Servo Acionamento

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SERVOACIONAMENTOServoacionamentos so sistemas eletromecnicos de controle de preciso. Eles encontram aplicaes em diferentes campos da indstria como, por exemplo: Mquinas-ferramenta a comando numrico; Sistemas de posicionamento; Linhas de transporte; Robs industriais; Sistemas flexveis de manufatura. Servomotores so os motores utilizados nos servoacionamentos. Os circuitos de alimentao dos servomotores encontram-se em uma unidade chamada servoconversor, sendo assim: Servoacionamento = Servomotor + Servoconversor Uma primeira caracterstica necessria para a escolha de um motor para tal funo relaciona-se com a facilidade e simplicidade de atuao no torque da mquina. Neste ponto, vale ressaltar a importncia do torque nos acionamentos eletromecnicos, ele a nica grandeza comum aos mundos eltrico e mecnico e, portanto, a varivel de interface. Tenses e correntes, por exemplo, pertencem ao mundo eltrico, j velocidades e posies so grandezas mecnicas. Observe a seguir uma figura que representa essa relao:

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H algum tempo, os motores de corrente contnua (CC) ocupavam o maior espao das aplicaes em servoacionamentos, pois eram os motores que permitiam mais facilidade e preciso no controle do torque. Depois, passaram a ser usados dispositivos semicondutores de potncia com capacidade de conduo e bloqueio, como o IGBT, materiais magnticos de elevado magnetismo remanente e fora coercitiva, como o Nd-Fe-B ou o Sm-Co, e microprocessadores de baixo custo, desenvolvidos nas ltimas dcadas do sculo XX. Atualmente, os Motores Sncronos de m Permanente (MSIP), acionados por circuitos de eletrnica de potncia e controlados por microprocessadores digitais, representam o estado da arte dos servoacionamentos.Servomotor CA Sncrono

A mquina bifsica de corrente alternada tambm foi empregada como servomotor. Nesta mquina, uma das fases alimentada com tenso alternada de freqncia e amplitude constante e a outra fase recebe uma tenso de mesma freqncia mas defasada 90 eltricos da outra e de amplitude ajustvel. Como uma grande desvantagem, estes servomotores apresentam uma preciso menor que a dos servomotores CC. Com a disponibilidade de materiais com elevado magnetismo remanente (superior a 1T) e altas foras coercitivas, como o Sm-Co ou o Nd-Fe-B, os Motores Sncronos de m Permanente (MSIP) se tornaram uma opo atrativa para servomotores de potncia inferior a 10kW. Estes materiais, baseados em terras-raras, requerem menos volume para a construo dos motores e praticamente no podem ser desmagnetizados acidentalmente por elevadas correntes de curto. Estes motores apresentam uma razo Potncia/Volume superior dos motores CC e mesmo dos motores de induo, que dependem de correntes no rotor para a produo de torque. Observe a seguir um servomotor tpico da Weg (www.weg.com.br)

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Atravs da figura a seguir podemos observar o seccionamento de um motor MSIP.

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

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Esses servomotores possuem uma distribuio espacial senoidal do fluxo de entreferro. Existem tambm servomotores que empregam esta tecnologia e possuem 8 plos. Os servomotores da Weg so construdos desta forma. muito comum encontrar na literatura ou em especificaes tcnicas o termo AC Brushless Servomotors designando o servomotor com MSIP. Isso porque a palavra Brushless em ingls significa sem escova e o motor AC (ou CA) sncrono no necessita de escovas para polarizar o rotor, como j foi mostrado anteriormente na unidade que tratou dos motores CA. Ele possui im permanente no rotor, com os plos norte e sul muito bem definidos.

