2.a Aula_N7SRV_Servomotores

Servomecanismo
N7SRV
Prof. Dr. Cesar da Costa
2.a Aula: Servomotores
Servo Acionamento
 Servo acionamentos são sistemas eletromecânicos de controle de
precisão.
 Eles encontram aplicações em diferentes campos da indústria como,
por exemplo:
• Máquinas-ferramenta a comando numérico;
• Sistemas de posicionamento;
• Linhas de transporte;
• Robôs industriais;
• Sistemas flexíveis de manufatura.
Diagrama de um Servo Acionamento
Atuador Tipo: Servo Motor
 Servomotores são os motores utilizados nos servo acionamentos.
 Os circuitos de alimentação dos servomotores encontram-se em uma
unidade chamada servo conversor ou servo drive.
 Assim: Servo acionamento = servo motor + servo conversor (servo
drive).
Atuador Tipo: Servo Motor
Atuador Tipo: Servo Motor
 Uma primeira característica necessária para a escolha de um motor
para tal função relaciona-se com a facilidade e simplicidade de
atuação no torque da máquina.
 Neste ponto, vale ressaltar a importância do torque nos acionamentos
eletromecânicos. Ele é a única grandeza comum aos mundos
elétricos e mecânicos e, portanto, a variável de interface.
 Tensões e correntes, por exemplo, pertencem ao mundo elétrico. Já
velocidades e posições são grandezas mecânicas (figura 1.1).
Atuador Tipo: Servo Motor
Servo Motor
 O servomotor é um atuador rotativo com alta precisão de controle
para posicionamento angular.
 É composto por um motor acoplado a um sensor de posição para
feedback. Para completar o sistema é necessário um servodrive ou
servoconversor.
 Este drive utiliza o sinal de feedback do sensor para controlar a
posição angular do motor de forma precisa. Isto é chamado de
controle de malha fechada.
 Com o sistema rodando em malha fechada, o servomotor é uma
solução de alta performance a aplicações, onde motores de passo ou
motores de indução não correspondem a necessidade
Servo Motor
 Servomotores são caracterizados por um formato compacto, com alta
potência, baixa inércia, e alta eficiência. Devem possuir alto
desempenho dinâmico e excelente precisão.
Servo Motor
 A Figura anterior mostra uma secção transversal de um servomotor
síncrono com ímãs, permanente típico, com os componentes ativos
para a geração do torque, um resolver para medir os ângulos e
velocidade e, em alguns casos, é equipado com um freio para manter
a posição sem que seja necessário demandar corrente nas bobinas
do motor.
 Um servomotor deve, necessariamente, ter um sistema de potência e
outro de controle para poder desempenhar suas funções.
 Uma das suas principais características é possuir torque suficiente
com rotação nula para manter a posição fixa de uma determinada
carga. Atualmente usam ímã permanente, pois, devido à baixa
inércia do servomotor, o ciclo de processo é mais rápido, ou seja,
possui alta resposta dinâmica
Servo Motor
 Os servomotores são, por natureza, do tipo “closed loop”. O motor
e/ou a carga devem estar conectados para fornecer uma
realimentação precisa.
 Usualmente, isso é feito por um encoder óptico ou resolver. Esse
dispositivo de realimentação informa ao controlador onde o motor e a
carga estão durante todo o tempo. Eles também proporcionam
informações sobre a velocidade .
 Os servomotores precisam ser ajustados para o loop de controle e as
condições de carga. Um sistema típico de servomotor usa um loop de
posição PID (Proporcional, Integral, Derivativo). Além disso, existem
muitos parâmetros de realimentação e excitação que devem ser
usados nos cálculos
Servo Motor
 O servomotor é uma máquina síncrona composta por uma parte fixa
(o estator) e outra móvel (rotor).
Servo Motor
 Usando ímãs permanentes, os enrolamentos do rotor e a
comutação mecânica podem ser eliminados simplificando a
fabricção, reduzindo custos e melhorando a confiabilidade.
 Ao mesmo tempo, a eficiência é melhorada pela eliminação da
necessidade de excitação dos enrolamentos do rotor e por evitar as
perdas por atrito associadas ao comutador.
 O rotor é composto por imãs permanentes dispostos linearmente
sobre o mesmo e com um gerador de sinais chamado resolver
instalado para fornecer sinais de velocidade e posição.
