Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
nn Acionamento de Máquinas Acionamento de Máquinas nn Conceitos GeraisConceitos Gerais »» cadeia cinemática de uma Máquinacadeia cinemática de uma Máquina »» elementos de máquinaelementos de máquina »» acionamento árvore e avançoacionamento árvore e avanço nn motores AC e DC (motores AC e DC (servomotoresservomotores)) nn Acionamento escalar x vetorial (CA)Acionamento escalar x vetorial (CA) nn Dimensionamento de um Dimensionamento de um servoacionamentoservoacionamento nn Motor de passoMotor de passo nn Acionamento motor de passoAcionamento motor de passo nn Acionamento motor CCAcionamento motor CC nn Unidade de cálculoUnidade de cálculo »» controle de posiçãocontrole de posição »» controle de posição com computadorescontrole de posição com computadores »» interpolação linear e circularinterpolação linear e circular nn CaptadoresCaptadoresou sensores de posiçãoou sensores de posição »» sensores absolutos e incrementaissensores absolutos e incrementais Caracteristicas eletro-mecânicas das máquinas Cadeia cinemática /elementos de máquinaCadeia cinemática /elementos de máquina nn elementos de máquinas no sentido da ferramenta de elementos de máquinas no sentido da ferramenta de corte à eletrônica (corte à eletrônica (àrvoreàrvoree avanço)e avanço) nn dinâmica de movimentodinâmica de movimento nn projeto intimamente ligado a potência de corte projeto intimamente ligado a potência de corte necessárianecessária nn mecânica x eletrônicamecânica x eletrônica nn acoplamento entre motor e mecânica com baixa “banda acoplamento entre motor e mecânica com baixa “banda morta”.morta”. nn alta precisão e estabilidade nos servos (sem oscilações alta precisão e estabilidade nos servos (sem oscilações mecânicas e elétricas) compensações com eletrônica mecânicas e elétricas) compensações com eletrônica (PID).(PID). nn sistema rígido (sem folgas).sistema rígido (sem folgas). Cadeia cinemáticaCadeia cinemática elementos de máquinaelementos de máquina nn alta resistência ao desgaste, baixa energia alta resistência ao desgaste, baixa energia cinética e alta dinâmica de movimento com cinética e alta dinâmica de movimento com relação às massas e ao momento de inércia.relação às massas e ao momento de inércia. nn alta precisão e alto grau dealta precisão e alto grau derepetibilidaderepetibilidade nn correias dentadas e estriadas.correias dentadas e estriadas. nn parafuso e porca de esferasparafuso e porca de esferasrecirculantesrecirculantes nn a´a r´vorervoredasdasfresadorasfresadoras(coroa/ pinhão).(coroa/ pinhão). dispositivos de acoplamento dispositivos de acoplamento mecânico de baixo atritomecânico de baixo atrito parafuso e porca de esferas recirculantes dispositivos mecânicos em geral Eixo de AcionamentoEixo de Acionamento nn eixo de rotaçãoeixo de rotação nn conversor eletroconversor eletro--mecânico=>motor CC ou mecânico=>motor CC ou CACA nn transmissão mecânica conversor => polia, transmissão mecânica conversor => polia, correia ou coroa/pinhão correia ou coroa/pinhão nn transformadores mecânicos=> engrenagens transformadores mecânicos=> engrenagens cilíndricas ou poliascilíndricas ou polias nn velocidade de corte constante (controle velocidade de corte constante (controle eletrônico de rotação)eletrônico de rotação) nn sensor de rotação=> sensor de rotação=> tacogeradortacogeradorououencoderencoder Acionamento do eixo de avançoAcionamento do eixo de avanço nn eixo de posicionamento programa conversor eixo de posicionamento programa conversor eletroeletro--mecânico (mecânico (servomotoresservomotores)=> motor CC(com )=> motor CC(com escova/comutação mecânica ou sem escova escova/comutação mecânica ou sem escova ((brushlessbrushless), CA (síncrono/ assíncrono) ou motor ), CA (síncrono/ assíncrono) ou motor de passode passo nn forma de controle =>forma de controle =>chopperchopperou PWMou PWM nn realimentação=> corrente e velocidade (CC e CA)realimentação=> corrente e velocidade (CC e CA) nn sensores de posição=> régua ótica ou indutiva; sensores de posição=> régua ótica ou indutiva; resolver eresolver eencoderencoder PosicionadorPosicionador de uma máquina CNCde uma máquina CNC nn esquema para um eixoesquema para um eixo CONTROLE DE POSIÇÃO CN DRIVE CONVERSOR ELETRO-ME- CÂNICO SENSOR DE VELOCIDADE SENSOR DE POSIÇÃO E LE M E N T O S M E C Â N IC O S CARGA DADOS DO INTERPOLADOR PROGRAMA CNC PERTUBAÇÕES ELETRO MECÂNICA X N I eixos de avanço eixos de avanço se rv o m o to r e ix o á rv o rese rv o m o to r e ix o d e a v a n ço encoder Exigência do acionamento de avançoExigência do acionamento de avanço nn alta precisão de posicionamentoalta precisão de posicionamento nn homogeneidade e constância de velocidadehomogeneidade e constância de velocidade nn baixa inérciabaixa inércia nn alta dinâmica sem “alta dinâmica sem “overshootovershoot”” nn alta capacidade de sobre cargaalta capacidade de sobre carga nn movimentos e paradas rápidas com precisãomovimentos e paradas rápidas com precisão nn reversão nos quatro quadrantesreversão nos quatro quadrantes –– 1o. e 2o. Quadrantes motor1o. e 2o. Quadrantes motor –– 3o. e 4o. 3o. e 4o. –– Quadrantes geradorQuadrantes gerador nn velocidade concêntrica para baixa rotaçãovelocidade concêntrica para baixa rotação Soluções para o acionamento de avançoSoluções para o acionamento de avanço nn Motor CC (Motor CC (servomotorservomotor)) nn parâmetros que afetam as grandezas a serem reguladas parâmetros que afetam as grandezas a serem reguladas podem ser controladas pelo campo e pela armadura podem ser controladas pelo campo e pela armadura (velocidade) por circuitos independentes (velocidade) por circuitos independentes nn vantagensvantagens=>velocidade pode ser controlada pelo campo ou =>velocidade pode ser controlada pelo campo ou pela armadura(pela armadura(servomotoresservomotores); baixas velocidade com alto ); baixas velocidade com alto conjugado, dispensando reduções mecânicas melhorando a conjugado, dispensando reduções mecânicas melhorando a precisão; boa rotaçãoprecisão; boa rotaçãoconcentricaconcentricaem baixa rotação; alta em baixa rotação; alta dinâmica para aceleração e frenagem ; baixo momento de dinâmica para aceleração e frenagem ; baixo momento de inércia.inércia. nn desvantagensdesvantagens=>comutação mecânica (coletores=>comutação mecânica (coletores-- escovas); escovas); alta rotações o conjugado admissível para aceleração e alta rotações o conjugado admissível para aceleração e frenagem deverá ser reduzido; alto momento de inércia frenagem deverá ser reduzido; alto momento de inércia devido as características construtivas; perdas de energia devido as características construtivas; perdas de energia devido ao atrito mecânico e comutação da corrente.devido ao atrito mecânico e comutação da corrente. Exigências dos acionamentos de avançoExigências dos acionamentos de avanço nn Motor CAMotor CA nn máquina de campo girante que pode sermáquina de campo girante que pode sercontroldacontrolda a nível de velocidade pelo número de pares de a nível de velocidade pelo número de pares de polo (n=f/p) ou pela eletrônica de acionamento dopolo (n=f/p) ou pela eletrônica de acionamento do estatorestatoratravés daatravés dafrequênciafrequência.. nn simplicidadadesimplicidadadee robustez mecânica da construçãoe robustez mecânica da construção nn vantagensvantagens=> inexistência do comutador (baixo => inexistência do comutador (baixo índice de manutenção), menores custos, maiores índice de manutenção), menores custos, maiores potências limites, maiores velocidades, maior grau potências limites, maiores velocidades, maior graude proteção, menor relação peso/potência e menor de proteção, menor relação peso/potência e menor momento de inércia.momento de inércia. nn desvantagensdesvantagens=> custo do acionamento eletrônico=> custo do acionamento eletrônico ServomotorServomotor assíncronoassíncrono nn acionamento reguláveis de alta dinâmicaacionamento reguláveis de alta dinâmica nn complexidade nos sinais de regulação de corrente da complexidade nos sinais de regulação de corrente da não linearidade dos acoplamentos entre as partes da não linearidade dos acoplamentos entre as partes da máquina (exigência de sistemas microprocessados)máquina (exigência de sistemas microprocessados) nn altos picos de conjugado e corrente, resultam altas altos picos de conjugado e corrente, resultam altas perdas de energia, resultando assim as seguintes perdas de energia, resultando assim as seguintes características comparadas ao motor CC:características comparadas ao motor CC: –– Novos materiais compatibilizou com o motor CC Novos materiais compatibilizou com o motor CC –– momento de inércia aproximadamente igual momento de inércia aproximadamente igual Servomotor sincronoServomotor sincrono nn apenas um só local de enrolamento (apenas um só local de enrolamento (estatorestator)) nn estatorestator=> imãs permanentes de terras raras (=> imãs permanentes de terras raras (sámariosámario-- cobalto ;capacidade de armazenar alta quantidade de de cobalto ;capacidade de armazenar alta quantidade de de energia magnética por volume) + enrolamento.energia magnética por volume) + enrolamento. nn rotor com baixa massa (oco)=> baixo momento de rotor com baixa massa (oco)=> baixo momento de inércia.inércia. nn acionamento regulável através da eletrônica inversora.acionamento regulável através da eletrônica inversora. nn rotor pilotado(sensor efeito Hall, resolver, etc).rotor pilotado(sensor efeito Hall, resolver, etc). nn sensor indica a posição angular do rotor.sensor indica a posição angular do rotor. nn rotaçãorotaçãosincronasincrona(campo girante(campo giranteestatóricoestatóricoe rotor).e rotor). nn momento constante.momento constante. nn máquina se comporta semelhante ao motor CC .máquina se comporta semelhante ao motor CC . servo motor CA síncronoservo motor CA síncrono nn comparação com o servo CC de mesma comparação com o servo CC de mesma velocidade:velocidade: nn peso => cerca de 50% menorpeso => cerca de 50% menor nn volume =>cerca de 20 % a 50% menorvolume =>cerca de 20 % a 50% menor nn momento de inércia => cerca de 60% menormomento de inércia => cerca de 60% menor nn comutação eletrônica=> não há limitação de comutação eletrônica=> não há limitação de corrente com a velocidade e por isso o conjugado corrente com a velocidade e por isso o conjugado permanecerá constante em toda a faixa de permanecerá constante em toda a faixa de velocidade.velocidade. Diferenças entre Diferenças entre servoacionamento servoacionamento CA e CCCA e CC nn CACA –– Carcaça: alumínio Carcaça: alumínio aletadoaletado –– Comutação eletrônica através de Comutação eletrônica através de transistorestransistores –– Manutenção reduzidaManutenção reduzida –– Velocidade até 6000rpmVelocidade até 6000rpm –– Baixa relação peso potênciaBaixa relação peso potência –– Baixo momento de inérciaBaixo momento de inércia –– Sobrecarga de 2 a 5x corrente Sobrecarga de 2 a 5x corrente nominalnominal –– Enrolamento no Enrolamento no estatorestator, imã , imã permanente no rotor e imãs de permanente no rotor e imãs de sámariosámario--cobaltocobalto –– Melhor dissipação térmicaMelhor dissipação térmica –– Realimentação de velocidade e Realimentação de velocidade e posição por sensor (posição por sensor (encoder encoder ou ou rersolverrersolver)) nn CCCC –– Carcaça: ferro fundidoCarcaça: ferro fundido –– Comutação mecânica: através de Comutação mecânica: através de escova e coletorescova e coletor –– Manutenção das escovasManutenção das escovas –– Velocidade até 3000rpm (limitação Velocidade até 3000rpm (limitação por por faiscamento faiscamento força centrifuga)força centrifuga) –– Maior relação Peso/potênciaMaior relação Peso/potência –– Momento de inércia 10x maiorMomento de inércia 10x maior –– Sobrecarga de 2x a corrente nominalSobrecarga de 2x a corrente nominal –– Enrolamento no rotor, imãs Enrolamento no rotor, imãs permante permante no no estator estator e imãs de e imãs de ferriteferrite –– Dissipação térmica dificultada Dissipação térmica dificultada (ventilação forçada)(ventilação forçada) –– Realimentação de velocidade: Realimentação de velocidade: tacogeradortacogerador –– Realimentação de posição: Realimentação de posição: encoderencoder Diferenças entre servo CA e CCDiferenças entre servo CA e CC nn CACA –– Torque constante em Torque constante em toda faixa de rotação.toda faixa de rotação. nn CCCC –– Queda de torque em Queda de torque em rotações elevadas.rotações elevadas. T [Nm] Tnom N [rpm] T [Nm] N [rpm] 3000 6000 Tnom Diferenças entreDiferenças entreServoacionamentoServoacionamentoe a acionamento e a acionamento convencionalconvencional nn ServoacionamentoServoacionamento –– Grande Grande controbilidade controbilidade de de velocidade (1:100000);velocidade (1:100000); –– Realimentação de malha fechada Realimentação de malha fechada (precisa);(precisa); –– Controle sobre o torqueControle sobre o torque –– Elevada dinâmica: rápida Elevada dinâmica: rápida acelerações e frenagem;acelerações e frenagem; –– Elevada capacidade de sobrecarga;Elevada capacidade de sobrecarga; –– Menor relação peso/potência;Menor relação peso/potência; –– Especificado pelo torque.Especificado pelo torque. nn Acionamento convencionalAcionamento convencional –– Controbilidade Controbilidade moderada moderada (1:20 a 1:100);(1:20 a 1:100); –– Realimentação simples ou Realimentação simples ou malha aberta;malha aberta; –– Menor controle pelo torque;Menor controle pelo torque; –– Dinâmica moderada;Dinâmica moderada; –– Menor capacidade de Menor capacidade de sobrecarga;sobrecarga; –– Maior relação peso potência;Maior relação peso potência; –– Especificação pela potência.Especificação pela potência. Tm [Mm] n[rpm] T P P=T*n Campo girante – Princípio de funcionamento INVERSOR DE FREQUÊNCIA Sinal processado livre de da 3a. Harmônica Sinal trifásico gerado nn Inversores Escalares Inversores Escalares Tensão e Freqüência são impostas ao motor Tensão e Freqüência são impostas ao motor de acordo com uma curva V/F préde acordo com uma curva V/F pré-- estabelecida. O torque é conseqüência do estabelecida. O torque é conseqüência do escorregamento do motor. escorregamento do motor. nn Inversores Vetoriais Inversores Vetoriais Variam a Tensão e a Freqüência do motor Variam a Tensão e a Freqüência do motor fornecendo o torque necessário a cada fornecendo o torque necessário a cada situação de carga, através do controle da situação de carga, através do controle da corrente de magnetização (Icorrente de magnetização (IMM) e da corrente ) e da corrente do rotor (Ido rotor (ITT). ). 1,5 60 120 Hz 220V 6V Volts IT IM I1 Acionamento vetorial sensorlesse com sensor Motor de induçãoMotor de indução Fluxo (Fluxo (f , f , f , f , IIMM)))) IIRR EstatorEstator RotorRotor II11 V , FV , F - Torque : T @ f f x IR = IM x IR II11 = I= IM M + I+ IRR - RPM : N @ F x (1 - S ) Principio de funcionamento Principio de funcionamento -- Motor de induçãoMotor de indução IMIR I1 RR11 LL11 MM RR22/S/S EE (F)(F) VV (F)(F) IR •Conhecendo-se M, R2, R1 e L1 podemos controlar I1 •Mantendo-se E/F constante teremos IM constante e Fluxo constante. •IR é consequência do escorregamento o qual pode ser medido ••Conhecendo-se M, R2, R1 e L1 podemos controlar I1 •Mantendo-se E/F constante teremos IM constante e Fluxo constante. •IR é consequência do escorregamento o qual pode ser medido IM I1 Principio de funcionamento Principio de funcionamento -- Inversor VetorialInversor Vetorial IIRR IIMM II11 O objetivo é determinar o modulo e a defasem de I1. Assim poderemos fornecer a corrente correta e controlar diretamente o torque no motor . - IM é mantida constante pela relação E/F. - IR é determinada pelo erro de velocidade do motor O objetivo é determinar o modulo e a defasem de I1. Assim poderemos fornecer a corrente correta e controlar diretamente o torque no motor . - IM é mantida constante pela relação E/F. - IR é determinada pelo erro de velocidade do motor IIRR2 + IIMM2II11 = j j j j jjjj = tan-1 I IRR IIMM Curva Torque x RpmCurva Torque x Rpm Torque N Rpm T2 T1 DN N2 N1 Rpm T2 T1 Torque DN @ 0 Inversor EscalarInversor Escalar Inversor Vetorial de FluxoInversor Vetorial de Fluxo É necessário a queda da velo- cidade para aumento do torque É necessário a queda da velo- cidade para aumento do torque Não existe redução de veloci- dade para aumento do torque Não existe redução de veloci- dade para aumento do torque Variação da carga Resposta DinâmicaResposta Dinâmica Inversor EscalarInversor Escalar Inversor Vetorial de FluxoInversor Vetorial de Fluxo O motor é que vai buscar o novo ponto de trabalho O motor é que vai buscar o novo ponto de trabalho O inversor Vetorial controla diretamente o torque no motor O inversor Vetorial controla diretamente o torque no motor Torque produzidoTorque produzido Degrau de torque Degrau de torque solicitado pela cargasolicitado pela carga Transiente de torqueTransiente de torque Torque produzidoTorque produzido Degrau de torque Degrau de torque solicitado pela cargasolicitado pela carga Transiente desprezívelTransiente desprezívelt t Acionamento CCAcionamento CC TTT MMMCCCCCC nnn---reglreglregl III---regregreglll PWMPWMPWM POTPOTPOT circcirccirc. intermediário. intermediário. intermediário III---insinsins nnn---insinsins nnnrefrefref(do NC)(do NC)(do NC) +++ --- Acionamento CAAcionamento CA MCA nnn---reglreglregl III---reglreglregl PWMPWMPWM POT III---insinsins nnn---insinsins nnnrefrefref(do NC)(do NC)(do NC) +++ --- RLG TTT circ. intermediário Excit... Corr. Rot.Rot.Rot. Diagrama de blocos Diagrama de blocos -- acionamentovetorial acionamentovetorial com GPcom GP ASRASR 1 M IIMM IIRR /I/I11// j j j j VectorVector RotatorRotator II11 ASRASR M GP RR22 wwRR wwSS ww1t1t ò NNRefRef Diagrama de blocos Diagrama de blocos -- acionamento vetorial acionamento vetorial sem GPsem GP ASRASR 1 M IIMM IIRR /I/I11// j j j j VectorVector RotatorRotator II11 ASRASR M RR22 wwRR ww11 ww1t1t ò wwSS AFRAFR ii11 ii22 vv11 ++ -- ++ -- ++ ++ Observador Observador de Fluxode Fluxo NNRefRef Regime dinâmico de motoresRegime dinâmico de motores nn momento de inércia do servo CA síncrono é 1/3 momento de inércia do servo CA síncrono é 1/3 do servo CC, para o mesmo conjugado (aceleração do servo CC, para o mesmo conjugado (aceleração e frenagem)e frenagem) nn tempo de aceleração dos servos CA síncrono 1/3 tempo de aceleração dos servos CA síncrono 1/3 do servo CC do servo CC Th Jext= constante cc AC n Servoacionamento Servoacionamento CACA CNC, robô, penciometro,etc Ref. –10..0..+10V servoconversor Cabo sensor (resolver ou encoder) Servomotor AC TRAFO Rede 3 fas Cabo de potência eletrônica resistor Módulo de frenagem componentes cinemáticos de um posicionador Dimensionando um ServomotorCA(vetorial) servomotor peça fuso de esfera recirculante M ZZZ XXX YYY Jm Mm l mt F M i Jred Jr h d Redução v v èè velocidade linear (m/s) i èè relação de redução h èè passo do fuso (mm) F èè força externa (N) m tèè massa total (Kg) d èè diâmetro do fuso (mm) l èè comprimento do fuso (mm) Jm èè momento de inércia do motor (Kgm2) Jred èè momento de inércia do redutor (Kgm2) tsèètempo de aceleração (s) hhèè rendimento Seqüência de cálculoSeqüência de cálculo 1. Carga a ser deslocada (mt) [Kg] – Engloba todas as cargas que são deslocadas linearmente pelo servomotor. 2. Velocidade linear máxima (v) [m/s] – Velocidade máxima linear de operação do sistema. 3. Rotação do servomotor (nm) [RPM] – Conforme a velocidade linear máxima do sistema, calcula-se a rotação do servomotor, sendo: » nm = (6x10 4 * v * i) / h (unidades ajustada) 4. Torque estático (Me) [Nm] – Torque que o motor consome sob regime constante, isto é, sem variação de velocidade. » Me = ( F * h ) / (2000 * pi * i) 5. Momento de inércia do motor (Jm) [Kgm2] – Obtido pelo catálogo do fabricante do motor. 6- Momento de inércia translacional (Jt) [Kgm2] – Este é o momento de inércia que esta diretamente relacionado coma carga a se deslocada linearmente. » Jt = mt * ( h / 2*pi ) 2 * 10 –6 7- Momento de inércia rotacional (Jr) [Kgm2] – É o somatóriodos momentos de inércia de todos eleemntos que giram, com exceção do motor considerado separadamente.. » Jr = 7.7 * d 4 * l x 10 –13 (p/ aço) » Jr = 2.6 * d 4 * l x 10 –13 (p/ alumínio) 8- Momento de Inércia Reduzido (J) [Kgm2] – Sofre a influência do redutor. Trata-se da inércia refletida sobre o eixo do servomotor. » J = Jm + Jred + (( Jt + Jr ) / i 2) n A influência de um estágio de redução geralmente torna-se vantajosa, pois o torque estático diminui linearmente com a redução. n A inércia total (translacional + rotacional) do torque dinâmico, diminui numa razão inversa ao quadrado desta redução. 9- Tempo de aceleração (ta) [s] – Tempo disponível ou necessário para realizar uma rampa de aceleração ou frenagem. 10- Torque dinâmico (Md) [Nm] – Torque que o motor consome sob o regime dinâmico isto é quando há variação de velocidade. » Md = (n m* J ) / (9.55 * ta) 11- Torque do servomotor (Mm) [Nm] – Torque necessário a ser fornecido pelo servomotor. É o somatório dos torques dinâmicos e estáticos, considerando o rendimento fornecido pelo sistema. » Mm = ( Me + Md ) / h – Deve-se observar que o torque dinâmico em geral é limitado a duas vezes o valor do torque estático. O valor especificado na carcaça do servomotor correspondente ao torque estático (Me). Motor de Passo Motor de Passo -- StepStepMotorMotor Passo-completo •Gasta menos energia •Gira mais rápido •É mais simples •Possui maistorque •Possui menos precisão Meio - Passo •Gasta o triplo de energia •Gira mais devagar •É mais complexo •Possui 30% menos torque •Possui o dobro da precisão Os motores de passo podem girar basicamente em 2 modos distintos: Passo-completo e Meio-passo. Esses dois modos possuem muitas diferenças, por exemplo: Motores de Passo UnipolaresMotores de Passo Unipolares nn Motores de passo, tanto magnético permanebte quanto híbridos Motores de passo, tanto magnético permanebte quanto híbridos com 5 ou 6 fios são geralmente esquematizados como mostra com 5 ou 6 fios são geralmenteesquematizados como mostra a a fig.fig.com um fio central em cada um dos enrolamentos.com um fio central em cada um dos enrolamentos. nn Na prática, usualmente o fio central é ligado ao polo positivo Na prática, usualmente o fio central é ligado ao polo positivo da da bateria, e os dois finais de cada enrolamento são levados ao polbateria, e os dois finais de cada enrolamento são levados ao polo o negativo alternadamente para reverter a direção do campo negativo alternadamente para reverter a direção do campo magnético proveniente dos enrolamentosmagnético proveniente dos enrolamentos.. Motorde 30° por passo, magnético permanente ou híbrido. O enrolamento número 1 do motor é distribuído entre a parte de cima e a de baixo do polo do stator, enquanto o enrolamento 2 é distribuído entre a esquerda e a direita dos polos do motor. O eixo é um magnético permanente com 6 polos, 3 suls e 3 nortes, colocad em volta da circunferência. nn Para uma faixa angular alta, o eixo provavelmente Para uma faixa angular alta, o eixo provavelmente tem que ter mais polos. tem que ter mais polos. nn O motor de passo de 30° por passo na figura é um O motor de passo de 30° por passo na figura é um dos tipos mais comuns de motores de magnético dos tipos mais comuns de motores de magnético permanentepermanente nn MMotores com 15 e 7.5° por passo são facilmente otores com 15 e 7.5° por passo são facilmente encontrados.encontrados. nn Motores de passo de magnético permanente com alta Motores de passo de magnético permanente com alta precisão como 1.8° por passo também são precisão como 1.8° por passo também são fabricados, motores híbridos são construídos em fabricados, motores híbridos são construídos em série de 3.6 e 1.8° por passo, com capacidade de até série de 3.6 e 1.8° por passo, com capacidade de até 0.72° por passo.0.72° por passo. FuncionamentoFuncionamento nn CComo mostra a figura, a corrente circulando do fio central do enromo mostra a figura, a corrente circulando do fio central do enrolamento 1 até o terminal olamento 1 até o terminal ““aa”” causa a parte superior do polo do stator ser polo Norte enquantcausa a parte superior do polo do stator ser polo Norte enquanto a parte inferior ser polo o a parte inferior ser polo Sul. Isso atrai o eixo na posição mostrada na figura. Sul. Isso atrai o eixo na posição mostrada na figura. nn Se a anergia do enrolamento 1 for desligada e o enrolamento 2 foSe a anergia do enrolamento 1 for desligada e o enrolamento 2 for energizado, o eixo irá girar r energizado, o eixo irá girar 30°, ou um passo.30°, ou um passo. nn Para girar o motor contínuamente, nós simplesmente aplicamos corPara girar o motor contínuamente, nós simplesmente aplicamos corrente nos dois rente nos dois enrolamentos em sequência. Assumindo 1 como lógico positivo, istenrolamentos em sequência. Assumindo 1 como lógico positivo, isto é energizando o o é energizando o enrolamento do motor, as seguintes seqências de controle irá girenrolamento do motor, as seguintes seqências de controle irá girar o motor da ilustração 1.2 ar o motor da ilustração 1.2 no sentido horário, 24 passos ou 4 revoluções. no sentido horário, 24 passos ou 4 revoluções. Enrolamento 1a 11000001110000011100000111 Enrolamento 1b 00011100000111000001110000 Enrolamento 2a 01110000011100000111000001 Enrolamento 2b 00000111000001110000011100 CONTROLE LCONTROLE LÓÓGICO DE UM MOTOR DE PASSOGICO DE UM MOTOR DE PASSO nn Os motores de passo se comportam diferente de outros motores DC.Os motores de passo se comportam diferente de outros motores DC.Primeiramente Primeiramente ele não pode girar livremente quando alimentado "classicamente",ele não pode girar livremente quando alimentado "classicamente",eles fazem como eles fazem como os seus prórpios nomes sugerem: usam passos. os seus prórpios nomes sugerem: usam passos. nn Um circuito responsável de converter sinais de passo e de direçãUm circuito responsável de converter sinais de passo e de direção em comandos o em comandos para os enrolamentos do motor é o controle lógico. Ele recebe ospara os enrolamentos do motor é o controle lógico. Ele recebe ossinais de passos e a sinais de passos e a direção e gera os sinais para que o motor direção e gera os sinais para que o motor gire. gire. nn Após esta fase de controle lógico, é preciso oApós esta fase de controle lógico, é preciso ocontrole eletrônicocontrole eletrônicoque se encarrega de que se encarrega de fornecer a corrente elétrica requerida pelos enrolamentos do motfornecer a corrente elétrica requerida pelos enrolamentos do motor or Um exemplo Um exemplo básico do bloco lógico + eletrônico pode ser visto na figura ababásico do bloco lógico + eletrônico pode ser visto na figura abaixo:ixo: Nela, VLOGIC é a fonte de alimentação do controle lógico, TRANSLATOR é o controle lógico, POWER DRIVERS é o controle eletrônico, e VMOTOR é a tensão requerida pelo motor. GERANDO OS SINAISGERANDO OS SINAIS nn O controle lógico por Hardware é simples e eficiente se você traO controle lógico por Hardware é simples e eficiente se você trabalhar balhar com Passocom Passo--CompletoCompletoe não e não MeioMeio--Passo. Assim, para se gerar o MeioPasso. Assim, para se gerar o Meio-- Passo é mais aconselhável utilizar o Software.Passo é mais aconselhável utilizar o Software. nn O controle lógico dos motores de passo servem para qualquer tipoO controle lógico dos motores de passo servem para qualquer tipode de motor: Unipolar, Bipolar, Magnético Permanente, etc... O que se motor: Unipolar, Bipolar, Magnético Permanente, etc... O que se diferencia são os tipos de passo.O tipo de passo mais simples é diferencia são os tipos de passo.O tipo de passo mais simples é esse: esse: Mais TorqueMais Torque nn Uma forma de passo alternativo, que consome mais energia mais Uma forma de passo alternativo, que consome mais energia mais fornece muito mais torquefornece muito mais torque.. nn Observe que este tipo de passo trabalha alimentando 2 bobinas deObserve que este tipo de passo trabalha alimentando 2 bobinas decada cada vez. Para gerar esse sinais pode ser usado vários circuitos, os vez. Para gerar esse sinais pode ser usado vários circuitos, os mais mais comuns usam 2 flipcomuns usam 2 flip--flops como na figura abaixo:flops como na figura abaixo: 58045804 BiMOS II Unipolar StepperBiMOS II Unipolar Stepper--Motor Translator/DriverMotor Translator/Driver nn FeaturesFeatures •• 1.5 A Maximum Output Current 1.5 A Maximum Output Current •• 35 V Output Sustaining Voltage 35 V Output Sustaining Voltage •• WaveWave--Drive, TwoDrive, Two--Phase, and HalfPhase, and Half--Step Drive Formats Step Drive Formats •• Internal Clamp Diodes Internal Clamp Diodes •• Output Enable and Direction Control Output Enable and Direction Control •• PowerPower--ON Reset ON Reset •• Internal Thermal Shutdown Circuitry Internal Thermal Shutdown Circuitry nn DescriptionDescription nn highhigh--voltage bipolar outputs, the UCN5804B and UCN5804LB BiMOS II travoltage bipolar outputs, the UCN5804B and UCN5804LB BiMOS II translator/drivers provide complete nslator/drivers provide complete control and drive for a fourcontrol and drive for a four--phase unipolar stepperphase unipolar stepper--motor with continuous output current ratings to 1.25 A per motor with continuous output current ratings to 1.25 A per phase (1.5 A startup) and 35 V. phase (1.5 A startup) and 35 V. nn The CMOS logic section provides the sequencing logic, DIRECTION The CMOS logic section provides the sequencing logic, DIRECTION and OUTPUT ENABLE control, and a and OUTPUT ENABLE control, and a powerpower--ON reset function. Three stepperON reset function. Three stepper--motor drive formats, wavemotor drive formats, wave--drive (onedrive (one--phase), twophase), two--phase, and halfphase, and half-- step are externallyselectable. The inputs are compatible with sstep are externally selectable. The inputs are compatible with standard CMOS, PMOS, and NMOS circuits. tandard CMOS, PMOS, and NMOS circuits. TTL or LSTTL may require the use of appropriate pullTTL or LSTTL may require the use of appropriate pull--up resistors to ensure a proper inputup resistors to ensure a proper input--logic high. logic high. nn The waveThe wave--drive format consists of energizing one motor phase at a time indrive format consists of energizing one motor phase at a time inan Aan A--BB--CC--D (or DD (or D--CC--BB--A) A) sequence. This excitation mode consumes the least power and assusequence. This excitation mode consumes the least power and assures positional accuracy regardless of any res positional accuracy regardless of any winding inbalance in the motor. Twowinding inbalance in the motor. Two--phase drive energizes two adjacent phases in each detent positiophase drive energizes two adjacent phases in each detent position (ABn (AB-- BCBC--CDCD--DA). This sequence mode offers an improved torqueDA). This sequence mode offers an improved torque--speed product, greater detent torque, and is less speed product, greater detent torque, and is less susceptible to motor resonance. Halfsusceptible to motor resonance. Half--step excitation alternates between the onestep excitation alternates between the one--phase and twophase and two--phase modes phase modes (A(A--ABAB--BB--BCBC--CC--CDCD--DD--DA), providing an eightDA), providing an eight--step sequence. step sequence. nn The bipolar outputs are capable of sinking up to 1.5 A and withsThe bipolar outputs are capable of sinking up to 1.5 A and withstanding 50 V in the OFF state (sustaining tanding 50 V in the OFF state (sustaining voltages up to 35 V). Groundvoltages up to 35 V). Ground--clamp and flyback diodes provide protection against inductive trclamp and flyback diodes provide protection against inductive transients.ansients. Driver Driver ULM 2003ULM 2003 nn 77--bit 50V 500mA TTLbit 50V 500mA TTL--input NPN darlington input NPN darlington driver. driver. nn The drivers need no power supply; the VDD pin is The drivers need no power supply; the VDD pin is the common cathode of the seven integrated the common cathode of the seven integrated protection diodes.protection diodes. Driver Driver motor CC motor CC –– LMD18200LMD18200 Diagrama de B locosDiagrama de B locos Controle Motor DC Controle Motor DC -- PWMPWM Unidade de cálculo de um CNUnidade de cálculo de um CN nn interpretado o programa de máquina (DINISO) é estabelecido um interpretado o programa de máquina (DINISO) é estabelecido um conjunto de ordens destinadas a ao acionamento dos motores conjunto de ordens destinadas a ao acionamento dos motores (avanço e(avanço eàrvoreàrvore).). nn este bloco de informações será necessário para aeste bloco de informações será necessário para ausinagemusinagem programada.programada. nn nova cota a ser alcançada (X,Y e Z) se a máquina é denova cota a ser alcançada (X,Y e Z) se a máquina é detrestreseixoseixos nn qual a velocidade de avanço (qual a velocidade de avanço (feedratefeedrate)) nn qual a rotação daqual a rotação daàrvoreàrvore(velocidade constante ou rotação constante)(velocidade constante ou rotação constante) nn qualquer ação liga/desliga através das funções M (óleo,qualquer ação liga/desliga através das funções M (óleo,àrvoreàrvore,etc),etc) nn a trajetória poderá ser um posicionamento ou um contorno a ser a trajetória poderá ser um posicionamento ou um contorno a ser usinadousinado nn movimento de corte em interpolaçãomovimento de corte em interpolaçãoporgramadaporgramada nn interpolação programada interpolação programada é o processo de converter uma curva é o processo de converter uma curva definida matematicamente em um conjunto de pequenos passos definida matematicamente em um conjunto de pequenos passos unitários ao longo dos eixos de avanço.unitários ao longo dos eixos de avanço. Interpolação programadaInterpolação programada nn processo que determina o movimento dos eixos de avanço processo que determina o movimento dos eixos de avanço com base na equação matemática da trajetória a ser com base na equação matemática da trajetória a ser realizada.realizada. nn hardware(circuitos integradores, diferenciadores, hardware(circuitos integradores, diferenciadores, somadores, somadores, subtratoressubtratores, etc) , são velozes mas ocupam um , etc) , são velozes mas ocupam um espaço muito grande; máquinas antigas.espaço muito grande; máquinas antigas. nn software(através de um computador de propósito geral ou software(através de um computador de propósito geral ou dedicado) com um programa baseado em um algoritmo dedicado) com um programa baseado em um algoritmo matemático; é mais lento mas o hardware exigido é matemático; é mais lento mas o hardware exigido é pequeno.pequeno. Interpolação programadaInterpolação programada nn geração da curva de interpolação linear ou geração da curva de interpolação linear ou circular circular –– a partir das equações matemática(exemplo)a partir das equações matemática(exemplo) t dx d y Y X dx=3*dy interpolador linear(hard soft) x t y Dt saidax saiday x= 3*y => Interpolação circularInterpolação circular nn relação de impulsos varia continuamente sobre os eixosrelação de impulsos varia continuamente sobre os eixos nn deverá ser utilizado as equações paramétricas ou não deverá ser utilizado as equações paramétricas ou não paramétricas, e a partir disso o algoritmo deverá ser paramétricas, e a partir disso o algoritmo deverá ser estabelecido.estabelecido. –– equação paramétrica (x=R*cos A e y=R*sen A)equação paramétrica (x=R*cos A e y=R*sen A) –– equação não paramétrica (xequação não paramétrica (x2 2 + y+ y2 2 -- RR22= 0)= 0) Y X R A y x (x,y) Interpolação circularInterpolação circular nn relação de pulsos através das equações relação de pulsos através das equações paramétricasparamétricas y x dx d y interpolador circular (hardousoft) t x t y Dt saidax saiday Controle de posição com computador Controle de posição com computador nos CNC(s)nos CNC(s) nn controle de posição antigocontrole de posição antigo –– realizado exclusivamente por lógica discretarealizado exclusivamente por lógica discreta –– vantagem =>velocidade de resposta boa vantagem =>velocidade de resposta boa –– desvantagem=> tamanho do “hardware” desvantagem=> tamanho do “hardware” sensores de alto custosensores de alto custo nn controle de posição atualcontrole de posição atual –– realizado com ajuda de um computador de realizado com ajuda de um computador de propósito geralpropósito geral –– comportacomporta--se como um sistema de amostragemse como um sistema de amostragem –– dinâmica de funcionamento flexível, podendo dinâmica de funcionamento flexível, podendo ser alterada via programação ser alterada via programação Estrutura CNC1Estrutura CNC1 nn computador fora do laçocomputador fora do laço nn computador gera trem de pulsos (interpolação)computador gera trem de pulsos (interpolação) nn pulsos de entrada com pulsos realimentados pelo SP(sensor de pulsos de entrada com pulsos realimentados pelo SP(sensor de posição) no circuito de sincronização(evitar coincidência dos posição) no circuito de sincronização(evitar coincidência dos dois trens)dois trens) nn interpolação do tipo deslocamento contínuo (cada pulso define interpolação do tipo deslocamento contínuo (cada pulso define a precisão)a precisão) nn vantagensvantagens: sem retardos (sem laço).: sem retardos (sem laço). registro de posição de tamanho médio (10registro de posição de tamanho médio (10-- 12 bits) 12 bits) erro de posição direto.errode posição direto. sistema quase contínuo.sistema quase contínuo. eixos de mesma constante de tempo produz eixos de mesma constante de tempo produz erros de erros de perfis praticamente nulos.perfis praticamente nulos. Estrutura CNC1Estrutura CNC1 nn desvantagensdesvantagens: uso de circuitos eletrônicos no contador e no : uso de circuitos eletrônicos no contador e no sincronismo.sincronismo. dificuldade para realizar ajustes codificuldade para realizar ajustes com o computador m o computador com respeito a:com respeito a: –– ganho do laçoganho do laço –– monitoração da posição realmonitoração da posição real –– precisãoprecisão co m p u ta d o r si n cr o n is m o SP co n ta d o r in cr e m e n ta l d e cr e m e n ta l D /A regu lador TG motor MECÂNICA n erro analógico erro digital elemento fora do laço de controle Estrutura CNC2Estrutura CNC2 nn computador faz parte do laço de controle de posiçãocomputador faz parte do laço de controle de posição nn sistema amostrado comsistema amostrado comfrequênciafrequência((fsfs)) nn computador:computador: nn gera novo valor de referência (gera novo valor de referência (interpoladorinterpolador)) nn registro R (referência) interior ao computador acumula os pulsosregistro R (referência) interior ao computador acumula os pulsosque que em certo intervalo serão amostradosem certo intervalo serão amostrados –– amostra do contador C que funciona como registro de amostra do contador C que funciona como registro de realimentação(posição verdadeira)realimentação(posição verdadeira) –– cálculo do erro de posição S serácálculo do erro de posição S será Si = Ri Si = Ri -- Ci Ci para i=1,2,3,........kpara i=1,2,3,........k Estrutura CNC2Estrutura CNC2 motor TG regu ladorD/A fs Sk(erro de posição) co m p u ta d o r MECÂNICA MFSPcontador C’ fs pulsos Sk= R - C’ Estrutura CNC2Estrutura CNC2 nn vantagens: vantagens: nn atuação fácil no comportamento do controle de posiçãoatuação fácil no comportamento do controle de posição nn computador executa tarefas como verificação em pontos computador executa tarefas como verificação em pontos fundamentais como a precisãofundamentais como a precisão nn interpolação menos critica no tempointerpolação menos critica no tempo nn sistema permite o controle de vários eixos pelo mesmo sistema permite o controle de vários eixos pelo mesmo computadorcomputador nn desvantagens:desvantagens: n sistema por amostragem interfere (controle e resposta) n registros R e C’ de grande capacidade devendo realizar operações de múltipla precisão n atraso devido a processamento adicional (relimentação) componentes de umcomponentes de umposicionadorposicionador peça indireta angular direta linear fuso de esfera recirculante M Tg eletrônica subseguente Xm Xm sinal de posição programado (CNC) -Xm regulador de posição +Xr regulador de velocidade n I Vr ZZZ XXX YYY JmMm CaptadoresCaptadores de Posiçãode Posição nn elementos que convertem a posição da ferramenta em elementos que convertem a posição da ferramenta em grandeza elétricagrandeza elétrica –– captadorescaptadoresabsolutos(mais caros)absolutos(mais caros) –– captadorescaptadoresincrementais ou relativosincrementais ou relativos nn absolutos=>em qualquer situação, até mesmo na falta de absolutos=>em qualquer situação, até mesmo na falta de energia, não perdem o valor de posiçãoenergia, não perdem o valor de posição nn incremental=>a posição da mesa correspondente é incremental=>a posição da mesa correspondente é referida ao incremento de medida (o valor de posição é referida ao incremento de medida (o valor de posição é perdido na falta de energia), é mais utilizado em perdido na falta de energia), é mais utilizado em automação(máquinas CNC, robôs, etc)automação(máquinas CNC, robôs, etc) CaptadoresCaptadoresde posiçãode posição nn quanto ao funcionamento=>lineares e angularesquanto ao funcionamento=>lineares e angulares nn quanto a natureza=>quanto a natureza=>indutivoindutivo –– resolver (analógico angular)resolver (analógico angular) –– régua indutiva ourégua indutiva ouinductosyninductosyn(analógico linear)(analógico linear) nn => => óticoótico –– encoderencoder(digital ou numérico(angular ou rotativo)(digital ou numérico(angular ou rotativo) –– régua ótica(digital ou numérica linear)régua ótica(digital ou numérica linear) nn => => capacitivocapacitivo nn =>=>potenciométricopotenciométrico CaptadoresCaptadoresde posiçãode posição nn local de mediçãolocal de medição =>=>diretadireta (escalas lineares acopladas (escalas lineares acopladas diretamente na mesa ou carro da máquina)diretamente na mesa ou carro da máquina) nn =>=>indiretaindireta(elementos de medição (elementos de medição giratório ou angular acionado pelo fuso da máquina ou giratório ou angular acionado pelo fuso da máquina ou eixo do rotor)eixo do rotor) nn método de mediçãométodo de medição =>=>analógicoanalógico (a cada posição do (a cada posição do carro corresponde um valor de tensão variando de forma carro corresponde um valor de tensão variando de forma contínua. Sistema com eletrônica subseqüente complexa). contínua. Sistema com eletrônica subseqüente complexa). Ex. régua indutiva e resolver.Ex. régua indutiva e resolver. nn =>=>numérico ou digital numérico ou digital (o percurso é (o percurso é dividido em pequenos espaços lineares que define a dividido em pequenos espaços lineares que define a resolução da máquina). Ex. régua ótica eresolução da máquina). Ex. régua ótica eencoderencoder.. CaptadoresCaptadoresde posiçãode posição n processo de medição => absoluto (cada posição é estabelecida em relação a uma referência não importando a posição anterior, ou seja, independente de qualquer situação; até mesmo a falta de energia. Ex. captadorde posição que utiliza o código Gray. n =>incremental (os espaços elementares discretos são contados a medida que a ferramenta é deslocada. Não há correspondência com o zero peça. Na falta de energia elétrica a posição é perdida (home position). n processo de medição => absoluto (cada posição é estabelecida em relação a uma referência não importando a posição anterior, ou seja, independente de qualquer situação; até mesmo a falta de energia. Ex. captadorde posição que utiliza o código Gray. n =>incremental (os espaços elementares discretos são contados a medida que a ferramenta é deslocada. Não há correspondência com o zero peça. Na falta de energia elétrica a posição é perdida (home position). discocodificadonumericamentede0 a 100 (gray) mesa redutor 0 25 50 75 redutor 0 25 50 75 para outros discos sensorsensoroticootico nn régua(linear) erégua(linear) eencoderencoder(angular)(angular) nn principio de funcionamento o mesmoprincipio de funcionamento o mesmo nn codificadores de saída digital (valor codificadores de saída digital (valor diferente a cada incremento.diferente a cada incremento. nn baixo custobaixo custo nn sinal em quadratura sinal em quadratura -- sentido de girosentido de giro nn interpolação (resolução na eletrônica)interpolação (resolução na eletrônica) Medida de velocidade usando sensor incremental Medida de velocidade usando sensor incremental n Informação – Contador de 8 bits ( conta de 0 até 255) – Freqüência de clock é 5Hz (tempo de ciclo de 0,1seg) – Disco do encoder tem 96 “slots” (fendas) n Problema – No final de um ciclo, o contador mostra 01101110 (binário) o qual é igual a 110 decimal. – Qual será a freqüência dos pulso do encoder e a velocidade do motor? Os pulsos do encoder serãorecebidos pelo contador durante o período de 0.1seg. No final de um período, o número de pulsos contados é lido e o contador é “reset”. contadorAND Clock 5Hz encoder uP ExemploExemplo nn Solução:Solução: –– Freqüência dos pulsos do Freqüência dos pulsos do encoderencoder »» fpfp= 110 / 0.1 = 1100 Hz = 1,1 KHz= 110 / 0.1 = 1100 Hz = 1,1 KHz »» fp fp = 1,1 KHz= 1,1 KHz –– Velocidade do motorVelocidade do motor »» wwmm= = fp fp / num. / num. Slot Slot = 11,5 = 11,5 revsrevs//sec sec = 687 = 687 rpm rpm »» wwm m = 687 = 687 rpmrpm sensor indutivo (sensor indutivo (inductosyninductosyn)) nn régua indutiva ourégua indutiva ouInductosynInductosyn(linear)(linear) nn analógicoanalógico nn régua => 2 elementos régua => 2 elementos -- primário(cursor) e secundário primário(cursor) e secundário (escala)(escala) cursor(entrada) Up/4 escala(saida) e1= E.sen B e2= E.cos B e2e1 DDD(ângulo de deslocamento) PPP U=[E.senB.cos.D]-[E.cosB.senD] => U=E.sen(B-D) InductosynInductosyn oscil. E=amp B=freq conversor de seno conversor de cos trafo inductosyn p ré -a m p. d e e rr o U= E.sen(B-D) escala cursor e1=E.senB e2=E.cosB resolverresolver nn transdutor de tensão conste e de fase variáveltransdutor de tensão conste e de fase variável nn sistema de servo fase analógicasistema de servo fase analógica nn relação de transformação 1:1 em qualquer posição do rotorrelação de transformação 1:1 em qualquer posição do rotor nn sinal em quadraturas (senosinal em quadraturas (senocossenocosseno)) nn estatorestator(primário 2 enrolamentos) rotor (secundário)(primário 2 enrolamentos) rotor (secundário) nn eletrônica subseqüenteeletrônica subseqüentesimilar a escala indutivasimilar a escala indutiva estator rotor D e1=E.senB e2=E.cosB U=E.sen(B-D) resolver U=E.(senB.cosD)-E(cosB.senD) simplificando resolverresolver D 1 revolução 1 -1 nn defasagem poderá ser expresso em tempo não ângulodefasagem poderá ser expresso em tempo não ângulo nn freqüência típicafreqüência típicaffBB=2,5KHz (=2,5KHz (oscosc)) nn passo do fuso => 1 revolução (acoplamento mecânico poderá passo do fuso => 1 revolução (acoplamento mecânico poderá melhorar a resolução do NC)melhorar a resolução do NC) –– exemplo: considerando um passo de 2mm teremos: exemplo: considerando um passo de 2mm teremos: 1rev. = 1/2500 = 0,4ms de defasagem1rev. = 1/2500 = 0,4ms de defasagem 1 rev = 2mm, portanto 2mm = 0,4ms1 rev = 2mm, portanto 2mm = 0,4ms simplificando: 1mm = 0,2 ms desimplificando: 1mm = 0,2 ms dedefdef..
Compartilhar