Servomotor - Servomotor

Servomotor industrial
O cilindro cinza / verde é o motor DC tipo escova . A seção preta na parte inferior contém a engrenagem de redução planetária e o objeto preto na parte superior do motor é o codificador rotativo óptico para feedback de posição . Este é o atuador de direção de um grande veículo robô.
Servomotores industriais e caixas de engrenagens, com montagens de flange padronizadas para intercambialidade

Um servomotor é um atuador rotativo ou linear que permite o controle preciso da posição angular ou linear, velocidade e aceleração. Consiste em um motor adequado acoplado a um sensor para realimentação de posição. Também requer um controlador relativamente sofisticado, geralmente um módulo dedicado projetado especificamente para uso com servomotores.

Servomotores não são uma classe específica de motor, embora o termo servomotor seja freqüentemente usado para se referir a um motor adequado para uso em um sistema de controle de malha fechada .

Os servomotores são usados ​​em aplicações como robótica , máquinas CNC ou manufatura automatizada .

Mecanismo

Um servomotor é um servomecanismo de malha fechada que usa feedback de posição para controlar seu movimento e posição final. A entrada para seu controle é um sinal (analógico ou digital) que representa a posição comandada para o eixo de saída.

O motor é emparelhado com algum tipo de codificador de posição para fornecer feedback de posição e velocidade. No caso mais simples, apenas a posição é medida. A posição medida da saída é comparada à posição de comando, a entrada externa do controlador. Se a posição de saída for diferente da necessária, um sinal de erro é gerado, o que faz com que o motor gire em qualquer direção, conforme necessário, para trazer o eixo de saída para a posição apropriada. Conforme as posições se aproximam, o sinal de erro reduz a zero e o motor para.

Os servomotores mais simples usam detecção de posição apenas por meio de um potenciômetro e controle bang-bang de seu motor; o motor sempre gira em velocidade total (ou é parado). Este tipo de servomotor não é amplamente utilizado no controle de movimento industrial , mas forma a base dos servos simples e baratos usados ​​para modelos controlados por rádio .

Servomotores mais sofisticados usam codificadores rotativos ópticos para medir a velocidade do eixo de saída e um acionador de velocidade variável para controlar a velocidade do motor. Ambos os aprimoramentos, geralmente em combinação com um algoritmo de controle PID , permitem que o servomotor seja trazido para sua posição comandada com mais rapidez e precisão, com menos overshooting .

Servomotores vs. motores de passo

Os servomotores são geralmente usados ​​como uma alternativa de alto desempenho ao motor de passo . Os motores de passo têm alguma capacidade inerente de controlar a posição, pois possuem etapas de saída integradas. Isso geralmente permite que eles sejam usados ​​como um controle de posição de malha aberta, sem qualquer encoder de feedback, pois seu sinal de acionamento especifica o número de etapas do movimento para girar, mas para isso o controlador precisa 'saber' a posição do motor de passo ao ligar. Portanto, na primeira energização, o controlador terá que ativar o motor de passo e girá-lo para uma posição conhecida, por exemplo, até que ele ative uma chave fim de curso. Isso pode ser observado ao ligar uma impressora jato de tinta ; o controlador moverá o suporte do jato de tinta para a extrema esquerda e direita para estabelecer as posições finais. Um servomotor irá girar imediatamente para qualquer ângulo que o controlador instruir, independentemente da posição inicial na inicialização.

A falta de feedback de um motor de passo limita seu desempenho, pois o motor de passo só pode acionar uma carga que está bem dentro de sua capacidade, caso contrário, etapas perdidas sob carga podem levar a erros de posicionamento e o sistema pode ter que ser reiniciado ou recalibrado. O encoder e o controlador de um servomotor são um custo adicional, mas otimizam o desempenho do sistema geral (para tudo de velocidade, potência e precisão) em relação à capacidade do motor básico. Com sistemas maiores, onde um motor potente representa uma proporção crescente do custo do sistema, os servomotores têm a vantagem.

Nos últimos anos, tem havido uma popularidade crescente em motores de passo de circuito fechado. Eles agem como servomotores, mas têm algumas diferenças em seu controle de software para obter um movimento suave. O principal benefício de um motor de passo de circuito fechado é seu custo relativamente baixo. Também não há necessidade de ajustar o controlador PID em um sistema de passo de loop fechado.

Muitas aplicações, como máquinas de corte a laser , podem ser oferecidas em duas gamas: a gama de baixo custo com motores de passo e a gama de alto desempenho com servomotores.

Codificadores

Os primeiros servomotores foram desenvolvidos com sincros como codificadores. Muito trabalho foi feito com esses sistemas no desenvolvimento de radar e artilharia antiaérea durante a Segunda Guerra Mundial .

Servomotores simples podem usar potenciômetros resistivos como codificador de posição. Eles são usados ​​apenas no nível mais simples e barato e estão em concorrência próxima com os motores de passo. Eles sofrem desgaste e ruído elétrico na pista do potenciômetro. Embora seja possível diferenciar eletricamente seu sinal de posição para obter um sinal de velocidade, os controladores PID que podem fazer uso de tal sinal de velocidade geralmente garantem um codificador mais preciso.

Os servomotores modernos usam encoders rotativos , absolutos ou incrementais . Os codificadores absolutos podem determinar sua posição na inicialização, mas são mais complicados e caros. Os codificadores incrementais são mais simples, baratos e funcionam em velocidades mais rápidas. Os sistemas incrementais, como os motores de passo, geralmente combinam sua capacidade inerente de medir intervalos de rotação com um sensor de posição zero simples para definir sua posição na inicialização.

Em vez de servomotores, às vezes é usado um motor com um codificador linear externo separado. Esses sistemas motor + codificador linear evitam imprecisões no trem de força entre o motor e o carro linear, mas seu design é mais complicado, pois eles não são mais um sistema pré-embalado feito de fábrica.

Motores

O tipo de motor não é crítico para um servomotor e diferentes tipos podem ser usados. No mais simples, são usados ​​motores DC de ímã permanente escovado, devido à sua simplicidade e baixo custo. Servomotores industriais pequenos são normalmente motores sem escova comutados eletronicamente. Para grandes servomotores industriais, motores de indução CA são normalmente usados, muitas vezes com drives de frequência variável para permitir o controle de sua velocidade. Para desempenho máximo em um pacote compacto, são usados ​​motores CA sem escova com campos de ímã permanente, versões efetivamente grandes de motores elétricos CC sem escova .

Módulos de acionamento para servomotores são um componente industrial padrão. A sua concepção é um ramo da electrónica de potência , geralmente com base em um de três fases MOSFET ou IGBT ponte H . Esses módulos padrão aceitam uma única direção e contagem de pulso (distância de rotação) como entrada. Eles também podem incluir monitoramento de superaquecimento, excesso de torque e recursos de detecção de estol. Como o tipo de codificador, a relação do redutor e a dinâmica geral do sistema são específicos da aplicação, é mais difícil produzir o controlador geral como um módulo de prateleira e, portanto, eles são frequentemente implementados como parte do controlador principal.

Ao controle

A maioria dos servomotores modernos são projetados e fornecidos em torno de um módulo controlador dedicado do mesmo fabricante. Os controladores também podem ser desenvolvidos em torno de microcontroladores , a fim de reduzir o custo para aplicações de grande volume.

Servomotores integrados

Os servomotores integrados são projetados de forma a incluir o motor, o driver, o codificador e os componentes eletrônicos associados em um único pacote.

Referências

Veja também

links externos