 Os servomotores com ímãs permanentes são classificados em
corrente contínua com escovas, corrente contínua sem escovas
(Brushless) e corrente alternada síncronos.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes
 Os mais populares servomotores são os servomotores CC com ímãs
permanentes.
 Porém, a maioria dos servomotores atuais são motores CA sem
escovas com ímãs permanentes, projetados para atender diversas
aplicações como: robôs industriais, bobinadeiras, máquinas de corte
e solda e máquinas-ferramenta a comando numérico.
 Suas características permitem uma rotação suave e uniforme em
todas as velocidades, baixo nível de ruído e vibração, ampla faixa
de rotação com torque constante, baixa manutenção (servomotores
sem escovas), elevada capacidade de sobrecarga, baixa inércia e
resposta dinâmica instantânea.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes com Escovas
(Brushed DC Motor)
 Os estatores, deste tipo de servomotor, são pares de pólos
magnéticos. Quando o motor é alimentado, há uma interação entre o
campo magnético criado no rotor com o campo fixo do estator, o que
resulta em um momento de um binário (torque).
 Desta forma, o rotor pode se movimentar de maneira a alinhar-se com
campo do estator. Assim quando o rotor alcança o alinhamento, as
escovas energizam o próximo elemento do comutador. Esta
sequência continua enquanto existir tensão de excitação no rotor.
 A substituição do campo bobinado (convencional) por ímãs
permanentes elimina tanto a necessidade de excitação separada e
perdas elétricas que ocorrem nos enrolamentos do campo.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes com Escovas
(Brushed DC Motor)
 Tais servomotores podem ter armaduras formadas por bobinas
laminadas em formas de disco ou copo. Elas são leves, de baixa
inércia, que permitem ao motor acelerar mais rápido.
 A força do campo é
aumentada pela
cerâmica e pelos
ímãs feitos em
neodímio-ferro-boro
em comparação aos
antigos alumínioníquel-cobalto (Al-NiCo) .
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes com Escovas
(Brushed DC Motor)
 Podem ser de 4 tipos:
1. Ímã Permanente
2. Shunt
3. Series
4. Shunt + Series
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes com Escovas
(Brushed DC Motor)
 Ímã Permanente
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes com Escovas
(Brushed DC Motor)
 Ímã Permanente
- Mais comum;
- Usado em aplicações de potência fracionada;
- Exemplos: Brinquedos, Radio Controle , Carros elétricos,
Eletrodomésticos, etc ;
- Maior custo efetivo do que os estatores bobinados;
- Torque, limitado pelo campo do estator;
• Baixo torque (baixa velocidade);
• Torque limitado em alta (alta velocidade);
- Responde muito rapidamente às mudanças de tensão devido ao
campo constante do estator (bom controle de velocidade);
- Desvantagem, ímãs perdem suas propriedades magnéticas ao longo
do tempo
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes com Escovas
(Brushed DC Motor)
 Derivação Shunt
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes com Escovas
(Brushed DC Motor)
 Derivação Shunt
● Torque decrescente a alta velocidade;
● A baixa velocidade, maior torque mais consistente;
● Excelente controle de velocidade;
● Usado tipicamente em aplicações industriais e automotivas;
● Sem perda de magnetismo ao longo do tempo como com
motores PMDC;
● Mais caros que motores PMDC;
● Motor disparado (Runaway), se a corrente de derivação vai para
zero.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes com Escovas
(Brushed DC Motor)
 Derivação Series
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes com Escovas
(Brushed DC Motor)
 Derivação Series
● Grande torque em baixa velocidade (extremo inferior), mas à
medida que a carga é removida, a velocidade aumenta
acentuadamente;
● Ideal para cargas pesadas, como guindastes e guinchos;
● Pouco torque em alta velocidade (high end);
● Mais caro do que PMDC;
● Controle pobre de velocidade devido ao campo do estator em série;
● Motor disparado (Runaway), se o campo em série estiver em curto.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes com Escovas
(Brushed DC Motor)
 Derivação Shunt + Series
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes com Escovas
(Brushed DC Motor)
 Derivação Shunt + Series
● Possui as propriedades de desempenho dos motores SHWDC e
SWDC;
● Alto torque em baixa velocidade com cargas pesadas (motores SWDC);
● Grande controle de velocidade (motores SHWDC);
● Ideal para aplicações industriais e automotivas;
● Motor dispara (Runaway), menos provável com a corrente de shunt
indo para zero e o campo em série em curto;
● Mais caro do que os motores PMDC, SHWDC e SWDC.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas
(Brushless DC Motor – BLDC Motor)
 Os servomotores CC sem escovas exibem os mesmos padrões de
linearidade entre velocidade-torque dos servomotores CC com ímãs
permanentes, porém eles são comutados eletronicamente.
