Figura 1 – Servo motor industrial |
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. Os servomotores 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.
O servo motor trabalha com servo-mecanismo que usa um sinal de retorno 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, chamado encoder, que tem a função de fornecer o sinal de retorno 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 acionar 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.
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.
Figura 2 – Tipos de Servo Motores. |
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).
Servo Motor de Corrente Contínua CC
Figura 3 – Servo Motor de Corrente Continua (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.
Na Figura 3 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.
Princípio de Funcionamento do Servo Motor CC
Figura 4 – 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.
Figura 5 - controle PWM. |
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.
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.
Figura 6 - Servomotor CA |
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.
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:
Figura 7 - Controle de Servomotor CA |
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 movimetnar 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:
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 movimetnar 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:
Figura 8 - Controle de servomotor com CLP. |
Veja na figura 2 mostramos os tipos de servoacionamento que podem ser encontrados atualmente no mercado. Abaixo, temos uma tabela 01 onde é possível visualizar as potência suportadas por cada tipo, bem como vantagens de desvantagens de cada tipo de servoacionamento.
© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Ultima atualização: 02/04/2016
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