Apostila Servo Acionamentos - SENAI 2012

CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI Robson Braga de Andrade Presidente Diretoria de Educação e Tecnologia Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti Diretor de Educação e Tecnologia SENAI-DN – SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL Conselho Nacional

Robson Braga de Andrade Presidente SENAI – Departamento Nacional Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti Diretor-Geral

Gustavo Leal Sales Filho Diretor de Operações

© 2012. SENAI – Departamento Nacional © 2012. SENAI – Departamento Regional do Rio Grande do Sul A reprodução total ou parcial desta publicação por quaisquer meios, seja eletrônico, mecânico, fotocópia, de gravação ou outros, somente será permitida com prévia autorização, por escrito, do SENAI – Departamento Regional do Rio Grande do Sul. Esta publicação foi elaborada pela equipe da Unidade Estratégica de Desenvolvimento Educacional – UEDE/Núcleo de Educação a Distância – NEAD, do SENAI do Rio Grande do Sul, com a coordenação do SENAI Departamento Nacional, para ser utilizada por todos os Departamentos Regionais do SENAI nos cursos presenciais e a distância. SENAI Departamento Nacional Unidade de Educação Profissional e Tecnológica – UNIEP SENAI Departamento Regional do Rio Grande do Sul Unidade Estratégica de Desenvolvimento Educacional – UEDE/Núcleo de Educação a Distância – NEAD

SENAI Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Nacional

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Lista de ilustrações Figura 1 -  Classificação dos motores por tipo.........................................................................................................16 Figura 2 -  Partes de um motor elétrico de indução trifásico.............................................................................17 Figura 3 -  Motor: vista explodida.................................................................................................................................18 Figura 4 -  Rotor bobinado assíncrono.......................................................................................................................20 Figura 5 -  Motor de corrente contínua......................................................................................................................21 Figura 6 -  Funcionamento de um motor DC...........................................................................................................22 Figura 7 -  Motor de passo..............................................................................................................................................23 Figura 8 -  Motor unipolar)..............................................................................................................................................25 Figura 9 -  Motor bipolar..................................................................................................................................................25 Figura 10 -  Funcionamento de um motor de passo.............................................................................................26 Figura 11 -  Circuito driver para controle de motor de passo............................................................................27 Figura 12 -  Driver para motor de passo.....................................................................................................................27 Figura 13 -  Driver industrial...........................................................................................................................................28 Figura 14 -  Controlador 3 eixos para motor de passo..........................................................................................28 Figura 15 -  Controle de fases de um motor trifásico utilizando um soft-starter........................................32 Figura 16 -  Diagrama em blocos de um soft-starter.............................................................................................32 Figura 17 -  Comparativo da corrente entre partidas direta, estrela-triângulo e soft-starter.................33 Figura 18 -  Ligação direta com o soft-starter..........................................................................................................34 Figura 19 -  Ligação com contator by-pass...............................................................................................................34 Figura 20 -  Diagrama de comando do soft-starter...............................................................................................35 Figura 21 -  Inversor de frequência..............................................................................................................................36 Figura 22 -  Estrutura básica de um inversor de frequência...............................................................................37 Figura 23 -  Modulação por PWM.................................................................................................................................38 Figura 24 -  Diversos tipos de inversores conforme seu fabricante.................................................................40 Figura 25 -  a) principais diferenças entre os Inversores Escalares e Vetoriais. - b) diferença entre torque e RPM - c) diferença entre resposta dinâmica...........................................................................................44 Figura 26 -  Módulo de potência..................................................................................................................................45 Figura 27 -  Corrente elétrica de entrada...................................................................................................................45 Figura 28 -  Corrente no barramento DC...................................................................................................................46 Figura 29 -  Corrente no barramento DC após capacitor.....................................................................................46 Figura 30 -  Onda senoidal..............................................................................................................................................46 Figura 31 -  Modulação PWM.........................................................................................................................................47 Figura 32 -  Chaveamento dos IGBTs...........................................................................................................................48 Figura 33 -  Corrente elétrica no sentido A-B nos IGBTs de um inversor monofásico...............................48 Figura 34 -  Corrente elétrica no sentido B-A nos IGBTs de um inversor monofásico...............................48 Figura 35 -  Tensão de saída de um inversor monofásico....................................................................................49 Figura 36 -  Corrente elétrica no sentido B-A nos IGBTs de um inversor monofásico...............................49 Figura 37 -  Modulo de controle de um inversor de frequência........................................................................50 Figura 38 -  Módulos do inversor..................................................................................................................................51 Figura 39 -  Interface do inversor..................................................................................................................................52 Figura 40 -  Mesa rotativa................................................................................................................................................53 Figura 41 -  Arquitetura de automação para controle de uma mesa rotatória com inversor.................53 Figura 42 -  Controlador...................................................................................................................................................54 Figura 43 -  Set point.........................................................................................................................................................55 Figura 44 -  Arquitetura de automação para controle de uma mesa rotatória com servodriver..........55 Figura 45 -  Comparativo entre inversor e servodriver.........................................................................................56

