Servo Acionamentos, Notas de estudo de Física
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Servo Acionamentos
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7MECATRÔNICA ATUAL Nº 5 - AGOSTO/2002

ESPECIAL

6 - OUTUBRO/2002

AUTOMAÇÃO

Seleção de acionamentos

Augusto Ottoboni

OOs servo-acionamentos ainda são uma incógnita para muitosprofissionais de diferentes segmentos do mercado, trazendo aestes profissionais que se deparam com os mesmos, certa inse- gurança e desconfiança na sua utilização. Foi pensando princi- palmente nestes profissionais que esta matéria foi elaborada, pois, assim como vocês, este também foi um entrave em certos mo- mentos de minha carreira profissional.

Esta matéria tem por objetivo demonstrar de forma bem sim- ples e didática, como são os componentes de um servo- acionamento (o Servomotor e o Servoconversor - veja figura 1), suas aplicações, especificações técnicas e parametrização.

desenvolvimento desta tecnologia ocorreu duran- te a Segunda Guerra Mundial. O pós-guerra

trouxe aumento da qualidade e mai- or expectativa de vida, uma cres- cente preocupação com a saúde e a ecologia, uma maior competição entre as empresas, novos produtos e serviços. Todos estes fatores, é claro que no momento mencionado ainda em evolução, trouxeram uma demanda cada vez maior de produ- tos e serviços que no passado não eram oferecidos ou até não eram realizados.

Esta demanda cada vez maior de produtos e serviços, criou uma crescente necessidade de aumen- to da produção industrial, manten- do-se e, se possível, aumentando- se os níveis de qualidade, cada vez maiores, nos produtos.

Estas solicitações de incremento de produção em todos os segmen- tos do mercado exigiram o desenvol- vimento de um novo produto, mais dinâmico, robusto e preciso.

Vamos imaginar a seguinte si- tuação: você, profissional respon- sável pela produção de uma deter- minada empresa, por motivos de concorrência, demanda ou por re- dução de custos apenas, deseja incrementar sua capacidade produ- tiva, basicamente agilizando seus processos produtivos. Como proce- der? Uma das alternativas seria re-

Figura 1 - Servomotor síncrono SEW-EURODRIVE e servoconversores SEW-EURODRIVE.

MECATRÔNICA ATUAL Nº 6 - OUTUBRO/20028

AUTOMAÇÃO

novar seu maquinário

substituindo as máquinas

antigas por ou- tras mais novas

e mais rápidas, mas, com custo

altíssimo esta alter- nativa pode ser fa- cilmente descar ta-

da; outra alternativa seria utilizar algumas

técnicas de Retrofitting nas máquinas atuais, o

que, além de mais barato, permite a utilização das mais mo- dernas tecnologias em a- cionamentos para a solução de in- cremento de produção com quali- dade.

Nestes Retrofittings, umas das tecnologias mais util izadas é o servo-acionamento , composto por servomotor mais servocon- versor.

O QUE É UM SERVOMOTOR?

O Servomotor é uma máquina síncrona composta por uma parte fixa (o estator) e outra móvel (o rotor), até aqui nenhuma novidade.

O estator é bobinado como no motor elétrico convencional, po- rém, apesar de utilizar alimenta- ção 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 linearmen- te sobre o mesmo e com um gera- dor de sinais chamado “RESOL- VER” instalado para fornecer sinais de velocidade e posição. Observe a figura 2.

Quais as características de um

servomotor?

De um servomotor são exigidos, entre outros, dinâmica, controle de rotação, torque constante e precisão de posicionamento. Figura 3 - Características requeridas do servomotor.

Figura 2 - Servomotor.

As características mais dese- jadas nos servomotores são o torque constante em larga faixa de rotação (até 4500 rpm), uma larga faixa de controle da rotação e vari- ação (até 1:3000) e alta capacida- de de sobrecarga (3 x Mo). Estas características são facilmente ob- tidas através do modo de controle CFC (Current Flux Control), espe- cialmente desenvolvido para a oti- mização de servomotores nos servoconversores da l inha MOVIDRIVE® , MOVIDRIVE®Com- pact e MOVIDYN®, da SEW- EURODRIVE. Atente para a figu- ra 3.

