Servoacionamento.SCA05.V2

MÓDULO SERVOACIONAMENTO SCA05

V.2

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Servoacionamento SCA05

APRESENTAÇÃO

A Astral Científica Comércio de Produtos e Equipamentos Ltda. iniciou suas atividades em novembro de 1999, a qual se dedica à comercialização de produtos e equipamentos para Laboratórios. Desde o início de suas atividades, obteve um rápido crescimento e expansão, o que permitiu desenvolver uma estrutura produtiva bem preparada para o desenvolvimento, fabricação e fornecimento de produtos e equipamentos para o ensino, nas áreas de Ciências, Física, Química, Biologia e Matemática. Auxiliando na criação de projetos personalizados de laboratórios, ministrando cursos de capacitação e instrumentalização de professores, para utilização de produtos e equipamentos científicos.

A Astral Científica, fabricante dos produtos e equipamentos da Marca Edutec, tem o compromisso de garantir satisfação e qualidade de seus materiais. Deste modo, oferecendo aos seus clientes as soluções mais adequadas às suas necessidades.

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Servoacionamentos são sistemas eletromecânicos de controle de precisão. Eles encontram aplicações em diferentes campos da indústria como, por exemplo:

• Máquinas-ferramentas a comando numérico;

• Sistema de posicionamento;

• Linhas de transporte;

• Robôs industriais;

• Sistemas flexíveis de manufatura;

Servomotores são os motores utilizados nos servoacionantos. Os circuiotos de alimentação dos servomotores encontram-se uma unidade chamada servoconversor.

Assim: Servoacionamento = Servomotor + Servoconversor

SERVOACIONAMENTO



O QUE É UM SERVOMOTOR

O Servomotor é uma máquina síncrona composta por uma parte fixa (estator) e outra móvel (rotor), até aqui nenhuma novidade. O estator é bobinado como no motor elétrico convencional, porém, apesar de utilizar alimentação trifásica, não pode ser ligado diretamente à rede, pois utiliza uma bobinagem especialmente confeccionada para proporcionar alta dinâmica ao sistema.

O rotor é composto por ímãs permanentes dispostos linearmente sobre o mesmo e com um gerador de sinais chamado “RESOLVER” instalado para fornecer sinais de velocidade e posição. Observe a figura 1.

Figura 1 - Servomotor

Quais as características de um servomotor?

De um servomotor são exigidos, entre outros, dinâmica, controle de rotação, torque constante e precisão de posicionamento. As características mais desejadas nos servomotores são o torque constante em larga faixa de rotação (até 4500 rpm), uma larga faixa de controle da rotação e variação (até 1:3000) e alta capacidade de sobrecarga (3 x Mo). O Torque nominal (Mo) de um motor é determinado pelas seguintes características construtivas do motor.

Mo = P.9550n

O Torque máximo (Mmáx) é 3 x Mo do motor. Em função da potência do servoconversor utilizado, o Torque máximo que se pode alcançar também poderá ser menor. Os servomotores devem possuir momento de inércia da massa do rotor, menor do que em relação aos motores assíncronos trifásicos, devido às grandes solicitações de dinâmica.

Um dos artifícios mais utilizados são os cortes transversais no rotor, através destes cortes é reduzida a massa de inércia do rotor. Na tabela 1 é dado um quadro comparativo para um servomotor.



CARACTERÍSTICAS MOTOR ASSINCRONO CA MOTOR DC MOTOR SÍNCRONO CA

POTÊNCIA 7,5 8,3 7,5

ROTAÇÃO 2900 3200 3000

TORQUE NOMINAL 24,7 24,7 24

TORQUE MÁX 2,6 MN 1,6 MN 3,0 MN

ACELERAÇÃO 191 420 38

Tabela1: FONTE. SEW EURODRIVE

Como funciona um servomotor?

Os servomotores são máquinas síncronas, compostas de seis pólos no estator, de alimentação trifásica, ímãs permanentes de Terras-Raras dispostos linearmente sobre a face do rotor e um sensor analógico chamado resolver para realimentação de posicionamento e velocidade.