Figura 46 -  Gráfico do parâmetro 5 do inversor – tempo de partida.............................................................57 Figura 47 -  Gráfico do parâmetro 5 do inversor – tempo de parada..............................................................58 Figura 48 -  Função pulso de partida..........................................................................................................................59 Figura 49 -  Sobrecorrente imediata na saída..........................................................................................................59 Figura 50 -  Subcorrente imediata................................................................................................................................60 Figura 51 -  Conjunto de Servoacionamento...........................................................................................................63 Figura 52 -  Comunicação de dados............................................................................................................................67 Figura 53 -  Servomotor...................................................................................................................................................68 Figura 54 -  Partes de um servomotor........................................................................................................................69 Figura 55 -  Encoder..........................................................................................................................................................70 Figura 56 -  Máquina que utiliza um encoder incremental.................................................................................70 Figura 57 -  Encoder..........................................................................................................................................................71 Figura 58 -  Resolver..........................................................................................................................................................72 Figura 59 -  Tacogerador..................................................................................................................................................73 Figura 60 -  Exemplos de aplicações de servoacionamentos.............................................................................76 Quadro 1 - Métodos de partidas x motores..............................................................................................................32 Quadro 2 - WEG, 2012.......................................................................................................................................................32

Sumário 1  Introdução.......................................................................................................................................................................13 2  Motores Elétricos...........................................................................................................................................................15 2.1 Motores Assíncronos..................................................................................................................................16 2.1.1 Estrutura........................................................................................................................................16 2.1.2 Funcionamento do motor......................................................................................................18 2.1.3 Exemplos de aplicações...........................................................................................................19 2.2 MOTORES SÍNCRONOS...............................................................................................................................19 2.2.1 Estrutura........................................................................................................................................19 2.2.2 Funcionamento do motor......................................................................................................20 2.3 Motores de Corrente Contínua (DC).....................................................................................................21 2.3.1 Estrutura........................................................................................................................................21 2.3.2 Funcionamento do motor......................................................................................................21 2.4 Motores de Passo.........................................................................................................................................23 2.4.1 Motores unipolares...................................................................................................................24 2.4.2 Motores bipolares......................................................................................................................25 2.4.3 Funcionamento..........................................................................................................................25 2.4.4 Drivers para motores de passo.............................................................................................26 3  Soft-Starters e Inversores............................................................................................................................................31 3.1 Chave Eletrônica (Soft-Starter)................................................................................................................31 3.1.1 Princípio de funcionamento..................................................................................................32 3.1.2 Formas de ligação do soft-starter........................................................................................33 3.2 Inversor de Frequência..............................................................................................................................35 3.2.1 Principio de funcionamento .................................................................................................37 3.2.2 Funções dos inversores............................................................................................................38 3.2.3 Escolha do inversor ..................................................................................................................39 3.2.4 Controle do Inversor de Frequência....................................................................................40 3.2.5 Módulos do Inversor.................................................................................................................44 3.2.6 Controle de posicionamento dos inversores ..................................................................52 3.3 Parametrização de Drivers .......................................................................................................................57 4  Servoacionamentos......................................................................................................................................................63 4.1 Funcionamento do Servo.........................................................................................................................64 4.2 Servodrivers...................................................................................................................................................65 4.3 Servomotores................................................................................................................................................68 4.3.1 Encoders........................................................................................................................................70 4.3.2 Resolvers.......................................................................................................................................72

4.3.3 Tacogerador.................................................................................................................................73 4.4 Instalação dos Servos.................................................................................................................................74 Referências............................................................................................................................................................................79 Anexo......................................................................................................................................................................................82

Introdução

1 O Curso de Capacitação dos Docentes para o Curso Técnico de Automação tem o objetivo de atualizar tecnologicamente os profissionais do SENAI nas capacidades mais relevantes e importantes do Desenho Curricular Nacional do Curso Técnico de Nível Médio em Automação Profissional. Este Curso é formado por três Unidades Curriculares: Instrumentação e Controle, Sistemas Lógicos Programáveis e Técnicas de Controle. O conteúdo deste livro refere-se à Unidade Curricular Técnicas de Controle e está dividido em três capítulos: Motores Elétricos, Soft-Starters e Inversores e Servoacinamento. No primeiro capítulo são abordados os diversos tipos de motores elétricos, passando rapidamente pela estrutura, características, funcionamento e aplicações industriais. Em relação ao motor de passo, veremos motores unipolares e bipolares e seus drivers. No segundo capítulo são apresentados os equipamentos do Soft-Starter e dos Inversores de Frequência, detalhando seu princípio de funcionamento, as características, funções, formas de ligação, parametrização de drivers e aplicações industriais. Também são estudados em Inversores de Frequência o controle por inversor escalar e vetorial, módulos de potência e controle e o controle de posicionamento. No capítulo final são estudados os Servoacionamentos, detalhando servo, servo drivers, servo motores e suas aplicações, além da instalação dos servos nos processos industriais.

