempo embora o torque RMS seja aceitável. Por
exemplo, com o dobro do torque contínuo ficamos restritos
a 25% do ciclo (quatro vezes mais calor em um quarto do
tempo) Se for necessário torque por 1 segundo num ciclo
de 4 segundos tudo fica bem - mas por uma hora em ciclos
de quatro horas não é uma boa perspectiva, mesmo estando
em 25% do ciclo. Então qual é o limite?
O limite se resume à Constante de Tempo Térmica do motor.
Quando a corrente passa pelo motor, a temperatura
aumenta exponencialmente. Quanto maior o motor mais
lentamente a temperatura sobe. A constante de tempo térmi-
Torque (T)
Velocity
T1
T2
T3
(dwell)
t1 t2 t3 t4
ca é o tempo que se leva para atingir 63% da temperatura
final; são necessárias três constantes para atingir aproximadamente
95% da temperatura final, e depois disso as
coisas mudam bem lentamente. Para que nossos cálculos
de calor RMS sejam válidos, é importante que o ciclo
operacional completo seja curto em comparação com a constante
de tempo térmica do motor - 10% é um bom número.
Pode-se normalmente encontrar a constante de tempo
térmica nos dados do motor, e ela normalmente varia de 30
minutos para um motor pequeno a 90 minutos para um
grande. Um ciclo operacional de até 3 minutos é portanto
aceitável na maioria dos casos. Na prática ele é um ciclo
bastante longo, e isso não é um problema na maioria das
aplicações.
Dimensionando
Transformadores para
Sistemas de Posicionamento
Motores de passo e servo motores alimentados por um
transformador são normalmente especificados com um
transformador padrão que será adequado para todas as
aplicações práticas. Na verdade, isso significa que o transformador
é sobre-especificado na maioria dos casos. Embora
as quantidades envolvidas sejam pequenas, é melhor ter
uma solução garantida que fazer grandes esforços de
engenharia otimizando o projeto do transformador para economizar
uma quantidade relativamente pequena de dinheiro.
Quando quantidades maiores estão envolvidas ou quando
espaço é um fator a considerar, um projeto otimizado pode
ser justificável. Mas a maioria dos sistemas de posicionamento
envolvendo movimentos ponto-a-ponto podem ser difíceis
de dimensionar porque a energia muda significativamente
durante o ciclo operacional.
As exigências básicas para o transformador são:
1. Fornecer a energia média a longo prazo sem superaquecimento.
2. Fornecer o pico de demanda no curto prazo sem queda
excessiva de tensão.
A demanda de energia média de longo prazo pode ser
estimada quando os cálculos de torque RMS tiverem sido
feitos.
Quando o transformador estiver fornecendo picos de energia
maiores que a taxa contínua para períodos curtos (como 2
segundos ou menos), uma boa medida da taxa VA
necessária será maior que o seguinte:
1. Pico de carga x √ duração do pico de carga/tempo total
do ciclo.
2. 70% do pico de carga.
Por exemplo, um pico de carga de 1000 VA para um total de
400mS a cada 1,2 segundos exigiria uma taxa do transformador
de 1000 x a raiz quadrada de 0,4/1,2 = 577VA (70% do
pico de carga). Uma queda na tensão do barramento de
corrente contínua causada pela regulagem do transformador
afetará o desempenho em alta velocidade. A maior queda
T1
2t1+T2
2t2+T3
2t3+......
Trms =
t1 + t2 + t3+ t4 +.....
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Cálculos de Sistema
Fig. 7.10 Efeito da regulagem do transformador no desempenho
de servo motores.
A regulagem típica de um transformador depende da taxa
VA, mas a tabela abaixo pode ser um guia útil:
Freio Dinâmico de Servomotores
Numa situação de emergência, quando o motor precisa ser
parado após uma falha ou perda de energia, um freio
dinâmico pode ser usado para minimizar o tempo de desaceleração.
Consegue-se isso conectando uma carga resistiva
aos terminais do motor, forçando este último a funcionar
como gerador e produzir torque de frenagem. Esse torque
varia com a velocidade do motor, e inevitavelmente cairá
quando o motor evoluir para velocidades baixas. A maneira
como o torque varia com a velocidade é mostrada na Fig.
7.11 - ele atinge o máximo a uma velocidade chamada de
“velocidade central”.
O torque de frenagem máximo depende somente do motor,
enquanto que a velocidade na qual o torque máximo é
produzido depende do valor do resistor de parada. Para
desacelerar o motor o mais rapidamente possível, o valor
do resistor deve ser escolhido de forma a gerar o maior torque
na faixa de velocidade mais ampla possível. Isso exige
conhecimento da velocidade operacional máxima e de certos
parâmetros do motor.
Torque Continuous
Peak
DC bus drop
reduces available
torque & speed
Speed
100
80
60
40
20
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
% of
maximum
torque
% of maximum speed
CENTRE
SPEED
ocorrerá quando o sistema estiver fornecendo o máximo de
energia, que coincide com a quina da curva de pico de
torque. Isso tem o efeito de arredondar a curva de torquevelocidade
de forma que fica impossível operar no ponto de
quina. A maioria dos transformadores tem uma taxa de
tensão secundária que é especificada na corrente com carga
total. Isso pode resultar numa tensão sem carga inaceitavelmente
alta num transformador com regulagem deficiente.
Em transformadores da Parker a tensão secundária é especificada
como valor de circuito aberto, garantindo que a tensão
de barramento de corrente contínua sem carga não suba
até um nível que possa danificar o motor. Uma redução na
tensão do barramento com carga total afetará o desempenho
em alta velocidade mas não representa ameaça ao motor.
Taxa VA Regulagem Típica
100 - 500 8%
500 - 1000 6%
1000 - 1500 4 - 5%
1500 - 2000 3 - 4%
>2000 2 - 2,5%
Fig. 7.11 Variação do torque de frenagem dinâmico com velocidade.
Na prática, o valor do resistor de carga é normalmente escolhido
de forma a gerar torque máximo com a metade da
velocidade operacional máxima. Os resultado é um torque
de frenagem de mais de 80% do máximo sobre o limite de
75% da faixa de velocidade.
Cálculo do Valor da Resistência
A resistência de carga exigida por fase para produzir torque
de frenagem otimizado pode ser calculada com a seguinte
fórmula:
Resistência da carga
= 0,013 x Indutância x Nº de pólos do motor x
Velocidade máxima em rpm
A indutância é o valor linha-a-linha medido em Henrys, e a
resistência de carga calculada será a resistência total do
circuito em ohms incluindo a resistência do motor.
Exemplo: motor MB 145 30 28 operando em velocidade
máxima de 3000 rpm.
Dos dados do motor:
Indutância linha-a-linha
= 2,4mH (indutância de fase = 1,2mH)
Resistência linha-a-linha
= 0,31 ohm (resistência de fase = 0,155 ohm)
Nº de pólos = 8
O cálculo dá uma resistência total de carga por fase de 0,75
ohm. Isso inclui a resistência de fase do motor de 0,155 ohm,
portanto a resistência externa necessária será de 0,595 ohm.
Especificação de Energia do Resistor
Para uma primeira aproximação, a energia necessária para
os resistores de carga podem ser estimadas a partir da energia
cinética armazenada no sistema. Por exemplo, considerando
uma condição relativamente severa em que a carga
tem inércia de dez vezes a inércia do motor:
Para o MB 145 30 28 a inércia do motor é de 0,00115 kgm2
Inércia total
= 0,0270 kgm2
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Cálculos de Sistema
Fig. 7.12 Circuito dinâmico de frenagem típico.
0V
CONTACTOR
A1 output transistor
in the OFF condition.
DRIVE
U
V
W
E
DYNAMIC
BRAKE
LOAD
MOTOR
screen
GND 24V
10nf 63V
X11/7
X10/10
X10/16
X10/15
X10/14
+24V
Contactor
supply
Relay
1μF
SV DRIVE
A1 OUTPUT
Energia total armazenada no sistema a 3000 rpm
= 0,5 Jw2
= 1331 watt-segundos
O tempo necessário para que o motor desacelere dependerá
da velocidade máxima, da inércia do sistema e do torque
de frenagem disponível.
O torque máximo na velocidade central é dado por
T = 3Kt2 ( (L x Nº de pólos)
onde Kt = constante de torque por fase (rms)
L = indutância de fase
O tempo aproximado necessário para reduzir para 5% da
velocidade máxima é dado por:
t = 0,27 x Velocidade máxima em rpm x inércia
do sistema ÷ torque de frenagem máximo
Para o MB 145 30 28, Kt = 1,77 e o torque máximo (da
equação acima) é 19 Nm (isso significa que o torque de desaceleração
tem excesso de 15 Nm entre 3000 rpm e 750
rpm). O cálculo mostra que o motor deve parar em aproximadamente
1,15s.
Geralmente, os resistores de potência tem uma taxa de
sobrecarga de cinco vezes a potência normal num período
de 5 segundos.
Como o tempo que o motor leva para parar é de menos de
2 segundos e a energia a ser dissipada em 5 segundos é
622/5 = 125 watts, um resistor de 50 watts será adequado.