Sua alimentação, apesar de trifásica, não pode ser efetuada através da rede convencional, pois possui um bobinamento totalmente especial, confeccionado para proporcionar uma alta dinâmica ao motor através de um fluxo eletromagnético totalmente diferente do proporcionado pela rede. Este fluxo eletromagnético só pode ser fornecido pelo servoconversor através de um modelamento matemático que leva em consideração todas as características do servomotor, esta é a razão de apenas ser possível a utilização de servomotores e servoconversores de mesma marca. Só assim é possível fornecer o fluxo mais apropriado para o servomotor ter a melhor dinâmica.

FREDE = V = 380 = 6,33

f 60

Outro importante ponto é a seqüência de fase adotada: em alguns servomotores, a seqüência SERVOMOTOR - SERVOCONVERSOR deve ser observada com atenção, pois a sua inversão causa falha no servoconversor de Monitoração de rotação. Veja a figura 2.



Devido a estarmos trabalhando em malha fechada, quando da inversão o servoconversor detecta a incompatibilidade entre os sinais do campo girante do servomotor com os sinais gerados pelo resolver.

Desta forma, o servoconversor entende que o campo girante do servomotor está em um sentido e o resolver no sentido oposto, portanto, a seqüência U/V/W do servomotor deve ser a mesma U/ V/W do servoconversor.

Atente-se também para a utilização de servomotores e servoconversores de mesmo fabricante, pois no modo operacional SERVO, específico para servomotores síncronos, os dados dos servomotores necessários para este modo operacional (SERVO) estão memorizados nos servoconversores, e só assim é possível obter o melhor desempenho através do modelamento matemático do servomotor.

Sensores de posicionamento e velocidade

Os servos-acionamentos necessitam de informações de posição e/ou velocidade para o controle dos servomotores. Para tal função são utilizados alguns tipos de sensores.

Encoders

Os encoders são transdutores de movimento capazes de converter movimentos lineares ou angulares em informações elétricas que podem ser transformadas em informações binárias e trabalhadas por um programa que converta as informações passadas em algo que possa ser entendido como distância, velocidade, etc.

Em outras palavras, o encoder é uma unidade de realimentação que informa sobre posições atuais de forma que possam ser comparadas com posições desejadas e seus movimentos sejam planejados.

Os encoders possuem internamente um ou mais discos (máscaras) perfurado, que permite, ou não, a passagem de um feixe de luz infravermelha, gerado por um emissor que se encontra de um dos lados do disco e captado por um receptor que se encontra do outro lado do disco, este, com o apoio de um circuito eletrônico gera um pulso. Dessa forma a velocidade ou posicionamento é registrado contando-se o número de pulsos gerados.

A quantidade de pulsos em uma volta, nos encoders rotativos, demonstra a relação impulso/volta do mesmo. Quanto maior for esta relação maior a precisão obtida. Por exemplo, um encoder que gera 50 pulsos por volta teria a seguinte relação angular: 360° /50 pulsos = 1 pulso a cada 7,2°. Pode-se determinar o sentido da rotação utilizando duas fileiras

Figura 2 - Sequência de fase



de furos uma defasada em 90° em relação à outra, sendo assim em um sentido a fileira mais próxima do centro estará adiantada em relação à outra e no sentido inverso ocorre também o inverso.

Tipos de encoders

Realimentação de posição: há diferentes tipos de realimentação de posição, como o encoder regular defasado, encoder absoluto e potenciômetro, os quais serão explicados abaixo:

Encoders Regular: é um disco perfurado, um led, e um foto transistor. A cada instante em que a luz é interrompida pela rotação do disco, um pulso é enviado ao controle. A freqüência dos pulsos determina a velocidade do eixo, e a quantidade de pulsos, a partir de um referencial, determina a posição.

Encoders Regular Defasado: é um disco especial, onde os furos estão deslocados em duas filas. Esta montagem provoca uma defasagem nos sinais gerados pelos componentes óticos (90 graus), o que permite ao computador além de determinar a velocidade de posição, também o sentido do eixo.

Encoders Absoluto: Este encoder se diferencia dos outros, pois possui vários sensores óticos que combinados entre si geram um código binário, para cada posição do disco. No caso da precisão temos como determinar, tal que a precisão é dada por 360/2n (onde n é o n° de sensores).