Servoacionamentos

4 A palavra servo é utilizada quando queremos ter uma pessoa que realize todas as nossas ordens. Se procurarmos a definição da palavra, encontraremos que remete a criado, servente ou servo do dever. Assim, podemos definir que a função do servo, neste caso, é responder a um comando externo. O Servoacionamento é um conjunto formado por dois equipamentos principais: um deles é o servomotor, e outro é o servodriver (também denominado servoconversor). Alguns outros elementos, como o encoder, não serão citados neste momento. Estes elementos têm a capacidade de seguir fielmente uma referência, que pode ser de velocidade, torque ou posicionamento. Uma das grandes vantagens do servo, além das citadas anteriormente, é a repetibilidade e sua precisão em se tratando de posicionamento. Em se tratando do controle de velocidade, o importante não é apenas seguir a velocidade com erro zero, mas acompanhar suas bruscas variações em questão de milésimos de segundo, devendo também suportar nesse mesmo tempo uma excursão de zero até a máxima velocidade. A Figura 51 ilustra bem um conjunto de servoacionamento, incluindo o servomotor e o servodriver.

Figura 51 -  Conjunto de Servoacionamento Fonte: Omron, 2011.

Estas são algumas das características fundamentais para o acionamento das máquinas do tipo operatrizes, dos tornos, CNC e outros tipos de máquinas, principalmente as embaladoras, etiquetadoras e envasadoras, entre outras.

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AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Cada vez mais na atualidade existe um incremento de produção em grande parte dos segmentos (senão em todos). Este equipamento deve ser preciso, com respostas rápidas, e deve suportar o ambiente agressivo da indústria.

VOCÊ SABIA?

Quando se fizer necessário aumentar a capacidade de produção de uma empresa, agilizando o processo com confiabilidade e repetibilidade e o maquinário está desatualizado, precisamos trocá-lo ou podemos utilizar o recurso do retrofitting, onde o servoacionamento é uma das tecnologias mais utilizadas.

4.1 Funcionamento do Servo O servodriver é um amplificador eletrônico especial utilizado para energizar servomecanismos. Ele monitora o sinal de retorno do servomecanismo e ajusta continuamente os desvios esperados do sistema. Simplificadamente, o servodriver recebe um sinal de comando de um sistema de controle, amplifica-o e transmite uma corrente elétrica para o servomotor em ordem a produzir movimentos proporcionais ao sinal de comando. Tipicamente, o sinal de comando representa a velocidade desejada, porém pode representar também o torque ou a posição. Com um sensor que pode ser do tipo encoder absoluto, encoder incremental ou resolver acoplado ao servomotor, ele devolve o estado atual para o servodriver. O driver então compara o estado atual do motor com o estado em que deveria estar, e posteriormente altera a tensão ou a largura de pulsos do motor para corrigir o desvio necessário do solicitado. Para uma configuração de controle de velocidade, o motor gira a uma velocidade muito próxima ao sinal recebido do servodriver. Muitos parâmetros podem ser utilizados para melhorar o desempenho do motor. O grande problema dos drivers é que, em 95% dos casos, o fabricante do servodriver amarra seu equipamento com o servomotor. A grande maioria dos sistemas de servoacionamento (servodriver + servomotor) são utilizados nas máquinas CNC e na robótica, entre outros usos. A maior vantagem deste sistema sobre os motores CA e CC é que existe a adição dos sinais de retorno do motor. A grande funcionalidade deste retorno de campo é a detecção do movimento indesejado, ou também para aumentar a precisão do movimento desejado. O retorno de campo é geralmente realizado através de um encoder. Os servomotores que são utilizados com a tarefa de modulação de velocidade constante possuem um ciclo de vida bem mais elevado do que os motores CA comuns. Os servosmotores também podem atuar como freios, desligando a energia transmitida pelo próprio motor.

4 Servoacionamentos

4.2 Servodrivers Com desempenho superior e resposta rápida, as séries de servodrivers e servomotores CA possuem ampla gama de aplicações. Apresentamos algumas características destes tipos de equipamentos:

• Estes

equipamentos possuem respostas rápidas, trabalhando com frequências de 400 Hz ou mais. Com altas velocidades de trabalho, os servomotores aceitam velocidades de até 5000 rpm, com precisão no posicionamento.

• Servomotores são equipamentos ótimos para trabalhar em altas velocidades e também onde necessitamos de um alto torque. Outra vantagem é que os servodrivers ocupam pouco espaço para atingir altas potências.

• A maioria dos servomotores utilizam classe de proteção IP67 (à prova de água, exceto nas partes de transmissão), podendo ser instalados em locais onde podem estar expostos à água, sendo necessário verificar se os cabos utilizados também possuem esta proteção; caso contrário, o risco de danos elétricos se aplica ao equipamento.

• Os modelos menores e mais novos já incorporam em sua própria construção eletrônica um processamento de energia regenerativa, ou seja, reutilizam a energia gerada pelo próprio motor. Já os equipamentos de maiores potências necessitam de uma resistência externa, dimensionada para o equipamento a fim de se utilizar esta funcionalidade.

