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tecnologia Eletromecanica, Notas de estudo de Eletromecânica

motores eletricos

Tipologia: Notas de estudo

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Baixe tecnologia Eletromecanica e outras Notas de estudo em PDF para Eletromecânica, somente na Docsity! Apostila 1600.231.01 BR Outubro 2003 Tecnologia Eletromecânica C Y A N M A G E N TA Y E L L O W B L A C K Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Av. Lucas Nogueira Garcez 2181 Esperança Caixa Postal 148 12325-900 Jacareí, SP Tel.: 12 3954-5100 Fax: 12 3954-5262 automat.brazil@parker.com Belo Horizonte - MG Rua Pernambuco 353 - Conjuntos 306/307 Funcionários 30130-150 Belo Horizonte, MG Tel.: 31 3261-2566 Fax: 31 3261-4230 belohorizonte@parker.com Campinas - SP Rua Tiradentes 289 - salas 21 e 22 Guanabara 13023-190 Campinas, SP Tel.: 19 3235-3400 Fax: 19 3235-2969 campinas@parker.com Curitiba - PR Rua Eduardo Sprada 6430 CIC - Cidade Industrial de Curitiba 81290-110 Curitiba, PR Tel.: 41 317-4400/0800-414011 Fax: 41 317-4401/0800-417011 curitiba@parker.com Vale do Paraíba - Jacareí - SP Av. Lucas Nogueira Garcez 2181 Esperança Caixa Postal 148 12325-900 Jacareí, SP Tel.: 12 3954-5100 Fax: 12 3954-5262 valeparaiba@parker.com Porto Alegre - RS Av. Frederico Ritter 1100 Distrito Industrial 94930-000 Cachoeirinha, RS Tel.: 51 470-9144 Fax: 51 470-6909 portoalegre@parker.com Recife - PE Rua Santa Edwirges 135 Bairro do Prado 50830-000 Recife, PE Tel.: 81 3227-3376 Fax: 81 3227-6064 recife@parker.com Rio de Janeiro - RJ Av. das Américas 500 - Bl. 20 - Sl. 233 - Downtown Barra da Tijuca 22640-100 Rio de Janeiro, RJ Tel.: 21 2491-6868 Fax: 21 3153-7572 riodejaneiro@parker.com São Paulo - SP Rodovia Anhanguera km 25,3 Perus 05276-977 São Paulo, SP Tel.: 11 3917-1222 - Ramal 263 Fax: 11 3917-1690 saopaulo@parker.com Parker Hannifin Filiais Distribuidor Autorizado Ap. 1600.231.01 BR - 10/03 - 1000 Automation Automation G H2 V30 A150 D4000 G T4 L6 OXX1 1PR Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil Automation Pense em Qualidade, Pense Parker Você pode ter certeza de que sendo certificada pela ISO 9001 e QS-9000, a Parker: - Tem implementado um sistema de garantia de qualida- de documentado, avaliado e aprovado. Assim você não precisa inspecionar e testar os produtos recebidos. - Trabalha com fornecedores qualificados e aplica o princí- pio de perda zero em todo o processo de produção. Todos os componentes agregados ao produto satisfazem os mais altos requisitos de qualidade. - Trabalha para garantir que o projeto do produto atenda a qualidade requerida. O trabalho realizado com garantia de qualidade oferece soluções racionais e reduz custos. - Previne as não conformidades dos processos em todos os estágios, com qualidade permanente e conforme especificações. - Tem como objetivo permanente o aumento da eficiência e a redução de custos sendo que, como cliente, isto lhe proporciona maior competitividade. - Trabalha para atender suas expectativas da melhor forma possível, oferecendo sempre o produto adequado, com a melhor qualidade, preço justo e no prazo conveniente. Para você, cliente Parker, isto não é nenhuma novidade. Qualidade Parker, sem dúvida, uma grande conquista! Para nós da Parker, a qualidade é alcançada quando suas expectativas são atendidas, tanto em relação aos produtos e suas características, quanto aos nossos serviços. Nosso maior objetivo é corresponder a todas as suas expectativas da melhor maneira possível. A Parker Hannifin implementou substanciais modifica- ções, em sua organização e métodos de trabalho, a fim de satisfazer os requisitos do Sistema de Garantia de Qualidade ISO 9001e QS-9000. Este sistema controla a garantia de qualidade dos processos através de toda a organização, desde o projeto e planejamento, passando pelo suprimento e produção, até a distribuição e serviços. A Parker Hannifin está certificada pelo ABS - Quality Evaluations, Inc. desde 13/05/94 na ISO 9001 e em 26/11/99 teve seu certificado graduado para a norma automotiva QS-9000 Terceira Edição. Este certificado é a certeza de que a Parker trabalha ativa e profissionalmente para garantir a qualidade de seus produtos e serviços e a sua garantia é segurança de estar adquirindo a melhor qualidade possível. Isto significa que como cliente você pode ter total credibi- lidade em nós como seu fornecedor, sabendo que iremos atender plenamente as condições previamente negociadas. ADVERTÊNCIA SELEÇÃO IMPRÓPRIA, FALHA OU USO IMPRÓPRIO DOS PRODUTOS E/OU SISTEMAS DESCRITOS NESTE CATÁLOGO OU NOS ITENS RELACIONADOS PODEM CAUSAR MORTE, DANOS PESSOAIS E/OU DANOS MATERIAIS. Este documento e outras informações contidas neste catálogo da Parker Hannifin Ind. e Com. Ltda. e seus Distribuidores Autorizados, fornecem opções de produtos e/ou sistemas para aplicações por usuários que tenham habilidade técnica. É importante que você analise os aspectos de sua aplicação, incluindo conseqüências de qualquer falha, e revise as informações que dizem respeito ao produto ou sistemas no catálogo geral da Parker Hannifin Ind. e Com. Ltda. Devido à variedade de condições de operações e aplicações para estes produtos e sistemas, o usuário, através de sua própria análise e teste, é o único responsável para fazer a seleção final dos produtos e sistemas e também para assegurar que todo o desempenho, segurança da aplicação e cuidados sejam atingidos. Os produtos aqui descritos com suas características, especificações, desempenhos e disponibilidade de preço são objetos de mudança pela Parker Hannifin Ind. e Com. Ltda., a qualquer hora, sem prévia notificação. ! Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 3 Automation Apostila 1600.231.01 BR Informações Complementares Tecnologia Eletromecânica Visão Geral da Tecnologia Fig. 1.2 Servosistema de malha fechada de controle de velocidade. O Drive Trata-se de um amplificador eletrônico de potência que for- nece a energia para a operação do motor em resposta a sinais de controle de baixa tensão. Em geral, o drive é proje- tado especificamente para operar com um tipo particular de motor - não se pode empregar um drive para motor de pas- so na operação de um motor CC com escova, por exemplo. Sinais de Comando Comandos de Alto Nível Computador ou PLC Indexador/ Controlador Drive Motor Passo Híbrido Servo CC Servomotor Brushless Passo Linear Encoder Drive MotorControlador Circuito de feedback Visão Geral da Tecnologia O controle de movimento, em seu sentido mais amplo, pode se relacionar a qualquer coisa, de um robô de solda ao sis- tema hidráulico de um guindaste móvel. No campo do Con- trole Eletrônico de Movimento, nos ocupamos principalmente com sistemas que se enquadram em uma gama de potên- cia limitada, tipicamente até cerca de 10KW, e que reque- rem precisão em um ou mais aspectos. Isto pode envolver o controle preciso da distância ou da velocidade, muitas vezes dos dois, e às vezes de outros parâmetros tais como torque ou taxa de aceleração. No caso dos dois exemplos acima, o robô de solda requer o controle preciso tanto da velocidade quanto da distância; o sistema de guindaste hi- dráulico emprega o drive como sistema de feedback, por- tanto sua precisão varia com a habilidade do operador. Neste contexto, este não seria considerado um sistema de contro- le de movimento. Nosso sistema padrão de controle eletrônico de movimento consiste de três elementos básicos: Fig. 1.1 Elementos de um sistema de controle de movimento. O Motor Este pode ser um motor de passo (rotativo ou linear), um motor CC com escova ou um servomotor brushless. O mo- tor deve ser dotado de algum tipo de dispositivo para feed- back, a não ser que seja um motor de passo. A Fig. 1.2 mostra um sistema completo, com feedback para controle da velocidade e posição do motor. Este sistema é conhecido como servosistema de malha fechada de controle de velocidade. O sistema de Controle A tarefa desempenhada de fato pelo motor é determinada pelo indexador/controlador; ele envia parâmetros como ve- locidade, distância, direção e taxa de aceleração. A função de controle pode estar distribuída entre um controlador hos- pedeiro, como um computador industrial, e uma unidade escrava que aceita comandos de alto nível. Em um sistema multi-eixos, um controlador poderá operar em conjunto com diversos drives e motores. Estaremos vendo cada um destes elementos do sistema, bem como sua relação entre si. Seleção da Tecnologia do Motor A seção "Comparativo de Tecnologia" deste manual estabelece, em linhas gerais, os méritos relativos a cada tecnologia de motor e discute o tipo de aplicação adequado a cada uma. A tabela na página a seguir permite uma visão geral das considerações de escolha e pode ser utilizada como guia geral para se chegar ao tipo mais adequado de motor. Lembre-se de que muitas aplicações podem ser igualmente atendidas por mais de uma tecnologia de motor, e poderão haver outras considerações que influenciem a escolha, como compatibilidade com equipamentos existen- tes ou preferências do cliente. No entanto, em termos gerais, o sistema de passo oferece a solução de mais baixo custo, enquanto o servomotor brushless oferece o melhor desempenho em geral. 4 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Informações Complementares Tecnologia Eletromecânica Tabela de Seleção da Tecnologia Fig. 1.3 Tabela para seleção de tecnologia. Um motor de passo atenderá aos requisitos de torque/velocidade? Você precisa operar continuamente acima de 2000 rpm? Você precisa controlar o torque? A carga muda rapidamente durante a operação? Utilize um drive de micro passo com viscosidade eletrônica a amortecimento ativo É importante um tempo curto para alcançar o set-point? A suavidade a baixas velocidades é importante? Considere um drive de mini passo Considere um sistema direct drive A taxa de inércia da carga em relação ao motor é superior a 10:1? Use um sistema de servomotor brushless Adicione realimentação com encoder no Controlador Inicie Aqui Sim Sim Não Sim Não Sim Não Não Não Sim Não Sim Não Você precisa operar continuamente acima de 120 rpm? Utilize um servomotor brushless com caixa de transmissão (redutor planetário) Tente um drive de micro passo Não É preciso detectar perda de posição ou medir a posição real da carga para correção de folga? Sim Sim Sim Tabela de Seleção da Tecnologia Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 5 Automation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Motores de Passo Motores de Relutância Variável (V.R.) Um motor V.R. não possui magneto permanente, portanto o rotor gira livremente sem torque de “retenção”. A saída de torque para uma dada dimensão da estrutura é restrita, embora a taxa de torque por inércia seja boa, sendo que este tipo de motor é freqüentemente empregado em pequenas dimensões para aplicações como mesas de microposicionamento. Motores V.R. são pouco utilizados em aplicações industriais. Não possuindo magneto permanente, eles não são sensíveis à polaridade da corrente e necessitam de um arranjo de drive diferente dos outros tipos de motor. Fig. 2.3 Motor de relutância variável. Motores Híbridos O motor híbrido mostrado na Fig. 2.4 é, de longe, o motor de passo mais utilizado em aplicações industriais. O nome é proveniente do fato de que ele combina os princípios operacionais dos outros dois tipos de motores (PM e VR). A maioria dos motores híbridos é de 2 fases, embora sejam utilizadas versões de 3 e 5 fases. Um outro desenvolvimento é o motor “híbrido aperfeiçoado” (“enhanced hybrid”), que emprega magnetos para focagem do fluxo que propiciam um aumento significativo no desempenho, muito embora a um custo maior. Fig. 2.4 Motor de passo híbrido. A operação do motor híbrido pode ser compreendida mais facilmente analisando-se um modelo muito simples que produzirá 12 passos por revolução (Fig. 2.5). Fig. 2.1 Motor tipo “canstack”, ou de magneto permanente. Motores de Magneto Permanente (P.M.) O motor do tipo “canstack” mostrado nas Figuras 2.1 e 2.2 é talvez o tipo de motor mais amplamente utilizado para apli- cações não industriais. Ele é essencialmente um dispositi- vo de baixo custo, baixo torque e baixa velocidade ideal para aplicações em campos como periféricos de informática. A construção do motor resulta em ângulos de passo relativa- mente grandes, porém a simplicidade geral permite a pro- dução em larga escala a custo muito baixo. O motor de vão axial ou disco é uma variação do projeto de magneto per- manente que apresenta um melhor desempenho, em gran- de medida devido à inércia muito baixa do motor. No entan- to, isto restringe as aplicações do motor às que envolvem baixa inércia caso seja exigido todo o desempenho do mo- tor. Fig. 2.2 Vista em corte de motor com magneto permanente. N N N N N S S S S S S S S S N N N N N SN S Carcaça Eixo de aço inoxidável não magnético Rotor Mancal Pré-lubrificado Estator Diagrama cortesia da Airpax Corp., EUA Espira A Espira B Rotor Proteção do estator A Proteção do estator B Eixo de saída Motores de Passo Há três tipos principais de motores de passo: n Motores de magneto permanente (P.M.) n Motores de relutância variável (V.R.) n Motores híbridos 8 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Motores de Passo O Motor Híbrido Padrão de 200 Passos O motor de passo padrão opera da mesma forma que nosso modelo simples, porém possui um número maior de dentes no rotor e no estator, o que propicia um tamanho menor para o passo básico. O rotor é construído em duas seções como anteriormente, porém possui 50 dentes em cada seção. O deslocamento de meio dente entre as duas seções foi mantido. O estator possui 8 pólos, cada um com 5 dentes, perfazendo um total de 40 dentes (veja a Fig. 2.13). Fig. 2.13 Motor híbrido de 200 passos. Se imaginarmos que um dente está colocado em cada um dos intervalos entre os pólos do estator, haveria um total de 48 dentes, dois a menos do que o número de dentes do rotor. Portanto, se os dentes do rotor e do estator estiverem alinhados na posição vertical superior (correspondente à posição de 12 horas de um ponteiro de relógio), eles também estarão alinhados na posição vertical das 6 horas. Nas posições correspondentes a 3 e 9 horas os dentes estarão desalinhados. No entanto, devido ao deslocamento entre os conjuntos de dentes do rotor, o alinhamento ocorrerá nas posições correspondentes a 3 e 9 horas na outra extremida- de do rotor. As espiras estão arranjadas em conjuntos de quatro, e enroladas de forma tal que os pólos diametrica- mente opostos são equivalentes. Portanto, em referência à Fig. 2.13, os pólos norte nas posições de 12 e 6 horas atraem os dentes pólo sul na parte frontal do rotor; e os pólos sul nas posições de 3 e 9 horas atraem os dentes pólos norte na parte traseira. Ao se mudar a corrente para o segundo conjunto de bobinas, o padrão do campo magnético do estator rotaciona 45°. No entanto, para alinhar este novo campo, o rotor precisa girar apenas 1,8°. Isto equivale a um quarto de giro de dente no rotor, o que resulta em 200 passos por revolução. Observe que há o mesmo número de posições detentoras quanto passos por revolução, normalmente 200. As posições detentoras correspondem aos dentes do rotor estando totalmente alinhados com os dentes do estator. Ao se aplicar energia a um drive de passo, é usual que ele se energize no estado de “fase zero”, onde há corrente em ambos os conjuntos de espiras. A posição resultante do rotor não corresponde a uma posição detentora natural, portanto um motor sem carga se moverá, pelo menos, meio passo no momento da energização. É claro que, se o sistema foi desligado num estado diferente do de fase zero, ou se o motor for movimentado enquanto desligado, poderá ocorrer um movimento maior no momento da energização. Outro ponto a se lembrar é o de que, para um dado padrão de corrente nas espiras, o número de posições estáveis é igual ao de dentes do motor (50 para um motor de 200 passos). Caso um motor seja dessincronizado, o erro posicional resul- tante sempre será equivalente a um número inteiro de dentes do rotor ou um múltiplo de 7,2°. O motor, propriamente dito, não pode “perder” passos individuais - erros de posição, de um ou dois passos, devem ser atribuídos a ruído, pulsos de passo falsos ou perdidos, ou falha do controlador. Espiras Bifilares A maior parte dos motores é descrita como sendo de “espiras bifilares”, o que significa que há dois conjuntos idênticos de espiras em cada pólo. Dois filamentos são enrolados juntos como se fossem uma única bobina. Isto produz dois enrolamentos que são quase idênticos elétrica quanto magneticamente - se ao invés disso uma bobina fosse enrolada sobre a outra, mesmo tendo o mesmo número de voltas, as características magnéticas seriam diferentes. Em termos simples, enquanto quase a totalidade do fluxo da bobina interna fluiria pelo núcleo ferroso, parte do fluxo da bobina externa fluiria pelo enrolamento da bobina interna. A origem da espira bifilar data do drive unipolar (veja a seção de Tecnologia de Drives). Ao invés de ser preciso reverter a corrente em uma espira, o campo poderá ser revertido trans- ferindo-se a corrente para uma segunda bobina enrolada na direção oposta. (Embora as duas bobinas sejam enrola- das da mesma forma, trocando-se suas pontas produz-se o mesmo efeito.) Portanto, com um motor de espiras bifilares, pode-se manter um projeto simples para o drive. No entanto, este requisito já praticamente desapareceu atualmente, com a ampla disponibilidade do drive bipolar, de maior eficiência. No entanto, os dois conjuntos de espiras realmente propor- cionam uma flexibilidade maior, e veremos que diferentes métodos de conexão podem ser empregados para propiciar características alternativas para torque e velocidade. Caso todas as bobinas em um motor bifilar sejam retiradas separadamente, teremos um total de 8 terminais (veja a Fig. 2.14). Esta é a configuração mais comum, pois propicia a maior flexibilidade. No entanto, há ainda alguns poucos moto- res que são produzidos com apenas 6 terminais, com um terminal atuando como conexão comum a cada espira num par bifilar. Este arranjo limita a flexibilidade, pois as espiras não podem ser conectadas em paralelo. Alguns motores são construídos com apenas 4 terminais, porém estes não têm espiras bifilares e não podem ser utilizados com um drive unipolar. Obviamente não há um modo alternativo de conexão para um motor de 4 terminais, porém para muitas aplicações isto não constitui desvantagem, e ainda se evita o problema do isolamento de terminais não utilizados. 