O Torque nominal (Mo) de um motor é determinado pelas seguin- tes características construtivas do motor.

O Torque máximo (Mmáx) é 3 x Mo do motor. Em função da potência do servoconversor utilizado , o Torque máximo que se pode alcan- çar também poderá ser menor.

Os servomotores devem possuir momento de inércia da massa do rotor, menor do que em relação aos motores assíncronos trifásicos, de- vido às grandes solicitações de di- nâmica.

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.

Como funciona um servomotor?

Os servomotores são máquinas síncronas, compostas de seis pó- los no estator, de al imentação trifásica, ímãs permanentes Ter-

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ras-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 totalmen- te especial, confeccionado para proporcionar uma alta dinâmica ao motor através de um fluxo eletro- magnético totalmente diferente do proporcionado pela rede. Este flu- xo eletromagnético só pode ser for- necido pelo servoconversor atra- vés de um modelamento matemá- tico que leva em consideração to- das as característ icas do servomotor, esta é a razão de ape- nas ser possível a utilização de servomotores e servoconversores de mesma marca. Só assim é pos- sível fornecer o fluxo mais apropria- do para o servomotor ter a melhor dinâmica.

Outro importante ponto é a se- qüência de fase adotada: em al- guns servomotores, a seqüência SERVOMOTOR - SERVOCONVER- SOR deve ser observada com aten- ção, pois a sua inversão causa fa- lha no servoconversor de Monitoração de rotação. Veja a figura 5.

Devido a estarmos trabalhando em malha fechada, quando da in- versão o servoconversor detecta a incompatibilidade entre os sinais do campo girante do servomotor com os sinais gerados pelo resol- ver.

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

Atente-se também para a utili- zação de servomotores e servo- conversores de mesmo fabricante, pois no modo operacional SERVO,

específ ico para servomotores síncronos, os dados dos servomotores necessários para este modo operacional (SERVO) estão memorizados nos servo- conversores, e só assim é possí- vel obter a melhor performance atra- vés do modelamento matemático do servomotor.

O que é o Resolver?

O resolver é um sistema de re- alimentação analógico composto

por um estator e um rotor, mas seu funcionamento é oposto ao do mo- tor, ou seja, funciona como um ge- rador. Seu rotor gira através da ação do eixo do rotor do servomotor e faz com que a ação do campo eletromag- nético do rotor exerça influência di- reta sobre o bobinamento do estator do resolver, este subdividido em dois estatores defasados 90° graus entre si, gerando sinais senoidais que fun- cionam como realimentação de po- sição e velocidade para o servoconversor. Observe as figuras 6 e 7.

Tabela 1 - Comparação entre motores para servomotor.

Figura 4 - Cortes transversais no rotor.

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O u t r o ponto a se ressal- tar é o fato do a l i n h a m e n t o do resolver. Por se tratar de um sensor de alta resolução e precisão, o seu ali- nhamento é algo fun- damental para seu perfeito funcionamento, por tanto, é aconselhável não mexer em seu sistema de fixação devido à sua complexidade de montagem. Na figura 8, o alinha- mento.

Quando comparado a outros sis- temas de realimentação disponí- veis no mercado (encoder incremental e encoder absoluto), o resolver tem suas características ressaltadas, principalmente quan- to à sua robustez e insensibilidade às vibrações e altas temperaturas. Observe a tabela2. Na figura 9, o encoder incremental.Figura 5 - Sequência de fase.

Figura 7 - Ação do campo eletromagnético de "resolver".Figura 6 - "Resolver"

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Figura 8 - Manutenção do alinhamento. O SERVOCONVERSOR...

A mais recente tecnologia embarcada faz dos servoconver- sores os equipamentos mais ver- sáteis disponíveis no mercado. Pos- sibilidade de comunicação direta com controladores externos, comu- nicação nos mais variados meios Fieldbus e possibilidade de asso- ciação de múltiplos eixos numa mesma fonte de alimentação, en- tre outras características, fazem dos servoconversores uma exce- lente opção no Upgrade de máqui- nas e equipamentos em geral. Na figura 10 , exemplar de ser- voconversor

Assim como nos conversores de freqüência, o diagrama de blo- cos do servoconversor figura 11 possui as mesmas característi- cas construtivas. Diferenciado apenas em seu modo operacional SERVO especí f ico para ser - vomotores s íncronos SEW- EURODRIVE. Os dados dos servomotores SEW necessários para o modo operacional SERVO, es tão memor izados nos ser -

Figura 9 - Encoder incremental

Tabela 2 - Quadro comparativo "resolver" x "encoder".