• Os

equipamentos possuem conexão para filtros de reatância CC, para controlar a emissão de correntes harmônicas, filtrando, assim, o sinal de entrada.

Realizar o controle hoje em dia está mais simples, pois existem funcionalidades que vão se desenvolvendo com o tempo, e uma delas é a função de autoajuste (auto tuning), que pode ser realizada durante a operação normal do equipamento, sem necessidade de seleção de modo. Além disso, podemos alterar os ganhos do servoacionamento em dois tipos de ajustes e o ganho pode ser alterado durante a mudança de cargas em plena operação. Nos modos de controle, podemos citar algumas funcionalidades disponíveis:

• Controle de velocidade (comandos através de entradas analógicas) • Controle de posicionamento (comando através do trem de pulso) • Controle de torque (comandos através de entradas analógicas) • Ajuste para controle interno de velocidade (sem realimentação externa):

- Controle de velocidade;

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- Controle de posicionamento (trem de pulso);



- Controle de torque;

• Controle de posicionamento com os seguintes intertravamentos:

- Controle de velocidade (comandos através de entradas analógicas)



- Controle de torque (comandos através de entradas analógicas)

• Controle de velocidade com os seguintes intertravamentos:

- Controle de torque (comandos através de entradas analógicas)



- Controle de velocidade com parada de travamento em posição

• Controle de posicionamento (comando através do trem de pulso), com pulso proibido. As funcionalidades citadas permitem que utilizemos o servodriver para muitas aplicações. O servodriver geralmente possui display, disponibilizando para o usuário as informações de Velocidade do Campo, Comandos de Velocidade, Comandos de Torque, Número de pulsos a partir da origem, Ângulo elétrico, Sinais de Entradas e Saídas (I/O), Comando de Pulsos de Velocidade, Desvio de Posição, Taxa de Carga do Motor, Taxa da Carga Regenerativa, Taxa da Carga Resistiva Dinâmica, Pulsos do Encoder de Entrada, e Retorno de Campo da Contagem de Pulsos. Todos os equipamentos possuem comando manual, para rotação no sentido horário e anti-horário, bem como para a velocidade de rotação. Possuem também função para localização do ponto de origem, que pode ser utilizada para encontrar a origem do servodriver (fase “Z”). O ajuste de velocidade e torque pode utilizar sinais para controlar o valor inicial dos parâmetros, e os mesmos valores podem ser monitorados através de uma saída. O ajuste dos limites para o encoder absoluto pode ser alterado, e o servomotor pode obter o número de pulsos através do recurso de engrenagem eletrônica, que realiza o cálculo através da relação do número de engrenagens virtuais pelo número de pulsos do encoder. Este recurso pode ser utilizado em uma das seguintes situações:

• quando for necessário ajustar o posicionamento e a velocidade enquanto realizamos a sincronização de duas linhas;

• quando utilizamos um controlador com a frequência dos pulsos de comando, com limitação eletrônica para alcançar certas frequências;

• quando o movimento mecânico por pulso for menor que 0,01mm. O valor da engrenagem eletrônica pode ser definido através de parâmetros no servodriver.

4 Servoacionamentos

Ao encoder, independentemente do valor de pulsos, pode ser atribuída nova quantidades de pulsos. Também podemos utilizar a rampa de aceleração e desaceleração, realizando as funcionalidades de uma soft-start, sem controle de posicionamento. A informação de posicionamento completo também pode ser encontrada em grande parte dos servodrivers para reduzir o tempo de ação dos equipamentos periféricos interligados ao sistema ou à máquina. O sentido de giro do motor também pode ser controlado através de uma entrada para a escolha dele, não sendo necessário alterar a fiação do equipamento. A sinalização dos temporizadores realiza intertravamento com os freios dos servomotores para manter o motor na posição desejada, mesmo com comandos indevidos. Existem alguns métodos de desaceleração que podem ser programados, entre eles o Freio de Desaceleração Dinâmica, a Desaceleração livre e a Parada de Emergência para Desaceleração de Torque. Podemos também realizar a programação através de um Computador Pessoal (PC), utilizando um canal de comunicação serial ou USB. Através de software proprietário do fabricante, é possível acessar todos os parâmetros e alterá-los em tempo real. Durante a operação do equipamento é possível monitorar seus valores.

PROG

O

JOG

***

***

LOC REM

A

B Figura 52 -  Comunicação de dados Fonte: WEG, 2012

Finalmente, é possível ainda utilizar placas de comunicação de dados para protocolos de comunicação específicos, bem como Profibus-DP, DeviceNet e Mechatrolink, entre outros.

VOCÊ SABIA?

Encontramos uma lista de todos os protocolos de rede, classificados mediante as camadas do Modelo OSI em que operam. Os documentos de protocolos OSI estão disponíveis da ITU-T como a X.200-series of recommendations. Algumas especificações de protocolos da serie ITU-T X. O equivalente ISO e ISO/IEC para o modelo OSI estão disponíveis na ISO, mas só algumas sem custos.