4 terminais 5 terminais 6 terminais 8 terminais Fig. 2.14 Configurações de terminais de motores. Ocasionalmente pode-se encontrar um motor de 5 terminais. Estes não são recomendados, pois não podem ser utilizados com Drives bipolares convencionais, pois requerem isola- mento adicional entre as fases. Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 9 Automation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Motores de Passo Observando-se um corte longitudinal do motor (Fig. 2.15), podemos ver o magneto permanente no rotor e o caminho do fluxo através das peças que constituem os pólos e o estator. O fluxo alternado produzido pelas espiras do estator flui em um plano perpendicular à página, e portanto os dois caminhos do fluxo estão em ângulo reto entre si e interagem apenas nas peças que constituem os pólos do rotor. Esta é uma característica importante do motor híbrido - isto significa que o magneto permanente no rotor não “enxerga” o campo alternado das espiras, e portanto não produz um efeito desmagnetizante. Diferente do servomotor CC, é quase im- possível de se desmagnetizar um motor de passo aplicando- se corrente excessiva. No entanto, um excesso de corrente danificará o motor de outras maneiras. O calor excessivo poderá derreter o isolamento ou o suporte das espiras, e poderá amolecer o material colante que une as laminações do rotor. Caso isto ocorra e as laminações sejam deslocadas, os sintomas podem ser os mesmos que os de uma desmag- netização do rotor. Fig. 2.15 Corte longitudinal de um motor com simples magnento. A Fig. 2.15 mostra também que o fluxo do rotor precisa cruzar apenas um pequeno vão de ar (tipicamente menos de 0,1 mm) quando o rotor está em posição. Magnetizando-se o rotor após a montagem, obtém-se uma elevada densidade de fluxo, que será em grande parte destruída caso o rotor seja retirado. Portanto, os motores de passo jamais devem ser desmontados apenas para satisfação da curiosidade, pois neste caso a vida útil do motor chegará certamente ao fim. Como o eixo do motor passa através do centro do magneto permanente, deve ser utilizado um material não magnético para se evitar um curto-circuito. Eixos de motores de passo são portanto feitos de aço inoxidável, e devem ser manusea- dos com cuidado. Motores de pequenos diâmetros são particularmente vulneráveis, e, caso sofram uma queda sobre a ponta do eixo, terão inevitavelmente o eixo entortado. Motores de Múltiplo Magnetos Para produzirmos um motor com uma saída de torque mais elevada, devemos aumentar a força tanto do magneto permanente quanto do campo produzido pelo estator. Pode- se obter um magneto mais forte para o rotor aumentando- se o seu diâmetro, o que nos propicia uma área seccional maior. No entanto, aumentar o diâmetro provocará uma degradação no desempenho do motor em termos de aceleração, pois há uma diminuição da relação torque-inércia (a grosso modo, o torque aumenta com o quadrado do diâ- metro, mas a inércia aumenta à quarta potência). No entanto, podemos aumentar a saída de torque sem degradação do desempenho em termos de aceleração adicionando mais Dentes do Platinado Espiras ds Campos Platen Eletro-magneto Fase A Forcer Magneto Permanente BBAA Faces dos Pólos SN { 1 2 1 2 { { { Vão de Ar Eletro-magento Fase B seções, de magneto ao mesmo eixo (Fig. 2.16). Uma segunda seção permitirá a produção do dobro de torque, e duplicará a inércia, portanto mantendo a mesma relação de torque-inércia. Daí, para cada tamanho do flange os motores de passo são normalmente produzidos em versões com seções de magneto simples, duplo e triplo. Fig. 2.16 Motor de passo híbrido com seção tripla. Como regra genérica, a relação de torque-inércia é reduzida numa relação quadrática com cada aumento do diâmetro do flange. Portanto, girando livremente, um motor tamanho 34 pode acelerar duas vezes mais rápido do que um motor tamanho 42, independente do número de seções. Fig. 2.17 Motor de passo linear. Motores de Passo Lineares O motor de passo linear é essencialmente um motor de passo que foi “desenrolado” para operar em linha reta. O componente móvel é denominado Forcer, e movimenta-se ao longo de um elemento fixo, ou base. Para fins operacio- nais, a base equivale ao rotor em um motor de passo nor- mal, embora seja um dispositivo inteiramente passivo e não seja dotado de magneto permanente. O magneto é incorporado ao Forcer Móvel, juntamente com as bobinas (veja a Fig. 2.17). O Forcer é equipado com peças de 4 pólos, cada uma possuindo 3 dentes. Os dentes são escalonados no sentido do comprimento em relação aos dentes da base, assim, alternando-se a corrente nas bobinas fará com que o conjunto de dentes seguintes se alinhem. Um ciclo completo de alternação (4 passos completos) é equivalente a um deslocamento de um dente da base. Da mesma forma que o motor de passo rotativo, o motor linear pode ser acionando por um drive de micro- passo. Neste caso, uma resolução linear típica seria cerca de 500 passos por mm, ou 2 mícron por passo. O motor linear é mais adequado a aplicações que requerem o deslocamento de uma pequena massa em alta velocidade. Num sistema acionado por rosca, a inércia predominante em geral é representada pela rosca em si e não pela carga 10 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Motores de Passo Fig. 2.19 Curva característica de torque em relação ao deslocamento. Com a defleção do eixo para além de um passo completo, o torque cairá até estar novamente em zero após dois passos completos. No entanto, este ponto de zero é instável, e o torque se reverte imediatamente para além dele. O ponto estável seguinte é encontrado quatro passos completos adiante do primeiro, equivalente a uma largura de dente no rotor, ou a 1/50 de revolução. a ser movimentada. Portanto, a maior parte do torque do motor é utilizada para acelerar as engrenagens, e este problema se torna mais grave à medida em que aumenta a distância de movimentação requerida. Empregando-se um motor linear, toda a força desenvolvida pode ser aplicada diretamente à carga, e o desempenho obtido independe do comprimento do movimento. Um sistema de rosca pode atingir maior força linear e mais robustez, porém a velocidade máxima de um motor linear equivalente poderá ser até dez vezes superior. Por exemplo, uma velocidade máxima típica para um motor linear é 2,5 m/seg. Para que isto possa ser atingido com uma rosca de 10 mm seria necessária uma velocidade rotativa de 15.000 rpm. Além disso, o motor linear pode movimentar-se a uma distância de até 2,4 metros empregando uma base padrão. Como Funciona o Motor Linear O Forcer consiste de dois eletromagnetos (A e B) e de um magneto permanente forte. As faces dos dois pólos de cada eletromagneto são dentadas, sendo que os quatro conjuntos de dentes são espaçados em quadratura, resultando que apenas um conjunto pode ser alinhado aos dentes da base por vez. O fluxo magnético que passa entre o Forcer e a base resulta em uma grande força de atração. A força de atração pode ser até 10 vezes superior à força de retenção de pico do motor, requerendo um conjunto de mancais que mantenha uma distância precisa entre as faces dos pólos e os dentes da base. São empregados mancais de rolamentos de ar para manter as distâncias requeridas. Ao se estabelecer a corrente em uma das espiras, o campo magnético resultante tende a reforçar o fluxo do magneto permanente em um pólo e a cancelá-lo no outro. Revertendo-se a corrente, o reforço e o cancelamento são intercambiados. Removendo- se a corrente provoca uma divisão do fluxo eletromagnético em partes iguais entre as faces dos pólos. Aplicando-se de forma seletiva a corrente às fases A e B, é possível se concentrar o fluxo em qualquer uma das quatro faces dos pólos do Forcer. A face que estiver recebendo a maior concentração de fluxo tentará alinhar seus dentes com a base. A Fig. 2.18 mostra os quatro estados primários, ou posições de passo completo, do Forcer. Os quatro passos resultam no movimento de uma largura de dente para a direita. Revertendo-se a seqüência faz com que o Forcer movimente-se para a esquerda. Caracterísiticas do Motor de Passo Poderíamos discutir diversas características de desempenho dos motores de passo, porém, para manter a simplicidade, nos restringiremos àquelas com maior significado prático. A Fig. 2.19 ilustra a curva de torque estático do motor. Isto se refere a um motor que está energizado porém estacionário, e mostra como o torque varia com a posição do rotor ao se defletir do ponto de estabilidade. Estamos supondo que não há fricção nem outras cargas estáticas aplicadas ao motor. Com a movimentação do rotor para longe da posição estável, o torque aumenta de forma estável até atingir um ponto máximo após um passo completo (1,8°). Este valor máximo é denominado torque retentor, e representa a maior carga estática que pode ser aplicada ao eixo sem causar rotação contínua. No entanto, isto não nos informa o torque máximo de operação do motor - este é sempre menor do que o torque retentor (tipicamente em torno de 70%). T or qu e S en tid o H or ár io S en tid o A nt i-h or ár io 4 Passos do Motor Torque Máximo InstávelEstável Estável Ângulo SN SN SN B Alinhado A Alinhado B Alinhado SN Linhas de FluxoDireção do FEM Devido ao Eletromagneto A Alinhado Fase BFase A 1 2 2 1 Fig. 2.18 Os quatro estados primários do Forcer. Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 13 Automation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Servomotores Motores CC com Escova Princípios O motor CC com escova baseia-se no conceito de que é criada uma força quando um condutor é percorrido por uma corrente quando colocado em um campo magnético (Fig. 3.1). Comutação A força que rotaciona a armadura do motor é resultado da interação entre dois campos magnéticos (o campo do estator e o campo da armadura). Para produzir um torque constante no motor, estes dois campos devem permanecer constantes tanto em termos de magnitude quanto na orientação relativa. Fig. 3.3 Esquema elétrico da armadura. Isto é obtido construindo-se a armadura como uma série de pequenas seções conectadas em seqüência aos segmentos de um comutador (Fig. 3.3). A conexão elétrica é feita com o comutador por meio de duas escovas. Se a armadura girar 1/6 de revolução no sentido horário, a corrente nas bobinas 3 e 6 terá mudado de direção. Com a passagem de segmen- tos sucessivos do comutador pelas escovas, a corrente nas bobinas conectadas a estes segmentos muda de direção. Este efeito de comutação ou chaveamento resulta em um fluxo de corrente na armadura que ocupa uma posição fixa no espaço, independente da posição da armadura. Isto resultará na produção de uma saída de torque constante no eixo do motor. O eixo de magnetização é determinado pela posição das escovas. Se o motor é projetado para possuir as características similares nas duas direções de rotação, o eixo das escovas deve ser posicionado para produzir um eixo de magnetização a 90° em relação ao campo do estator. Tipos de Motor com Escova São utilizados dois tipos diferentes de motores CC escova. Motor com Núcleo de Ferro Este é o tipo mais comum de motor utilizado em sistemas CC servo-controlados (veja a Fig. 3.4). Ele é composto por duas partes principais - uma carcaça contendo os magne- tos do campo, e um rotor com bobinas de fios enroladas em ranhuras sobre um núcleo de ferro e conectadas a um comutador. As escovas em contato com o comutador levam a corrente às bobinas. Fig. 3.2 Armadura do motor CC. Com a rotação da armadura, o campo magnético é também rotacionado. A armadura irá parar com seu campo magnético estando alinhado com o campo do estator, a não ser que haja algum dispositivo para mudar constantemente a direção da corrente em cada bobina da armadura. Fig. 3.1 Força sobre um condutor em um campo magnético. A força que age sobre o condutor é o produto da corrente e da densidade do fluxo: F = I x B onde B = densidade do fluxo magnético e I = corrente A força disponível pode ser aumentada utilizando-se mais condutores, ou enrolando-se um fio numa forma de bobina. Esta é a base do motor CC com escova. Considerações Práticas O problema agora é como utilizar esta força para produzir o torque contínuo requerido numa aplicação prática de mo- tor. Para obter a maior força possível, um grande número de condutores deve ser colocado no campo magnético. Na prática, isto produz um cilindro de fios, com as espiras colocadas em paralelo ao eixo do cilindro. Um eixo mecânico passando pelo eixo do cilindro age como pivô, e este arranjo é chamado de armadura do motor (Fig. 3.2). Força (F) Campo Magnético (B) Condutor de Corrente (I) (Perpendicular à página) Força sobre o Condutor F = I x B Campo Resultante Devido à Corrente na Armação Eixo Armação Direção da Corrente Perpendicular à Página Campo do Estator 2 1 3 4 5 6 Entrada de Corrente Saída Comutator Escovas Espiras do Rotor Magnetos do Estator Fig. 3.4 Motor com núcleo de ferro. 14 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Servomotores Motor com Bobina Móvel Há duas formas comuns deste motor - o motor “impresso” (Fig. 3.5), empregando uma armadura de disco, e a armadura do tipo “concha” (Fig. 3.6). Como estes motores não possuem ferro móvel em seus cam- pos magnéticos, eles não sofrem perda de ferro. Isto significa que se pode obter velocidades de rotação mais elevadas com baixa potência de entrada. No entanto, sua capacidade térmica é muito pequena, portanto eles são danificados mais facilmente pelo excesso de corrente. Fig. 3.5 Motor “impresso” com armadura de disco. Fig. 3.7 Curva característica da FEM. Equações do Motor Diferente de um motor de passo, o motor CC com escova exibe uma relação simples entre corrente, tensão, torque e velocidade. É útil verificar estas relações como auxílio na aplicação de motores com escova. O Circuito Equivalente do Motor Escova Se você aplicar uma tensão constante aos terminais de um motor com escova, ele se acelerará até uma velocidade fi- nal constante (n). Sob estas condições, a tensão (V) aplicada ao motor é oposta pela FEM inversa (nKE); a tensão resultante da diferença leva a corrente do motor (I) através da armadura do motor e da resistência das escovas RS). O circuito equivalente de um motor CC é mostrado na Fig. 3.8. Fig. 3.8 Circuito equivalente do motor. RS = resistência do motor L = indutância da espira Vg = FEM inversa RL representa as perdas magnéticas. O valor de RL é, em geral, grande, e portanto pode ser ignora-do, da mesma forma que a indutância L, que é, em geral, pequena. Se aplicarmos uma tensão V ao motor e uma corrente I fluir, então: V = IRS + Vg mas Vg = nKE portanto V = IRS + nKE (1) Esta é a equação elétrica básica do motor. Se KT é a constante de torque do motor (em Nm por amp), então o torque gerado pelo motor será dado por: T = IKT (2) Há um torque oposto devido à fricção e ao amortecimento interno, porém é em geral pequeno e pode ser ignorado para os fins deste cálculo inicial. As equações (1) e (2) são tudo o que precisamos para chegar à corrente e a tensão de acionamento necessárias para atender aos requisitos dados de torque e velocidade. Os valores de KT, KE e RS podem ser encontrados nos dados do fabricante do motor. Rs RL Vg L v I Tensão de Saída Velocidade do Eixo Fig. 3.6 Motor com armadura do tipo concha. Força Eletromotriz (FEM) Inversa Ao ser acionado mecanicamente, um motor CC, com mag- neto permanente, atuará como gerador. Com a rotação do eixo, surgirá uma tensão elétrica nos terminais das escovas. Esta tensão é denominada FEM inversa (Força Eletromotriz), e é gerada mesmo quando o motor é acionado por uma tensão aplicada a ele. A tensão de saída tem uma relação essencialmente linear com a velocidade do motor, e sua taxa é definida como a constante de tensão do motor, KE (Fig. 3.7). O KE é em geral expresso em volts por 1.000 rpm. S S Movimento Vão de Ar Pólo do Magneto Caminho do Fluxo NúcleoArmação (Conjunto de Condutores em Forma de Cilindro Oco) Diagramas cortesia da Electro-Craft Ltd. Magneto Permanente (8 pólos) Movimento Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 15 Automation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Servomotores Motores sem Escova (Brushless) Antes de abordarmos em detalhes o assunto de motores sem escova, vamos esclarecer um ponto de terminologia. O termo “sem escova” (“brushless”) agora é aceito como refe- rente a uma variedade específica de motor servocontrolado. Claramente, um motor de passo é um aparelho sem escova, da mesma forma que um motor CA de indução. No entanto, o chamado motor “sem escova” foi projetado para ter um desempenho semelhante ao motor DC com escova, porém sem suas limitações. O principal fator limitador do desem- penho dos motores com núcleo de ferro é o aquecimento interno. É preciso expulsar este calor, seja através do eixo e dos mancais para a carcaça externa, ou através do vão de ar entre a armadura e os magnetos de campo e daí para a carcaça. Nenhuma destas rotas é termicamente eficiente, portanto a refrigeração na armadura do motor é sempre muito pobre. Fig. 3.9 Motor Brushless. No motor brushless, a construção do motor com núcleo ferroso é virada ao avesso de forma que o rotor se torna um magneto permanente, e o estator se torna um núcleo ferroso com espiras. As bobinas transmissoras de corrente estão agora localizadas na carcaça, propiciando um caminho