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Programação de Código X
Uma Introdução à Programação
de Código X
O código X é uma linguagem de comando criado pela Parker
especificamente para controle de movimento. É usado tanto
em controladores avulsos como em produtos com controladores
combinados. O Código X é direto e simples de ser
aprendido; a maioria dos comandos usa a letra inicial ou
letras do nome de sua função, por exemplo A para aceleração
e V para velocidade. Embora muitos produtos com
Código X ofereçam mais de 150 comandos, a maioria das
aplicações somente usa uma parte deles. A maioria dos
usuários, portanto, começa aprendendo somente os
comandos básicos de movimento, juntamente com comandos
adicionais específicos à sua aplicação em particular.
Uma Instalação Típica
Além da alimentação CA e cabos do motor, a única conexão
adicional exigida para uma instalação básica de drive indexador
(ou drive controlador) é um cabo RS232 de três condutores do
drive para um PC.
Fig. 8.1 Conexão RS232 de eixo único.
O PC pode ser configurado como um simples terminal com
o uso do X-Ware, um software fornecido juntamente com o
Código X que também incorpora armazenagem de programa
um editor de programa. Os comandos do Código X são
simplesmente digitados no teclado do PC e transmitidos ao
controlador como caracteres ASCII. Algumas observações
sobre a configuração e a solução de problemas para comunicações
RS232 podem ser encontradas no final deste capítulo.
Sistemas Multi-eixos
O Código X pode ser usado onde houver dois ou mais
controladores conectados ao PC. A conexão RS232 é feita
com o uso de uma “cadeia daisy” para que o sinal seja
passado de um controlador para o próximo e finalmente volte
ao PC. Nesse arranjo, cada controlador tem um “endereço”
diferente para distingui-lo dos outros. O endereço é simplesmente
um número (normalmente começando com 1) que é
setado nas dip-switchs, jumper links ou via softwares. Dessa
forma, os comandos que incorporam um endereço específico
só serão aceitos pelo controlador correspondente.
Todos os produtos com Código X podem armazenar programas
de movimento completos numa memória não volátil,
ou como função opcional. Uma vez programados é portanto
possível remover a conexão RS232. Um programa
armazenado pode então ser selecionado e inicializado por
sinais externos ou sinais de entrada, ou pode ser configurado
para rodar automaticamente quando o equipamento é ligado.
O indexador também pode aceitar comandos de Código X
em tempo real via RS232 de um controlador host, como um
PLC ou PC industrial.
Comando de Movimentos Básicos
Os seguintes comandos serão comuns a todas às aplicações.
Eles definem os parâmetros básicos associados a um
movimento; em muitas aplicações de posicionamento, a
aceleração e a velocidade aplicam-se a todos os movimentos
e são definidas somente no início do programa. O controlador
sempre usa o último valor especificado para qualquer parâmetro
até que ele seja re-escrito.
V - Velocidade, rot/Seg
A - Taxa de aceleração, rot/seg2
D - Distância, passos de motor/usuário
G - Ir
Exemplo:
V10 - velocidade definida para 10 rot/seg
A150 - aceleração definida para 150 rot/seg2
D4000 - distância definida para 4000 passos do motor
G - ir (iniciar o movimento)
Formato do Comando
Todos os comandos do Código X consistem de caracteres
maiúsculos distribuídos como segue:
[endereço do equipamento] [comando] [valor numérico]
[delimitador]
O endereço do equipamento nem sempre é necessário (ver
abaixo). O delimitador marca o final do comando e pode ser
um espaço (barra de espaço) ou retorno do cursor.
Exemplo:
2V10
Tipos de Comando
Os comandos podem ser agrupados em tipos diferentes
dependendo se vão entrar em uma fila de execução ou
executados imediatamente, e também aplicam-se a somente
um controlador ou a todos os controladores do sistema.
Comandos IMEDIATOS são executados assim que são
recebidos, independentemente do que estiver acontecendo
no momento. Um exemplo é o comando S para parar. Poucos
comandos entram nessa categoria.
Comandos BUFFERED entram num buffer tipo primeiroque-
entra-primeiro-que-sai (FIFO) e são executados na
ordem em que são recebidos. Cada comando será completado
antes que o próximo seja inicializado. Isso significa que
uma fila de comandos pode ser baixada do PC host sem
que seja preciso esperar que cada um termine. Há um limite
para o número de comandos que podem ser armazenados,
normalmente cerca de 2000 caracteres. Exemplos de
comandos buffered são V para Velocidade e G para Ir. A
maioria dos comandos pode ser armazenada na memória
para execução em seqüência.
RS232
cable
PC
Indexer/
drive
Motor
PC drive 1 drive 2 drive 3
Fig. 8.2 RS 232 Cadeia daisy.
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Aplicações
Tecnologia Eletromecânica
Programação de Código X
Comandos ESPECÍFICOS DE EQUIPAMENTO são executados
por um controlador ou “equipamento” somente,
conforme especificado pelo endereço. Os comandos dessa
categoria devem incluir um endereço, e são principalmente
comandos que exigem informação de volta, como se o motor
está pronto para um novo comando ou se está ocupado,
portanto é essencial que somente o eixo correto responda.
Os comandos definidos no manual como “específicos de
equipamento” não serão acionados sem um endereço. Um
exemplo é o R de reportar status - ele teria que ser enviado
como 1R para o eixo 1.
Comandos UNIVERSAIS são executados por todos os
equipamentos em cadeia. Nesse caso não há endereço
incluído, e o comando pode ser aceito por todos os eixos.
Um exemplo seria o V10 que determinaria a velocidade de
todos os eixos como 10 rot/seg. A maioria dos comandos
universais pode ser convertida para específica de equipamento
com a inclusão do endereço, por exemplo 3V10 definiria
a velocidade no eixo 3 somente para 10 rot/seg.
Modos de Operação
Todos os controladores de Código X podem operar em um
ou dois modos básicos - pré-definido (normal) ou contínuo.
MODO NORMAL (MN) - a distância do movimento é prédeterminada
usando o comando D (distância). Esse modo
é usado em todas as operações de posicionamento pontoa-
ponto normais.
MODO CONTÍNUO (MC) - nesse modo o motor opera de
forma contínua na velocidade especificada até parar ou até
que um novo comando de velocidade seja dado. Os dados
de distância definidos pelo comando D são ignorados.
Dentro do modo normal (MN) há duas outras opções:
MODO PRÉ-DEFINIDO INCREMENTAL (MPI) - cada movimento
é executado como incremento, com a distância determinada
pelo comando D. Em outras palavras, a distância
percorrida é relativa à posição atual.
MODO PRÉ-DEFINIDO ABSOLUTO (MPA) - nesse modo
o dado D ou distância é interpretado como posição absoluta
relativa à posição zero. Portanto, cada movimento será
relativo a uma posição absoluta definida, independentemente
da posição atual. O controlador calcula a distância necessária
e a direção do movimento para chegar à nova posição.
É possível alternar livremente entre o modo absoluto e o incremental
pois o controlador sempre armazena sua posição
absoluta atual.
Comandos Básicos Adicionais
Controle de Direção
No modo incremental normal o usuário determina a direção
de rotação do eixo pelo sinal de valor de distância. Assim,
D4000 irá determinar um movimento de 4000 passos no
sentido horário, e D-6000 determinará 6000 passos no sentido
anti-horário. A direção presumida é o sentido horário, a
menos que um sinal de menos seja incluído, embora seja
possível incluir um sinal de mais para o sentido horário se
assim se desejar.
Pode-se também controlar a direção usando os comandos
H. Um comando H permite definir ou mudar a direção sem
re-especificar a distância, e também pode ser usado no
modo contínuo (quando os valores de D são ignorados).
H+ define a direção no sentido horário
H- define a direção no sentido anti-horário
H (sem sinal) reverte a direção qualquer que ela seja.
Exemplo: D25000 G H- G
O motor opera em 25000 passos no sentido horário e então
25000 passos no sentido anti-horário.
Criando Loops
Quando um grupo de comandos tiver que ser repetido um
determinado número de matrizes, ou mesmo repetido continuamente,
pode-se fazer isso simplesmente encerrando os
comandos num loop. O comando de loop L marca o início
do loop, seguido pelo número de vezes que você quer repetilo,
como L6 por exemplo. O final do loop é marcado pelo comando
final N.
Exemplo: L20 D500 G N
O motor fará 20 movimentos de 500 passos cada.
Se não houver número incluído depois de comando L, o
loop irá se repetir continuamente. Ele pode ser interrompido
ou com o comando S (Parar), que aborta qualquer movimento
em andamento, ou com o Y que interrompe o ciclo
no final do loop em andamento.
Com a maioria dos controladores é possível colocar os loops
juntos, ou seja, é possível ter um ou mais loops dentro de
outro loop maior. Mas é importante que o número de
comandos N seja igual ao de comandos L, mesmo se
estiverem todos juntos.
Exemplo: L5 D1000 G L10 D200 G N N
Aqui cada um dos cinco movimentos de 1000 passos será
seguido pelo loop de 10 movimentos de 200 passos.