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4.3 Servomotores O servomotor é um equipamento mecânico ou eletromecânico que apresenta movimentação proporcional referente a certo comando. Em vez de girar livremente, sem controle de posicionamento, assim como a maioria dos motores, é um dispositivo que utiliza uma malha fechada através de um sinal de controle para verificar a posição atual e atuar no motor para posicioná-lo. Veja a Figura 53.

Figura 53 -  Servomotor Fonte: MS Mega Service, 2012

Em comparação com os motores de corrente contínua (CC), o eixo dos servomotores possui liberdade de aproximadamente 180°, sendo muito precisos quanto ao posicionamento. Os servomotores possuem três componentes básicos, que são: a) Sistema atuador: pode ser um motor elétrico com corrente alternada (CA), corrente contínua (CC) ou até mesmo um cilindro hidráulico. Além do motor, utilizamos acoplado a ele um conjunto de engrenagens com relação bem longa, conhecido como redução. A redução tem o objetivo de amplificar o torque e, assim, reduzir a potência do motor a ser utilizado, reduzindo os custos envolvidos. Para dimensionar corretamente um servomotor, é necessário conhecer o torque a ser aplicado, a velocidade necessária para o motor, o material das engrenagens da redução, a liberdade de giro do eixo e a potência do motor. b) Sensor: o segundo componente básico é o sensor acoplado diretamente no eixo do servomotor. Este sensor pode ser de três tipos: encoder absoluto, encoder incremental ou resolver. A qualidade e a precisão do sensor a ser utilizado interferem diretamente no valor de retorno para o servodriver. c) Servodriver: este componente é conhecido também como circuito de controle e é formado por componentes eletrônicos ou circuitos integrados, responsáveis por executar as lógicas de controle internamente, através da recepção do sinal de retorno do campo, atuando diretamente no servomotor e mandando-o para a posição desejada. Os servomotores possuem uma interface que inclui a alimentação e os sinais de controle. O controle utiliza a metodologia do PWM (modulação por largura de pulso), que possui três características básicas:

4 Servoacionamentos

• largura mínima do pulso; • largura máxima do pulso; • taxa de repetição (frequência). A largura do pulso determina o posicionamento do eixo. O servomotor é do tipo síncrono, composto pelo estator (parte fixa) e pelo rotor (parte móvel). O estator é bobinado exatamente como nos motores elétricos de corrente alternada (CA) comuns. Apesar de suas semelhanças e de utilizar a mesma alimentação trifásica, não podemos ligá-lo diretamente na rede, pois sua bobinagem é especialmente construída para proporcionar alta dinâmica e durabilidade ao sistema. O rotor é confeccionado através de imãs dispostos em linha, e também um encoder/resolver, acoplados para fornecer sinais de posicionamento e velocidade. De um servomotor são exigidos o torque constante e a rotação em altas velocidades (faixa de 4500 rpm). Além dos motores elétricos, podemos citar como sevomotor o leme do navio, que obedece ao comando da roda do leme, e também o aeromodelismo, no qual o movimento é realizado através de comando do transmissor de controle remoto. Alimentação Elétrica e volto de informação do sensor Rolamento Corpo do motor

Sensor tacômetro Rolamento Motor sem escovas

Figura 54 -  Partes de um servomotor Fonte: David, 2010

Os servoconversores necessitam de informações de posição e/ou velocidade para o controle dos servomotores. Estas informações podem ser estimadas ou medidas. Nas aplicações de maior precisão impõe-se o emprego de medição por meio de sensores. Os principais tipos são: encoders, resolvers e tacogerador.

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4.3.1 Encoders O encoder é um dispositivo (sensor) que transforma o movimento rotacional de seu próprio eixo em um trem de pulsos elétricos. Estes pulsos representam o giro do eixo do encoder. Os encoders mais comuns no mercado são o encoder incremental e o encoder absoluto, que estão disponíveis em várias resoluções: 512, 1024, 2048 pulsos por revolução etc.

Figura 55 -  Encoder Fonte: Intereng, 2012

Quando ligamos uma máquina que utiliza um encoder incremental ou quando houver perda de energia, é sempre necessário referenciar a máquina. Referenciar significa movimentar seu eixo em uma velocidade bem lenta até que o eixo chegue a um sensor que informa que aquele ponto do eixo é o ponto Zero. A partir desse ponto, uma memória começa a incrementar ou decrementar um valor, conforme o giro do encoder. Carriage drive

Encoder Line encoder

Encoder Cutting drive CT150

Carriage encoder

+/- 10V FS150

0 - 10V

1 2 3 4 5 Cutting Length

1 2 3 4 5 Length present

Figura 56 -  Máquina que utiliza um encoder incremental Fonte: Choice Group, 2011.

Considerando que um encoder incremental de 1024 pulsos por revolução esteja em sua posição zero e que, em seguida, seja girado em 10º, durante essa movimentação terão ocorridos 28 pulsos, ou seja, 1024 pulsos/360º x 10º = 28 pulsos.