 A construção destes servomotores, como mostrado na Figura 10,
difere do típico servomotor CC com escovas, em que eles são "de
dentro para fora."
 Em outras palavras, eles têm rotores magnéticos permanentes, em
vez de estatores e os estatores, em vez de os rotores, são
enrolados.
 As escovas mecânicas e o comutador do motor CC são substituídos
por sensores eletrônicos, tipicamente dispositivos de Efeito Hall
(HEDs) nos servomotores sem escovas
Funcionamento de um Motor Síncrono DC (com Escovas –
Brush)
https://www.youtube.com/watch?v=LAtPHANEfQo
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas
(Brushless DC Motor – BLDC Motor)
 Os rotores magnéticos cilíndricos de motores CC sem escovas são
magnetizados lateralmente para formar pólos opostos ao norte e ao
sul em torno do rotor. Estes rotores são normalmente feitos de
materiais magnéticos neodímio-ferroboro ou samário-cobalto, que
oferecem maior densidade de fluxo do que ímãs de Al-Ni-Co.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas
(Brushless DC Motor – BLDC Motor)
 Um diagrama simplificado de um motor CC sem escovas com um
dispositivo de efeito Hall (HED) para o comutador eletrônico é mostrado
na Figura 11.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas
(Brushless DC Motor – BLDC Motor)
 O HED é um sensor de efeito Hall integrado com um amplificador de
silício. Este sensor é capaz de detectar a polaridade do campo
magnético do rotor e, em seguida, o envio de sinais apropriados para
transistores de potência T1 e T2 para fazer com que o rotor gire
continuamente.
 Com o rotor imóvel, o HED detecta o pólo norte do rotor magnético,
acionando o transistor T2. Isso faz com que a corrente flua,
energizando W2 para formar um pólo sul no estator. Este pólo então
atrai o pólo norte do rotor para acioná-lo em um sentido anti-horário.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas
(Brushless DC Motor – BLDC Motor)
 Pela inércia do rotor, o HED deixa de detectar o pólo norte, passando
a detectar o pólo sul do rotor. Em seguida, o transistor T1 é acionado,
energizando o enrolamento W1, formando assim um pólo norte no
estator, o qual atrai o pólo sul do rotor, o que faz com que ele continue
a rodar no sentido anti-horário.
 Os transistores conduzem a sequência adequada para assegurar que
a excitação do estator nos enrolamentos W2 e W1 estejam sempre
em coerência com o campo do rotor. Desta forma, um torque
necessário é reproduzido para manter o rotor em movimento
constante.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas
(Brushless DC – BLDC Motor)
 As características de velocidade e torque de motores CC brushless
são muito semelhantes a um motor CC de corrente contínua “com
escovas" (excitação de campo) com excitação constante.
 Tal como acontece com os motores com escovas, os ímãs rotativos
que passam pelos pólos do estator criam um campo eletromagnético
nos enrolamentos do estator.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas
(Brushless DC Motor – BLDC Motor)
 Operação Síncrona
 Os motores CC brushless não são motores de corrente contínua. Eles
usam uma alimentação DC pulsada, alimentando os enrolamentos de
campo do estator para criar um campo magnético rotativo e eles
operam em velocidade síncrona.
 Embora eles não usem comutadores mecânicos, necessitam de
comutação eletrônica para fornecer o campo rotativo.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas
(Brushless DC Motor – BLDC Motor)
 Campo giratório e controle de velocidade
 No diagrama abaixo, o par de pólos A é primeiro alimentado com um
pulso DC, que magnetiza o pólo A1 como um pólo sul e A2 como um
pólo norte, atraindo o ímã para sua posição inicial.