Acrescentando Temporizadores
É comum querer incluir um temporizador entre os movimentos,
por exemplo para permitir que uma operação externa
seja finalizada. Isso é possível com o comando T (temporizador)
seguido pelo tempo em segundos.
Exemplos: T2 resulta num temporizador de 2 segundos
T0,05 resulta num temporizador de 50mS
L20 D500 G T0,5 N
No último exemplo o comando T acrescenta um tempo de
espera de meio segundo entre cada movimento do loop.
Usando Gatilhos
O comando gatilho TR permite especificar um padrão nos
sinais de entrada do controlador que passarão para ou
desencadearão o próximo comando. O sinal poderia vir, por
exemplo, de um botão ou comutador. As opções nos sinais
de entrada são:
1 = alto sinal de entrada
0 = baixo sinal de entrada
X = indiferente (sinal de entrada pode ser alto ou baixo)
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Tecnologia Eletromecânica
Programação de Código X
Fig. 8.3 Típico padrão de movimentação em direção à posição de
origem.
Home Switch
Fast return (n)
Final slow
approach
Há várias opções disponíveis em conjunto com a rotina de
posição de origem, que varia de acordo com o tipo de controlador.
Eles possibilitam a escolha da velocidade de chegada
ao ponto final e podem selecionar qual borda do sinal de
origem é considerada como posição de parada.
Programando Seqüências de
Movimentação Completa
Uma seqüência é uma série de comandos que serão executados
na ordem programada. A seqüência pode ser iniciada
por um comando único, tornando mais fácil programar
operações repetidas. As seqüências podem ser armazenadas
em memória não volátil, selecionadas e inicializadas
por sinais de entrada gatilho sem a necessidade de uma
conexão RS232. Esse estilo de operação é particularmente
útil quando o controle geral da máquina é feito via PLC.
Observe que somente comandos buffered podem ser usados
e armazenados em seqüência e, por definição, comandos
imediatos serão executados assim que forem recebidos e
não serão armazenados no buffer de comando.
Todos os comandos em seqüência começam com X.
XDn inicia a definição de uma seqüência. Por exemplo, XD1
marca o início da seqüência 1.
XT encerra a seqüência. Veja um exemplo de seqüência
única:
XD1 A2 V10 D2000 G H- G XT
XRn opera a seqüência, assim XR1 opera seqüência 1.
Pode-se usar o comando XR para operar uma seqüência
de dentro de outra seqüência, como uma subrotina, por
exemplo:
XD2 A2 V10 D2000 G XR1 XT
Nesse caso a seqüência 2 incorpora a seqüência 1. (Com
certos tipos de controladores, XR age como um GoTo ao
invés de um GoSub, caso no qual não voltará à seqüência
primária. Veja no Guia do Usuário quando embutir XR’s numa
seqüência). Para mudar a seqüência, a antiga deve primeiro
ser deletada. Essa é uma função de segurança que minimiza
a possibilidade de re-escrever uma seqüência por engano.
XEn deleta uma seqüência, por exemplo XE2 deleta a
seqüência 2. Para verificar o que está programado numa
seqüência, pode-se voltar ao terminal.
aXUn carrega uma seqüência (é um comando específico
de equipamento e deve sempre incluir endereço). Por
exemplo, 1XU3 retorna a seqüência 3 para o controlador do
equipamento número 1.
Para Mais Informações
Esta é somente uma breve introdução ao Código X, mas
ilustra a natureza simples da linguagem e a facilidade com
que o controle de movimento pode ser programado. Guias
de Usuário dos produtos oferecem informações abrangentes
sobre todos os comandos disponíveis e maneiras de usálos.
Se estiver considerando o uso de um produto com
Código X, você pode solicitar uma cópia do Guia de Usuário.
O padrão de sinal de entrada é especificado na ordem
numérica dos sinais de entrada. Por exemplo: TR01X - continuar
para o próximo comando quando o sinal de entrada 1
for baixo e o sinal de entrada 2 for alto. Ignorar o que estiver
acontecendo no sinal de entrada 3. Na verdade, pode-se
ignorar qualquer rota X valores, e neste caso o TR01 funcionaria
bem também. Alguns controladores oferecem a opção
de versões alternativas do comando gatilho, como:
TRE - dispara o gatilho quando os sinais de entrada são iguais
aos padrões especificados (equivalentes ao TR)
TRN - dispara o gatilho quando os sinais de entrada não
são iguais ao padrão especificado
Usando Sinais de Saída Programáveis
O comando O (output) é usado para ligar e desligar sinais
de saída programáveis. Ele opera de forma similar ao comando
de gatilho de sinal de entrada pois um padrão necessário
é especificado para os sinais de saída. As opções são:
1 = output ligado
0 = output desligado
X = deixar inalterado
Exemplo: 2O1X1 - para endereço de eixo 2, ligar sinais de
saída 1 e 3, mas deixar o output 2 inalterado. Mais uma vez
a rota X pode ser ignorada.
Indo para a Posição de Origem
A maioria dos sistemas de posicionamento sem alguma forma
de dispositivo de posicionamento absoluto deve usar uma
referência mecânica ou posição de origem quando são ligados.
Isso estabelece onde a referência mecânica está e todos os
movimentos subseqüentes serão relativos à posição de origem.
Essa posição é normalmente determinada por um comutador
ou sensor de proximidade. O comando Ir para Posição de
Origem (GH) inicia o retorno automático à essa posição, começando
rapidamente e seguindo-se de uma lenta busca pelo
ponto de operação do sensor. O número que segue-se ao
comando representa a velocidade de início rápido.
Exemplo: GH5 - voltar para posição de origem a 5 rot/seg
(um sinal de direção pode ser incluído)
O padrão do início parecerá com a Fig. 8.3. Durante a fase
final do início rápido, o contador de posição absoluta é ressetado
para zero quando a borda sinal é detectada. Dependendo
do tipo de controlador, o sistema não necessariamente
pára na posição de origem - pode ser necessário tempo
para a desaceleração. Contudo, a posição foi capturada
quando a borda do sinal foi ultrapassada e um posicionamento
preciso foi estabelecido.
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Aplicações
Tecnologia Eletromecânica
Programação de Código X
Linguagem de Programação
Alternativa
Linguagem 6000
A linguagem 6000 da Parker foi desenvolvida a partir do
Código X para possibilitar uma programação conveniente
de controladores multi-eixos. Enquanto o Código X é ideal
para sistemas avulsos de 1 eixo, e pode dirigir-se a múltiplas
unidades via uma cadeia daisy, a linguagem 6000 simplifica
o processo de programação com controladores de dois ou
mais eixos. A linguagem 6000 geralmente usa mnemônica
mais longa que o Código X, o que permite a ela ser mais
descritiva. Além disso, a 6000 oferece funções mais avançadas
que as disponíveis no Código X, muitas das quais estão
relacionadas a sistemas de controle multi-eixos. Esses
incluem contorno, funções cam, controle de joystick, operações
de “ensino” e captura de dados em tempo real. A programação
de erro altamente funcional da 6000 permite a
recuperação mais eficiente de condições de erro.
A 6000 é uma linguagem muito versátil e universal que pode
ser usada numa ampla variedade de aplicações. As capabilidades
extras dessa linguagem naturalmente exigem mais
capacidade de processamento, e portanto o Código X é mais
apropriado para sistemas de baixo custo com necessidades
limitadas de funções.
Linguagem de Controle COMPAX
O Compax é um servo controlador totalmente digital que
inclui gerador de energia. Ele usa sua própria linguagem de
programação que tem comandos muito parecidos com os
da linguagem BASIC. Diferentemente de outros controladores
na linha da Parker, o Compax pode ser equipado com
equipamento específico da aplicação, o que simplifica a programação
de uma variedade de funções avançadas de máquina.
Entre essas funções incluem-se perfil de velocidade
baseado em tempo, geração de came, acompanhamento,
engrenagem eletrônica e aplicações de registro. Usando uma
estrutura exclusiva, programar essas funções envolve somente
a entrada de alguns parâmetros. A função de geração
de cam é particularmente importante, com um software dedicado
para simplificar a geração de perfis. Há uma opção
para entrar ou sair do perfil cam em qualquer estágio para
operações de máquina complexas.
Embora menos flexíveis que os produtos que usam a
linguagem 6000, os sistemas com o Compax são muito mais
simples de implementar quando uma opção de estrutura for
compatível com a aplicação. A programação “direcionada
para evento” não somente simplifica e reduz o tempo de
programação, mas também minimiza a quantidade de dados
que precisam ser transferidos. Isso significa que o Compax
é particularmente adequado para sistemas que usam
comunicação Fieldbus. Além do padrão Fieldbus RS485,
ele oferece a opção de Profibus e CANbus. Ele também é
equipado com o HEDA (Acesso a Dados de Alta Eficiência)
bus da Parker, que oferece sincronização de tempo muito
precisa entre todos os eixos num sistema. Isso combinado
ao sofisticado algoritmo oferece desempenho extremamente
dinâmico.
Solução de Problemas com o
RS232
Checando o Terminal
Desconecte o cabo RS232 do terminal ou computador.
Identifique os pinos 2 e 3 na porta serial - a Fig. 8.4 mostra o
layout dos pinos para os conectores de 9 vias e de 25 vias.
Coloque os pinos 2 e 3 juntos em curto. Se o conector serial
for fêmea, use um clip de papel para colocar os pinos em
curto. Se for macho, a lâmina de uma pequena chaveta de
fenda pode ser usada para conectar os pinos. Digite alguns
caracteres no teclado. Se nada aparecer na tela, você pode
estar se comunicando com a porta errada. Use seu software
de comunicações para mudar a porta COM e tente novamente.
Se os caracteres aparecerem ou se aparecerem duplos,
remova o curto circuito entre os pinos 2 e 3 e digite mais. Se
os caracteres continuarem a aparecer, ou você está se
comunicando com outro equipamento ou a porta COM (como
um mouse ou placa de rede) ou o eco local estão ligados.
Use seu software de comunicações para verificar se o eco
local está desligado e se estiver, tente mudar as portas COM.
Quando o terminal estiver operando corretamente, caracteres
únicos devem aparecer com os pinos 2 e 3 em curto, e não
devem aparecer quando o curto é removido.
Fig. 8.4 Conectores RS232 de 9 e 25 vias.
Checando o Cabo RS232
Reconecte o cabo RS232 ao terminal e deixe a outra extremidade
livre. Repita o último exercício colocando os pinos em
curto na extremidade remota do cabo. Se nenhum caracter
aparecer, há um problema no cabo. Se os caracteres aparecerem,
reconecte o cabo ao dispositivo sendo controlado
e tente novamente.
Se não houver resposta, verifique se o eco de retorno está
ligado no equipamento. Se ainda não houver resposta, tente
trocar as conexões Rx e Tx, e tente novamente. Verifique
também a conexão terra entre o terminal e o equipamento
(pino 5 num conector de 9 vias, e pino 7 num de 25 vias). Se
chegou até aqui sem sucesso, verifique os Manuais do
Fabricante sobre comunicação RS232 para tentar obter mais
instruções. Como último recurso, entre em contato com o
fabricante e peça assistência.
Verificando a Comunicação Correta
Quando tiver confirmado que os caracteres estão ecoando,
tente enviar um comando que produza uma resposta.
Exemplos típicos são 1R para Código X e !TAS para a série
6000. Se não houver resposta, verifique se o endereço correto
está sendo usado (tente 2R, 3R, etc). Observe que em certos
produtos o endereço pode ser selecionado por software.
Também é bom checar se a comunicação não foi desligada
no equipamento - envie o comando E para religá-la.
Pin: 2 3 7
Tx Rx G
25 Pin Connector
(Male)
Pin: 5 3 2
G Tx Rx
9 Pin Connector
(Female)
1
25
1
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Tecnologia Eletromecânica
Instalação do Equipamento
Princípios de Instalação EMC
EMC, ou compatibilidade eletromagnética, já foi definida de
várias formas. EMC significa que uma parte de um equipamento
nem gera excessivo ruído elétrico tampouco é
indevidamente sensível a ruído externo. A intenção básica
da diretriz européia para EMC é garantir que itens de
equipamentos elétricos e eletrônicos operem no mesmo
ambiente sem interferir um com o outro. Também ajuda a
restringir o aumento na interferência gerada pelo aumento
no uso de controles eletrônicos.
As exigências de instalação para compatibilidade com EMC
variam com o produto. Equipamentos marcados com CE e
certificados quanto à conformidade com EMC podem ser
instalados em qualquer local, contanto que as instruções
de instalação sejam seguidas. Outros equipamentos para
uso por fabricantes de sistemas qualificados exigem medidas
adicionais para garantir a conformidade com EMC e os
princípios gerais são descritos abaixo.
Proteção Externa
Para controlar as emissões, todos os equipamentos de
controle e motor devem ser instalados numa cabina de metal
que forneça isolamento adequado.
Filtragem
Instalar um filtro de fonte de corrente alternada no cabo de
energia da unidade para eliminar qualquer interferência.
Monte o filtro a 50mm do motor ou transformador, e passe o
cabo e qualquer fio terra perto do painel. Tente arranjar o
layout do motor e do filtro para que o cabo de corrente alternada
seja mantido longe dos condutores de saída do filtro.
Supressão
Dispositivos de supressão de interferência eletromagnética
externa, como absorvedores de ferrite, devem ser instalados
nos cabos de Sinal e Controle o mais perto possível da
unidade.
Pares Trançados
No caso de motores que têm sinais de entrada diferenciais,
é preferível usar um cabo com pares trançados para minimizar
a combinação magnética. Isso aplica-se a sinais analógicos
e digitais.
Malha
Use cabos com malha de alta qualidade para todos os sinais
de entrada de Sinal e Controle. A conexão da malha deve
ser a mais curta possível. O ponto de conexão para a malha
depende da aplicação. Alguns dos métodos recomendados
de conexão da malha, por ordem de eficiência, são:
a) Conectar a malha somente ao painel onde a unidade estiver
montada para aterramento (aterramento de proteção).
O uso deste método reduzirá a área de loop, e oferecerá
maior proteção.
b) Conectar a malha ao aterramento em ambas as extremidades
do cabo, normalmente quando a freqüência da fonte
de ruído é maior que 1 MHz.
c) Conectar a malha à unidade e deixar a outra extremidade
da malha desconectada e isolada do aterramento.
Separação
Nunca passe os cabos de Sinal ou Controle no mesmo
conduit que linhas de corrente alternada, condutores que
alimentam motores, solenóides, etc. Os cabos devem ser
passados em conduits de metal que sejam adequadamente
aterrados. Os cabos de Sinal e Controle dentro de uma cabina
também devem passar o mais longe possível de contatores,
Reles de controle, transformadores, e outros componentes
geradores de ruído.
Instalação P-Clip
A função do clip P é oferecer contato metálico de 360 graus
e um meio conveniente de garantir aterramento adequado.
Instalar o mais perto possível da extremidade do cabo, contanto
que um aterramento, contraplano ou pino terra estejam
acessíveis. O uso de um clip P de latão ou outro metal condutor
inerte é recomendável.
Supressão de Surtos
Instale componentes de supressão de surtos, como filtros
de resistores/capacitores ou diodos de fixação, em todas as
bobinas elétricas, como contatores.
Opto-isolamento
O isolamento de sinais remotos com o uso de Reles em estado
sólido ou opto-isoladores é recomendado.
Motores, Instalação Elétrica
Embora haja princípios gerais bem aceitos, a instalação
elétrica tende a ser específica a um tipo de motor em particular.
Os comentários que seguem aplicam-se principalmente
aos servomotores da Parker, embora muitos pontos
sejam relevantes para outros tipos de motor também.
Colocando os Cabos nos Conduits
A razão mais comum para falha de encoder é a religação incorreta
depois que um cabo tenha sido removido, normalmente
quando é passado por um conduit.
Antes de desconectar qualquer cabo, faça um desenho
preciso das conexões a quaisquer cabos do terminal ou
conectores de várias vias. Se um cabo de par trançado for
usado, preste atenção a como os cabos são combinados.
Como muitos pares têm um cabo preto, marcar o cabo no
desenho como “preto” não é identificação suficiente. É uma
boa idéia colocar uma pequena luva nos pares à medida que
são desconectados - isso mantém os dois cabos juntos.
Quando preparar e desconectar um cabo de par trançado,
sempre remova o suficiente da malha externa (no mínimo
100mm) para garantir que os pares corretos estão trançados
juntos. Então, coloque uma pequena luva nos dois antes de
cortar na extensão necessária.
Quando estiver passando um cabo de um motor ML por um
conduit, é mais fácil desconectar o cabo na extremidade do
motor. Primeiro remova a caixa do terminal e desenhe as
conexões como descrito acima. Pode-se então desparafusar
os terminais e soltar o cabo da porca.
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Aplicações
Tecnologia Eletromecânica
Instalação do Equipamento
Aclopando Motor e Carga
Por que usar um acoplamento caro quando é possível usar
uma simples camisa de aço? Não há razão, contanto que
se possa garantir que o eixo do motor e o eixo da carga
estejam perfeitamente alinhados, e que sua luva de aço se
ajuste perfeitamente. Na prática, raramente atingimos a
perfeição, então o engate deve ter conformidade suficiente,
ou flexibilidade para acomodar qualquer desalinhamento
sem sobrecarregar o mancal do motor.
Há dois tipos de desalinhamento que qualquer acoplamento
encontrará em maior ou menor grau. Um é o desalinhamento
angular, que ocorre quando os dois eixos estão num leve
ângulo em relação um ao outro. O outro é o desalinhamento
radial, no qual os eixos são paralelos mas não concêntricos
- seus eixos são deslocados. O acoplamento também pode
ter que lidar com movimento axial devido, por exemplo, à
expansão térmica.
Fig. 9.2 Desalinhamento angular e radial.
Um acoplamento projetado para aplicações com motor de
passo e servo motor deve acomodar qualquer desalinhamento
sem que haja folga (movimento perdido quando a
direção é mudada) ou conformidade tensional (o acoplamento
pode ser torcido com facilidade). A folga e conformidade
tensional excessiva podem levar à instabilidade,
tornando o giro do servo motor extremamente difícil e impondo
um severo limite ao desempenho.