Resistor Variável (Potenciômetro): bastante utilizado, como os CLP’s podem ser munidos de interfaces analógicas/ digitais. Precisa-se alimentar um de seus terminais fixos com uma fonte de tensão, e o outro terminal ao terra, e retirar de seu terminal variável o sinal de realimentação.

TACOGERADOR

É um pequeno gerador elétrico de CC, com campo fornecido por imã. A tensão gerada, pela Lei de Faraday é proporcional à velocidade com que o fluxo magnético é cortado pelo enrolamento do rotor. Assim, o Tacogerador é um transdutor mecânico elétrico linear.

V = K n

K é uma constante que depende do campo do imã, do número de espiras e pólos e das dimensões do rotor; n é a rotação do eixo (por minuto, rpm, ou segundo, rps).

A polaridade da tensão gerada depende do sentido de rotação.

RESOLVER

O resolver é um sistema de realimentação analógico composto por um estator e um rotor, mas seu funcionamento é oposto ao do motor, ou seja, funciona como um gerador. Seu rotor gira através da ação do eixo do rotor do servomotor e faz com que a ação do campo eletromagnético do rotor exerça influência direta sobre o bobinamento do estator do resolver, este subdividido em dois estatores defasados 90° graus entre si, gerando sinais senoidais que funcionam como realimentação de posição e velocidade para o servoconversor. Observe as figuras 3 e 4.

Figura 3 - “Resolver”



Outro ponto a se ressaltar é o fato do alinhamento do resolver. Por se tratar de um sensor de alta resolução e precisão, o seu alinhamento é algo fundamental para seu perfeito funcionamento, por tanto, é aconselhável não mexer em seu sistema de fixação devido à sua complexidade de montagem. Quando comparado a outros sistemas de realimentação disponíveis no mercado (encoder incremental e encoder absoluto), o resolver tem suas características ressaltadas, principalmente quanto à sua robustez e insensibilidade às vibrações e altas temperaturas. Na tabela 2, o encoder incremental.

Figura 4 - Ação do campo eletromagnético do resolver

SISTEMA DE REALIMENTAÇÃO VANTAGENS DESVANTAGENS

Encoder incremental - Projeto robusto.- Grande quantidade de resoluções, tipos de montagem e interface.

- Posição é perdida após falha de energia.

Encoder absoluto - Dado de posição disponível após falha de energia.- Alta resolução disponível.

- Alto custo

Resolver - Projeto robusto.- Insensível a vibrações e altas temperaturas.- Pouca fiação.- Montado no motor.

- Montagem complexa.

Tabela2: Quadro comparativo “resolver” x “encoder”

O Servoconversor

A mais recente tecnologia embarcada faz dos servoconversores os equipamentos mais versáteis disponíveis no mercado. Possibilidade de comunicação direta com controladores externos, comunicação nos mais variados meios Fieldbus e possibilidade de associação de múltiplos eixos numa mesma fonte de alimentação, entre outras características, fazem dos servoconversores uma excelente opção no Upgrade de máquinas e equipamentos em geral.

Assim como nos conversores de freqüência, o diagrama de blocos do servoconversor figura 5 possui as mesmas características construtivas. Este modo operacional permite o controle direto do torque do servomotor em toda a extensão de rotação.



O torque Mo é determinado pelo servomotor.

O torque máximo M MÁX é 3 x Mo do servomotor. Em função do utilizado, o Mmáx que se pode alcançar também poderá ser menor, devido à exigência de corrente solicitada pelo servomotor e a corrente fornecida pelo servoconversor. Veja a figura 6.

Figura 5 - Diagramação de blocos do servoconversor

Figura 6 - Curvas torque x Rotação do servomotor



A seleção da melhor relação (servomotor x servoconversor), pode ser selecionada conforme o torque e rotação do servomotor, pela corrente nominal do servoconversor. A melhor combinação entre servomotor e servoconversor é aquela que satisfaz a condição de 3 x Mo.

