Servo Motor - Veja como Funciona e Quais os Tipos.
O servo motor é muito utilizado
em controle de precisão em projetos de automação industrial. No passado, quem ouvia
falar em servo motor imaginava sua aplicação
somente em projetos especiais com necessidade de controle preciso de torque,
velocidade e posição. No entanto, atualmente observa-se que cada vez mais seu
custo vem se reduzindo fazendo com que ele seja uma excelente alternativa
em substituição a acionamentos com motores de indução, atuadores
hidráulicos e pneumáticos.
Embora os servo motores não sejam uma classe específica
de motor (podem ser CC ou CA, síncrono ou de indução), eles são destinados e
projetados para uso em aplicações de controle de movimento que exigem posicionamento de alta precisão,
reversão rápida e desempenho excepcional. Sendo assim,
eles são amplamente utilizados em robótica, sistemas de radar, sistemas de
fabricação automatizados, máquinas-ferramentas, computadores, máquinas CNC,
sistemas de rastreamento, etc.
Abaixo, podemos visualizar uma tabela
em que é possível comparar o servo motor com diferentes atuadores
utilizados hoje em dia na indústria, suas vantagens e desvantagens:
Tipo de Acionamento
|
Pontos Fortes
|
Pontos Fracos
|
|
Dispositivo Mecânico
|
Dispositivo Hidráulico / Pneumático
|
– Estrutura simples
– Preço competitivo |
– Baixa acurácia
– Pode produzir vibração – Pode poluir o ambiente |
Dispositivo Eletromecânico
|
Motor de Passo
|
– Controlador simples
– Preço competitivo |
– Altos ruídos e vibrações
– Não possui tamanhos elevados |
Motor de Indução
|
– Preço competitivo
|
– Não se aplica a alta precisão
|
|
servo motor
|
– Alta precisão no controle
– Torques altos e Força motriz elevada – Ruídos e vibrações baixos – Excelente manutenção |
– Preço um pouco elevado
|
|
Motor Linear
|
– Alta velocidade e precisão no controle
– Sem conversão mecânica |
– Preço elevado
|
Veja na tabela que sistemas
hidráulicos e pneumáticos ainda possuem a vantagem de preço com relação a servo
motores. Mesmo assim, já podemos observar várias aplicações em que estes são
substituídos por servos, principalmente aplicações hidráulicas que necessitam
de precisão. Nestes casos, os servos se tornam uma boa alternativa visto que
não possuem os problemas de vazamento de óleo, poluição do solo e tem a
vantagem de serem mais simples e precisos no acionamento se comparado a
atuadores hidráulicos.
1 . O que é um Servo Motor?
A principal diferença entre um servo
motor e os outros motores (tanto de corrente alternada quanto contínua) é que
os servos possuem incorporado neles um encoder e um controlador. Ou seja,
os servos nada mais são do que motores comuns com controladores e encoder
acoplados.
Avançando um pouco mais na definição,
um servo motor é um atuador rotativo ou linear que garante o controle,
velocidade e precisão em aplicações de controle de posição em malha
fechada. Outra característica que podemos citar é que o servo motor é
projetado com pequeno diâmetro e longo comprimento do rotor se diferenciando
dos motores convencionais. Vamos ver a seguir como ele funciona:
Figura 1 – Servo motor industrial
O servo motor trabalha com
servo-mecanismo que usa o feedback de posição para controlar a velocidade e a
posição final do motor. Internamente, um servo motor combina um motor com um
circuito de realimentação, um controlador e outros circuitos complementares.
Ele usa um codificador ou sensor de velocidade
(encoder) que tem a função de fornecer o feedback de velocidade e posição.
O sinal de realimentação por sua vez
é comparado com a posição de comando de entrada (posição desejada do motor
correspondente a uma carga) e produz o sinal de erro (caso houver uma diferença
entre eles). O sinal de erro disponível na saída do detector de erro não é
suficiente para accionar o motor. Assim, o detector de erro alimenta um
servo amplificador que eleva a tensão e o nível de potência do sinal de erro e
então gira o eixo do motor para a posição desejada.
2 – Tipos de Servo Motores
Basicamente, os servo motores são
classificados em CA (corrente alternada) e CC (corrente contínua), dependendo
da natureza da alimentação de energia necessária para sua operação. Os
servo motores CC são de imã permanente com escova e é empregado em
projetos menores devido ao seu custo, eficiência e simplicidade. Já os servos
CA são mais frequentemente utilizados na indústria por suportar aplicações que
demandam maior potência e fornecer exatidão elevada no seu controle e
baixíssima manutenção.