O número de designs de acoplamento disponível hoje parece
infinito, portanto o próximo problema é decidir que tipo
usar. Vamos nos concentrar em dois designs que são
adequados para uma ampla variedade de aplicações, o
acoplamento membrana e o acoplamento Oldham. Esses
acoplamentos irão acomodar ambos os tipos de desalinhamento
e tem pouca conformidade tensional e causam pouca
folga.
Angular
Radial error error
Axial movement
Diagram by courtesy of Huco Engineering Ltd.
Fig. 9.3 Acoplamento membrana típico.
Conexões de Um Motor de Passo
A maioria dos motores de passo é fornecida com condutores
curtos, ou no caso de motores maiores, com um terminal de
conexão. Como eles são remontados ao motor, depende
muito da aplicação e da distância envolvida. Se a máquina
estiver a 3 m do motor, o tipo de cabo usado não é um fator
crítico, contanto que possa transportar a corrente necessária
sem se superaquecer.
Se a distância for maior que isso ou o ambiente for eletricamente
ruidoso, pode ser melhor usar um cabo protegido. O
ruído capturado pelo cabo do motor não deve afetar o motor
diretamente, mas será reconduzido ao motor e poderá
causar problemas nos sinais de entrada. Cabos protegidos
serão também necessários quando for exigida conformidade
com EMC.
Motores, Instalação Mecânica
Montando o Motor - Registro Piloto
Muitas pessoas pensam que um guia piloto na frente de um
motor atrapalha. Ele significa que se você tentar montar o
motor numa placa plana, será necessário colocar buchas
entre o flange do motor e a placa, para evitar que o flange
entorte.
Fig. 9.1 Guia piloto do motor.
O guia piloto é fornecido para que o motor possa ser colocado
concentricamente à carga. Isso é particularmente
importante quando o motor é acoplado a um redutor planetário
ou mesa X-Y. O guia deve encaixar-se num assento amortecido
na placa de suporte - é isso que coloca o motor num
lugar não os pinos de apoio. O guia piloto é usinado com
uma tolerância pequena, normalmente ±0,05mm.
Quando especificar o assento amortecido, especifique a
menor tolerância do assento como igual à maior tolerância
do guia. Em outras palavras, o guia maior deve encaixar no
menor assento. Isso garante a melhor localização e o encaixe
em qualquer circunstância. A profundidade do assento deve
ser sempre maior que a espessura do guia piloto para que o
guia possa ir até o fundo do assento.
Se for preciso montar o motor numa placa plana e a concentricidade
não for importante, o melhor é usar um espaçador
usinado que acomode o guia. Como nesse caso, não será
usado o guia para assentar o motor, a tolerância no assento
usinado no espaçador não é crítica.
pilot
register
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Aplicações
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Instalação do Equipamento
Os acoplamentos membrana normalmente têm dois discos,
como mostrado. Uma versão de disco único existe mas não
tolera nenhum desalinhamento radial. Acoplamentos de
disco único são normalmente usados em pares com um eixo
flutuante entre eles. Uma montagem completa consistindo
de dois acoplamentos de disco único mais um eixo de ligação
é conhecida como Cardan; ele opera da mesma forma que
um acoplamento de dois discos, exceto pelo fato de que
quanto maior o eixo de ligação, maior o desalinhamento radial
que pode ser acomodado. Os três elementos do Cardan
podem normalmente ser montados no local.
são particularmente bons na acomodação de movimento
axial e oferecem rigidez torcional extremamente alta. O
acoplamento de feixe helicoidal tem a vantagem de ser de
baixo custo, mas tem rigidez torsional relativamente baixa e
gera altas cargas no mancal quando há desalinhamento.
Ambos os tipos de acoplamento são mais propensos a falhas
a menos que bem utilizados dentro de suas especificações.
Instalando o Acoplamento - Métodos de Fixação
com Grampos
Quando o acoplamento tiver sido selecionado, o próximo
passo é decidir como fixá-lo ao eixo do motor e carga. Uma
bucha bi-cônica ou “taper lock”, usada junto com uma
chaveta, é o método preferido. Ele mantém a concentricidade
e prende o eixo numa área extensa, o que é muito desejável
onde há torques e rápidas reversões. Nessa situação, a
chaveta é usada primariamente como dispositivo de
segurança para evitar que algo escorregue no caso de sobrecarga.
Ela não é usada para transmitir torque. Infelizmente,
muitos acoplamentos são muito pequenos para
acomodar esse tipo de bucha.
Os grampos são provavelmente a fixação mais comum para
acoplamentos pequenos e são geralmente confiáveis se
usarmos um veda rosca nos parafusos. Ele vai agir como
lubrificante antes de assentar, reduzindo as perdas friccionais
e maximizando a força de retenção - mas não permaneça
apertando os parafusos por muito tempo! Use buchas
sob as cabeças dos parafusos sempre que possível.
Fig.9.4 Um eixo sem suporte (flutuante).
Os acoplamentos de membrana podem operar em altas
velocidades, tipicamente de até 25000 rpm, e tem longa vida
útil pois não há partes deslizantes. Contudo, são mais caros
que a maioria dos outros tipos de acoplamento.
Diagram by courtesy of Huco Engineering Ltd.
Fig. 9.5 Um típico acoplamento Oldham.
Como o acoplamento Oldham tem três elementos separados,
as duas peças podem ser colocadas soltas em relação
aos eixos antes da montagem e o disco central colocado
depois que o eixo do motor e da carga tiverem sido instalados.
Isso pode ser útil em situações de difícil acesso. Da
mesma forma, os eixos podem ser desacoplados simplesmente
soltando uma das peças. O disco central existe em
diferentes materiais para oferecer as propriedades desejadas.
Por exemplo, o acetato dá longa vida útil e boa rigidez
à torsão; o nylon dá boa absorção à vibração e operação
silenciosa. Como o disco desliza de forma contínua, ele gradualmente
se desgasta e provoca folga, e deve ser substituído.
Os acoplamentos Oldham não podem ser usados em
eixos sem suporte. São um dos tipos mais baratos de
acoplamento, mas só são adequados para velocidades de
até 3000 rpm.
Seguem alguns números típicos que mostram o quanto cada
um dos acoplamentos pode acomodar desalinhamento.
Outros tipos de acoplamento que são às vezes usados em
aplicações de baixo consumo de energia são os acoplamentos
sanfona e os de feixe helicoidal. Acoplamentos sanfona
Fig. 9.6 Um grampo folha e um grampo de aperto.
Colocação dos Parafusos
A colocação de parafusos é outro método comum, mas só
deve ser usado para aplicações de baixo torque. Não aperte
o parafuso na rota da chaveta - você pode usinar um furo ou
achatamento no eixo, a menos que se tome as mesmas
precauções tomadas para encurtar o eixo, descritas mais
tarde. Uma desvantagem do parafuso é que, diferentemente
do grampo, ele cria uma pequena depressão no eixo e
pequenos ajustes tornam-se praticamente impossíveis.
É essencial que o diâmetro do acoplamento e do eixo sejam
próximos quando parafusos são usados - a área livre não deve
ser maior que 0,025mm. Isso é importante porque o parafuso
sempre força o eixo para um lado do diâmetro do acoplamento,
e uma área livre maior pode levar o acoplamento a pivotar em
torno do parafuso, levando a um rápido desgaste. Dois
parafusos, distantes entre si 90°, são uma melhoria significativa
e dobram o torque que pode ser transmitido (ver tabela na
página 49). Forçando o eixo para um dos lados do diâmetro,
também cria-se excentricidade, e deve-se usar um acoplamento
que possa acomodar essa ecentricidade. Sempre tente colocar
o parafuso o mais centralmente possível ao longo do acoplamento
ou extensão da polia.
Membrana Oldham
Desalinhamento Angular Máximo 4° 1°
Desalinhamento Radial Máximo 0,4 mm
11% do Ø do
Acoplamento
Movimento Axial Máximo 0,2 mm 0,3 mm
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Instalação do Equipamento
A tabela abaixo é uma guia de torque máximo recomendável
com o uso de acoplamentos ou polias acopladas por
parafusos. Os números referem-se a um único parafuso e
podem ser dobrados se dois parafusos distantes 90° forem
usados.
tante permitirá que o acoplamento deslize facilmente no eixo.
Mas esse pequeno espaço irá inevitavelmente levar a alguma
folga (as passagens tanto no eixo quanto na polia devem
ser profundas o bastante para garantir um espaço adequado
para a chaveta).
A melhor maneira de solucionar o problema é ter um parafuso
no acoplamento que cause um pequeno achatamento
no topo da chaveta. Outra solução é usinar a chaveta com
um passo para que ela se ajuste em ambas as passagens,
mas como isso evita que o acoplamento deslize facilmente
no eixo, deve-se tomar cuidado para não danificar os
mancais do motor. Aplicar uma grande carga axial (por
exemplo com uma prensa de alavanca) e martelar o
acoplamento no eixo são as causas mais comuns de danos
ao mancal que levam a falhas prematuras. Se uma bucha
“taper lock” for usada, esses problemas não aparecem
porque a bucha desliza no eixo com facilidade e não há
folga, pois a bucha fixa-se firmemente ao eixo.