térmico curto e eficiente para o ar exterior. A refrigeração pode ser melhorada ainda com aletas dissipadoras na carcaça externa e soprando-se ar sobre elas, se necessário (para se refrigerar eficazmente um motor com escova com núcleo ferroso, deve-se soprar ar por dentro dele). A facilida- de de refrigeração do motor brushless permite que ele produza uma potência muito maior relativamente ao seu tamanho. A outra grande vantagem do motor brushless é a ausência de um comutador convencional e das escovas. Estes ítens são fontes de desgaste e de potenciais problemas, e podem requerer manutenção freqüente. Pelo fato de não possuir estes componentes, o motor brushless é por si só mais confiável e pode ser utilizado em condições ambientais adversas. Para se obter um torque elevado e uma inércia baixa, os motores brushless empregam mag- netos ferrosos, muito mais caros do que os magnetos cerâmicos convencionais. O drive eletrônico necessário para um motor brushless é também mais complexo do que o de um motor com escova. Na categoria dos motores brushless existem dois tipos básicos: trapezoidal e de onda senóide. Embora sua construção seja praticamente idêntica, a forma de controle dos dois tipos é significativamente diferente. O motor trapezoidal é muitas vezes referido como servomotor CC brushless, enquanto o motor de onda senóide é às vezes chamado de servomotor CA brushless, pois é muito parecido com o motor CA síncrono. Para explicar completamente a diferença entre estes dois motores, precisamos rever a evolução do servomotor brushless. Um motor simples de CC com escova convencional (Fig. 3.10) consiste de um rotor com espiras que gira dentro de um campo magnético fornecido pelo estator. Se as conexões das bobinas fossem feitas através de anéis deslizantes, este motor se comporta- ria como um motor de passo (revertendo-se a cor-rente no rotor faria com que ele virasse 180°). Incluindo o comutador e as escovas, a reversão da corrente é feita automatica- mente, e o motor continua a girar na mesma direção. Fig. 3.10 Motor CC com escova convencional. Para transformar este motor em um servomotor brushless, devemos começar eliminando as espiras no rotor. Isto pode ser obtido virando-se o motor do avesso. Em outras palavras, fazemos com que o magneto permanente seja a parte rotatória e colocamos as espiras nos pólos do estator. Ainda precisaremos de algum meio para reverter a corrente automaticamente - uma chave reversora operada por uma came poderia fazer este trabalho (Fig. 3.11). Fig. 3.11 Motor CC “do avesso”. Obviamente, um arranjo assim com uma chave mecânica não é satisfatório, porém a capacidade de chaveamento propiciada por dispositivos sem contato tende a ser muito limitada. No entanto, em uma aplicação servocontrolada, empregaremos um amplificador eletrônico ou drive que também pode ser usado para executar a comutação em resposta a sinais de baixa intensidade provenientes de um sensor óptico ou Hall (veja a Fig. 3.12). Este componente é referido como o Controlador de Comutação. Portanto, diferente do motor CC com escova, a versão brushless não pode ser acionada simplesmente conectando-a a uma fonte de corrente contínua. A corrente do circuito interno deve ser revertida em posições definidas do rotor. Portanto, o motor está, na verdade, sendo acionado por uma corrente alternada. S S NN Caminho de Retorno por Trás do Elemento Ferroso Dentes Laminados do Estator Magnetos Espiras Comutador -+ N S -+ Chave Reversora S N 18 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Servomotores A Fig. 3.19 mostra a construção do motor de acionamento direto Dynaserv em comparação a um motor convencional com caixa de redução. A caixa de redução introduz perdas significativas de fricção entre o motor e a carga, e a precisão poderá ficar sacrificada devido a erros mecânicos ou efeito chicote. O motor de acionamento direto é brushless e sem engrenagens, portanto elimina a fricção na transmissão. Como o elemento de feedback é acoplado diretamente à carga, a precisão e repetibilidade do sistema são mantidas, e o efeito chicote é eliminado. Fig. 3.19 Comparação entre o convencional e o acionamento direto. O motor contém mancais de precisão, componentes magnéticos e um dispositivo integrado de feedback em um pacote compacto (veja a Fig. 3.20). O motor é do tipo rotor externo, propiciando movimentação direta da carcaça externa, que é presa à carga. Os mancais de rolamentos cruzados, que suportam o motor, são muito rígidos para permitir que o motor receba a carga diretamente. Em muitos casos é desnecessário utilizar mancais ou eixos adicionais para conexão. Fig. 3.20 Vista explodida do Dynaserv. O torque é proporcional ao quadrado da soma do fluxo magnético do rotor de magneto permanente (φm), e do fluxo magnético das espiras do estator (φc) - veja a Fig. 3.21. O torque elevado é gerado devido aos seguintes fatores: 1. O diâmetro do motor é grande. As forças tangenciais en- tre o rotor e o estator agem com um raio grande, resultan- do num torque elevado. 2. Um grande número de dentes no rotor e no estator signi- fica que o motor possui um grande número de pólos, em outras palavras, possui muitos ciclos magnéticos por revolução. Este elevado número de pólos resulta numa saída de torque elevado. Fig. 3.21 Circuito magnético do Dynaserv. Vantagens do Motor de Acionamento Direto Alta Precisão Os motores de acionamento direto eliminam folgas e a histerese que são inevitáveis quando se emprega uma caixa de redução. O posicionamento absoluto de 30 arc-seg é típico, com uma repetibilidade de ±2 arc-seg. Tempo mais Rápido de Parada Devido ao projeto sem engrenagens, o acionamento direto aumenta a produção diminuindo os tempos de parada. Torque Elevado à Alta Velocidade A curva de torque pela velocidade no servo de acionamento direto é muito plana. Isto resulta em uma grande aceleração em velocidades que seriam difíceis de serem atingidas com uma tabela rotativa convencional (de até 4 revoluções/ segundo). Rotação Suave O servo de acionamento direto possui uma ondulação muito pequena de velocidade e torque, o que contribui para sua excelente controlabilidade numa faixa de velocidade supe- rior a 1000:1. Operação Limpa O projeto brushless e sem engrenagens resulta em uma operação livre de manutenção. Com a preparação adequada, o Dynaserv pode operar em ambientes categoria 10. Caixa de Redução Motor Convencional Motor de Acionamento Direto Motor CC/CA Controlador Núcleo do Rotor Encoder PCB Mancal ElementoRotativo Núcleo do Estator Placa de Circuito Impresso do Controlador Elemento Estator Hub Núcleo do Rotor Núcleo do Estator Anel de Retenção Kit do Compartimento Braçadeira Kit de LED Placa do Controlador Kit PDA Controlador Compartimento Núcleo T Rotor Bobina de Excitação Magneto Permanente Estator A Estator B Φ m Φm Φc Condições • Carga 30 x Inércia do Rotor • Rotação horária • Modo de Velocidade 15 10 5 3 0°0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Ondulação da Velocidade (DM1150A) Revolução (rps) O nd ul aç ão ( % ) Ondulação de Torque (DM1015A) Ângulo de Rotação (graus) 90° 180° 270° 360° 20 15.3 15 14.7 0 5 5% T or qu e (N • m ) Fig. 3.22 Ondulação de velocidade/torque do Dynaserv. Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 19 Automation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Drive para Motores de Passo e Servomotores Drives para Motores de Passo O drive para motor de passo fornece energia elétrica ao motor em resposta a sinais de baixa tensão do sistema de controle. O motor é um dispositivo de criação de torque, e esse torque é gerado pela interação de campos magnéticos. A força responsável pelo campo estator é a força magneto- motriz (MMF), que é proporcional à corrente e ao número de espiras no enrolamento. Refere-se a isso freqüentemente como produto de amp por volta. Assim, essencialmente o drive deve funcionar como uma fonte de corrente. A tensão aplicada só é significativa como meio de controlar a corrente. Os sinais de entrada para o drive do motor de passo consistem em trens de pulso e um sinal direcional, sendo necessário um pulso para cada passo que o motor for dar. Isso é válido independentemente se o drive é passo, meio passo, portanto o drive pode exigir entre 200 e 100.000 pulsos para produzir uma rotação do eixo. Até recentemente, o modo de passo mais freqüentemente usado em aplicações industriais era o modo de meio passo, no qual o motor dava 400 passos por rotação. A introdução de motores de mini- passo baratos aumentou essa resolução para entre 4.000 e 5.000 passos por rotação. Com a velocidade do eixo em 3.000 rpm, o meio passo corresponde a uma freqüência de pulso de passo de 20kHz. Essa velocidade a 25.000 passos por rotação exige freqüência de passo de 1.25MHz, e controladores de movimento para motores de micropasso devem poder operar em freqüências de passo muito mais altas. Fig. 4.1 Elementos de um drive de motor de passo. Os componentes lógicos do drive de motor de passo são freqüentemente chamados de tradutor. Sua função é con- verter os sinais direcionais e de passo em ondas de controle para o gerador de energia (ver Fig. 4.1). As funções básicas do tradutor são comuns à maioria dos tipos de drives, embora o tradutor seja necessariamente mais complexo no caso de um motor de micropasso. Contudo, o projeto do gerador de energia é o principal fator que influencia o desempenho do motor, e vamos analisá-lo mais detalhadamente. O tipo mais simples de estágio de potência é o arranjo uni- polar mostrado na Fig. 4.2. Ele é chamado de drive unipolar porque a corrente só flui em uma direção através de um único terminal do motor. Um motor com espiras bifilares deve ser usado pois a reversão do campo estator é atingida transferindo-se a corrente para a segunda bobina. No caso desse drive simples, a corrente é determinada somente pela resistência do enrolamento do motor e a tensão aplicada. Fig. 4.2 Motor unipolar básico. Tal drive funcionará perfeitamente com baixas velocidades, mas à medida que a velocidade aumenta o torque cai rapidamente devido à indutância do enrolamento. Analogia com a Indutância da Água Para os que não conhecem bem a propriedade da indutância, a seguinte analogia com a água pode ser útil (Fig. 4.3). Um indutor comporta-se da mesma forma que uma turbina conectada a um volante. Quando a torneira é aberta e pressão é aplicada à tubulação de entrada, será necessário um tempo para que a turbina se acelere devido à inércia do volante. A única forma de aumentar a taxa de aceleração é aumentar a pressão aplicada. Se não houver fricção ou vazamento no sistema, a aceleração permanece indefinidamente enquanto a pressão continuar sendo aplicada. Na prática, a velocidade final será determinada pela pressão aplicada e pela fricção e vazamento pelas hélices da turbina.Tradutor Chaveamento Passo Direção Elementos de um Drive de Motor de Passo Motor Fase 1 Fase 2 Passo Direção 2B1A 2A V+ 0V TR1 TR2 TR3 TR4 1B Corrente (Fluxo) Tensão (Pressão) Pressão Reversa quando o Fluxo é Interrompido Alta Pressão acarreta em Aceleração mais do Volante Registro Válvula de 1 via Fluxo de Água Equivalente a Corrente Turbina Energia Cinética do Volante Equivalente a Energia Armazenada no Campo Magnético Pressão Equivalente a Tensão Aplicada Fig. 4.3 Analogia com a indutância da água. 20 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Drive para Motores de Passo e Servomotores Aplicar tensão aos terminais de um indutor produz efeito similar. Com indutância pura (nenhuma resistência), a corrente aumentará de forma linear enquanto a tensão continuar sendo aplicada. A taxa de aumento da corrente depende da indutância e da tensão aplicada, portanto uma tensão mais alta deve ser aplicada para fazer com que a corrente cresça mais rapidamente. Num indutor real que possui uma certa resistência, a corrente final é determinada pela resistência e pela tensão aplicada. Uma vez que a turbina tenha atingido a velocidade, pará-la não é tarefa simples. A energia cinética armazenada no volante tem de ser dissipada, e quando a torneira é fechada, o volante aciona a turbina como uma bomba, e tenta manter a água fluindo. Isso cria alta pressão em toda a tubulação de entrada e saída na direção inversa. O estoque de energia equivalente no indutor é o campo magnético. À medida que esse campo se desintegra, ele tenta manter o fluxo de corrente gerando alta tensão reversa. Incluindo-se uma válvula de uma via nas conexões da turbina, a água pode continuar circulando quando a torneira é fechada. A energia armazenada no volante é então útil para manter o fluxo. Usamos a mesma idéia no circuito chopper do drive, no qual um diodo permite que a corrente recircule depois de ter se acumulado. Voltando a nosso simples motor unipolar, se observarmos como a corrente se comporta (Fig. 4.4), podemos ver que ela segue um modelo exponencial com valor final determinado pela tensão e a resistência do enrolamento. Para fazer com que ela se acumule mais rapidamente, podemos aumentar a tensão aplicada, mas isso aumentaria também o nível de corrente final. Uma maneira simples de solucionar esse problema é acrescentar resistores em série com o motor para manter a corrente fi- nal no mesmo nível de antes. Motor R-L Esse é o princípio usado no drive limitado por resistência (R-L), ver Fig 4.4. Com uma tensão aplicada de 10 vezes à tensão do motor, a corrente atingirá seu valor final em um décimo do tempo. Em termos de constante de tempo elétrica, a redução é de L/R para L/10R, portanto ganha-se aumento de velocidade. Porém nós estaremos pagando um preço por esta performance extra. Sob condições estáveis, a energia dissipada nos resistores em série é 9 vezes maior que no motor, produzindo uma quantidade significativa de calor. Além disso, a energia extra deve vir toda da fonte de corrente contínua, criando a necessidade de que esta seja muito maior. Os motores R-L são, assim, adequados somente para aplicações de baixo consumo de energia. Em contrapartida, oferecem vantagens como simplicidade, robustez e baixa interferência. Fig. 4.4 Princípio do motor R-L. O Drive Bipolar A maior desvantagem do drive unipolar é sua incapacidade de utilizar todas as bobinas do motor. Sempre haverá fluxo de corrente em somente metade de cada enrolamento. Se pudermos utilizar ambas as partes ao mesmo tempo, poderemos obter aumento de 40% em amp por volta para mesma dissipação de energia no motor. Para atingir alto desempenho combinado à alta eficiência, precisamos de um drive bipolar (que possa direcionar corren- te em ambas as direções em cada bobina do motor) e de um método melhor de controle de corrente. Vamos analisar primeiramente como podemos montar um drive bipolar. Fig. 4.5 Drive bipolar simples. Uma possibilidade óbvia é o circuito simples mostrado na Fig. 4.5, no qual duas fontes de energia são usadas com um par de transistores de comutação. Pode-se fazer a corrente fluir em qualquer direção pela bobina do motor acionando um ou outro transistor. Contudo, há desvantagens claras nesse esquema. Para começar precisamos de duas fontes de energia, ambas capazes de fornecer a corrente total para ambas as fases do motor. Quando toda a corrente estiver vindo de uma fonte, a outra está parada, fazendo com que a utilização das fontes de energia seja baixa. Além disso, os transistores devem suportar duas vezes a tensão que pode ser aplicada ao motor, exigindo o uso de componentes caros. Fig. 4.6 Ponte bipolar. O arranjo padrão usado num drive bipolar é o sistema de ponte mostrado na Fig. 4.6. Embora ele use um par extra de transistores de comutação, os problemas associados à configuração anterior são eliminados. Somente uma fonte de energia é necessária e é plenamente utilizada; a tensão TR1 V+ 0V V- TR2 TR1 TR2 TR3 TR4 V+ 0V RL I RL IR V 2V I 2V V I V R 2V 2R Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 23 Automation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Drive para Motores de Passo e Servomotores 360°. Na maioria dos motores de passo híbridos, os dentes do estator tem o mesmo espaçamento que os dentes do rotor, resultando em incrementos iguais de 7,2°. Esse último arranjo tende a oferecer uma produção de torque superior, mas é menos satisfatória que um motor de micropasso pois os pólos magnéticos são mais “fixos” - não há transferência progressiva de alinhamento dos dentes de um pólo para o próximo. Na verdade, com esse tipo de motor, pode ser mais difícil encontrar uma forma de corrente que dê bom posicionamento estático combinado a uma rotação leve e de baixa velocidade. Uma alternativa para obter um estator com espaçamento de 7,5° é tornar os dentes do rotor mais oblíquos. Isso produz um efeito similar e tem a vantagem de usar lâminas de 7,2°. Aumentar a obliqüidade é um recurso também usado em motores escova de corrente contínua para melhorar a suavidade. Devido a essa dependência do tipo de motor para obtenção de bom desempenho, é comum que sistemas de micropasso de alta resolução sejam fornecidos num pacote motor-drive. A Curva de Velocidade/Torque do Motor de Passo Vimos que a indutância do motor é o fator que impede rápidas mudanças de corrente e, portanto, torna mais difícil conduzir um motor de passo em altas velocidades. Observando a curva torque-velocidade na Fig. 4.12, podemos ver o que acontece. Em baixas velocidades, a corrente tem tempo suficiente para atingir o nível exigido e a corrente média no motor é muito próxima do valor regulado pelo motor. Mudar a corrente regulada ou mudar para um drive com corrente diferente afeta o torque disponível. Fig. 4.12 Regiões reguladas e de tensão limitada da curva de torque-velocidade. À medida que a velocidade aumenta, o tempo que a corrente leva para subir passa a ser uma proporção significativa do intervalo entre os pulsos de passo. Isso tem o efeito de reduzir o nível de corrente médio, e o torque começa a cair. Quando a velocidade aumenta ainda mais, o intervalo entre os pulsos de passo não dá tempo para que