Sensores de Posicionamento e Velocidade

Os servoconversores necessitam de informaes de posio e/ou velocidade para o controle dos servomotores, sendo que estas informaes podem ser estimadas ou medidas. Nas aplicaes de maior preciso, impe-se o emprego de medio por meio de sensores. Os principais tipos de sensores utilizados so os encoders (Incremental e Absoluto), tacogeradores e resolvers. Encoders Os chamados encoders podem ser incrementais ou absolutos. O encoder incremental apresenta construo mais simples. O seu funcionamento baseado nos pulsos gerados em duas marcaes radiais, igualmente espaadas. A contagem dos pulsos permite a deteco da posio e a defasagem das faixas A e B d o sentido de rotao. Uma marca de zero (Z), localizada em uma terceira circunferncia, fornece a indicao do trmino de uma volta e do incio da contagem.SENAI/SP Unidade 3 Servoacionamento 4

No encoder absoluto, cada posio do disco corresponde a uma combinao de sinais (A1, A2,... A6 na ilustrao abaixo), em geral fornecidos por sensores ticos ou magnticos, que percebem a passagem pelas marcas do disco.

prefervel empregar uma codificao tal que s ocorra a mudana de um bit a cada alterao de posicionamento, como o cdigo Gray. Isto evita ambigidades, facilitando a deteco de erros. Por ocasio de uma perda de energia ou desligamento, o sensor incremental necessita da passagem pela marca de zero para reiniciar sua contagem aps o religamento. J o sensor absoluto pode disponibilizar a informao da posio logo que energizado. Observe na foto a seguir um encoder absoluto instalado na parte traseira do servomotor da Control Techniques Dynamics Ltd (www.ctdynamics.com):

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H dispositivos comercializados que chegam a ter resoluo superior a 10 bits. A informao da velocidade pode facilmente ser obtida a partir da derivada da informao da posio, programada digitalmente.

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

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

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Os sincro transformadores, empregados em tradicionais malhas de controle, podem ser vistos como resolvers alimentados em 60Hz. A tabela a seguir nos mostra um comparativo entre os principais tipos de sensores de posicionamento e velocidade empregados nos servomotores:

Sistema Realimentao Encoder Incremental

de

Vantagens

Desvantagens

Encoder Absoluto

Resolver

Projetos robustos; A posio perdida aps Grande quantidade falha de de resolues, tipos energia. de montagem e interface. Dado de Posio Alto Custo disponvel aps falha de energia; Alta resoluo disponvel. Projeto robusto; Montagem complexa Insensvel a vibraes e altas temperaturas; Pouca fiao; Montado no motor.

Servoconversor

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O servoconversor a unidade eletrnica do sistema de servoacionamento e sua principal funo realizar o posicionamento, atravs de um sistema de controle, mantendo uma alta performance de fora e velocidade nos MSIP (Motores Sncronos de m Permanente). Observe a seguir a foto do servoconversor SCA05 da weg (www.weg.com.br): O inversor estudado na unidade anterior possui como principal funo o controle de velocidade e torque dos motores CA. O funcionamento e tecnologia empregada no sistema eletrnico do servoconversor foram mantidos e, adicionado a este, uma realimentao que permite o trabalho em malha fechada. Observe a seguir a topologia empregada no sistema de servoacionamento incluindo a unidade de servoconversor:

Conforme j estudado no funcionamento do inversor, a ponte retificadora de diodos transforma a tenso alternada de entrada em uma tenso contnua que filtrada por um banco de capacitores sendo que este circuito de corrente contnua chamada de circuito intermedirio. A tenso contnua alimenta a ponte inversora formada pelos IGBTs e diodos em anti-paralelo. O comando do gate dos IGBTs, feito por um circuito de comando implementado em um microcontrolador, permite a gerao de uma tenso com amplitude e freqncia controladas. O formato dos pulsos obedece ao princpio de modulao PWM senotringulo apresentado anteriormente.

Sistema de Controle

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Como j citado, a diferena bsica entre o funcionamento do inversor e do servoconversor est no sistema de realimentao. Observe a seguir o esquema global de acionamento e controle do servoacionamento:

Se olharmos mais de perto o sistema de controle veremos que o controle industrial des