Lembre-se que uma chaveta de 5mm num eixo de 15mm
transmitindo torque de 10Nm está sujeita à força de ruptura
de 30 MegaNewtons/m2. Uma chaveta mal colocada irá
chacoalhar quando o motor mudar de direção e sob esse
tipo de força, não seria inédito a chaveta se desgastar e se
transformar num perfeito cilindro que se reduz em diâmetro
até o sistema falhar.
Tolerâncias do Eixo
Há uma teoria popular de que o acoplamento deve ser bem
justo no eixo e ser instalado cuidadosamente com o martelo
mais longo que houver. É verdade que se o acoplamento
estiver muito solto, um leve movimento entre o eixo e o
acoplamento faria com que ambos se desgastassem e
falhassem. Mas os mancais são relativamente frágeis e a
força usada para instalar o acoplamento não deve exceder
a força axial máxima, como mostra a Fig. 9.10. Normalmente
a tolerância mais alta do eixo será igual à tolerância mais
baixa do diâmetro do acoplamento, e deve haver sempre
um pequeno espaço entre os dois.
Se você tiver um eixo na tolerância máxima e um acoplamento
na mínima, será muito difícil fazer o deslize. A solução
mais simples é colocar um anel de papelão ou plástico fino
no eixo, para evitar que poeira entre no mancal, e fazer o
motor funcionar enquanto segura-se um pedaço de papel
carborundo em torno do eixo. Teste sempre o tamanho do
eixo para garantir que não se elimine demais.
Encurtando o Eixo
É surpreendente a freqüência com que os usuários acham
necessário encurtar o eixo de um motor. O problema pode
ser evitado se for dada um pouco mais de atenção ao projeto.
Se o encurtamento for inevitável, é essencial que o eixo
seja apoiado de forma que o mancal do motor não seja
submetido a choques ou esforço. Não deve haver risco de
que detritos ou óleo refrigerante entrem no mancal. Não
permita que o eixo esquente muito - se ele chegar a mais
de 120° há o risco de desmagnetização parcial do motor.
Apoie o eixo no lado do motor do corte, o mais perto possível
do corte, usando um bloco em V ou grampo. O motor deve
Ø Eixo Tamanho Torque Máximo
(mm) do Parafuso (Nm)
6 M2 0.1
6 M3 0.2
11 M3 0.4
11 M4 0.8
15 M3 0.5
15 M4 1
15 M5 2
Pinos
Furar e usar pinos no eixo é um método que é ocasionalmente
usado, mas só é adequado para aplicações de baixo
torque. O furo reduz consideravelmente a área de corte transversal
do eixo e, como conseqüência, o torque que ele pode
transmitir. Se o eixo já tiver uma passagem de chaveta, a
situação fica ainda pior. Deve-se lembrar que a força de um
pino de 3mm é só 20-30% daquela de uma chaveta de 3mm,
Se essa opção de fixação for escolhida, deve-se tomar as
mesmas precauções na furação do eixo que as tomadas
para encurtá-lo, que serão descritas mais tarde. Os
comentários sobre tolerância do eixo/acoplamento feitos
para a fixação por parafuso também aplicam-se à fixação
por pino.
Uso de Adesivos
O uso de adesivos anaeróbicos, como Loctite, entre o eixo
e o acoplamento, é freqüentemente benéfico. Esse tipo de
adesivo endurece na ausência de ar. Adesivos só devem
ser usados juntamente com um dos métodos de fixação
descritos acima. Se um adesivo viscoso de alta resistência
for usado ele deve ser espalhado no eixo antes da montagem,
enquanto que um adesivo mais fino pode ser aplicado
no vão depois de instalado o acoplamento. Se um adesivo
for usado, será quase impossível remover o acoplamento
sem danificar o motor, a menos que tenha sido deixado
bastante espaço entre o acoplamento e o motor para inserir
um instrumento extrator. Outro ponto a considerar é que no
caso de falha, não será possível reparar o motor sem um
trabalho de reconstrução caro.
Chavetas e Passagens de Chaveta
“Você nos mandou a chaveta errada - ela não entra na
passagem”. É uma reclamação comum entre os novatos na
instalação de motores.
Uma chaveta padrão de 3mm, por exemplo, é cerca de
0,04mm mais larga que a passagem de chaveta no eixo e a
intenção é que ela seja lixada para que o encaixe seja justo.
E por que o fabricante não faz a chaveta com a largura
correta? É uma questão de tolerância - a chaveta deve ficar
bem justa na passagem de chaveta do eixo porque a passagem
do acoplamento é cerca de 0,025mm maior que a do
eixo. Isso garante que uma vez que a chaveta tenha sido
lixada para a passagem de chaveta do eixo, o espaço resul50
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Aplicações
Tecnologia Eletromecânica
Instalação do Equipamento
Fig. 9.7 Um eixo de motor apoiado para corte.
Carga Radial do Mancal
Não é incomum que um motor seja devolvido com o eixo
rompido na frente ou atrás do mancal frontal. Os motores
também são devolvidos com mancais que falharam depois
de apenas alguns meses. Em quase todos os casos de falha
do eixo, e na maioria das falhas de mancal, a causa é a
mesma - carga radial muito alta agindo muito perto do final
do eixo. A causa mais freqüente disso é uma correia supertensionada,
normalmente numa polia que fica acima da
extremidade do eixo porque a placa de suporte do motor é
muito espessa.
Fig. 9.8 Carga radial e axial.
Altas cargas radiais aplicadas ao eixo do motor afetarão tanto
a vida útil do mancal quanto a probabilidade de falha do
eixo.
Vida Útil do Mancal
Se houver uma grande força radial na calha interna do
mancal, isso pode esmagar as esferas entre as duas calhas.
Isso resulta em arranhões das calhas, levando a um
funcionamento desequilibrado e desgaste excessivo. A Fig.
9.9 é um gráfico da vida útil do mancal comparada à carga
radial num servo motor típico, presumindo que a carga aja
até a metade da extensão do eixo.
Os tempos de vida útil são dados para velocidades de
operação constantes específicas, e pode-se usar as curvas
como guias para estimar a vida útil em velocidades intermediárias.
Se o motor estiver acelerando ou desacelerando
numa proporção significativa do tempo, estime a velocidade
média em todo o ciclo operacional e use esse número. (Uma
média simples é boa o suficiente aqui - a vida útil do mancal
depende menos da velocidade absoluta que do número total
de rotações). Se a carga for ativa na extremidade do eixo,
pode-se esperar que a vida útil seja reduzida em cerca de
15%. Esses gráficos presumem que uma carga axial seja
menor que 30% da carga radial.
Fadiga do Eixo
Fica claro que qualquer carga radial irá comprimir um lado
do eixo e criar tensão no outro. À medida que o eixo gira,
cada elemento individual do eixo passa por alternância entre
tensão e compressão, o que pode causar fatiga do metal.
A linha vertical na Fig. 9.9 representa a carga radial máxima
que pode ser aplicada na metade do eixo sem risco de que
haja falha devido à fadiga do metal. Será necessário reduzir
esse número pela metade se a carga for aplicada na
extremidade do eixo.
Carga Axial do Mancal
Os motores são normalmente equipados com buchas de
mola que aplicam uma pequena carga axial aos mancais o
tempo todo. Isso toma qualquer espaço entre as esferas e
as calhas para evitar que as esferas chacoalhem, o que
causaria desgaste. Uma pequena quantidade de carga axial
adicional não causa danos, mas quando a carga atinge um
nível em que as esferas são forçadas para dentro das calhas,
o mancal se desgasta rapidamente.
A Fig. 9.10 mostra como a carga radial deve ser reduzida à
medida que a carga axial aumenta. Tanto a carga radial
quanto a axial são expressas como porcentagem da carga
radial Fr, que é o valor da Fig. 9.9 para a velocidade média
apropriada e vida do mancal exigida.
Fig. 9.9 Curvas típicas de vida útil do mancal (servo motores Parker
ML34).
Fig. 9.10 Carga radial permitida x carga axial (servo motores Parker
ML34).
clamp here
sawcut
vee blocks
rubber block
Motor
radial load
Motor axial load
50,000
40,000
30,000
20,000
10,000
0
0 200 400 600 800
Bearing
life in
hours
Radial load (Newtons) half way along shaft
100 300 500 700
4000 rpm
3000 rpm
2000 rpm
1000 rpm
*Shaft fatigue limit for ML3450A & ML3475A is 1000 Newtons
shaft fatigue limit for
ML3450B & ML3475B*
125% Fr
100% Fr
75% Fr
50% Fr
25% Fr
0
0 25% Fr 50% Fr 75% Fr 100% Fr
30% Fr
Axial load
Fr is the radial load from bearing life curve
Derated
radial
load
ser frouxamente apoiado para evitar esforço do mancal. Use
um anel de fita adesiva ou composto adesivo moldável (como
Blue-Tack) para evitar que o óleo refrigerante ou detritos
entrem no mancal. Lembre-se de qualquer forma de modificação
do eixo feita após despacho da Parker invalida a
garantia do eixo, mancal, encoder ou resolver.