Nas situações em que há solicitação de torque muito elevado, existe ainda a possibilidade da combinação dos servomotores somados aos redutores planetários de baixa folga angular, especialmente projetados para atender às mais exigentes solicitações de carga.

Conclusão

Máquinas e equipamentos em geral com alta solicitação de dinâmica e precisão de posicionamento são os ideais para a utilização dos servo-acionamentos.

CONHECENDO O MÓDULO DE SERVO ACIONAMENTO EDUTEC SCA-05

Este módulo possui as seguintes características: Possui um servo-drive modelo WEG SCA05 com placa posicionadora POS2 e um resistor de frenagem reostática. Todas as suas conexões são levadas à bornes de 4,0mm.

A alimentação deste módulo deve ser realizada através dos bornes R,S,T disponibilizados na parte inferior da Fonte de Alimentação. O motor deve ser alimentado através dos bornes U,V,W disponibilizados na mesma posição.

Lembrado-se que para proteção do equipamento recomenda-se a utilização do módulo de fusíveis antes da alimentação do servo-drive.



A figura a seguir mostra o diagrama de blocos do servo conversor SCA-05



A seguir será mostrado um exemplo de acionamento utilizando o módulo de Servo Conversor. Este exemplo consiste em girar o eixo do motor em determinada velocidade e em determinado sentido de giro, seguindo rampas de aceleração e desaceleração, através da IHM e utilizando-se entradas digitais.

• Passo 1 - Após a energização do módulo, selecionar o Parâmetro 0000 e colocar a senha 5 para liberar a pro-gramação dos parâmetros.

• Passo 2 - Selecionar o modelo do servo motor através do Parâmetro 0385 (neste caso P0385=3 – modelo SWA 56-2,5-20).



• Passo 3 - Determinar a velocidade de referência através do Parâmetro P0121. Utilizando as teclas da IHM (cima) e(baixo) escolher a velocidade, para este exemplo 1000 (a unidade deste parâmetro é RPM).

• Passo 4 - Determinar a rampa de aceleração através do Parâmetro P0100. Detalhe que este parâmetro deter-mina o tempo em ms que o servomotor levará para atingir 1000RPM. Neste exemplo utilizaremos uma rampa de 500ms.

• Passo 5 - Determinar a rampa de desaceleração através do Parâmetro P0101. A relação de tempo e rotação é a mesma do parâmetro anterior. Neste exemplo iremos configurar a rampa também para 500ms.

• Passo 6 - Habilitar a utilização das rampas através do Parâmetro P0229. Para esta opção devemos selecionar o valor 0001 para este parâmetro (1 = habilitar utilização das rampas; 0 = não habilitar).

• Passo 7 - Configurar as entradas digitais do servo conversor. Utilizaremos as três primeiras entradas digitais (DI1, DI2 e DI3) do servo conversor para selecionarmos sentido de giro, parada e acionamento do servo motor. Parâmetro P0263 (DI1) – selecionar a opção 0001 (Função para entrada digital 1 = “Habilita/Desa-bilita”). Parâmetro P0264 (DI2) – selecionar a opção 0007 (Função para entrada digital 2 = “Sentido de Giro”). Parâmetro P0265 (DI3) – selecionar a opção 0002 (Função para entrada digital 3 = “STOP”).

• Passo 8 - Acompanhamento da velocidade do motor através do Parâmetro P0002.

• Execução: Através do acionamento da chave DI1 o eixo começa a girar até alcançar a velocidade de 1000RPM (Parâmetro P0121). Acionar a chave DI2, o eixo inicia o processo de inversão de sentido de giro obedecendo as rampas programadas até a velocidade de -1000RPM. Ao abrir a chave DI1 o eixo irá parar por inércia. Ao acioná-la novamente o motor irá girar com velocidade de -1000RPM. Ao acionar a chave DI3 o motor irá de-sacelerar até parar obedecendo a rampa programada no parâmetro P0101. Neste caso irá levar 0,5 segundos para parar (P0101 = 500, ou seja 500ms para diminuir 1000RPM).

Conexões elétricas para o exemplo:

Para maiores detalhes sobre os parâmetros do servo conversor, consultar o manual do equipamento que acompanha o módulo.

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