a corrente atinja um nível em que a ação circuito de chopper possa atuar. Nessas condições, o valor final da corrente depende somente da indutância do motor e da tensão. Se a tensão aumenta, a corrente aumenta mais rapidamente e atinge um valor mais alto no tempo disponível. Assim, essa região da curva é descrita como de “tensão limitada”, pois uma mudança na corrente do drive não teria conseqüências. Podemos concluir que em velocidades baixas o torque depende da corrente do drive, e em altas velocidades depende da tensão de alimentação do drive. Fica claro que o desempenho em altas velocidades não é afetado pela corrente do drive. Reduzir a corrente simplesmente “achata” a curva de torque sem restringir a capacidade de funcionamento em altas velocida- des. Quando o desempenho é limitado pelo torque de alta velocidade disponível, há muito a dizer quanto ao funciona- mento com corrente mais baixa que dê margem de torque adequada. Em geral, a dissipação no motor e drive é reduzida e o desempenho em baixa velocidade, em particular, será mais suave e produzirá menos ruído audível. Com um drive bipo- lar, há alternativas para conexões com o motor, como mostra a Fig. 4.13. Um motor de 8 contatos pode ser conectado às duas metades de cada enrolamento em série ou em paralelo. Com um motor de 6 contatos, uma metade do enrolamento, ou as duas metades, podem ser conectadas em série. Os esquemas de conexão alternativos produzem diferentes características de torque-velocidade e também afetam a corrente do motor. Fig. 4.13 Conexões em série e em paralelo. Fig. 4.14 Curvas de velocidade/torque em série e paralelo. Comparado ao uso de somente uma metade do enrolamento, a conexão de ambas as metades em série resulta no fluxo da corrente no drive através do dobro de voltas do enrola- mento. Para a mesma dissipação no motor, um aumento de 40% no torque de baixa velocidade é atingido usando-se somente 70% da corrente anterior. Mas, dobrar o número de voltas no enrolamento que recebe corrente significa em aumentarmos a indutância 4 vezes. Isso faz com que o torque caia muito mais rapidamente do que a velocidade aumenta, o que faz com que o modo em série seja mais útil em veloci- dades baixas. A máxima potência de eixo que pode ser obtida numa série é tipicamente metade da disponível em paralelo. Average Current During Pulse Speed Drive with Higher Supply Voltage Voltage-Limited RegionRegulated Region To rq ue ParallelSeries 1A 1B 2A 2B 1A 1B 2A 2B Series Parallel Speed To rq ue 24 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Drive para Motores de Passo e Servomotores Conectar as duas metades do enrolamento de um motor de 8 contatos em paralelo faz com que a corrente se divida entre as duas bobinas. Isso não muda o número efetivo de voltas e a indutância continua a mesma. Assim, com uma dada corrente do drive, a característica do torque será a mesma para dois meios-enrolamentos em paralelo e para um enrolamento sozinho. Como já foi dito, a corrente de um motor de passo é determinada pelo aumento de temperatura permissível. A menos que os dados do fabricante do motor tenham informação diferente, a taxa é um valor unipolar e presume-se que ambas as fases do motor sejam energiza- das simultaneamente. Assim, uma corrente de 5A significa que o motor irá aceitar fluxo de 5A em cada meio-enrolamen- to. Quando os enrolamentos de um motor de 8 contatos são conectados em paralelo, a resistência efetiva cai pela meta- de. Para a mesma dissipação de energia no motor, a corrente pode ser aumentada em 40%. Portanto um motor de 5A aceitará 7A com os enrolamentos em paralelo, gerando um aumento significativo no torque disponível. Por outro lado, conectar os enrolamentos em série duplicará a resistência total e a corrente será reduzida num fator de 1.4, resultando numa corrente segura de 3.5A para nosso motor de 5A em série. Via de regra, conexão em paralelo é o método de conexão preferido pois produz uma curva de torque mais achatada e maior potência do eixo (Fig. 4.14). A conexão em série é útil quando um torque alto é necessário em baixas velocidades, e permite que o motor produza torque total com corrente mais baixa. Deve-se evitar aqueci- mento excessivo do motor em série pois sua corrente é mais baixa nesse modo. As configurações em série também acar- retam maior probabilidade de ressonância devido ao alto torque produzido na região de baixa velocidade. Drives para Motores DC com Escova Amplificadores Lineares e de Comutação Os amplificadores lineares operam de forma que, dependen- do da direção da rotação do motor, ou TR1 ou TR2 estarão em série com o motor e terão sempre tensão (V) (Fig. 4.15). Essa característica é a principal limitação do uso de ampli- ficadores lineares, pois sempre haverá energia dissipada na saída do amplificador. Para dissipar essa energia, grandes transistores e reservatórios de calor serão necessários, tornando esse tipo de amplificador inadequado para uso em sistemas de alta energia. Contudo, o amplificador linear oferece a vantagem de baixo nível de ruído elétrico. Amplificadores de Comutação são o tipo mais usado para todas as aplicações, exceto as de consumo muito baixo de energia, e o método mais freqüentemente usado para controle de saída é a modulação de largura de pulso (PWM). A dissipação de energia é grandemente reduzida pois os transistores de saída estão em estado “ligado” ou “desligado”. No estado “desligado”, nenhuma corrente é reduzida e nenhuma energia é dissipada. No estado “ligado” a tensão nos transistores é muito baixa (1-2 volts), e a quantidade de energia dissipada é pequena. Esses amplificadores são adequados para uma variedade de aplicações com todos os níveis de energia. A operação de um amplificador de comutação ou corte é muito similar a do estágio chopper do drive de motor de passo já descrita. Somente um conjunto de comutadores é necessário para conduzir um motor de corrente contínua, tornando o motor mais simples e menos caro. Contudo, a função de um drive de corrente contínua é fornecer uma corrente variável para o motor para o controle de torque. Essa função pode ser atingida com o uso de técnicas analógicas ou digitais. Drives para Servomotores Analógicos e Digitais Ao contrário dos drives para motores de passo, os amplifica- dores dos servomotores com escova e brushless são ou analógicos ou digitais. O motor analógico está no mercado há muitos anos, e o digital é uma inovação relativamente recente. Ambos os tipos têm seus méritos. Descrição Geral - Drive Analógico No drive analógico tradicional, a velocidade desejada é representada por uma tensão de entrada analógica, normalmente na faixa de ±10 volts. A velocidade total é representada por +10v, e a velocidade total reversa por -10v. Zero volt representa a condição estacionária e as tensões intermediárias representam velocidades proporcionais à tensão. Drives analógicos podem também ser configurados como amplificadores de torque, caso no qual a tensão de entrada representa um torque e não uma exigência de velocidade. Os vários ajustes necessários para afinar um drive analógico de velocidade são tradicionalmente feitos com potenciôme- tros. Com um pouco de experiência isso pode ser executado bem rapidamente, mas em algumas aplicações difíceis mais tempo pode ser necessário. Repetir os ajustes nas unidades subseqüentes pode levar o mesmo tempo, a menos que haja uma forma fácil de duplicar as definições do potenciômetro. Por essa razão, alguns drives usam um “cartão individual” de plug-in que pode conter componentes pré-determinados. Contudo, isso não só aumenta o custo como pode também implicar na necessidade de ajustes posteriores. Fig. 4.15 Servo amplificador linear. + Ve TR1 - Ve TR2 V M Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 25 Automation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Drive para Motores de Passo e Servomotores Descrição Geral - Drive Digital Uma alternativa ao sistema analógico é o drive digital, que é ajustado através do envio de dados a partir de um terminal de computador. Isso leva à repetição fácil entre as unidades, e como tais drives são invariavelmente montados com proces- sadores, o auto ajuste totalmente automático fica facilitado. Os drives digitais são normalmente usados junto com os servomotores brushless e não com motores de corrente contínua. Tais drives freqüentemente usam um gerador de potência analógico mas também podem ser totalmente digitais, incluindo os dispositivos de energia. O feedback de posição deriva do encoder ou resolver e também é pro- cessado como informação digital. É uma idéia lógica incorpo- rar um controlador de posição em tal drive, e o passo e os sinais direcionais podem ser obtidos com um indexador tipo passo convencional. Igualmente, o posicionador pode ser controlado através de comandos simples usando linguagem de controle de movimento de alto nível - ver introdução ao Código X desta apostila. Operação do Servo Drive Analógico Os elementos de um amplificador analógico de velocidade são mostrados na Fig. 4.16. A função do sistema é controlar a velocidade do motor em resposta a uma tensão de entrada analógica. Fig. 4.16 Elementos de um servo sistema analógico. A velocidade do motor é medida por um tacogerador acoplado ao eixo do motor. Isso produz uma tensão proporcional à velocidade que é comparada com o sinal de demanda de velocidade de entrada, e o resultado dessa comparação é uma demanda de torque. Se a velocidade for muito baixa, o motor fornece mais corrente, que por sua vez cria torque para acelerar a carga. Da mesma forma, se a velocidade for muito alta ou a demanda por velocidade for reduzida, o fluxo de corrente no motor será revertido para produzir um torque de parada. Fig. 4.17 Operação em quatro quadrantes. Esse tipo de amplificador é freqüentemente chamado de motor de quatro quadrantes. Isso significa que ele pode produzir tanto aceleração quanto torque de parada em qualquer direção de rotação. Se desenharmos um diagrama representando a direção da rotação num eixo e a direção do torque no outro (ver Fig. 4.17), veremos que o motor pode operar em todos os quatro quadrantes. Por outro lado, um motor de velocidade variável simples capaz de rodar em uma única direção e com desaceleração não controlada, seria descrito como de quadrante único. O amplificador de velocidade na Fig. 4.16 tem alto ganho para que uma peque- na diferença de velocidade produza um grande sinal de erro. Dessa forma, a precisão do controle de velocidade pode ser muito alta, mesmo quando há grandes variações de carga. Uma demanda de torque do amplificador de velocida- de representa uma solicitação de mais corrente no motor. Essa corrente é medida por um resistor R que produz tensão proporcional à corrente do motor. Essa malha de realimenta- ção interna é freqüentemente chamada de Amplificador de Torque pois sua finalidade é criar torque em resposta a uma demanda do amplificador de velocidade. Alguns tipos de controladores de posição geram um sinal de saída de torque ao invés de uma demanda por velocidade, e também há aplicações na qual o torque, e não a velocidade é a necessidade principal (enrolar material em torno de uma bobina, por exemplo). A maioria dos drives analógicos pode ser configurada como amplificador de torque através de um comutador ou jumper. Na prática, o sinal de entrada ainda é levado ao mesmo ponto, mas o amplificador de velocidade é desconsiderado. Operação do Servo Drive Digital A Fig. 4.18 mostra os componentes de um drive digital para um servo motor. Todas as principais funções de controle são executadas por um microprocessador, conduzindo um conversor D-A para produzir um sinal de demanda de torque analógico. A partir daí, o drive passa a ser um amplificador de torque analógico. A informação de realimentação vem de um encoder ou resolver acoplado ao eixo do motor. O encoder gera um fluxo de pulsos com que o processador pode determinar a distância percorrida, e calculando a freqüência de pulso é possível medir a velocidade. O drive digital executa as mes-mas operações que o analógico, mas faz isso resolvendo uma série de equações. O microproces- sador é programado com um modelo matemático ou algoritmo do sistema analógico equivalente. Esse modelo prevê o comportamento do sistema em resposta a uma demanda de entrada e posição de saída. Ele também leva em conta informações adicionais como velocidade de saída, taxa de mudança da entrada e as várias definições de ajuste. Resolver todas as equações leva um tempo determinado, e mesmo quando um processador é rápido esse tempo fica entre 100 micro-segundos e 1ms. Durante esse tempo, a demanda por torque deve permanecer constante em seu valor anteriormente calculado e não haverá resposta a mudanças na entrada ou na saída. Esse “tempo de atualização” é portanto um fator crítico no desempenho de um servo motor digital e em sistemas de alta performance ele deve ser mínimo. M T B A R Torque Feedback Loop Velocity Feedback Loop Velocity Control Signal Torque Control Signal Drive Amplifier Torque Rotation CW CCW CCW CW Braking CCW Accelerating CW Braking CW Accelerating CCW 28 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Dispositivos de Feedback (Realimentação) de forma que somente quando suas seções transparentes estão alinhadas a luz pode passar pelo detetor. (Fig. 5.3). Um encoder incremental gera um pulso para um dado in- cremento de rotação do eixo (encoder rotativo), ou um pulso para uma dada distância linear percorrida (encoder linear). A rotação angular total ou distância percorrida é determinada pela contagem dos pulsos de saída do encoder. Um encoder absoluto tem vários canais de saída, de forma que cada posição do eixo possa ser descrita por seu código único. Quanto mais alta a resolução mais canais de saída são necessários. Um encoder absoluto, portanto, mede a posição, enquanto que um encoder incremental mede a distância percorrida. Fig. 5.4 Sinais de saída de quadratura. Fig. 5.3 Princípio do encoder ótico. Princípios Básicos dos Encoderes Incrementais Como o custo é um fator importante na maioria das aplica- ções industriais, e o retorno a um ponto inicial depois de uma falta de energia não é problema, o encoder incremen- tal rotativo é o preferido pelos projetistas de sistemas. Seu elemento principal é um disco montado no eixo que trans- porta um defrator que roda entre uma fonte de luz e um detetor com máscara. A fonte de luz é normalmente um diodo emissor de luz, e o detetor pode ser um fototransistor, um fotodiodo ou um conjunto de fotodiodos. Um encoder de dois canais, além de dar a posição do eixo de decodificação, também pode fornecer informações sobre a direção da rotação através do exame dos sinais para iden- tificar o canal principal. Isso é possível pois os canais são dispostos em quadratura (fase de 90° comutada: Fig. 5.4). Para a maioria das aplicações de posicionamento ou máquina-ferramenta, um terceiro canal conhecido como canal indexador ou canal Z também é incluído. Ele gera um único pulso de saída por revolução e é usado para estabelecer a posição de referência ou posição zero da máquina. Channel B Channel A 90 Phase Shift (± Tolerance) GratingCollimated Light Source Mask Detector Dispositivos de Feedback O Tacômetro ou Tacogerador Um motor de corrente contínua de magneto permanente pode ser usado como tacômetro. Quando operado mecanica- mente, esse motor gera uma tensão de saída que é propor- cional à velocidade do eixo (ver Fig. 5.1). As outras principais exigências para um tacômetro são que a tensão de saída seja suave em relação à faixa de operação e que a saída seja estável em relação a variações de temperatura. Pequenos Motores de corrente contínua de magneto perma- nente são tradicionalmente usados em servo sistemas como sensores de velocidade. Esses sistemas normalmente incor- poram compensação de temperatura termistor, e utilizam um comutador de prata e escovas carregadas de prata para melhorar a confiabilidade da comutação nas condições de baixa corrente envolvidas. Para combinar alto desempenho e baixo custo, os projetos de servo-motores de corrente contínua freqüentemente incorporam um tacômetro montado sobre o eixo do motor e internos ao gabinete do motor (Fig. 5.2). Fig. 5.1 Características de saída do tacômetro. Fig. 5.2 Motor com tacômetro integral. Encoderes Óticos Em sistemas de servo controle, onde a posição mecânica deve ser controlada, alguns tipos de sensores de posição são necessários. Há vários tipos em uso: magnéticos, de contato, resistivos e óticos. Contudo, para um controle de posição preciso, o mais freqüentemente usado é o encoder ótico. Esse encoder tem duas formas - absoluto e incremental. Os encoderes óticos operam através de um defrator que se move entre uma fonte de luz e um detetor. Quando a luz passa pelas áreas transparentes do defrator, o detetor produz um sinal visual. Para maior resolução, a fonte de luz é coli- mada e uma máscara é colocada entre o defrator e o detetor. O defrator e a máscara produzem um efeito de fechamento, Motor Tachometer Shaft Speed Output Volts Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 29 Automation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Dispositivos de Feedback (Realimentação) A Fig. 5.4 mostra que para cada período de onda quadrado completo do canal A, entre os dois canais haverá quatro bordas de pulso. Isso permite que a resolução do encoder seja quadruplicada processando-se as saídas de A e B para produzir um pulso separado para cada borda de pulso quadrado. Contudo, para que esse processo seja eficiente, é impor- tante que a quadratura seja mantida dentro da tolerância permitida para que os pulsos não colidam. Os encoderes de saída de ondas quadradas estão disponíveis numa ampla variedade de resoluções (de até cerca de 5000 linhas/rot), e com uma variedade de configurações de saída diferentes, algumas das quais estão listadas abaixo. TTL (Lógica Transistor-Transistor) - é uma saída comum, compatível