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Tecnologia Eletromecânica
Instalação do Equipamento
Correias
O ato de tensionar uma correia pode ser considerado uma
arte e não uma ciência, em parte porque não há diretrizes
simples que possam ser aplicadas. Como resultado, a tendência
é tensionar a correia o máximo possível presumindose
que seja a única maneira de eliminar a folga. A conseqüência
é o rápido desgaste da correia, redução da vida útil
do mancal e até falha do eixo. Mas há uma abordagem mais
científica recomendada.
Para estimar a tensão correta da correia, é preciso saber a
força periférica na polia do motor (Fp) quando o motor está
produzindo o máximo de torque. Pode-se calcular essa força
dividindo o torque máximo em Nm pelo raio da polia do motor
em metros (lembre-se de dividir pelo raio não pelo diâmetro).
Uma tensão de correia entre 30% e 50% de Fp é normalmente
usada para correias curtas ou resistentes (não elásticas),
e altas tensões (50-65% de Fp) são usadas para correias
longas ou elásticas. Deve-se usar a tensão mais baixa que
garanta que a correia nunca fique completamente frouxa.
Se isso acontecer, os dentes da correia podem começar a
encavalar com os dentes da polia e isso acelera o desgaste.
A forma mais simples de tensionar uma correia, presumindo
que o eixo possa ser movido livremente, é usar uma mola
para aplicar força igual a duas vezes à tensão de correia
exigida naquele eixo.
Fig. 9.11 Tensionando uma correia.
Outro método é medir a força necessária para produzir uma
deflexão conhecida no centro da extensão da correia. Diretrizes
gerais não podem ser dadas aqui porque a deflexão depende
de um fator de alongamento determinado pelo material e
construção da correia, e esse fator pode variar em 10:1 ou
mais. Contudo, o fabricante da correia normalmente fornece
uma fórmula para essa deflexão. Quando instalar um sistema
de correia, sempre monte a polia o mais perto possível do
motor para evitar momento de curvatura excessivo no eixo.
Vibração
A maioria dos problemas causados por vibração excessiva
serão bastante óbvios, como parafusos soltos. Um que não
é tão óbvio é o dano que a vibração pode causar a um mancal
estacionário. Se um motor for submetido à vibração prolongada,
ou no armazenamento ou montado na máquina sendo
raramente usado, as esferas irão aos poucos causar pequenos
amassos em seus pontos de contato com a calha. Isso
fará com que o mancal torne-se barulhento e aumentará o
desgaste.
Taxas IP (Proteção)
As taxas IP são listadas na tabela ao lado. Os primeiros
números IP referem-se à proteção contra objetos sólidos, e
o segundo número à proteção contra líquidos.
A maioria dos motores de passo e servo motores sem escova
são classificados como IP54, embora para maior precisão
isso aplique-se somente do flange para trás. Em outras
palavras, o corpo do motor é razoavelmente bem vedado
mas não há vedação positiva no mancal frontal. Na maioria
das aplicações a superfície de apoio dá um grau de proteção
ao mancal, e para fins práticos uma classificação geral de
IP 54 é aplicável. Contudo, se o motor for montado verticalmente
com o eixo para cima, a condensação excessiva pode
formar uma poça na caixa do mancal e entrar no motor.
Nessas situações será necessária a proteção adicional de
uma vedação de eixo.
Para melhorar a classificação para IP65, um vedante do eixo
é acrescentado, e todas as juntas metal-metal recebem
gaxetas. Todas as vedações do eixo exercem força de fricção
sobre o eixo e irão se desgastar. Contudo, a maioria dos
motores IP65 tem eixos de aço (exceto para motores de
passo que sempre têm eixo de aço inoxidável) e irão sofrer
corrosão em condições de umidade. Isso acelera consideravelmente
a taxa de desgaste. Portanto, quaisquer esforços
para manter umidade, óleo refrigerante, poeira fina, vapores
corrosivos, etc. longe do motor valem a pena.
Tabela de Taxas para 1º e 2º números IP
1º: Proteção contra
0 Nenhuma proteção.
1 Objetos de mais de 50mm, como toque acidental da mão.
2 Objetos de mais de 12 mm, como dedos.
3 Objetos de mais de 2,5mm, como ferramentas e fios.
4 Objetos de mais de 1mm, como pequenos fios e ferramentas.
5 Poeira, entrada limitada permitida (nenhum depósito prejudicial).
6 Proteção total contra poeira.
2º: Proteção contra
1. Água caindo verticalmente, como condensação.
2. Sprays diretos de água de até 15° da vertical.
3. Sprays diretos de água de até 60° da vertical.
4. Spray de água de todas as direções, ingresso limitado permitido.
5. Jatos de água de baixa pressão de todas as direções, ingresso
limitado permitido.
6. Fortes jatos de água, ingresso limitado (como em decks de navios)
7. Imersão entre 15cm e 1m.
8. Longos períodos de imersão sob pressão.
Considerações Térmicas
O torque contínuo (ou torque estático) é o torque constante
que o motor pode produzir sem superaquecimento. Esse
torque pode ser estimado com o motor montado em três
posições - num tanque de calor infinito, num tanque de calor
“padrão”, normalmente com resistência térmica de cerca de
0,5°C por watt e não montado em nenhuma forma de tanque
de calor. O valor mais útil é o obtido no tanque de calor
padrão, pois é uma boa aproximação de uma montagem
típica. Um suporte muito espesso pode permitir o aumento
do torque contínuo em até 20%, a montagem numa placa
fina pode implicar num erro de classificação de 20%.
Os torques estimados em outras bases têm valor prático
limitado. Um bom fluxo de ar vertical não obstruído, ou o
esfriamento forçado, ajudará a aumentar a classificação do
torque contínuo.
2Fp
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Aplicações
Tecnologia Eletromecânica
Considerações de Segurança
Paradas em Emergência
Por razões de segurança, é normalmente necessário
incorporar algum sistema de parada de emergência nas
máquinas com motor de passo e servo motores. Pode haver
várias razões para que seja necessária uma parada rápida,
sendo as mais óbvias:
n Evitar danos ao operador se ele errar ou operar a
máquina incorretamente.
n Evitar danos à máquina ou ao produto devido a
atolamento.
n Evitar as conseqüências de falha da máquina.
É necessário considerar as possíveis razões de parada para
garantir que sejam adequadamente cobertas.
Métodos de Parada do Motor
Há várias formas de fazer um motor parar rapidamente. A
escolha depende da importância de parar no tempo mais
curto possível ou de parar em qualquer circunstância. Por
exemplo, parar o mais rapidamente possível normalmente
significa usar o poder de desaceleração do servo sistema.
Mas se o servo motor falhou ou o controle foi perdido, essa
não é uma opção. Nesse caso interromper a energia
garantirá a parada do motor, mas se a carga tiver alta inércia
o tempo para parada pode ser inaceitavelmente longo. Se a
carga estiver se movendo verticalmente e puder reverter o
motor, há ainda mais complicações. Em casos extremos
onde a segurança pessoal estiver em risco, pode ser necessário
travar mecanicamente o sistema mesmo que haja risco
de dano para a máquina. Os padrões europeus descrevem
duas categorias de parada de emergência:
A Categoria 0 envolve parar através da interrupção imediata
da energia usando somente componentes eletromecânicos
com cabos. Essa deve ser a opção quando somente a
interrupção de energia pode garantir uma parada rápida e
segura.
A Categoria 1 refere-se a uma parada controlada com a
energia mantida para que o motor pare rapidamente seguido
pela remoção da energia até que a parada seja alcançada.
Nas aplicações de Categoria 0 a situação é bem simples - o
circuito de parada de emergência simplesmente interrompe
o fornecimento de corrente alternada para o motor. Em
motores que incorporam um circuito de depósito de energia,
um grau de parada dinâmica pode ser fornecido depois que
a energia é interrompida. Mas os capacitores de energia
podem levar algum tempo para baixar e isso pode aumentar
a distância de parada. Uma alternativa possível é desconectar
o motor e remover a fonte de corrente alternada, mas
isso não é recomendável. Não somente o tempo de parada
depende somente da carga inercial e fricção, como também
pode-se danificar certos tipos de motor desconectando-o
sem cortar a energia.
A parada de emergência por corte da corrente alternada só
deve ser considerada quando sozinha ela garantir a rápida
parada. Para aplicações de Categoria 1 precisamos considerar
o melhor método para atingir uma parada controlada
antes do corte de energia.
Usando Parada Controlada de Torque Total
Aterrar o sinal de entrada a um servo amplificador operando
em modo de velocidade fará com que ele desacelere no
limite de corrente, ou seja, usando o máximo de torque. Isso
cria a desaceleração mais rápida possível, mas só pode ser
usado com servo motor de velocidade - a mesma técnica
não pode ser usada com amplificador de torque, pois aterrar
o sinal de entrada simplesmente produzirá torque zero. No
último caso normalmente será necessário confiar numa
função do controlador para atingir uma parada rápida. Se
estiver usando um servo motor digital com sinais de entrada
direcionais e de passo, cortar os pulsos de passo também
provocará a rápida desaceleração, mas veja a advertência
no final deste capítulo.