Figura 10 - Servoconversores.

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voconversores MOVIDRIVE ® , MOVIDRIVE ® Compact e MO- VIDYN®.

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 MMÁX é 3 x Mo do servomotor. Em função do servoconversor (MOVIDRIVE® , MOVIDRIVE ® Compact e MOVIDYN®) utilizado, o MMÁX que se pode alcançar também pode- rá ser menor, devido à exigência de cor rente so l ic i tada pe lo servomotor e a corrente fornecida pelo servoconversor. Veja a figu- ra 12.

A seleção da melhor relação (servomotor x servoconversor), pode ser selecionada conforme o torque e rotação do servomotor, pela corrente nominal do ser- voconversor.Veja a tabela 3.

A melhor combinação entre servomotor e servoconversor é aquela que satisfaz a condição de 3 x Mo.

Nas condições em que ocorrem a indicação de um * , a combina- ção é possível, porém não com 3 x Mo.

Nas situações em que há soli- citação de torque muito elevado, existe ainda a possibilidade da combinação dos servomotores so- mados aos redutores planetários de baixa folga angular, especial- mente projetados para atender às mais exigentes solicitações de carga.

Estes redutores além de baixa folga angular (1 estágio: < 3’ ou < 6’e 2 estágios: < 5’ ou < 10’), pos- suem reduções exatas que facili- tam a precisão de posicionamento, além de suportarem altos choques.

A composição servomotor + redutor planetário é utilizada nas

Figura 11 - Diagramação de blocos do servoconversor.

Figura 12 - Curvas torque x Rotação do servomotor.

Figura 13 - Servo-acionamento = servomotor + redutor planetário.

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Tabela 3 - Características (torque x rotação do servomotor x Corrente nominal do servoconversor).

mais diversas aplicações, devido à sua excelente performance. Fi- gura 13.

Transelevadores, máquinas o- peratrizes e máquinas em geral com alta solicitação de dinâmica e precisão de posicionamento são o principal segmento de atuação dos servo-acionamentos. Observe a fi- gura 14.

PARAMETRIZAÇÃO E PROGRAMAÇÃO

A pr inc ipa l vantagem dos servoconversores é a sua rápida e simples parametrização, possi- bilitada através de seu controle manual ou através dos progra- mas MX_SHELL ® ou MO- VITOOLS®.

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Figura 14 - Transelevador com servo-acionamento Sew.

Figura 15 - Tela de programação IPOS® (Sistema de posicionamento e seqüência), em Assembler.

Figura 16 - MOVITOOLS® via CD ou Internet.

Figura 17 - Servo-acionamentos aplicados a desbobinadores e bobinadores através do

programa IPOS® plus.

Tanto os programas quanto o con- trole manual, permitem selecionar o modelo específico do servomotor utilizado, sua tensão de alimentação, sua rotação nominal e rapidamente fornecem ao usuário uma otimização das melhores características do servomotor utilizado.

O programa de posicionamento e seqüenciamento IPOS®, já está dis-

ponível internamente nos servo-a- c i o n a m e n t o s S E W - E U R O - DRIVE tirar es- paço. Este pro- grama tem um funcionamento muito similar a um CLP , ou seja, comanda as funções de seqüência e po- sição do servo-a-

cionamento, e sua limitação é deter- minada pelo número de entradas e saídas disponíveis no equipamento (figura 15).

Outro programa disponível nos servo-acionamentos SEW-EURO- DRIVE é o SCOPE® , um programa de visualização gráfica , onde é pos- sível apurar as verdadeiras condi- ções de trabalho dos servo- acionamentos em tempo real. O pro- grama SCOPE é mais uma opção existente e disponível nos programas MX_SHELL® e MOVITOOLS® da SEW-EURODRIVE.

CONCLUSÃO

Máquinas e equipamentos em geral com alta solicitação de dinâ- mica e precisão de posicionamento são os ideais para a utilização dos servo-acionamentos. Veja a figura 17 l

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