com níveis de lógica TTL, e normalmente exigem tensão de 5V. As saídas em TTL também estão disponíveis numa configuração de coletor aberto que permite que o projetista dos sistemas escolha entre uma variedade de valores de resistor pull-up. CMOS (Semicondutor Complementar Óxido-Metálico) - disponível para compatibilidade com níveis lógicos mais al- tos, normalmente usado juntamente com dispositivos CMOS. Drive de Linha - nesse arranjo, duas saídas derivadas de cada canal fornecem um par de sinais em antifase um com o outro. Isso permite máxima imunidade à interferência. Problemas com Ruído O sistema de controle de uma máquina é normalmente prote- gido com uma caixa metálica. Um encoder pode ser protegido de forma similar, com uma caixa de metal. Contu- do, a menos que sejam tomadas as precauções cabíveis, o cabo que conecta os dois pode ser uma fonte de ruído. Esse cabo pode ter comprimento significativo e passar perto de dispositivos causadores de ruído. Esse ruído pode causar a perda ou ganho de contagens de sinal, gerando dados incorretos e perda de posição. Fig. 5.5 Deturpação do sinal do encoder devido a ruído. A Fig. 5.5 mostra como a introdução de dois pulsos de ruído converte uma seqüência de quatro pulsos numa de seis pulsos. Várias técnicas estão disponíveis para solução de problemas causados por ruído. A mais óbvia é usar cabos de conexão protegidos. Mas, como os sinais são gerados num nível baixo (5 volts) e podem ser gerados por fontes de alta impedância, revestir os cabos pode não eliminar complemente o problema. A maneira mais eficaz de evitar problemas causados por ruído é usar um encoder com saídas complementares (Fig. 5.6) e conectá-lo ao sistema de controle através de um cabo protegido e de par torcido. Os dois sinais são processados por um receiver diferencial, que rejeita os sinais de ruído comuns deixando o sinal necessário sem ruído. Fig. 5.6 Sinais de saída complementares. Fig. 5.7Redução de ruído num sistema complementar. Fatores que Afetam a Precisão do Encoder Taxa Slew (velocidade) - Um encoder rotativo incremental terá freqüência máxima na qual possa operar(tipicamente 100KHz), e a velocidade máxima de rotação (ou taxa slew) será determinada por essa freqüência. Além disso, o sinal de saída irá se tornar não confiável e a precisão será afetada. Por exemplo, um encoder de 1000 linhas gera 1KHz a 1 ro- tação por segundo. Se a freqüência de operação máxima for 100 KHz, a velocidade será limitada a 100 rotações/se- gundo (6000 rpm). Se a rotação de um encoder tiver velocidades mais altas que a máxima especificada em projeto, não somente a precisão de posicionamento será ameaçada como também será criado o risco de dano mecânico aos componentes do encoder. Erro de Quadratura - se dois canais de quadratura estão defasados de mais ou menos 90° , precisa detecção de borda será mais difícil em altas velocidades. Isto acontece porque bordas alternadas estão muito próximas, reduzindo assim o tempo disponível para separação do circuito deco- dificador. O efeito é introduzir uma limitação na taxa slew. Erro de Quantificação - como o disco do encoder tem um número finito de linhas, o conhecimento da posição do sistema será preciso somente até um quarto da altura da linha (presumindo decodificação x4 dos sinais da quadratura). Excentricidade causada por folga do mancal, disparo do eixo ou montagem incorreta pode causar vários erros inclu- sive modulação da freqüência cíclica e vibração (“jitter”) intercanais. Channel A Negative Noise Pulse Positive Noise Pulse Channel A Noise Spike A A A A A A Line drivers shielded, twisted - pair cable differential line receiver Encoder Control system + - 30 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Dispositivos de Feedback (Realimentação) Considerações Ambientais Como ruído elétrico, outros fatores ambientais devem ser considerados antes da instalação de um encoder ótico. È recomendável consultar as especificações do fabricante quanto à temperatura e umidade. Em ambientes onde há poeira, vapor de óleo ou outras substâncias potencialmente danosas, pode ser necessário garantir que o encoder seja mantido numa compartimento vedado. Construção Mecânica Encoder de Eixo (Fig. 5.8). Nesse tipo de encoder, que pode ser incremental ou absoluto, a parte eletrônica é normal- mente apoiada numa placa que protege os mancais e eixo. O eixo sai dos mancais na parte externa do encoder, e trans- porta o disco rotativo na parte interna. As partes internas são cobertas por uma capa externa pela qual passam os contatos interconectores. Fig. 5.8 Encoder de eixo. Para uso em condições ambientais ou industriais extremas, toda a proteção deve ser especificada conforme um padrão para serviço pesado com mancais vedados e vedações en- tre a placa e a cobertura. As conexões elétricas externas também podem ser trazidas para fora por um conector de alta qualidade. Kit Encoder ou Encoder Modular (Fig. 5.9). Estão disponíveis em várias formas, sendo sua principal vantagem o custo reduzido. Fig. 5.9 Encoder modular. Como muitos servo-motores têm eixo de extremidade dupla, é simples conectar um kit encoder à traseira do motor. O kit encoder é normalmente menos robusto que o encoder eixo, mas isso não é problema se os componentes do encoder forem adequadamente protegidos. Muitos servo-motores incorporam um compartimento separado para o encoder dentro do próprio motor. Encoder linear. Um encoder linear é usado quando é necessário fazer uma medição direta do movimento linear. Ele é composto de uma escala linear (que pode ter de uns poucos milímetros a 1 metro ou mais de comprimento) e um cabeçote leitor. Ele pode ser absoluto ou incremental e a resolução é expressa em linhas por unidade de compri- mento (normalmente linhas/mm). Como o encoder linear mede a distância percorrida do elemento móvel diretamente, os efeitos de erros de leadscrew são eliminados. Princípios Básicos dos Encoderes Absolutos Um encoder absoluto é um dispositivo de medição de posição que oferece uma informação de posição única para cada localização do eixo. A localização é independente de todas as outras, ao contrário do que acontece com encoder incremental, em que a posição é determinada pela soma da distância percorrida a partir de uma posição de referência. Fig. 5.10 Disco absoluto. Fig. 5.11 Disco incremental. Ao contrário do encoder incremental com sua rota básica única, um encoder absoluto tem várias rotas concêntricas. Cada rota tem uma fonte de luz independente. Como a luz passa por uma abertura, um estado alto (“1”) é criado. Se a luz não passa pelo disco, o resultado é um estado baixo (“0”). A posição do eixo pode ser identificada através do padrão de 1’s e 0’s. Shaft Mounting Plate Cover Interconnecting Leads Cover Hub and Disc Electronics Body Interconnecting Leads Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 33 Automation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Comparação Tecnológica Uma Comparação Entre as Tecnologias de Motor de Passo e Servomotor Os motores de passo, motores DC com escova e servo motores brushless têm suas vantagens e desvantagens. Nenhuma tecnologia é ideal para todas as aplicações, apesar do que possam alegar alguns fabricantes. Este capítulo analisa os méritos relativos de cada tecnologia e lista as aplicações mais apropriadas para cada uma delas. Vantagens do Motor de Passo Solução de Custo mais Baixo Um motor de passo será sempre a solução mais barata. Se um motor de passo executar o trabalho, fique com ele. Nenhuma Manutenção Não há escovas que necessitem de checagem ou substitui- ção periódica. Poucas Restrições Ambientais Um motor de passo pode ser usado em praticamente qualquer ambiente, incluindo vácuo. Magnetos especiais podem ser necessários se houver grandes campos magnéti- cos por perto, como câmaras de evaporação. Observe a dissipação no vácuo (não há resfriamento de convecção). Livre de Defeitos Qualquer falha no motor impede o movimento, pois a corrente deve ser continuamente comutada para que haja rotação contínua. Um motor com escovas é comutado internamente e pode operar indefinidamente se corrente contínua for aplicada. Não é facilmente desmagnetizado por excesso de corrente. Devido aos planos perpendiculares de magnetos permanentes e rotas de fluxo alternadas. Controlador Pode ser Compartilhado Em sistemas multi-eixos quando somente um motor precisa operar num dado momento. Isso é útil na determinação de tipos de aplicação como máquinas de impressão. Os servo motores precisam de um controlador de posição em tempo integral até mesmo para manter o eixo estacionário. Estável Quando Parado Com a corrente contínua fluindo nos enrolamentos o rotor permanece completamente estacionário. Não há tendência de vibração (“jitter”) ao redor do encoder ou posição do re- solver. Isso é útil em aplicações como estações microscópi- cas. Pode ser parado indefinidamente sem danos. Não há aumento na corrente do motor como resultado de uma parada brusca, e portanto não há risco para o motor e o risco de danos mecânicos é mínimo. Alto Torque Contínuo em Relação ao Tamanho Comparado a um servo motor de mesmo tamanho, um mo- tor de passo pode produzir mais torque contínuo em baixas velocidades. Somente 4 Contatos são Necessários Isso minimiza o custo instalado, o que é particularmente importante em aplicações em que as conexões são caras (como em câmaras de vácuo). Desvantagem do Motor de Passo Ruído, Ressonância e Baixa Suavidade em Baixas Velocidades São críticas geralmente dirigidas a motores de passo completo. Esses problemas podem ser quase totalmente resolvidos com o uso de um motor de resolução mais alta. Perda de Posição não Detectada em Malha Aberta Isso só deveria ocorrer em situações de sobrecarga e em muitas aplicações os problemas causados são poucos. Quando a perda de posição não puder deixar de ser detectada, um encoder de verificação pode ser acoplado, resultando num sistema muito seguro (o encoder não é ne- cessário para o posicionamento, somente para confirmação). Consome Corrente Quando Parado Como é necessária corrente para produzir torque estável, isso aumenta o calor do motor quando parado. Barulhento em altas velocidades - o rotor de 50 pólos tem freqüência magnética de 2,5kHz a 3000 rpm. Restrições magnéticas causam um som alto correspondente. Excessiva perda Eletromagnética em Altas Velocidades Mais uma vez devido à alta contagem de pólos, perdas de corrente são maiores que num servo motor. Um motor de passo é portanto não recomendável para operação contínua em velocidades superiores a 2000 rpm. Vantagens dos Motores DC com Escova Baixo Custo Os servo motores com escova são bem desenvolvidos e baratos para produzir. Rotação Suave em Baixas Velocidades Há motores especialmente projetados para suavidade em baixas velocidades com alto número de segmentos comuta- dores. Drive de Baixo Custo Um drive para motor DC com escova pode ser produzido com custos muito baixos pois somente um único circuito ponte é necessário. Não Consome Energia Quando Parado Sem cargas estáticas no motor, não é necessária corrente para a manutenção da posição. Alto Pico de Torque Disponível Em aplicações intermitentes, particularmente quando posi- cionando cargas principalmente inerciais, o motor pode ser levado além de sua faixa contínua. Curva Chata de Torque-velocidade Oferece desempenho máximo com aumentos de aceleração lineares gerados facilmente. Grande Variedade Disponível Os motores DC são produzidos em vários estilos incluindo tipos com inércia muito baixa para aplicações altamente dinâmicas. Alta Velocidade Os motores DC com escova são bons para velocidades de até 5000 rpm. 34 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Princípios Básicos Tecnologia Eletromecânica Comparação Tecnológica Desvantagens dos Motores DC com Escovas Manutenção das Escovas Não necessariamente um problema se o motor for facilmente acessível, mas complicado se o motor não for acessível. Problemas em Ambientes de Risco ou Vácuo Ventilação nas escovas é fundamental para sua operação. Limitações do Comutador Ciclos árduos causam desgaste, e a comutação mecânica limita a velocidade. Movimentos repetitivos muito curtos, de menos de uma rotação do motor, podem desgastar parte do comutador. Baixo Desempenho Térmico Todo o calor é gerado no rotor, de onde a rota térmica para o revestimento externo é muito ineficiente. Pode ser Desmagnetizado Excesso de corrente pode causar a desmagnetização parcial do motor. Custo Instalado Maior O custo instalado de um servo sistema é maior que o de um motor de passo devido à necessidade de componentes de feedback. Benefícios dos Servomotores Brushless Vantagens de Desempenho Todas as vantagens listadas para motores DC com escova são aplicáveis aos servomotores brushless. Nenhuma Manutenção A ausência de comutador e sistema de escova elimina a necessidade de manutenção periódica. Bom Desempenho Térmico Todo o calor é gerado no estator, onde pode ser eficiente- mente combinado ao revestimento externo. Possibilidade de Velocidades Muito Altas Não há comutador mecânico que imponha um limite de velocidade, e motores pequenos são normalmente classificados para velocidades de até 12.000 rpm. Praticamente Nenhuma Restrição Ambiental Devido à ausência de engrenagem para escova, um servo motor sem escovas pode ser usado em praticamente qualquer ambiente. Para operação em altas temperaturas, o uso de um resolver evita danos aos sistemas eletrônicos do motor. Desvantagens do Servomotor Brushless Custo Mais Alto do Motor Deve-se o custo mais alto ao uso de magnetos raros. Drive Mais Complexo e Caro Drives trapezoidais não são muito mais caros do que os para motores DC, porém o senoidal é muito mais complexo. Qual Tecnologia Usar Este item dá idéia das aplicações que são particularmente apropriadas para cada tipo de motor, e também certas aplicações que é melhor evitar. Deve-se enfatizar que há uma ampla variedade de aplicações que podem ser igual- mente atendidas por mais de um tipo de motor, e a escolha será freqüentemente determinada pela preferência, expe- riência anterior ou compatibilidade com equipamento exis- tente. Com a crescente demanda por motores inteligentes, o diferencial de custo real entre servo motores com escova e sem escova está diminuindo. Na maioria das novas aplica- ções a escolha é, portanto, entre o motor de passo e o servo motor brushless. Para aplicações em que o custo é fator importante vale sempre a pena tentar um motor de passo, pois ele geral- mente pode ser vencido em termos de custo. Isso é particu- larmente válido quando as exigências dinâmicas não são severas, como aplicações de “definição”, como ajustes periódicos em máquinas de impressão. Aplicações contínuas de alto torque e baixa velocidade são apropriadas para servo motores de acionamento direto (direct drive) e também para motores de passo. Em baixas velocidades o motor de passo é muito eficiente em termos de torque relativo a tamanho e energia de entrada. Um exemplo típico seria uma bomba medidora para controle de fluxo preciso. Aplicações contínuas de alto torque e alta velocidade são adequadas para um servo motor e, na verdade, um motor de passo deve ser evitado em tais aplicações, pois as perdas em altas velocidades podem levar a aquecimento excessivo do motor. Um motor de corrente contínua pode oferecer mais potência contínua do eixo em altas velocidades do que um motor de passo de mesmo tamanho. Movimentos repetitivos, rápidos e curtos podem exigir o uso de um servo motor se houver exigência de alta dinâmica. Contudo, um motor de passo pode oferecer uma solução mais econômica quando as exigências forem mais modestas. Aplicações de posicionamento em que a carga é funda- mentalmente inercial e não de fricção são adequadamente servidas por um servo motor. A capacidade de fazer um servo motor ir além das definições em trabalho intermitente permite que um motor menor seja usado quando a exigência de torque só ocorre durante aceleração e desaceleração. Aplicações muito árduas com ciclo de alta dinâmica ou que exijam velocidades muito altas normalmente exigem um servo motor brushless. Aplicações de baixa velocidade e alta suavidade são adequadas para um sistema de micropasso ou direct drive. Para aplicações em ambientes de risco normalmente não se pode usar um motor DC com escovas. Dependendo das exigências de carga, use um motor de passo ou servo mo- tor brushless. Lembre-se de que a dissipação de calor pode ser um problema no vácuo. Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 35 Automation Apostila 1600.231.01 BR Aplicações Tecnologia Eletromecânica Cálculos de Sistema Cálculos de Torque e Inércia O primeiro passo para dimensionar um sistema de posiciona- mento é calcular as necessidades de torque e velocidade da carga. A velocidade é normalmente determinada pela taxa de produção exigida, embora valha a pena ler as notas neste capítulo sobre a relação entre potência do eixo e o tempo de movimento - mesmo pequenas concessões nos tempos de movimento podem ter efeito significativo na po- tência necessária do motor. Estabelecer as necessidades de torque normalmente exige alguns cálculos, dependendo da natureza da carga e do movimento necessário. A Parker tem um programa de dimensionamento para essa finalidade que simplifica bastante o processo e faz a recomendação do melhor pacote de motor para uma dada aplicação. Contudo, iremos analisar os princípios básicos do cálculo manual já que ele pode ser aplicado em qualquer situação. Componentes do Torque de Carga Num típico sistema de posicionamento, o motor deve desem- penhar duas tarefas distintas - acelerar e desacelerar os componentes mecânicos, e superar a fricção no sistema. Ambas as tarefas exigem torque do motor, mas cada uma depende de propriedades mecânicas totalmente diferentes. Calculando o Momento Inercial O torque de aceleração/desaceleração depende somente de dois parâmetros - o momento inercial do sistema todo, incluindo o motor, e a taxa de aceleração exigida. Ao passo que a fricção é resistência ao movimento, o momento inercial pode ser descrito como resistência às alterações na velocida- de (aceleração ou desaceleração). É uma propriedade de qualquer componente mecânico, e depende principalmente do peso; mas no caso de componentes rotativos depende da forma também. Com partes circulares ou cilíndricas como eixos e polias, o material mais distante do eixo de rotação tem um efeito muito maior na inércia que o material próximo do centro. Um volante, por exemplo, que é deliberadamente projetado para ter alta inércia de forma a minimizar as mudanças de velocidade causadas por flutuações no torque do motor, tem a massa concentrada perto das bordas. Se tivesse espessura uniforme, teria inércia mais baixa para o mesmo peso. Em sistemas de posicionamento de alta velocidade é essencial manter a inércia total no mínimo. Talvez não seja preciso dizer que deve-se concentrar nos componentes que mais contribuem para a inércia total, mas nem sempre é óbvio quais são esses componentes. Em muitos sistemas de parafuso guia, por exemplo, o próprio parafuso é o compo- nente inercial dominante e não a carga sendo movida (ver exemplo a seguir). Componentes Rotativos Para calcular o momento inercial dos componentes rotativos num sistema mecânico, precisamos conhecer seu formato e peso. Felizmente a maioria desses componentes, como eixos, parafusos guia, engates e engrenagens aproximam- se de formas cilíndricas simples. E como são normalmente feitos de aço ou alumínio, podemos usar uma fórmula sim- ples baseada somente nas dimensões. Veja como calcular a inércia desses componentes: Fig. 7.1 Componentes cilíndricos rotativos. Quando o componente é feito de aço: J = 761 x D4 x L (J em Kg.m2, D & L em metros) Para alumínio: J = 261 x D4 x L (J em Kg.m2, D & L em metros) Quando o peso é conhecido (ou pode ser calculado): J = WD2 ÷ 8 (J em Kg.m2, W em Kg, D em metros) (Observe que quando o comprimento é dobrado, dobra-se a inércia; mas se o diâmetro for dobrado, a inércia aumenta 16 vezes). Componentes que Movem-se em Linha Reta Mesas e suportes móveis normalmente são impulsionados por uma correia e sistema de polias ou por parafuso. Fig. 7.2 Sistema movido por correia. Para um sistema movido por correia ou corrente: Inércia equivalente do peso W: Jw = WD 2 ÷ 4 (J em Kg.m2, W em Kg, D em metros) Se a correia ou corrente tiver peso significativo, acrescente- o ao da parte móvel antes do cálculo. Lembre-se de somar a inércia de ambas as polias (calcular como cilindro). W p L D W D Fig. 7.3 Sistema de parafuso. Para um sistema de parafuso: Inércia equivalente do peso W: Jw = Wp 2 ÷ (4x107) (J em Kg.m2, W em Kg, p = distância linear percorrida/ giro em mm) Lembre-se de somar a inércia do parafuso guia, mais uma vez calculada como de cilindro. 38 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Aplicações Tecnologia Eletromecânica Cálculos de Sistema A velocidade máxima, a taxa de aceleração e a distância percorrida pelo motor permanecem as mesmas. Nova demanda de torque T = 1225 x 10-6 x 156 x 2π = 1,23 Nm Qual é o novo fator de inércia carga/rotor? Novo fator de inércia = 725 ÷ 500 = 1,45:1 Como o pico de potência é afetado? Novo pico de potência W = 1,23 x 6,25 x 2π = 48 watts Esta é uma situação em que aumentando-se o passo do fuso e a introdução de um redutor resultaram em melhoria significativa. O fuso somente gira na metade de sua velocida- de anterior devido ao aumento do passo, e o efeito de sua inércia é reduzido na razão da redução. O torque e potência do motor necessários foram ambos reduzidos em 50%, e o fator de inércia carga/motor é mais favorável. Como a demanda de torque é então cerca de metade do que era antes, usando o mesmo motor podemos dobrar a taxa de aceleração e reduzir o tempo geral de movimento em 30%. Na prática, os componentes de redução também introduzem alguma inércia e atrito adicional. Relação entre Potência do Eixo, Distância de Movimento e Tempo de Movimento As expressões no item anterior mostraram que a velocidade máxima é proporcional a D/t, e a taxa de aceleração (por- tanto o torque) é proporcional a D/t2. A potência é o produto do torque e velocidade, e é portanto proporcional a D2 e a 1/t3. Podemos concluir que movimentar duas vezes a distân- cia no mesmo tempo exigiria 4 vezes a mesma potência do eixo, e movimentar a mesma distância na metade do tempo exigiria 8 vezes mais potência. A potência máxima de um motor está relacionada a seu tamanho, e um motor capaz de oferecer 8 vezes a potência será muito maior. Ele terá também muito mais inércia, o que aumentará ainda mais a demanda de torque. Assim, na prática a potência adicional exigida para reduzir pela metade o tempo de movimentação pode ser até 50 vezes maior. Há duas importantes conclusões: 1. O tempo de movimento é um fator crítico na necessidade de potência do sistema. Economia significativa pode ser obtida reduzindo a exigência de tempo de movimento quando possível, e é sempre bom observar outros aspec- tos do ciclo de uma máquina para checar se outras econo- mias podem ser obtidas. 2. Um sistema de posicionamento bem projetado não pode operar significativamente mais rapidamente que sua velo- cidade de projeto. Por exemplo, com um sistema que tenha margem de potência de 20%, só se pode esperar um corte de até 5% no tempo de movimento e fazendo com que tudo funcione no limite. O que acontece se os rolamentos que movem a mesa tiverem coeficiente de atrito de 0,2 (usando o fuso com 70% de efi- ciência)? Força gravitacional devida à massa da mesa = 100 x 9,81 = 981 Newtons Força de fricção (µ = 0,1) F = 981 x 0,2 = 196 Newtons Torque para superar essa força T = 196 x 10 ÷ 6284 x 0,7 = 0,44 Nm Nova demanda de torque T = 3,14 Nm Quais valores de aceleração e velocidade precisariam ser programados? Taxa de aceleração (acima) A = 156 rot/seg2 Velocidade V = 1,5 x 0,5 ÷ 0,12 Voltando ao caso com fuso perfeito e nenhum atrito, qual seria a demanda de pico de potência? Pico de potência W = 2,6 x 6,25 x 2π = 102 watts Qual o fator de inércia carga/rotor? Mesa + inércia do fuso Jw + Js = 2150 x 10 -6 Kg-m2 Inércia do motor Jm = 500 x 10 -6 Kg-m2 Fator de inércia = 2150 ÷ 500 = 4,3:1 Se introduzirmos uma redução de 2:1 e dobrarmos o passo do fuso para 20 mm, o que acontece com a demanda de torque? (ignore a inércia do sistema de redução). Inércia refletida da mesa Jw = 100 x 20 2 ÷ 4 x 107 = 1000 x 10-6 Kg-m2 A inércia do fuso será a mesma de antes. A inércia da mesa mais a do fuso será agora reduzida pelo quadrado da razão de redução. Inércia da mesa + fuso Jw + Js = 2900 x 10 -6 Kg-m2 Inércia refletida no motor = 2900 x 10-6 ( 4 Kg-m2 = 725 x 10-6 Kg-m2 Nova inércia total (acrescentada ao motor) Jt = 1225 x 10-6 Kg-m2 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 39 Automation Apostila 1600.231.01 BR Aplicações Tecnologia Eletromecânica Cálculos de Sistema Cálculo de Torque RMS Quando um servo motor é usado em aplicações intermiten- tes, é possível operar o motor em excesso em parte do ciclo operacional contanto que ele tenha tempo para esfriar depois. Uma taxa de intermitência típica é de até quatro vezes o torque contínuo e é normalmente limitada somente pela corrente disponível no drive. Contanto que o calor total produzido durante um ciclo de operação não seja maior que o produzido quando o motor opera de forma contínua em seu torque especificado, é seguro concluir que o motor não se superaquecerá. A principal fonte de calor é a perda resistiva nos enrolamen- tos do motor, que é proporcional ao quadrado da corrente (lembre-se que W = RI2). Como a corrente e o torque são diretamente relacionados (Constante de Torque), o calor gerado também é proporcional ao quadrado do torque. Por exemplo, com o dobro do torque haverá quatro vezes mais calor produzido. Portanto, não podemos calcular uma simples média aritmética do torque para calcular o calor total produzido durante o ciclo. Precisamos usar uma média da raiz quadrada (RMS-root-mean-square). A fórmula seria assim: Fig. 7.9 Ciclo simples de máquina. Tudo que fizemos aqui foi adicionar o calor produzido du- rante cada parte do ciclo, dividi-lo pelo tempo total e tirar a raiz quadrada para chegar a um torque contínuo equivalente. O Que Acontece em Ciclos de Operação Muito Longos? Se o torque exceder a taxa contínua por um período longo, é obviamente possível que o motor superaqueça durante esse tempo embora o torque RMS seja aceitável. Por exemplo, com o dobro do torque contínuo ficamos restritos a 25% do ciclo (quatro vezes mais calor em um quarto do tempo) Se for necessário torque por 1 segundo num ciclo de 4 segundos tudo fica bem - mas por uma hora em ciclos de quatro horas não é uma boa perspectiva, mesmo estando em 25% do ciclo. Então qual é o limite? O limite se resume à Constante de Tempo Térmica do mo- tor. Quando a corrente passa pelo motor, a temperatura aumenta exponencialmente. Quanto maior o motor mais lentamente a temperatura sobe. A constante de tempo térmi- Torque (T) Velocity T1 T2 T3 (dwell) t1 t2 t3 t4 ca é o tempo que se leva para atingir 63% da temperatura final; são necessárias três constantes para atingir aproxi- madamente 95% da temperatura final, e depois disso as coisas mudam bem lentamente. Para que nossos cálculos de calor RMS sejam válidos, é importante que o ciclo operacional completo seja curto em comparação com a cons- tante de tempo térmica do motor - 10% é um bom número. Pode-se normalmente encontrar a constante de tempo térmica nos dados do motor, e ela normalmente varia de 30 minutos para um motor pequeno a 90 minutos para um grande. Um ciclo operacional de até 3 minutos é portanto aceitável na maioria dos casos. Na prática ele é um ciclo bastante longo, e isso não é um problema na maioria das aplicações. Dimensionando Transformadores para Sistemas de Posicionamento Motores de passo e servo motores alimentados por um transformador são normalmente especificados com um transformador padrão que será adequado para todas as aplicações práticas. Na verdade, isso significa que o transfor- mador é sobre-especificado na maioria dos casos. Embora as quantidades envolvidas sejam pequenas, é melhor ter uma solução garantida que fazer grandes esforços de engenharia otimizando o projeto do transformador para eco- nomizar uma quantidade relativamente pequena de dinheiro. Quando quantidades maiores estão envolvidas ou quando espaço é um fator a considerar, um projeto otimizado pode ser justificável. Mas a maioria dos sistemas de posicionamen- to envolvendo movimentos ponto-a-ponto podem ser difíceis de dimensionar porque a energia muda significativamente durante o ciclo operacional. As exigências básicas para o transformador são: 1. Fornecer a energia média a longo prazo sem superaqueci- mento. 2. Fornecer o pico de demanda no curto prazo sem queda excessiva de tensão. A demanda de energia média de longo prazo pode ser estimada quando os cálculos de torque RMS tiverem sido feitos. Quando o transformador estiver fornecendo picos de energia maiores que a taxa contínua para períodos curtos (como 2 segundos ou menos), uma boa medida da taxa VA necessária será maior que o seguinte: 1. Pico de carga x √ duração do pico de carga/tempo total do ciclo. 2. 70% do pico de carga. Por exemplo, um pico de carga de 1000 VA para um total de 400mS a cada 1,2 segundos exigiria uma taxa do transforma- dor de 1000 x a raiz quadrada de 0,4/1,2 = 577VA (70% do pico de carga). Uma queda na tensão do barramento de corrente contínua causada pela regulagem do transformador afetará o desempenho em alta velocidade. A maior queda T1 2t1+T2 2t2+T3 2t3+...... Trms = t1 + t2 + t3+ t4 +..... 40 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Aplicações Tecnologia Eletromecânica Cálculos de Sistema Fig. 7.10 Efeito da regulagem do transformador no desempenho de servo motores. A regulagem típica de um transformador depende da taxa VA, mas a tabela abaixo pode ser um guia útil: Freio Dinâmico de Servomotores Numa situação de emergência, quando o motor precisa ser parado após uma falha ou perda de energia, um freio dinâmico pode ser usado para minimizar o tempo de desace- leração. Consegue-se isso conectando uma carga resistiva aos terminais do motor, forçando este último a funcionar como gerador e produzir torque de frenagem. Esse torque varia com a velocidade do motor, e inevitavelmente cairá quando o motor evoluir para velocidades baixas. A maneira como o torque varia com a velocidade é mostrada na Fig. 7.11 - ele atinge o máximo a uma velocidade chamada de “velocidade central”. O torque de frenagem máximo depende somente do motor, enquanto que a velocidade na qual o torque máximo é produzido depende do valor do resistor de parada. Para desacelerar o motor o mais rapidamente possível, o valor do resistor deve ser escolhido de forma a gerar o maior tor- que na faixa de velocidade mais ampla possível. Isso exige conhecimento da velocidade operacional máxima e de certos parâmetros do motor. ContinuousTorque Peak DC bus drop reduces available torque & speed Speed 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % of maximum torque % of maximum speed CENTRE SPEED ocorrerá quando o sistema estiver fornecendo o máximo de energia, que coincide com a quina da curva de pico de torque. Isso tem o efeito de arredondar a curva de torque- velocidade de forma que fica impossível operar no ponto de quina. A maioria dos transformadores tem uma taxa de tensão secundária que é especificada na corrente com carga total. Isso pode resultar numa tensão sem carga inaceitavel- mente alta num transformador com regulagem deficiente. Em transformadores da Parker a tensão secundária é espe- cificada como valor de circuito aberto, garantindo que a ten- são de barramento de corrente contínua sem carga não suba até um nível que possa danificar o motor. Uma redução na tensão do barramento com carga total afetará o desempenho em alta velocidade mas não representa ameaça ao motor. Taxa VA Regulagem Típica 100 - 500 8% 500 - 1000 6% 1000 - 1500 4 - 5% 1500 - 2000 3 - 4% >2000 2 - 2,5% Fig. 7.11 Variação do torque de frenagem dinâmico com velocidade. Na prática, o valor do resistor de carga é normalmente es- colhido de forma a gerar torque máximo com a metade da velocidade operacional máxima. Os resultado é um torque de frenagem de mais de 80% do máximo sobre o limite de 75% da faixa de velocidade. Cálculo do Valor da Resistência A resistência de carga exigida por fase para produzir torque de frenagem otimizado pode ser calculada com a seguinte fórmula: Resistência da carga = 0,013 x Indutância x Nº de pólos do motor x Velocidade máxima em rpm A indutância é o valor linha-a-linha medido em Henrys, e a resistência de carga calculada será a resistência total do circuito em ohms incluindo a resistência do motor. Exemplo: motor MB 145 30 28 operando em velocidade máxima de 3000 rpm. Dos dados do motor: Indutância linha-a-linha = 2,4mH (indutância de fase = 1,2mH) Resistência linha-a-linha = 0,31 ohm (resistência de fase = 0,155 ohm) Nº de pólos = 8 O cálculo dá uma resistência total de carga por fase de 0,75 ohm. Isso inclui a resistência de fase do motor de 0,155 ohm, portanto a resistência externa necessária será de 0,595 ohm. Especificação de Energia do Resistor Para uma primeira aproximação, a energia necessária para os resistores de carga podem ser estimadas a partir da ener- gia cinética armazenada no sistema. Por exemplo, conside- rando uma condição relativamente severa em que a carga tem inércia de dez vezes a inércia do motor: Para o MB 145 30 28 a inércia do motor é de 0,00115 kgm2 Inércia total = 0,0270 kgm2 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 43 Automation Apostila 1600.231.01 BR Aplicações Tecnologia Eletromecânica Programação de Código X Comandos ESPECÍFICOS DE EQUIPAMENTO são execu- tados por um controlador ou “equipamento” somente, conforme especificado pelo endereço. Os comandos dessa categoria devem incluir um endereço, e são principalmente comandos que exigem informação de volta, como se o mo- tor está pronto para um novo comando ou se está ocupado, portanto é essencial que somente o eixo correto responda. Os comandos definidos no manual como “específicos de equipamento” não serão acionados sem um endereço. Um exemplo é o R de reportar status - ele teria que ser enviado como 1R para o eixo 1. Comandos UNIVERSAIS são executados por todos os equipamentos em cadeia. Nesse caso não há endereço incluído, e o comando pode ser aceito por todos os eixos. Um exemplo seria o V10 que determinaria a velocidade de todos os eixos como 10 rot/seg. A maioria dos comandos universais pode ser convertida para específica de equipa- mento com a inclusão do endereço, por exemplo 3V10 defini- ria a velocidade no eixo 3 somente para 10 rot/seg. Modos de Operação Todos os controladores de Código X podem operar em um ou dois modos básicos - pré-definido (normal) ou contínuo. MODO NORMAL (MN) - a distância do movimento é pré- determinada usando o comando D (distância). Esse modo é usado em todas as operações de posicionamento ponto- a-ponto normais. MODO CONTÍNUO (MC) - nesse modo o motor opera de forma contínua na velocidade especificada até parar ou até que um novo comando de velocidade seja dado. Os dados de distância definidos pelo comando D são ignorados. Dentro do modo normal (MN) há duas outras opções: MODO PRÉ-DEFINIDO INCREMENTAL (MPI) - cada movi- mento é executado como incremento, com a distância de- terminada pelo comando D. Em outras palavras, a distân- cia percorrida é relativa à posição atual. MODO PRÉ-DEFINIDO ABSOLUTO (MPA) - nesse modo o dado D ou distância é interpretado como posição absoluta relativa à posição zero. Portanto, cada movimento será relativo a uma posição absoluta definida, independentemen- te da posição atual. O controlador calcula a distância neces- sária e a direção do movimento para chegar à nova posição. É possível alternar livremente entre