Os servos CA podem ser divididos em 2
categorias: Os síncronos e os de indução. Temos ainda um terceiro tipo que
por sua vez é mais empregado em aplicações menores (o motor de passo). Veja na
Figura abaixo os tipos de servoacionamento que podem ser encontrados atualmente
no mercado:
Figura 2 – Tipos de Servo Motores.
Abaixo, temos uma tabela onde é
possível visualizar as potência suportadas por cada tipo, bem como vantagens de
desvantagens de cada tipo de servoacionamento:
Característica
|
Motor de Passo
|
Servo motor cc
|
Servo motor ca Síncrono
|
Servo motor ca Indução
|
Capacidade (watts)
|
– Menor de 100W
|
– Menor do que 500W
|
– De 100 a 3,5 KW
|
– Acima de 3,5 KW
|
Vantagens
|
– Compacto
– Custo reduzido |
– Pequena dimensão externa
– Alto torque – Boa eficiência e controle Custo acessível |
– Alta Velocidade
– Alto torque – Boa eficiência operacional – Baixa manutenção |
– Alta Velocidade
– Altos picos de torque – Boa eficiência operacional – Baixa manutenção – Durabilidade |
Desvantagens
|
– Ruído magnético
– Baixa velocidade |
– Limite na retificação
– Baixa confiabilidade – Maior manutenção |
– Custo alto
|
– Baixa eficiência em
capacidades menores – Controle complexo – Custo elevado |
3 – Servo Motor de Corrente
Contínua CC
Um servo motor cc consiste em um conjunto de um
pequeno motor de corrente contínua, um potenciômetro de realimentação, uma
caixa de engrenagem e pelo circuito eletrônico do acionamento e loop de
controle. Um servo motor cc é semelhante a
um motor de corrente contínua normal sendo que o estator dele é
constituído por uma estrutura cilíndrica e o ímã é acoplado ao interior
de sua armação. Veja Figura abaixo:
Figura 2 – Servo Motor de
Corrente Continua (CC)
Na Figura 2 podemos visualizar o
rotor do servo motor cc que consiste de
escova e eixo. Um comutador e uma estrutura de suporte de metal que se encaixam
no rotor, estão ligados à carcaça externa e o enrolamento de armadura é
enrolado na estrutura do suporte de metal do rotor. Uma escova é construída com
uma bobina do induzido que fornece a corrente ao comutador. Na parte de trás do
eixo, um encoder é incorporado no rotor, a fim de detectar a velocidade de
rotação.
Com esta construção de motor, fica
mais simples projetar um controlador usando circuitos simples porque o torque é
proporcional à quantidade de fluxo de corrente através da armadura.
Outra característica deste servo
motor é que a polaridade instantânea da tensão de controle decide a
direção do torque desenvolvido pelo motor. Tipos de servo motores CC incluem:
motores de série, motor de derivação de controle, motor de derivação em série e
motor de derivação de ímã permanente. Veja abaixo um vídeo da construção de um
servo CC tipo RC para pequenas aplicações.
3.1 – Princípio de Funcionamento do Servo Motor CC
Como vimos, um servo CC é um conjunto
de quatro componentes principais: motor de corrente contínua, um dispositivo de
detecção de posição, um conjunto de engrenagens e um circuito de controle. A
figura abaixo mostra as peças que compõem servomotores RC (o mesmo do
vídeo acima) onde um motor cc pequeno é
empregado para acionar a pequenas cargas com velocidade e posição
precisas.
Figura 3 – Partes de um Servomotor CC
tipo RC
No tipo de servomotor RC, uma tensão
de referência CC é ajustada para o valor correspondente à saída desejada. Esta
tensão pode ser aplicada utilizando um potenciômetro, um gerador de largura de
pulso de controle (PWM) para o conversor de tensão, ou através
de temporizadores dependendo do
circuito de controle. A regulagem do potenciômetro produz uma tensão
correspondente que é então aplicada na entrada do amplificador de erro.
Em alguns circuitos, é utilizado um
impulso de controle para produzir uma tensão de referência CC correspondente à
posição ou velocidade desejada do motor que é aplicada a um conversor de
largura de pulso (PWM). Neste conversor, o capacitor começa a
carregar a uma taxa constante quando o pulso é alto. Então a carga no capacitor
alimenta o amplificador buffer quando o pulso está baixo e esta carga
é ainda aplicada ao amplificador de erro. Dessa forma, o comprimento do pulso
soluciona a tensão aplicada no amplificador de erro como uma tensão
desejada para produzir a velocidade ou posição desejada.