FIQUE ALERTA

Os encoders devem ser protegidos contra sobrecarga mecânica, tal como deslocamento entre o driver estava drive e o eixo do encoder para evitar danos ao eixo e aos rolamentos ou erros de medidas. Por isso, um acoplamento flexível deve ser sempre montado entre o driver e o eixo do encoder. O eixo do encoder não deve ser atingido quando montamos o acoplamento, pois isso poderia destruir o disco codificado.

4 Servoacionamentos

O encoder do tipo absoluto é composto por um conjunto de engrenagens e uma eletrônica um pouco diferenciada. Ao contrário do encoder incremental, o encoder absoluto não gera um trem de pulso, mas um código binário que informa seu ângulo exato. Isto é, pode ocorrer uma queda de energia e a máquina poderá ser desligada sem que ele perca sua referência. A Figura 57 mostra os dois tipos de encoders encontrados no mercado. A6 Z

A5

B A

A4 A3 A2 A1

a) Incremental

b) Absoluto Figura 57 -  Encoder Fonte: WEG, 2012

O encoder incremental, Figura 57a, apresenta uma construção bem mais simples e, por sua vez, com melhor custo. São gerados pulsos nos pontos “A” e “B”, que são originados em duas marcações radiais, igualmente espaçadas, que permitem a detecção da posição, através da contagem de pulsos e do sentido de rotação, pelo defasamento dos pontos “A” e “B”. Uma marca de zero (ponto “Z”) localizada em uma terceira circunferência indica uma volta completa e o término da mesma. No encoder absoluto, Figura 57b, cada posição do disco corresponderá a uma combinação de sinais (A1, A2, ... A6), em geral fornecidos por sensores óticos ou magnéticos que percebem a passagem pelas marcas do disco. É preferível empregar uma codificação tal que só ocorra a mudança de um “bit” a cada alteração de posicionamento, como o código Gray. Isto evita ambiguidades, facilitando a detecção de erros. Em caso de uma perda de energia ou desligamento, o sensor incremental necessitará da passagem pela marca de zero para reiniciar sua contagem após o religamento; já o sensor absoluto pode disponibilizar a informação da posição logo que energizado. Há dispositivos comercializados que chegam a ter resolução superior a 10 “bits”. A informação da velocidade pode facilmente ser obtida a partir da derivada da informação da posição, programada digitalmente.

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VOCÊ SABIA?

Os encoderes são utilizados para fechar a malha de controle de algum sistema eletromecânico, como controle de velocidade e/ou posição de um eixo, controle de posicionamento de uma mesa rotativa e de braços robóticos.

4.3.2 Resolvers O resolver é um transformador de alta frequência (5 a 10kHz) onde o primário está situado no rotor e existem outros dois secundários em quadratura no estator. As amplitudes e fases das tensões induzidas nos secundários são função da posição do rotor. Um circuito condicionador processa as tensões induzidas nos secundários fornecendo uma tensão proporcional à posição. Veja a Figura 58. enrolamentos secundários

uβ condic. de uα sinal

enrolamentos primário transformador rotativo auxiliar

uα

uβ 0

excitação alta frequência

Figura 58 -  Resolver Fonte: WEG, 2012

O resolver é usado em Comutação de motor com ímã permanente (PM) e controle de velocidade, Comutação de Servomotor CC/AC e Controle de Velocidade. Os sincrotransformadores, empregados em tradicionais malhas de controle, podem ser vistos como “resolvers” alimentados em 60Hz. Um resolver tem um enrolamento primário, o enrolamento de referência, e dois enrolamentos secundários, comumente chamados de enrolamentos seno e cosseno. O enrolamento de referência está localizado no rotor do resolver, enquanto os enrolamentos secundários se encontram no estator. Os enrolamentos seno e cosseno são mecanicamente deslocados 90° um do outro. Em um resolver sem escovas, a energia é fornecida ao enrolamento de referência (rotor) através de um transformador rotativo. Isso elimina escovas e anéis coletores e problemas de confiabilidade que lhes estão associados.

4 Servoacionamentos

Em geral, o enrolamento de referência é excitado por uma tensão alternada chamada de tensão de referência (Vr). As tensões induzidas nos enrolamentos seno e cosseno são iguais ao valor da tensão de referência multiplicada pelo seno ou cosseno de ângulo referente a um ponto fixo do eixo. Assim, o resolver gera duas tensões cuja proporção representa a posição absoluta do eixo de entrada. Pelo fato de a razão entre as tensões seno e cosseno ser considerada, são ignoradas quaisquer alterações nas características dos resolvers, tais como aquelas causadas pelo envelhecimento ou mudança de temperatura. Uma vantagem adicional da relação seno-cosseno é que o ângulo do eixo é absoluto. Mesmo que o eixo seja girado sem energia, o resolver informará o valor de sua nova posição quando a energia for restabelecida. Tipicamente são montados sistemas com fonte de alimentação e a placa de interface do resolver perto do dispositivo de entrada. O resolver exige que sejam usados mais dispositivos, porém resiste aos ambientes de alta temperatura.