 À medida que o ímã passa pelo primeiro par de pólos magnetizados,
neste caso os pólos A1 e A2, a corrente para o par de pólos A é
desligada e o próximo par de pólos B é alimentado com um pulso
DC semelhante, que faz com que o pólo B1 seja magnetizado como
pólo sul e B2 passa ser um pólo norte.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas
(Brushless DC Motor – BLDC Motor)
 Campo giratório e controle de velocidade
 O ímã irá então rodar no sentido dos ponteiros do relógio para
alinhar-se com o par de pólos B. Pulsando os pares de pólos do
estator em sequência, o ímã continuará a rodar no sentido dos
ponteiros do relógio para manter-se alinhado com o par de pólos
energizado. Na prática, os pólos são alimentados com uma forma de
onda escalonada polifásica para criar o campo rotativo.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas
(Brushless DC Motor – BLDC Motor)
 Um inversor de seis estágios é usado para gerar a alimentação
trifásica e a comutação eletrônica entre os três pares de bobinas do
estator necessários para fornecer o campo giratório.
 Apenas dois dos três pares de pólos são energizados a qualquer
momento. Isto também significa que apenas dois dos seis
comutadores do inversor estão a conduzir em qualquer altura.
 A velocidade de rotação é controlada pela freqüência dos pulsos e
o torque pela corrente do pulso. Na prática, o sistema necessita de
alguma eletrônica bastante complexa para fornecer a comutação
eletrônica.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas
(Brushless DC Motor – BLDC Motor)
 O diagrama abaixo mostra o sistema para controlar a tensão e a
velocidade com as formas de onda de corrente e tensão associadas
sobrepostas nos circuitos.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas
(Brushless DC Motor – BLDC Motor)
 Detecção de Posição e Controle de Velocidade
 Os pulsos de corrente do inversor são disparados em um sistema de
malha fechada por um sinal que representa a posição angular
instantânea do rotor.
 A frequência da fonte de alimentação controla a velocidade do
motor.
 A posição do rotor pode ser determinada por um dispositivo de
efeito Hall, incorporado no estator, que fornece um sinal elétrico
representando a intensidade do campo magnético.
Servo Motor CC com Ímãs Permanentes sem Escovas
(Brushless DC Motor – BLDC Motor)
 Detecção de Posição e Controle de Velocidade
 A amplitude deste sinal muda à medida que os pólos magnéticos do
rotor passam sobre o sensor.
 Outros métodos de detecção são possíveis, incluindo os encoders de
eixo e também detecção de pontos de passagem de zero das
correntes geradas nos enrolamentos de fase não energizados.
 Este último método é conhecido como monitoramento de posição
"sem sensor".
Funcionamento de um Motor Síncrono DC (sem Escovas –
Brushless)
https://www.youtube.com/watch?v=bCEiOnuODac&ebc=ANyPxKr-G5UaBDYVUJrMk4hSoIS_KYAi-4lhnDQ
Servomotores de Corrente Contínua
 O torque nas máquinas de corrente contínua é dado pela relação:
 Mantendo-se o fluxo magnético
diretamente modificado pela corrente.
constante, o torque pode ser
Servomotores de Corrente Contínua
 A corrente é dada por:
Servomotores de Corrente Contínua
 A força eletromotriz é dada por:
Servomotores de Corrente Contínua
 As Equações 1.1, 1.2 e 1.3 levam ao circuito equivalente
apresentado na Figura 1.2.
Servomotores de Corrente Contínua
 A potência elétrica convertida em potência mecânica pode ser
determinada por:
 O torque está relacionado com a potência por:
Servomotores de Corrente Contínua
 Logo:
 Comparando-se as Equações 1.1 e 1.6 constata-se que:
 Desde que se trabalhe com um sistema coerente de unidades, como
o MKS, o sistema internacional de unidades (SI).
Servomotores de Corrente Contínua
 Da Equação 1.2 verifica-se que a corrente de armadura da máquina
CC pode ser modificada pela tensão de armadura.
 Para contornar o efeito da força contra eletromotriz e melhor
controlar o desempenho da máquina pode-se empregar uma malha
de controle de corrente.
 A diminuição do fluxo magnético, mantidas as condições de tensão
e corrente nominais, permite a operação do motor com velocidade
superior a nominal.
Exercício 2: Motor CC Acionando uma Antena
Determine um gráfico (posição x tempo), que possa visualizar a
resposta do sistema com o Motor CC no controle da posição da antena
em malha aberta. Utilize o MATLAB/SIMULINK.
Dados:
Diagrama do Sistema Proposto:
Slide 35
Dados:
Dados:
Dados:
Dados:
Dados:
Dados:
Dados:
Dados:
Dados: