Servomecanismo N7SRV Prof. Dr. Cesar da Costa 2.a Aula: Servomotores.

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1 Servomecanismo N7SRV Prof. Dr. Cesar da Costa 2.a Aula: Servomotores

2 Servo Acionamento Servo acionamentos são sistemas eletromecânicos de controle de precisão. Eles encontram aplicações em diferentes campos da indústria como, por exemplo: • Máquinas-ferramenta a comando numérico; • Sistemas de posicionamento; • Linhas de transporte; • Robôs industriais; • Sistemas flexíveis de manufatura.

3 Diagrama de um Servo Acionamento

4 Atuador Tipo: Servo Motor
Servomotores são os motores utilizados nos servo acionamentos. Os circuitos de alimentação dos servomotores encontram-se em uma unidade chamada servo conversor ou servo drive. Assim: Servo acionamento = servo motor + servo conversor (servo drive).

5 Atuador Tipo: Servo Motor
Uma primeira característica necessária para a escolha de um motor para tal função relaciona-se com a facilidade e simplicidade de atuação no torque da máquina. Neste ponto, vale ressaltar a importância do torque nos acionamentos eletromecânicos. Ele é a única grandeza comum aos mundos elétricos e mecânicos e, portanto, a variável de interface. Tensões e correntes, por exemplo, pertencem ao mundo elétrico. Já velocidades e posições são grandezas mecânicas (figura 1.1).

6 Atuador Tipo: Servo Motor

7 Atuador Tipo: Servo Motor
Antes do advento dos dispositivos semicondutores de potência com capacidade de condução e bloqueio, como o IGBT, dos materiais magnéticos de elevado magnetismo remanente e força coercitiva, como imãs de Neodimio (Nd-Fe-B) e Samario Cobalto (Sm-Co), bem como os microprocessadores de baixo custo, ocorridos nas últimas décadas do século XX. Os motores de corrente contínua (CC) ocupavam o maior espaço das aplicações em servo acionamentos, pois eram os motores que permitiam o controle do torque com mais facilidade e precisão.

8 Atuador Tipo: Servo Motor
Neste curso, será visto que os Motores Síncronos de Ímã Permanente (MSIP), acionados por circuitos de eletrônica de potência e controlados por microprocessadores digitais, representam o estado da arte dos servoacionamentos. Serão apresentadas informações sobre a construção dos motores, sobre ímãs e sensores, circuitos magnéticos e de eletrônica de potência, microprocessadores, técnicas de controle e aplicações típicas.

9 Servo Motor O servomotor é um atuador rotativo com alta precisão de controle para posicionamento angular. É composto por um motor acoplado a um sensor de posição para feedback. Para completar o sistema é necessário um servodrive ou servoconversor. Este drive utiliza o sinal de feedback do sensor para controlar a posição angular do motor de forma precisa. Isto é chamado de controle de malha fechada. Com o sistema rodando em malha fechada, o servomotor é uma solução de alta performance a aplicações, onde motores de passo ou motores de indução não correspondem a necessidade

10 Servo Motor O servomotor é uma máquina síncrona composta por uma parte fixa (o estator) e outra móvel (rotor). O rotor é composto por imãs permanentes dispostos linearmente sobre o mesmo e com um gerador de sinais chamado resolver instalado para fornecer sinais de velocidade e posição. Existem 2 tipos de servomotores, corrente contínua (CC) e corrente Alternada (CA).

11 Servo Motor CC Os servomotores CC serão inicialmente apresentados apenas como ponto de referência ou paradigma para o estudo dos modernos servomotores AC.

12 Motor CC de Imã Permanente
O motor síncrono de ímãs permanentes (MSIP) apresenta uma configuração quase em tudo semelhante à de um motor síncrono convencional, tendo como principal diferença a ausência de um enrolamento indutor e do conjunto coletor anéis-escovas, resultando assim a falta de controle do campo indutor e por sua vez falta de controle da tensão aos seus terminais. Apesar disso apresenta menos perdas por efeito de Joule e um maior rendimento.

13 Estator O estator de um motor elétrico corresponde à sua parte estática. No motor síncrono de ímãs permanentes, o seu estator, é em tudo semelhante ao estator dos outros tipos de motores elétricos. Este é constituído por ranhuras onde são embutidos os enrolamentos, podendo ser estes de cobre ou alumínio. A presença destas ranhuras provoca variações na forma de onda de indução magnética no entreferro resultando em harmônicos que afetam a força eletromotriz induzida, o que por sua vez afeta a parte de controle do motor, pois os harmônicos são ondulações a frequências elevadas, que provocam ruídos, sendo que estes ruídos afetam a precisão do controle do motor.

14 Estator Outro problema causado pela existência de ranhuras estatóricas é um efeito que é conhecido por Cogging Torque. O cogging torque resulta da interação permanente da força magnetomotriz produzida pelo ímã com a permeabilidade do entreferro, manifestando-se pela tendência do rotor procurar as posições estáveis, mesmo quando o motor está desligado, o que resulta num binário pulsante que não contribui para o binário total do sistema.

15 Estator O cogging torque é bastante prejudicial quando se trata de aplicações de precisão, pois este introduz pequenas variações de velocidade que geram vibrações no motor que são sentidas principalmente quando este se encontra a funcionar a baixas velocidades e com cargas leves.

16 Estator

17 Estator De modo a diminuir este efeito, são feitas algumas alterações na fase do projeto da máquina, tais como aperfeiçoar a largura das aberturas das ranhuras do estator, o ângulo de inclinação dessas ranhuras e criação de dentes auxiliares. Em casos onde o cogging torque não é muito importante, é usual inclinar as ranhuras do estator, no máximo de uma ranhura. Teoricamente, é possível eliminar o cogging torque recorrendo a uma configuração estatórica, que baseia a sua construção num estator liso (sem ranhuras) onde os enrolamentos não são alojados em ranhuras.

18 Entreferro No caso dos motores síncronos MSIP existe o interesse em diminuir tanto quanto possível a dimensão do entreferro, pois essa diminuição faz com que o fluxo que circula no entreferro aumente. Por outro lado existe o problema do entreferro ser pequeno demais e quando o eixo do motor ficar sujeito a oscilações provocadas por cargas ou por forças, o que poderá proporcionar o contacto do rotor com o estator provocando danos. Por outro lado, aumentando a distância de entreferro, o ponto de trabalho do ímã é deslocado para locais perto da desmagnetização e, portanto, entreferros grandes requerem o uso de ímãs com campos coercivos elevados.

19 Rotor O rotor dos motores de ímãs permanentes podem assumir várias configurações, podendo alojar os ímãs tanto na superfície rotórica como no interior do rotor. Quando colocados no interior do rotor estes criam uma diferença da permeabilidade do fluxo entre o eixo direto “d” e o eixo em quadratura “q”, isto é, a permeabilidade segundo o eixo direto é muito mais baixa do que a do eixo em quadratura.

20 Rotor Em alguns casos utiliza-se um rotor em gaiola com ímãs internos. Esta configuração rotórica confere um carácter híbrido ao motor, podendo este executar um arranque síncrono, diretamente da rede. A gaiola confere ainda ao motor amortecimento das oscilações de velocidade em torno da velocidade síncrona. Disposição dos Ímãs no Rotor: a) Ímãs na Superfície: Este tipo de construção, normalmente apresenta um baixo momento de inércia e relutância magnética muito baixa (quase inexistente). Este tipo de configuração não é adequada para funcionar a velocidades elevadas, pois existe a possibilidade dos ímãs se soltarem, contudo é a topologia mais utilizada em Servomotores, pois esta topologia apresenta valores de cogging torque bastante reduzidos.

21 Rotor Disposição dos Ímãs no Rotor: b) Ímãs no Interior: É uma configuração muito utilizada em aplicações que requerem velocidades elevadas. Uma caraterística deste tipo de configuração é a elevada diferença de relutância que apresenta, pois o fluxo criado pelos ímãs tem que atravessar uma grande quantidade de chapas rotóricas. Estas topologias apresentam ainda um custo mais elevado quando comparadas com as topologias de ímãs na superfície.

22 Funcionamento de um Motor Síncrono DC (com Escovas – Brush)

23 Funcionamento de um Motor Síncrono DC (sem Escovas – Brushless)

24 Servomotor de Corrente Contínua

25 Servomotor de Corrente Contínua

26 Servomotor de Corrente Contínua

27 Servomotor de Corrente Contínua

28 Servomotor de Corrente Contínua

29 Servomotor de Corrente Contínua

30 Exercício 2: Motor CC Acionando uma Antena
Determine um gráfico (posição x tempo), que possa visualizar a resposta do sistema com o Motor CC no controle da posição da antena em malha aberta. Utilize o MATLAB/SIMULINK.

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32 Diagrama do Sistema Proposto:
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