4.3.3 Tacogerador O tacogerador é um gerador DC de ímã permanente acoplado mecanicamente no eixo em que desejamos medir a velocidade.

Figura 59 -  Tacogerador Fonte: WEG, 2012

Embora seja mais utilizado para medir a velocidade angular em máquinas rotativas, podemos utilizá-lo para medir a velocidade linear de máquinas como automóveis e locomotivas, entre outras, sendo que para esse tipo de aplicação é necessário saber o diâmetro da roda em questão. É comumente utilizado em servocontrole de máquinas operatrizes de controle numérico, de acionamento de máquinas têxteis, aceleradores, freio de elevadores, comando e regulagem para ajustes finos que dependem da variação da velocidade e outras aplicações que requerem velocidade contínua e extremamente controlada.

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Algumas exigências são necessárias para que um motor DC funcione como um tacogerador. São elas: Tensão de saída deve ser estabilizada na faixa operacional e a saída deve ser estável a variações de temperatura. Os tacogeradores industriais geralmente incorporam compensação de temperatura através de termistores e fazem uso de comutador e escovas de prata para melhorar a confiabilidade de comutação a baixas velocidades e a baixas correntes que são típicos desta aplicação. Para combinar alto desempenho e baixo custo, alguns motores são frequentemente desenvolvidos para incorporar um tacogerador montado no eixo do motor e dentro de uma única carcaça.

VOCÊ SABIA?

O controle de velocidade em motores pode ser feito de diversas formas, dependendo de sua aplicação. O tacogerador é utilizado em aplicações que requerem velocidade contínua e extremamente controlada, o encoder é utilizado em motores AC e DC no controle de posição e velocidade e o resolver em controle de comutação e velocidade de motores.

4.4 Instalação dos Servos A instalação é básica para todos os tipos de servos e é muito importante que seja realizada com bastante atenção para que o equipamento funcione corretamente. O anexo A apresenta um esquema da instalação do Servoacionamento e de seus acessórios.

FIQUE ALERTA

Uma vez que o servodriver utiliza em sua constituição elementos de comutação de alta velocidade, ele pode produzir ruídos, enviando distúrbios através dele e da rede de alimentação. Por isso, é importante que as providências citadas a seguir sejam seguidas.

Para assegurar uma operação segura e estável, sempre observe as seguintes precauções de conexão: I. Utilize cabos próprios, por mais similar que eles se pareçam, e utilize cabos para a entrada de referência e cabeamento de encoder. Corte a parte excedente dos cabos para minimizar seu tamanho e evitar o efeito de “antena”. Em uma instalação que utiliza cabos multivias, aterre os cabos reservas. II. Para o cabeamento de terra, utilize a fiação mais grossa possível, por exemplo AWG14 (2,00mm²) ou mais. O dimensionamento de cabos deve ser realizado por profissionais capacitados, obedecendo às normas vigentes. O Aterramento de classe 3 pelo menos é recomendado (100 W no máximo). Aterre em apenas um dos lados do cabeamento. Se o motor for isolado da máquina, aterre-o diretamente. III. Não torça ou aplique tensão ao cabo, a não ser que ele possua as características técnicas para isso. Utilize cabo de condução de sinal muito fino (0,2 a 0,3 mm) e manuseie os cabos como muito cuidado.

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IV. Utilize filtro de ruído para prevenir interferências. A maioria dos problemas apresentados por este tipo de equipamento é incidente dos ruídos eletromagnéticos. Se o equipamento for utilizado próximo de casas particulares, ou se puder receber interferência de ruídos, instale um filtro de ruído no lado de entrada da linha de alimentação. Este filtro é também conhecido como transformador de reatância e deve ser dimensionado corretamente para a aplicação. Quando o servo é designado como um dispositivo industrial, ele não contém um mecanismo de prevenção de interferência de ruído. V. Para prevenir problemas no funcionamento por motivo de ruído, posicione o dispositivo de referência de entrada e também o filtro de ruído o mais próximo possível do servo. Sempre instale um circuito de absorção de sobretensão nos relés, solenóides e contactores eletromagnéticos. A distância para a passagem de cabos da linha de alimentação (entenda como linha de alimentação a fiação de energia do painel e a linha de alimentação do motor) e da linha de sinal (entenda linha de sinal as informações vindas de um controlador externo) deve ser de no mínimo 30 cm, observando a colocação da alimentação e das linhas de sinal em dutos separados. Nunca enrole os dois tipos de sinais, evitando, assim, a geração de campo magnético e a geração de ruídos no equipamento. Não compartilhe em hipótese alguma a linha de alimentação do servodriver com equipamento de solda ou com máquinas que possam realizar descargas elétricas. Quando o servoacionamento for colocado próximo à osciladora de alta frequência, devemos instalar filtros de ruído na entrada da linha de alimentação.

VOCÊ SABIA?

Para maiores detalhamentos sobre aterramento e filtros de ruído, consulte as normas vigentes, a NBR 14039 e a NBR-5419.