o modo absoluto e o in- cremental pois o controlador sempre armazena sua posição absoluta atual. Comandos Básicos Adicionais Controle de Direção No modo incremental normal o usuário determina a direção de rotação do eixo pelo sinal de valor de distância. Assim, D4000 irá determinar um movimento de 4000 passos no sentido horário, e D-6000 determinará 6000 passos no senti- do anti-horário. A direção presumida é o sentido horário, a menos que um sinal de menos seja incluído, embora seja possível incluir um sinal de mais para o sentido horário se assim se desejar. Pode-se também controlar a direção usando os comandos H. Um comando H permite definir ou mudar a direção sem re-especificar a distância, e também pode ser usado no modo contínuo (quando os valores de D são ignorados). H+ define a direção no sentido horário H- define a direção no sentido anti-horário H (sem sinal) reverte a direção qualquer que ela seja. Exemplo: D25000 G H- G O motor opera em 25000 passos no sentido horário e então 25000 passos no sentido anti-horário. Criando Loops Quando um grupo de comandos tiver que ser repetido um determinado número de matrizes, ou mesmo repetido conti- nuamente, pode-se fazer isso simplesmente encerrando os comandos num loop. O comando de loop L marca o início do loop, seguido pelo número de vezes que você quer repeti- lo, como L6 por exemplo. O final do loop é marcado pelo co- mando final N. Exemplo: L20 D500 G N O motor fará 20 movimentos de 500 passos cada. Se não houver número incluído depois de comando L, o loop irá se repetir continuamente. Ele pode ser interrompido ou com o comando S (Parar), que aborta qualquer movi- mento em andamento, ou com o Y que interrompe o ciclo no final do loop em andamento. Com a maioria dos controladores é possível colocar os loops juntos, ou seja, é possível ter um ou mais loops dentro de outro loop maior. Mas é importante que o número de comandos N seja igual ao de comandos L, mesmo se estiverem todos juntos. Exemplo: L5 D1000 G L10 D200 G N N Aqui cada um dos cinco movimentos de 1000 passos será seguido pelo loop de 10 movimentos de 200 passos. Acrescentando Temporizadores É comum querer incluir um temporizador entre os movimen- tos, por exemplo para permitir que uma operação externa seja finalizada. Isso é possível com o comando T (temporiza- dor) seguido pelo tempo em segundos. Exemplos: T2 resulta num temporizador de 2 segundos T0,05 resulta num temporizador de 50mS L20 D500 G T0,5 N No último exemplo o comando T acrescenta um tempo de espera de meio segundo entre cada movimento do loop. Usando Gatilhos O comando gatilho TR permite especificar um padrão nos sinais de entrada do controlador que passarão para ou desencadearão o próximo comando. O sinal poderia vir, por exemplo, de um botão ou comutador. As opções nos sinais de entrada são: 1 = alto sinal de entrada 0 = baixo sinal de entrada X = indiferente (sinal de entrada pode ser alto ou baixo) 44 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Aplicações Tecnologia Eletromecânica Programação de Código X Fig. 8.3 Típico padrão de movimentação em direção à posição de origem. Home Switch Fast return (n) Final slow approach Há várias opções disponíveis em conjunto com a rotina de posição de origem, que varia de acordo com o tipo de contro- lador. Eles possibilitam a escolha da velocidade de chegada ao ponto final e podem selecionar qual borda do sinal de origem é considerada como posição de parada. Programando Seqüências de Movimentação Completa Uma seqüência é uma série de comandos que serão execu- tados na ordem programada. A seqüência pode ser iniciada por um comando único, tornando mais fácil programar operações repetidas. As seqüências podem ser armazena- das em memória não volátil, selecionadas e inicializadas por sinais de entrada gatilho sem a necessidade de uma conexão RS232. Esse estilo de operação é particularmente útil quando o controle geral da máquina é feito via PLC. Observe que somente comandos buffered podem ser usados e armazenados em seqüência e, por definição, comandos imediatos serão executados assim que forem recebidos e não serão armazenados no buffer de comando. Todos os comandos em seqüência começam com X. XDn inicia a definição de uma seqüência. Por exemplo, XD1 marca o início da seqüência 1. XT encerra a seqüência. Veja um exemplo de seqüência única: XD1 A2 V10 D2000 G H- G XT XRn opera a seqüência, assim XR1 opera seqüência 1. Pode-se usar o comando XR para operar uma seqüência de dentro de outra seqüência, como uma subrotina, por exemplo: XD2 A2 V10 D2000 G XR1 XT Nesse caso a seqüência 2 incorpora a seqüência 1. (Com certos tipos de controladores, XR age como um GoTo ao invés de um GoSub, caso no qual não voltará à seqüência primária. Veja no Guia do Usuário quando embutir XR’s numa seqüência). Para mudar a seqüência, a antiga deve primeiro ser deletada. Essa é uma função de segurança que minimiza a possibilidade de re-escrever uma seqüência por engano. XEn deleta uma seqüência, por exemplo XE2 deleta a seqüência 2. Para verificar o que está programado numa seqüência, pode-se voltar ao terminal. aXUn carrega uma seqüência (é um comando específico de equipamento e deve sempre incluir endereço). Por exemplo, 1XU3 retorna a seqüência 3 para o controlador do equipamento número 1. Para Mais Informações Esta é somente uma breve introdução ao Código X, mas ilustra a natureza simples da linguagem e a facilidade com que o controle de movimento pode ser programado. Guias de Usuário dos produtos oferecem informações abrangentes sobre todos os comandos disponíveis e maneiras de usá- los. Se estiver considerando o uso de um produto com Código X, você pode solicitar uma cópia do Guia de Usuário. O padrão de sinal de entrada é especificado na ordem numérica dos sinais de entrada. Por exemplo: TR01X - conti- nuar para o próximo comando quando o sinal de entrada 1 for baixo e o sinal de entrada 2 for alto. Ignorar o que estiver acontecendo no sinal de entrada 3. Na verdade, pode-se ignorar qualquer rota X valores, e neste caso o TR01 funcio- naria bem também. Alguns controladores oferecem a opção de versões alternativas do comando gatilho, como: TRE - dispara o gatilho quando os sinais de entrada são iguais aos padrões especificados (equivalentes ao TR) TRN - dispara o gatilho quando os sinais de entrada não são iguais ao padrão especificado Usando Sinais de Saída Programáveis O comando O (output) é usado para ligar e desligar sinais de saída programáveis. Ele opera de forma similar ao coman- do de gatilho de sinal de entrada pois um padrão necessário é especificado para os sinais de saída. As opções são: 1 = output ligado 0 = output desligado X = deixar inalterado Exemplo: 2O1X1 - para endereço de eixo 2, ligar sinais de saída 1 e 3, mas deixar o output 2 inalterado. Mais uma vez a rota X pode ser ignorada. Indo para a Posição de Origem A maioria dos sistemas de posicionamento sem alguma forma de dispositivo de posicionamento absoluto deve usar uma referência mecânica ou posição de origem quando são ligados. Isso estabelece onde a referência mecânica está e todos os movimentos subseqüentes serão relativos à posição de origem. Essa posição é normalmente determinada por um comutador ou sensor de proximidade. O comando Ir para Posição de Origem (GH) inicia o retorno automático à essa posição, come- çando rapidamente e seguindo-se de uma lenta busca pelo ponto de operação do sensor. O número que segue-se ao comando representa a velocidade de início rápido. Exemplo: GH5 - voltar para posição de origem a 5 rot/seg (um sinal de direção pode ser incluído) O padrão do início parecerá com a Fig. 8.3. Durante a fase final do início rápido, o contador de posição absoluta é res- setado para zero quando a borda sinal é detectada. Depen- dendo do tipo de controlador, o sistema não necessariamen- te pára na posição de origem - pode ser necessário tempo para a desaceleração. Contudo, a posição foi capturada quando a borda do sinal foi ultrapassada e um posicionamento preciso foi estabelecido. Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 45 Automation Apostila 1600.231.01 BR Aplicações Tecnologia Eletromecânica Programação de Código X Linguagem de Programação Alternativa Linguagem 6000 A linguagem 6000 da Parker foi desenvolvida a partir do Código X para possibilitar uma programação conveniente de controladores multi-eixos. Enquanto o Código X é ideal para sistemas avulsos de 1 eixo, e pode dirigir-se a múltiplas unidades via uma cadeia daisy, a linguagem 6000 simplifica o processo de programação com controladores de dois ou mais eixos. A linguagem 6000 geralmente usa mnemônica mais longa que o Código X, o que permite a ela ser mais descritiva. Além disso, a 6000 oferece funções mais avança- das que as disponíveis no Código X, muitas das quais estão relacionadas a sistemas de controle multi-eixos. Esses incluem contorno, funções cam, controle de joystick, opera- ções de “ensino” e captura de dados em tempo real. A progra- mação de erro altamente funcional da 6000 permite a recuperação mais eficiente de condições de erro. A 6000 é uma linguagem muito versátil e universal que pode ser usada numa ampla variedade de aplicações. As capabili- dades extras dessa linguagem naturalmente exigem mais capacidade de processamento, e portanto o Código X é mais apropriado para sistemas de baixo custo com necessidades limitadas de funções. Linguagem de Controle COMPAX O Compax é um servo controlador totalmente digital que inclui gerador de energia. Ele usa sua própria linguagem de programação que tem comandos muito parecidos com os da linguagem BASIC. Diferentemente de outros controlado- res na linha da Parker, o Compax pode ser equipado com equipamento específico da aplicação, o que simplifica a pro- gramação de uma variedade de funções avançadas de má- quina. Entre essas funções incluem-se perfil de velocidade baseado em tempo, geração de came, acompanhamento, engrenagem eletrônica e aplicações de registro. Usando uma estrutura exclusiva, programar essas funções envolve so- mente a entrada de alguns parâmetros. A função de geração de cam é particularmente importante, com um software dedi- cado para simplificar a geração de perfis. Há uma opção para entrar ou sair do perfil cam em qualquer estágio para operações de máquina complexas. Embora menos flexíveis que os produtos que usam a linguagem 6000, os sistemas com o Compax são muito mais simples de implementar quando uma opção de estrutura for compatível com a aplicação. A programação “direcionada para evento” não somente simplifica e reduz o tempo de programação, mas também minimiza a quantidade de dados que precisam ser transferidos. Isso significa que o Compax é particularmente adequado para sistemas que usam comunicação Fieldbus. Além do padrão Fieldbus RS485, ele oferece a opção de Profibus e CANbus. Ele também é equipado com o HEDA (Acesso a Dados de Alta Eficiência) bus da Parker, que oferece sincronização de tempo muito precisa entre todos os eixos num sistema. Isso combinado ao sofisticado algoritmo oferece desempenho extremamente dinâmico. Solução de Problemas com o RS232 Checando o Terminal Desconecte o cabo RS232 do terminal ou computador. Identifique os pinos 2 e 3 na porta serial - a Fig. 8.4 mostra o layout dos pinos para os conectores de 9 vias e de 25 vias. Coloque os pinos 2 e 3 juntos em curto. Se o conector serial for fêmea, use um clip de papel para colocar os pinos em curto. Se for macho, a lâmina de uma pequena chaveta de fenda pode ser usada para conectar os pinos. Digite alguns caracteres no teclado. Se nada aparecer na tela, você pode estar se comunicando com a porta errada. Use seu software de comunicações para mudar a porta COM e tente novamente. Se os caracteres aparecerem ou se aparecerem duplos, remova o curto circuito entre os pinos 2 e 3 e digite mais. Se os caracteres continuarem a aparecer, ou você está se comunicando com outro equipamento ou a porta COM (como um mouse ou placa de rede) ou o eco local estão ligados. Use seu software de comunicações para verificar se o eco local está desligado e se estiver, tente mudar as portas COM. Quando o terminal estiver operando corretamente, caracteres únicos devem aparecer com os pinos 2 e 3 em curto, e não devem aparecer quando o curto é removido. Fig. 8.4 Conectores RS232 de 9 e 25 vias. Checando o Cabo RS232 Reconecte o cabo RS232 ao terminal e deixe a outra extremi- dade livre. Repita o último exercício colocando os pinos em curto na extremidade remota do cabo. Se nenhum caracter aparecer, há um problema no cabo. Se os caracteres apa- recerem, reconecte o cabo ao dispositivo sendo controlado e tente novamente. Se não houver resposta, verifique se o eco de retorno está ligado no equipamento. Se ainda não houver resposta, tente trocar as conexões Rx e Tx, e tente novamente. Verifique também a conexão terra entre o terminal e o equipamento (pino 5 num conector de 9 vias, e pino 7 num de 25 vias). Se chegou até aqui sem sucesso, verifique os Manuais do Fabricante sobre comunicação RS232 para tentar obter mais instruções. Como último recurso, entre em contato com o fabricante e peça assistência. Verificando a Comunicação Correta Quando tiver confirmado que os caracteres estão ecoando, tente enviar um comando que produza uma resposta. Exemplos típicos são 1R para Código X e !TAS para a série 6000. Se não houver resposta, verifique se o endereço correto está sendo usado (tente 2R, 3R, etc). Observe que em certos produtos o endereço pode ser selecionado por software. Também é bom checar se a comunicação não foi desligada no equipamento - envie o comando E para religá-la. Pin: 2 3 7 Tx Rx G 25 Pin Connector (Male) Pin: 5 3 2 G Tx Rx 9 Pin Connector (Female) 1 25 1 9 48 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Aplicações Tecnologia Eletromecânica Instalação do Equipamento Os acoplamentos membrana normalmente têm dois discos, como mostrado. Uma versão de disco único existe mas não tolera nenhum desalinhamento radial. Acoplamentos de disco único são normalmente usados em pares com um eixo flutuante entre eles. Uma montagem completa consistindo de dois acoplamentos de disco único mais um eixo de ligação é conhecida como Cardan; ele opera da mesma forma que um acoplamento de dois discos, exceto pelo fato de que quanto maior o eixo de ligação, maior o desalinhamento ra- dial que pode ser acomodado. Os três elementos do Cardan podem normalmente ser montados no local. são particularmente bons na acomodação de movimento axial e oferecem rigidez torcional extremamente alta. O acoplamento de feixe helicoidal tem a vantagem de ser de baixo custo, mas tem rigidez torsional relativamente baixa e gera altas cargas no mancal quando há desalinhamento. Ambos os tipos de acoplamento são mais propensos a falhas a menos que bem utilizados dentro de suas especificações. Instalando o Acoplamento - Métodos de Fixação com Grampos Quando o acoplamento tiver sido selecionado, o próximo passo é decidir como fixá-lo ao eixo do motor e carga. Uma bucha bi-cônica ou “taper lock”, usada junto com uma chaveta, é o método preferido. Ele mantém a concentricidade e prende o eixo numa área extensa, o que é muito desejável onde há torques e rápidas reversões. Nessa situação, a chaveta é usada primariamente como dispositivo de segurança para evitar que algo escorregue no caso de so- brecarga. Ela não é usada para transmitir torque. Infeliz- mente, muitos acoplamentos são muito pequenos para acomodar esse tipo de bucha. Os grampos são provavelmente a fixação mais comum para acoplamentos pequenos e são geralmente confiáveis se usarmos um veda rosca nos parafusos. Ele vai agir como lubrificante antes de assentar, reduzindo as perdas friccio- nais e maximizando a força de retenção - mas não permane- ça apertando os parafusos por muito tempo! Use buchas sob as cabeças dos parafusos sempre que possível. Fig.9.4 Um eixo sem suporte (flutuante). Os acoplamentos de membrana podem operar em altas velocidades, tipicamente de até 25000 rpm, e tem longa vida útil pois não há partes deslizantes. Contudo, são mais caros que a maioria dos outros tipos de acoplamento. Diagram by courtesy of Huco Engineering Ltd. Fig. 9.5 Um típico acoplamento Oldham. Como o acoplamento Oldham tem três elementos separa- dos, as duas peças podem ser colocadas soltas em relação aos eixos antes da montagem e o disco central colocado depois que o eixo do motor e da carga tiverem sido instala- dos. Isso pode ser útil em situações de difícil acesso. Da mesma forma, os eixos podem ser desacoplados simples- mente soltando uma das peças. O disco central existe em diferentes materiais para oferecer as propriedades deseja- das. Por exemplo, o acetato dá longa vida útil e boa rigidez à torsão; o nylon dá boa absorção à vibração e operação silenciosa. Como o disco desliza de forma contínua, ele gra- dualmente se desgasta e provoca folga, e deve ser substi- tuído. Os acoplamentos Oldham não podem ser usados em eixos sem suporte. São um dos tipos mais baratos de acoplamento, mas só são adequados para velocidades de até 3000 rpm. Seguem alguns números típicos que mostram o quanto cada um dos acoplamentos pode acomodar desalinhamento. Outros tipos de acoplamento que são às vezes usados em aplicações de baixo consumo de energia são os acoplamen- tos sanfona e os de feixe helicoidal. Acoplamentos sanfona Fig. 9.6 Um grampo folha e um grampo de aperto. Colocação dos Parafusos A colocação de parafusos é outro método comum, mas só deve ser usado para aplicações de baixo torque. Não aperte o parafuso na rota da chaveta - você pode usinar um furo ou achatamento no eixo, a menos que se tome as mesmas precauções tomadas para encurtar o eixo, descritas mais tarde. Uma desvantagem do parafuso é que, diferentemente do grampo, ele cria uma pequena depressão no eixo e pequenos ajustes tornam-se praticamente impossíveis. É essencial que o diâmetro do acoplamento e do eixo sejam próximos quando parafusos são usados - a área