A situação é diferente para um motor de passo de loop
aberto. Será necessário diminuir a freqüência de pulso de
passo para zero, para utilizar o torque disponível. Simplesmente
cortar os pulsos de passo em velocidades acima da
taxa de início-parada irá dessincronizar o motor e o torque
de desaceleração não estará mais disponível. Muitos controladores
de passo e servo controladores podem gerar rápida
desaceleração independentemente da taxa normal programada,
a ser usada somente para superar o limite de distância
percorrida e em funções de parada de emergência. Essa
desaceleração deve ser definida como a mais alta que o
sistema pode manipular com segurança.
Usando a Parada Dinâmica
Os servo motores convencionais se comportarão como
geradores quando operados mecanicamente. Aplicando uma
carga resistiva ao motor, um efeito de parada é produzido e
é dependente da velocidade. A desaceleração portanto tende
a ser rápida em altas velocidades, mas cai quando o motor
se desacelera. Escolhendo cuidadosamente um resistor de
carga em relação à velocidade operacional máxima, o motor
pode produzir torque de frenagem substancial numa
ampla área da faixa de velocidade. Um contator de mudança
pode comutar as conexões do motor para carga resistiva, e
pode ser à prova de falhas garantindo-se que a parada ocorra
se a interrupção de energia falhar.
Mais informações sobre a parada dinâmica podem ser
obtidas, incluindo cálculo da resistência de frenagem ótima,
num capítulo anterior deste manual.
Usando Parada Mecânica
É freqüentemente possível instalar um freio mecânico ou
diretamente no motor ou em outra parte do mecanismo.
Contudo, tais freios são normalmente projetados para evitar
o movimento com o equipamento desligado e são raramente
adequados para fazer o sistema parar rapidamente, particularmente
se o motor estiver fornecendo corrente plena no
momento.
Freios podem causar fricção mesmo quando soltos, e
acrescentar inércia ao sistema - ambos efeitos que aumentam
as necessidades de potência. Mas se um freio mecânico
for necessário por outras razões, como por exemplo evitar
que um eixo vertical caia ou trave o sistema enquanto parado,
faz sentido usá-lo como parte da rotina de parada de
emergência.
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53
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Apostila 1600.231.01 BR
Aplicações
Tecnologia Eletromecânica
Considerações de Segurança
Controle de Parada de Emergência
Reles eletromecânicos convencionais são geralmente o
ponto fraco de circuitos de segurança. Seu modo de falha é
indeterminado, mas é freqüentemente relacionada aos
contatos soldados. Os Reles projetados para uso em paradas
de emergência têm abrangente proteção contra falha
devido à redundância (um relay duplicado que irá operar se
o relay primário falhar), e monitoramento cruzado (contatos
adicionais que evitam a ressetagem se um relay falhar). Eles
também incorporam “diretrizes positivas”, que garantem que
contatos normalmente abertos não possam fechar antes que
contatos normalmente fechados tenham se aberto.
Para atender às exigências de Categoria 1, uma operação
em dois estágios é necessária, na qual uma parada controlada
é seguida pelo corte da corrente alternada. O primeiro
estágio da parada controlada pode depender de software e
do uso de lógica eletrônica. O segundo estágio pode garantir
o corte de corrente alternada através de componentes
eletromecânicos. A parada dinâmica também pode ser
introduzida nesse ponto para auxiliar a rápida parada no
caso de falha do controlador.
Os Reles de parada de emergência, projetados para
Categoria 1, incorporam contatos de “atraso por desenergização”
que são inerentemente à prova de falhas (ver
Fig.10.1). Os timers de atraso convencionais não podem
ser usados, pois não têm a redundância à prova de falhas
necessária.
Aterramento de Segurança
Todo equipamento mantido dentro de uma cabina de metal
e que transporta corrente alternada deve ter um aterramento
de proteção. Em condições de falha, essa conexão deve ser
capaz de lidar com qualquer falha de corrente até que a
proteção corte o suprimento. Na prática, isso significa que
o cabo usado para o aterramento de proteção deve ser no
mínimo equivalente em capacidade de transporte de corrente
para os cabos.
O aterramento de proteção pode ser feito com condutores
de cobre ou partes estruturais eletricamente conectadas.
Se a conexão de aterramento for formada por componentes
estruturais, eles devem ter uma área transversal no mínimo
equivalente ao condutor de cobre necessário para a mesma
tarefa.
Não é necessário que os condutores do aterramento de
proteção dentro da cabina sejam isolados; se forem o
isolamento deve ser verde/amarelo. Os condutores de
proteção internos em conjuntos como cabos fita e cabos
flexíveis estão isentos dessa obrigatoriedade.
O terminal para conexão de aterramento de proteção
externo com a máquina devem ser identificados com as letras
PE (ver Fig. 10.2). Não use a identificação PE para quaisquer
outros terminais no sistema - as conexões de aterramento
de proteção de outros componentes como motores devem
ser identificadas com os símbolos mostrados no diagrama
ou a cor verde/amarela. Não use o terminal PE para qualquer
outro fim, como conexão 0v.
Fig. 10.1 Circuito de parada de emergência de dois estágios.
ADVERTÊNCIA - deve-se garantir que a taxa de desaceleração
usada nas condições de parada de emergência possa
ser manipulada com segurança pela mecânica do sistema.
Se o pico de torque disponível no servo motor for bem maior
que o normalmente usado, pode haver risco de dano
mecânico quando desacelerando no limite de corrente total.
Isso é particularmente válido se uma engrenagem de alta
razão estiver sendo usada.
Mais Informações
Um folheto com mais detalhes sobre muitos aspectos de
segurança de máquina foi publicado pela Pilz UK. Ele inclui
capítulos sobre padrões europeus, avaliação de risco,
componentes e diagramas de fiação para muitos tipos de
circuitos de segurança. Agradecemos à permissão da Pilz
UK para utilizar essa informação na confecção deste manual.
instant
'stop'
signal
E-stop relay
delayed
final
isolation
Servo
drive/
controller
E-stop
button
motor
Internal
protective
conductor
Protective earth
for motor case
PE
terminal
External protective
earth connection
Internal
equipment
Fig. 10.2 Conexões e símbolos do aterramento de segurança.
Observe se não há conexões ou combinações de plugssoquetes
que possam interromper a união de proteção. O
circuito condutor de proteção só deve ser cortado depois
que um circuito condutor vivo for quebrado, e deve ser reestabelecido
antes que o circuito vivo seja restaurado.
Mais informações sobre a segurança do aterramento pode
ser encontrada na Norma de Segurança de Máquina BS
EN60204-1 Parte 1.
54 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda.
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Aplicações
Tecnologia Eletromecânica
Considerações de Segurança
N.C.
switch
N.C.
switch
✔ ✖
+ +
Sensores de Limite em
Aplicações de Segurança
Crítica
Em muitas aplicações de baixo consumo de energia, a
provisão para os sensores de limite de distância percorrida
é uma questão de conveniência operacional ou um meio de
evitar danos mecânicos. Em um caso ou outro, há normalmente
uma escolha entre os tipos de sensores adequados,
dependendo de fatores como espaço disponível e facilidade
de incorporação de um atuador apropriado. Mas em
situações em que a segurança for o mais importante, como
quando a falha em parar pode causar danos pessoais, é
essencial usar o tipo correto de sensor e instalá-lo de
maneira intrinsecamente segura.
Podemos dividir os sensores de limite de máquina em duas
categorias - de contato e de não-contato. Os sensores de
contato são normalmente microchaves convencionais; os
tipos de não-contato incluem detetores de proximidade
(capacitivos, indutivos ou óticos) bem como sensores reed.
Todos os tipos podem ser usados em aplicações não críticas,
mas microchaves rolantes mecanicamente operados são
inerentemente muito mais seguros que os tipos de não
contato. Aplicações em que a segurança é crítica exigem
que os sensores de limite sejam dispositivos de “acionamento
positivo”. Isso significa que os sensores de contato
são diretamente combinados ao atuador via um componente
não resiliente que garante que os contatos sejam abertos
mesmo quando há solda, não se pode contar com as molas
internas para abrir os contatos. Não use sensores de
proximidade que são mais facilmente inutilizados.
Os sensores devem ser arranjados de forma que possam
ser sobreutilizados, use sensores duplos se necessário. Eles
também devem ser ligados a um circuito de Parada de Emergência
(nesse caso a emergência deve ser ressetada mesmo
quando o limite ainda estiver presente para permitir que o
sistema seja desconectado). Os circuitos de entrada do sensor
de limite são arranjados de forma que um circuito fechado
é necessário para operação normal. Isso garante que uma
condição de limite seja detectada se as conexões para o
sensor de limite forem cortadas ou tornarem-se circuitosabertos.
Um lado do sensor deve ser comum à fonte de corrente
contínua (e não ao aterramento) - ver Fig. 10.3. Dessa
forma um curto circuito para o terra de uma das conexões
do comutador criará uma condição limite mesmo se o
suprimento de corrente for cortado ao mesmo tempo.
Fig. 10.3 Conexões de comutador de limite preferenciais e não
preferenciais.
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Soluções em Movimento e Controle
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Notas
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