Sempre utilize disjuntores de caixa moldada, padrão UL (MCCB), pois eles realizam uma boa proteção em todo o circuito dos equipamentos eletrônicos, ou também fusíveis de acordo com as normas vigentes no país para a proteção da linha de alimentação de alta tensão. Lembre-se de dimensionar o disjuntor ou o fusível apropriado para a aplicação, de acordo com a capacidade do servodriver e a capacidade de ruptura da proteção.

CASOS E RELATOS Nas indústrias temos diversas aplicações para os servoacionamentos. Como exemplo temos esteiras, mesas transportadoras e monovias, conforme a Figura 60.

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AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Figura 60 -  Exemplos de aplicações de servoacionamentos Fonte: WEG, 2012.

Estas aplicações podem ser agrupadas, pois possuem as mesmas características quanto ao seu acionamento, tendo o torque resistente constante para toda a faixa de velocidade. A programação de operação do servoconversor pode ser m modo velocidade ou posicionamento, dependendo da aplicação. No modo velocidade geralmente utilizamos uma entrada analógica configurada em velocidade de referência, onde o servoconversor mantém a velocidade constante no valor determinado pela referência. A operação do loop de velocidade é sobreposta ao loop de corrente. A corrente varia em função da carga. Já em modo de posicionamento o controle está baseado no sentido de giro e passo de deslocamento. O servoconversor mantém a posição constante no valor determinado pela referência de posição. Enquanto o servoconversor estiver habilitado, seu eixo ficará travado na posição dada pela referência de velocidade; já quando estiver desabilitado, a referência de posição é setada automaticamente para a posição do servomotor. A condição de partida do sistema é geralmente com carga, ou seja, torque resistente elevado. Nesta condição deve-se levar em consideração a sobrecarga inicial do sistema, onde o servoconversor tende a operar com a corrente dinâmica. Para os sistemas de transportes inclinados em elevação devemos ter especial atenção em sua partida, pois surge a condição de sobrecarga do servomotor, cuja intensidade está diretamente relacionada com seu grau de inclinação. Quando o sistema de transporte apresentar inclinação em declive, a frenagem reostática será mais solicitada, principalmente onde desejamos tempos muito curtos de desaceleração ou no caso de cargas de elevada inércia. Nos sistemas com inclinação e verticais devemos utilizar servomotores com freio eletromagnético, para que não haja movimentação do sistema quando falte energia.

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ANEXO

Anexo A Controle Periférico

Alimentação do Freio

Conecta o servo pack SGDH ao controlador externo Yaskawa ou à um fabricado por outra empresa.

Alimentado por 100Vac or 200Vac Alimentado po 24VDC para servomotor com freio 24VDC.

Alimentação Trifásico 200VAC

Disjuntor

MEMOCON GL120, GL130 com módulo de motion.

RS T

Operador Digital Protege a linha de alimentação, desligando à alimentação do circuito quando sobrecorrente é detectada.

JUSP-OPO2A-1 and JZSP-CMS00-1(cabo) Permite ao usuário setar parâmetros ou referências de operação e para mostrar alarmes de operação. Comunicação e controle também são possíveis com um PC (Computador.)

MCCB

Filtro de Ruído Usado para eliminar ruído externo na linha de alimentação.

Computador

Filtro de Ruído

***

Contator Magnético Série HI Liga e desliga o Servo. Instale um pressor de pico no contator magnético.

Alimentação de Freio

Usado para servomotor com freio.

***

Cabo modelo: YS-12

Contator Magnético Linha de Terra da Alimentação

U V W

L1 L2 L3

B1 B2

Alimentação do Freio

Resistor Regenerativo

Cabo do Encoder

24V 0V

Alimentação 24VDC

Conecte um resistor regenerativo externo nos terminais B1 e B2 se a potência regenerativa for insuficiente. Para 6Kw ou mais, é necessário resistor externo.

Fonte: Yaskawa, 2002

Resistor Regenerativo (opcional)

SENAI – DEPARTAMENTO NACIONAL Unidade de Educação Profissional e Tecnológica – UNIEP

Rolando Vargas Vallejos Gerente Executivo Felipe Esteves Morgado Gerente Executivo Adjunto Diana Neri Coordenação Geral do Desenvolvimento dos Livros SENAI – DEPARTAMENTO REGIONAL DO RIO GRANDE DO SUL

Claiton Oliveira da Costa Coordenação do Desenvolvimento dos Livros no Departamento Regional Júlio Damian Elaboração Giancarllo Josias Soares Marcelo Luiz de Quadros Revisão Técnica Enrique S. Blanco Fernando R. G. Schirmbeck Luciene Gralha da Silva Maria de Fátima R.de Lemos Design Educacional Regina M. Recktenwald Revisão Ortográfica e Gramatical Camila J. S. Machado Rafael Andrade Ilustrações Bárbara V. Polidori Backes Tratamento de imagens e Diagramação

i-Comunicação Projeto Gráfico