livre não deve ser maior que 0,025mm. Isso é importante porque o parafuso sempre força o eixo para um lado do diâmetro do acoplamento, e uma área livre maior pode levar o acoplamento a pivotar em torno do parafuso, levando a um rápido desgaste. Dois parafusos, distantes entre si 90°, são uma melhoria significativa e dobram o torque que pode ser transmitido (ver tabela na página 49). Forçando o eixo para um dos lados do diâmetro, também cria-se excentricidade, e deve-se usar um acoplamento que possa acomodar essa ecentricidade. Sempre tente colocar o parafuso o mais centralmente possível ao longo do acopla- mento ou extensão da polia. Membrana Oldham Desalinhamento Angular Máximo 4° 1° Desalinhamento Radial Máximo 0,4 mm 11% do Ø do Acoplamento Movimento Axial Máximo 0,2 mm 0,3 mm Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 49 Automation Apostila 1600.231.01 BR Aplicações Tecnologia Eletromecânica Instalação do Equipamento A tabela abaixo é uma guia de torque máximo recomendável com o uso de acoplamentos ou polias acopladas por parafusos. Os números referem-se a um único parafuso e podem ser dobrados se dois parafusos distantes 90° forem usados. tante permitirá que o acoplamento deslize facilmente no eixo. Mas esse pequeno espaço irá inevitavelmente levar a alguma folga (as passagens tanto no eixo quanto na polia devem ser profundas o bastante para garantir um espaço adequado para a chaveta). A melhor maneira de solucionar o problema é ter um parafu- so no acoplamento que cause um pequeno achatamento no topo da chaveta. Outra solução é usinar a chaveta com um passo para que ela se ajuste em ambas as passagens, mas como isso evita que o acoplamento deslize facilmente no eixo, deve-se tomar cuidado para não danificar os mancais do motor. Aplicar uma grande carga axial (por exemplo com uma prensa de alavanca) e martelar o acoplamento no eixo são as causas mais comuns de danos ao mancal que levam a falhas prematuras. Se uma bucha “taper lock” for usada, esses problemas não aparecem porque a bucha desliza no eixo com facilidade e não há folga, pois a bucha fixa-se firmemente ao eixo. Lembre-se que uma chaveta de 5mm num eixo de 15mm transmitindo torque de 10Nm está sujeita à força de ruptura de 30 MegaNewtons/m2. Uma chaveta mal colocada irá chacoalhar quando o motor mudar de direção e sob esse tipo de força, não seria inédito a chaveta se desgastar e se transformar num perfeito cilindro que se reduz em diâmetro até o sistema falhar. Tolerâncias do Eixo Há uma teoria popular de que o acoplamento deve ser bem justo no eixo e ser instalado cuidadosamente com o martelo mais longo que houver. É verdade que se o acoplamento estiver muito solto, um leve movimento entre o eixo e o acoplamento faria com que ambos se desgastassem e falhassem. Mas os mancais são relativamente frágeis e a força usada para instalar o acoplamento não deve exceder a força axial máxima, como mostra a Fig. 9.10. Normalmente a tolerância mais alta do eixo será igual à tolerância mais baixa do diâmetro do acoplamento, e deve haver sempre um pequeno espaço entre os dois. Se você tiver um eixo na tolerância máxima e um acoplamen- to na mínima, será muito difícil fazer o deslize. A solução mais simples é colocar um anel de papelão ou plástico fino no eixo, para evitar que poeira entre no mancal, e fazer o motor funcionar enquanto segura-se um pedaço de papel carborundo em torno do eixo. Teste sempre o tamanho do eixo para garantir que não se elimine demais. Encurtando o Eixo É surpreendente a freqüência com que os usuários acham necessário encurtar o eixo de um motor. O problema pode ser evitado se for dada um pouco mais de atenção ao projeto. Se o encurtamento for inevitável, é essencial que o eixo seja apoiado de forma que o mancal do motor não seja submetido a choques ou esforço. Não deve haver risco de que detritos ou óleo refrigerante entrem no mancal. Não permita que o eixo esquente muito - se ele chegar a mais de 120° há o risco de desmagnetização parcial do motor. Apoie o eixo no lado do motor do corte, o mais perto possível do corte, usando um bloco em V ou grampo. O motor deve Ø Eixo Tamanho Torque Máximo (mm) do Parafuso (Nm) 6 M2 0.1 6 M3 0.2 11 M3 0.4 11 M4 0.8 15 M3 0.5 15 M4 1 15 M5 2 Pinos Furar e usar pinos no eixo é um método que é ocasional- mente usado, mas só é adequado para aplicações de baixo torque. O furo reduz consideravelmente a área de corte trans- versal do eixo e, como conseqüência, o torque que ele pode transmitir. Se o eixo já tiver uma passagem de chaveta, a situação fica ainda pior. Deve-se lembrar que a força de um pino de 3mm é só 20-30% daquela de uma chaveta de 3mm, Se essa opção de fixação for escolhida, deve-se tomar as mesmas precauções na furação do eixo que as tomadas para encurtá-lo, que serão descritas mais tarde. Os comentários sobre tolerância do eixo/acoplamento feitos para a fixação por parafuso também aplicam-se à fixação por pino. Uso de Adesivos O uso de adesivos anaeróbicos, como Loctite, entre o eixo e o acoplamento, é freqüentemente benéfico. Esse tipo de adesivo endurece na ausência de ar. Adesivos só devem ser usados juntamente com um dos métodos de fixação descritos acima. Se um adesivo viscoso de alta resistência for usado ele deve ser espalhado no eixo antes da monta- gem, enquanto que um adesivo mais fino pode ser aplicado no vão depois de instalado o acoplamento. Se um adesivo for usado, será quase impossível remover o acoplamento sem danificar o motor, a menos que tenha sido deixado bastante espaço entre o acoplamento e o motor para inserir um instrumento extrator. Outro ponto a considerar é que no caso de falha, não será possível reparar o motor sem um trabalho de reconstrução caro. Chavetas e Passagens de Chaveta “Você nos mandou a chaveta errada - ela não entra na passagem”. É uma reclamação comum entre os novatos na instalação de motores. Uma chaveta padrão de 3mm, por exemplo, é cerca de 0,04mm mais larga que a passagem de chaveta no eixo e a intenção é que ela seja lixada para que o encaixe seja justo. E por que o fabricante não faz a chaveta com a largura correta? É uma questão de tolerância - a chaveta deve ficar bem justa na passagem de chaveta do eixo porque a passa- gem do acoplamento é cerca de 0,025mm maior que a do eixo. Isso garante que uma vez que a chaveta tenha sido lixada para a passagem de chaveta do eixo, o espaço resul- 50 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Aplicações Tecnologia Eletromecânica Instalação do Equipamento Fig. 9.7 Um eixo de motor apoiado para corte. Carga Radial do Mancal Não é incomum que um motor seja devolvido com o eixo rompido na frente ou atrás do mancal frontal. Os motores também são devolvidos com mancais que falharam depois de apenas alguns meses. Em quase todos os casos de falha do eixo, e na maioria das falhas de mancal, a causa é a mesma - carga radial muito alta agindo muito perto do final do eixo. A causa mais freqüente disso é uma correia super- tensionada, normalmente numa polia que fica acima da extremidade do eixo porque a placa de suporte do motor é muito espessa. Fig. 9.8 Carga radial e axial. Altas cargas radiais aplicadas ao eixo do motor afetarão tanto a vida útil do mancal quanto a probabilidade de falha do eixo. Vida Útil do Mancal Se houver uma grande força radial na calha interna do mancal, isso pode esmagar as esferas entre as duas calhas. Isso resulta em arranhões das calhas, levando a um funcionamento desequilibrado e desgaste excessivo. A Fig. 9.9 é um gráfico da vida útil do mancal comparada à carga radial num servo motor típico, presumindo que a carga aja até a metade da extensão do eixo. Os tempos de vida útil são dados para velocidades de operação constantes específicas, e pode-se usar as curvas como guias para estimar a vida útil em velocidades interme- diárias. Se o motor estiver acelerando ou desacelerando numa proporção significativa do tempo, estime a velocidade média em todo o ciclo operacional e use esse número. (Uma média simples é boa o suficiente aqui - a vida útil do mancal depende menos da velocidade absoluta que do número to- tal de rotações). Se a carga for ativa na extremidade do eixo, pode-se esperar que a vida útil seja reduzida em cerca de 15%. Esses gráficos presumem que uma carga axial seja menor que 30% da carga radial. Fadiga do Eixo Fica claro que qualquer carga radial irá comprimir um lado do eixo e criar tensão no outro. À medida que o eixo gira, cada elemento individual do eixo passa por alternância en- tre tensão e compressão, o que pode causar fatiga do metal. A linha vertical na Fig. 9.9 representa a carga radial máxima que pode ser aplicada na metade do eixo sem risco de que haja falha devido à fadiga do metal. Será necessário reduzir esse número pela metade se a carga for aplicada na extremidade do eixo. Carga Axial do Mancal Os motores são normalmente equipados com buchas de mola que aplicam uma pequena carga axial aos mancais o tempo todo. Isso toma qualquer espaço entre as esferas e as calhas para evitar que as esferas chacoalhem, o que causaria desgaste. Uma pequena quantidade de carga axial adicional não causa danos, mas quando a carga atinge um nível em que as esferas são forçadas para dentro das calhas, o mancal se desgasta rapidamente. A Fig. 9.10 mostra como a carga radial deve ser reduzida à medida que a carga axial aumenta. Tanto a carga radial quanto a axial são expressas como porcentagem da carga radial Fr, que é o valor da Fig. 9.9 para a velocidade média apropriada e vida do mancal exigida. Fig. 9.9 Curvas típicas de vida útil do mancal (servo motores Parker ML34). Fig. 9.10 Carga radial permitida x carga axial (servo motores Parker ML34). clamp here sawcut vee blocks rubber block Motor radial load axial loadMotor 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0 0 400 600 800200 Bearing life in hours Radial load (Newtons) half way along shaft 100 300 500 700 40 00 rp m 30 00 rp m 20 00 rp m 10 00 rp m *Shaft fatigue limit for ML3450A & ML3475A is 1000 Newtons sh af t f at ig ue li m it fo r M L3 45 0B & M L3 47 5B * 125% Fr 100% Fr 75% Fr 50% Fr 25% Fr 0 0 50% Fr 75% Fr 100% Fr25% Fr 30% Fr Axial load Fr is the radial load from bearing life curve Derated radial load ser frouxamente apoiado para evitar esforço do mancal. Use um anel de fita adesiva ou composto adesivo moldável (como Blue-Tack) para evitar que o óleo refrigerante ou detritos entrem no mancal. Lembre-se de qualquer forma de modifi- cação do eixo feita após despacho da Parker invalida a garantia do eixo, mancal, encoder ou resolver. Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 53 Automation Apostila 1600.231.01 BR Aplicações Tecnologia Eletromecânica Considerações de Segurança Controle de Parada de Emergência Reles eletromecânicos convencionais são geralmente o ponto fraco de circuitos de segurança. Seu modo de falha é indeterminado, mas é freqüentemente relacionada aos contatos soldados. Os Reles projetados para uso em para- das de emergência têm abrangente proteção contra falha devido à redundância (um relay duplicado que irá operar se o relay primário falhar), e monitoramento cruzado (contatos adicionais que evitam a ressetagem se um relay falhar). Eles também incorporam “diretrizes positivas”, que garantem que contatos normalmente abertos não possam fechar antes que contatos normalmente fechados tenham se aberto. Para atender às exigências de Categoria 1, uma operação em dois estágios é necessária, na qual uma parada contro- lada é seguida pelo corte da corrente alternada. O primeiro estágio da parada controlada pode depender de software e do uso de lógica eletrônica. O segundo estágio pode garantir o corte de corrente alternada através de componentes eletromecânicos. A parada dinâmica também pode ser introduzida nesse ponto para auxiliar a rápida parada no caso de falha do controlador. Os Reles de parada de emergência, projetados para Categoria 1, incorporam contatos de “atraso por desenergi- zação” que são inerentemente à prova de falhas (ver Fig.10.1). Os timers de atraso convencionais não podem ser usados, pois não têm a redundância à prova de falhas necessária. Aterramento de Segurança Todo equipamento mantido dentro de uma cabina de metal e que transporta corrente alternada deve ter um aterramento de proteção. Em condições de falha, essa conexão deve ser capaz de lidar com qualquer falha de corrente até que a proteção corte o suprimento. Na prática, isso significa que o cabo usado para o aterramento de proteção deve ser no mínimo equivalente em capacidade de transporte de corrente para os cabos. O aterramento de proteção pode ser feito com condutores de cobre ou partes estruturais eletricamente conectadas. Se a conexão de aterramento for formada por componentes estruturais, eles devem ter uma área transversal no mínimo equivalente ao condutor de cobre necessário para a mesma tarefa. Não é necessário que os condutores do aterramento de proteção dentro da cabina sejam isolados; se forem o isolamento deve ser verde/amarelo. Os condutores de proteção internos em conjuntos como cabos fita e cabos flexíveis estão isentos dessa obrigatoriedade. O terminal para conexão de aterramento de proteção externo com a máquina devem ser identificados com as letras PE (ver Fig. 10.2). Não use a identificação PE para quaisquer outros terminais no sistema - as conexões de aterramento de proteção de outros componentes como motores devem ser identificadas com os símbolos mostrados no diagrama ou a cor verde/amarela. Não use o terminal PE para qualquer outro fim, como conexão 0v. Fig. 10.1 Circuito de parada de emergência de dois estágios. ADVERTÊNCIA - deve-se garantir que a taxa de desacelera- ção usada nas condições de parada de emergência possa ser manipulada com segurança pela mecânica do sistema. Se o pico de torque disponível no servo motor for bem maior que o normalmente usado, pode haver risco de dano mecânico quando desacelerando no limite de corrente total. Isso é particularmente válido se uma engrenagem de alta razão estiver sendo usada. Mais Informações Um folheto com mais detalhes sobre muitos aspectos de segurança de máquina foi publicado pela Pilz UK. Ele inclui capítulos sobre padrões europeus, avaliação de risco, componentes e diagramas de fiação para muitos tipos de circuitos de segurança. Agradecemos à permissão da Pilz UK para utilizar essa informação na confecção deste manual. instant 'stop' signal E-stop relay delayed final isolation Servo drive/ controller E-stop button motor Internal protective conductor Protective earth for motor case PE terminal External protective earth connection Internal equipment Fig. 10.2 Conexões e símbolos do aterramento de segurança. Observe se não há conexões ou combinações de plugs- soquetes que possam interromper a união de proteção. O circuito condutor de proteção só deve ser cortado depois que um circuito condutor vivo for quebrado, e deve ser re- estabelecido antes que o circuito vivo seja restaurado. Mais informações sobre a segurança do aterramento pode ser encontrada na Norma de Segurança de Máquina BS EN60204-1 Parte 1. 54 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - BrasilAutomation Apostila 1600.231.01 BR Aplicações Tecnologia Eletromecânica Considerações de Segurança N.C. switch N.C. switch ✖✔ + + Sensores de Limite em Aplicações de Segurança Crítica Em muitas aplicações de baixo consumo de energia, a provisão para os sensores de limite de distância percorrida é uma questão de conveniência operacional ou um meio de evitar danos mecânicos. Em um caso ou outro, há normal- mente uma escolha entre os tipos de sensores adequados, dependendo de fatores como espaço disponível e facilidade de incorporação de um atuador apropriado. Mas em situações em que a segurança for o mais importante, como quando a falha em parar pode causar danos pessoais, é essencial usar o tipo correto de sensor e instalá-lo de maneira intrinsecamente segura. Podemos dividir os sensores de limite de máquina em duas categorias - de contato e de não-contato. Os sensores de contato são normalmente microchaves convencionais; os tipos de não-contato incluem detetores de proximidade (capacitivos, indutivos ou óticos) bem como sensores reed. Todos os tipos podem ser usados em aplicações não críticas, mas microchaves rolantes mecanicamente operados são inerentemente muito mais seguros que os tipos de não contato. Aplicações em que a segurança é crítica exigem que os sensores de limite sejam dispositivos de “aciona- mento positivo”. Isso significa que os sensores de contato são diretamente combinados ao atuador via um componente não resiliente que garante que os contatos sejam abertos mesmo quando há solda, não se pode contar com as molas internas para abrir os contatos. Não use sensores de proximidade que são mais facilmente inutilizados. Os sensores devem ser arranjados de forma que possam ser sobreutilizados, use sensores duplos se necessário. Eles também devem ser ligados a um circuito de Parada de Emer- gência (nesse caso a emergência deve ser ressetada mesmo quando o limite ainda estiver presente para permitir que o sistema seja desconectado). Os circuitos de entrada do sen- sor de limite são arranjados de forma que um circuito fechado é necessário para operação normal. Isso garante que uma condição de limite seja detectada se as conexões para o sensor de limite forem cortadas ou tornarem-se circuitos- abertos. Um lado do sensor deve ser comum à fonte de cor- rente contínua (e não ao aterramento) - ver Fig. 10.3. Dessa forma um curto circuito para o terra de uma das conexões do comutador criará uma condição limite mesmo se o suprimento de corrente for cortado ao mesmo tempo. Fig. 10.3 Conexões de comutador de limite preferenciais e não preferenciais. Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacareí, SP - Brasil 55 Automation Apostila 1600.231.01 BR Notas Tecnologia Eletromecânica Soluções em Movimento e Controle
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