No controle digital, microprocessador
ou microcontrolador são utilizados para gerar os pulsos de PWM para
produzir sinais de controle mais precisos. Veja abaixo um diagrama mostrando
como é feito o controle:
O sinal de realimentação
correspondente à posição atual da carga é obtido utilizando um sensor de posição.
Este sensor é normalmente um
potenciômetro que produz a tensão correspondente ao ângulo absoluto do eixo do
motor através do mecanismo de engrenagem. Então o valor de tensão de
realimentação é aplicado na entrada do amplificador de erro (comparador).
O amplificador de erro é um
amplificador de realimentação negativa e tem a função de reduzir a diferença
entre suas entradas. Ele compara a tensão relacionada à posição atual do motor
(obtida pelo potenciômetro) com a tensão desejada relacionada à posição
desejada do motor (obtida pela largura de pulso ao conversor de tensão), e
produz o erro em forma de tensão positiva ou negativa.
Esta tensão de erro é aplicada à
armadura do motor. Se o erro for maior, mais saída é aplicada à armadura do
motor. Enquanto o erro existir, o amplificador amplifica a tensão de erro e,
consequentemente, a energia da armadura. O motor gira até que o erro se torne
zero. Se por outro lado o erro for negativo, a tensão da armadura inverte e,
neste caso, a armadura gira na direção oposta.
4 – Servo Motor de Corrente
Alternada CA
Com vimos, existem dois tipos
distintos de servo motor ca: síncrono e de
indução:
O motor de indução (gaiola de
esquilo) possui o seu motor construído de alças de fio encurtadas em uma
armadura giratória. A tensão é “induzida” no rotor através de indução
eletromagnética. A principal diferença do servo motor de indução com
um motor de indução comum é que o rotor da gaiola do servo é construído
com barras condutoras mais finas, de modo que a resistência do servo motor seja
menor do que a de um motor de indução comum. Eles são robustos, versáteis
e podem fornecer potência considerável, sendo mais encontrados em aplicações
maiores pois não possuem bom rendimento a baixas potências.
O servo motor ca síncrono é o mais
encontrado na indústria e é composto de estator e rotor. Seu estator
consiste em uma estrutura cilíndrica e núcleo, sendo que a bobina de indução é
enrolada em volta do núcleo do estator e a extremidade da bobina é ligada
a um fio condutor através do qual é fornecida corrente ao motor. O rotor é
constituído por um ímã permanente e assim o servo motor não depende
do tipo de indução de corrente alternada no rotor. O servo motor ca também pode ser chamado de
brushless (sem escova) por causa de suas características estruturais.
Abaixo, podemos ver uma figura de um
servo motor síncrono e suas características:
4.1 – Princípio de Funcionamento do Servo Motor CA
Um diagrama esquemático do
sistema de servo motor de indução bifásico CA é mostrado na figura abaixo
abaixo:
Neste nosso exemplo, para representar
a posição desejada de referência, utilizamos um gerador síncrono em que ao
girarmos o seu eixo, setamos a posição de referência. Funciona da seguinte
forma: a entrada de referência que desejamos é dada por um ângulo teta do
eixo do rotor de um gerador síncrono. O rotor do gerador síncrono por sua vez
é alimentado com tensão e frequências fixas. Os três terminais do
estator do gerador síncrono são então ligados aos terminais
do transformador do circuito de controle. Assim, a posição angular do
rotor (posicão desejada) do gerador síncrono é transmitida para o circuito
de controle.
Inicialmente, existe uma diferença
entre a posição do eixo do gerador e a posição do eixo do transformador de
controle, que nomeamos de erro. Este erro é refletido em tensão através do
transformador de controle e por sua vez é amplificado antes de ir para
o controle de fase do servo motor.
Com a tensão de controle, o rotor do
servomotor gira na direção necessária para que o erro torne-se zero. Este
é o princípio básico de como é assegurada a posição do eixo de
servomotores CA.
Na prática, a maioria dos servo
drives modernos possuem CLPs e microprocessadores embutidos que geram
frequência e tensão variável a fim de movimentar o motor. Para este controle são
utilizadas as técnicas PWM e controle PID. O diagrama de blocos do sistema de
servo motor CA utilizando controladores lógicos programáveis,
controladores de posição e servo controladores é apresentado a seguir:
Web Automação Industrial
Assistência técnica Multimarcas
Central de atendimento-(11)2823.7000
Assistência técnica Multimarcas
Central de atendimento-(11)2823.7000
0 comentários: