Vale a pena entender os dispositivos de feedback atualmente disponíveis para ajustar com precisão o desempenho de servomotores e escolher o tipo certo para sua aplicação de controle de movimento.
Espera-se que os sistemas de controle de movimento acionados por servomotores sejam rápidos e precisos, e quando especificados corretamente, eles são. No entanto, existem inúmeros fatores que podem fazer com que os motores não alcancem o objetivo.
Um sistema de servos funciona com a mesma precisão do dispositivo de feedback que relata a posição do motor. Além disso, erros na velocidade ou na posição podem ser introduzidos no sistema pelos mecanismos não tão perfeitos que transferem a potência do motor para a carga. Fatores ambientais, como ruído elétrico ou temperatura, também podem introduzir erros de posicionamento.
Às vezes, esses erros são aceitáveis. Mas, se ocorrerem com mais frequência, deixam de ser. Espera-se que servomotores e drives sejam o que há de mais confiável e preciso de todos os sistemas de posicionamento.
A escolha do dispositivo de feedback é crítica para alcançar os resultados desejados. Esses dispositivos se dividem em várias categorias. Cada uma dispõe de vantagens e desvantagens únicas, tanto elétricas quanto mecânicas, que determinam se uma determinada tecnologia de feedback é a mais adequada para uma aplicação específica. A seguir está uma visão geral dos critérios de seleção mais importantes.
Localização do dispositivo de feedback
O local ideal para um dispositivo de feedback é na carga, onde os requisitos de controle de movimento se aplicam mais diretamente. Esse arranjo mitiga erros introduzidos por componentes de transmissão não tão perfeitos que transferem o movimento do motor para a carga, como caixas de engrenagens, correias e polias, fusos de esferas e assim por diante. Embora dispositivos de feedback sejam tipicamente montados dentro do motor, adicionar um dispositivo de feedback na carga pode melhorar significativamente a precisão em sistemas acionados por transmissão.
Motores sem escovas exigem que o feedback de posição seja incorporado ao motor para fornecer dados imediatos de posição do rotor para a comutação eletrônica (discutido abaixo). Ao usar um dispositivo de feedback montado no motor, é importante determinar o erro cíclico e cumulativo associado à transmissão e ao dispositivo de feedback para determinar se o erro é aceitável.
Servomotores de drive direto têm a vantagem de o dispositivo de feedback interno ficar efetivamente conectado diretamente à carga, eliminando assim a conformidade com a transmissão e a folga. Isso se soma às vantagens de menos componentes e menos manutenção, o que torna os motores de drive direto ideais para aplicações que requerem movimento preciso e alta largura de banda.
COMUTAÇÃO
A comutação é o controle da corrente para produzir torque. Em motores de ímã permanente, o torque é produzido quando o campo magnético das bobinas interage com o campo do ímã. Quando a corrente é canalizada para a(s) bobina(s) correta(s), é produzido o torque máximo.
À medida que o motor se move, a posição das bobinas em relação aos ímãs muda. Isso significa que o caminho ideal para canalizar a corrente muda, dependendo da posição do motor.
Em um motor com escovas, o caminho muda automaticamente por meio de escovas e de um comutador conectado aos enrolamentos da armação. Em um motor sem escovas, a posição do rotor é realimentada para o drive, que então alterna eletricamente a corrente para as bobinas apropriadas por meio de transistores.
Feedback de uma volta ou multivoltas
Sensores de feedback de uma volta rastreiam a posição em cada rotação mecânica de 360º. Um exemplo de quando isso pode ser útil é para controlar a velocidade de uma correia transportadora, em que a velocidade pode ser derivada da posição de um rolo ao longo do tempo, mas o número de voltas do rolo é irrelevante. No entanto, um dispositivo de uma volta seria inadequado em uma aplicação que requer múltiplas rotações do eixo do motor para mover uma carga a uma determinada distância, e o controle preciso dessa distância é crítico.
Para esse tipo de aplicação, um sensor de feedback multivoltas rastreia a posição a cada rotação de 360º e também adiciona a capacidade de rastrear quantas rotações completas ocorreram. Normalmente, os dispositivos de feedback de multivoltas variam em sua capacidade de contagem de 4.069 voltas (12 bits, ou 2^12) a 65.536 voltas (16 bits, ou 2^16). O feedback multivoltas pode ser implementado por meio de um sistema de engrenagens com leituras individuais ou usando um contador eletrônico, que é uma solução mais compacta e geralmente fornece contagens de voltas mais altas.
Feedback absoluto ou incremental
Sensores de feedback relatam posição absoluta ou posição relativa incremental. Um sensor de posição absoluta de uma volta tem a capacidade de relatar com precisão a posição dentro de um ciclo mecânico ao energizar o motor. Em contraste, um sensor de posição incremental tipicamente fornece pulsos de saída para cada incremento de movimento, mas sem referência a qualquer localização específica dentro da faixa de movimento do dispositivo.
Esses pulsos incrementais, quando combinados com pulsos de marcação periódicos, um interruptor de posição inicial da máquina e um contador, permitem saber a posição da carga. No entanto, se os circuitos eletrônicos de feedback perderem energia, o sistema perde o rastreamento de sua localização. Para algumas aplicações críticas de posição que usam encoders incrementais, o controlador pode se conectar a uma fonte de alimentação ininterrupta para manter as informações de posição.
Como alternativa, um encoder absoluto multivoltas fornece informações precisas de posicionamento, em múltiplas rotações, sem a necessidade de manter a energia aplicada. Isso pode ser realizado por meio de um sistema de backup de bateria ou usando tecnologia de captação de energia que mantém a contagem correta em memória não volátil mesmo quando a energia está desligada e o rotor é movimentado manualmente.
Precisão e confiabilidade
Outra consideração importante é o tipo de tecnologia utilizada no dispositivo. Alguns sensores são extremamente robustos e direcionados para a indústria de controle de máquinas industriais. Outros são relativamente frágeis e destinados a aplicações como equipamentos de laboratórios de alta precisão. Existem também aplicações onde esses requisitos se sobrepõem. Por exemplo, a fabricação de semicondutores, em que as condições exigem alta precisão em um ambiente particularmente limpo, juntamente com um rendimento rápido para atender cronogramas de alta produção.
Geometria do sistema de movimento
Sistemas de movimento são lineares, rotacionais ou uma combinação de ambos. Sensores de feedback são projetados para cada caso específico. Podem ter diferentes características de montagem e direções de movimento, mas o princípio básico de operação do dispositivo de feedback normalmente se aplica a qualquer configuração.
Para sistemas lineares, como os encontrados em posicionamento em eixos X-Y-Z, os dados de posição indicam as localizações exatas de todos os eixos simultaneamente, o que pode ser crucial em algumas aplicações. Em uma situação de parada de emergência (E-stop), por exemplo, ser capaz de reiniciar os componentes de movimento no ponto onde pararam pode evitar bloqueios da máquina e reduzir desperdícios.
Informações de velocidade são comumente derivadas dos dados de posição ao se tomar a derivada em relação ao tempo, tornando um dispositivo de feedback uma compra única para a maioria dos sistemas baseados em servo. No entanto, para aplicações que exigem informações de velocidade precisas em baixas velocidades, às vezes é preferível um dispositivo projetado para essa finalidade específica, como um tacômetro analógico de precisão.
A boa notícia: a seleção do dispositivo de feedback pode ser simples
Dispositivos de feedback desempenham um papel crítico em sistemas de controle de malha fechada. Há pouco tempo, escolher o dispositivo certo era uma tarefa assustadora, mas agora a seleção ficou bem mais simples.
Muitos fabricantes de controle de movimento oferecem sistemas completos para o controle de movimento, com motor, dispositivo de feedback, drive e cabos combinados em um pacote otimizado. Esses pacotes atendem a mais de 90% das aplicações de movimento atuais. Para engenheiros de máquinas, o benefício é que não precisam conectar ou montar separadamente o dispositivo de feedback no sistema de servo, em que conexões de fiação podem variar de quatro a até 9 ou 13 fios.
Além disso, alguns fabricantes como a Kollmorgen oferecem dispositivos de feedback "inteligentes" em seus motores, permitindo uma operação plug-and-play ao fornecer o drive com uma placa eletrônica de identificação do motor que especifica os parâmetros do motor. Esses parâmetros configuram o drive, permitindo a configuração do feedback em segundos. Dispositivos de feedback inteligentes podem ser baseados em qualquer um dos tipos de feedback padrão, com a adição de um chip embutido que contenha os parâmetros do motor.
Então, o que você precisa saber para selecionar o dispositivo de feedback ideal para sua aplicação? Primeiro, são os requisitos de precisão de posicionamento e resolução. Além disso, fatores ambientais, como a distância entre o motor e o drive, ruído elétrico ou temperatura, podem ser fatores determinantes para escolher o dispositivo ideal.
Uma ampla variedade de dispositivos está disponível para atender quase todos os requisitos de feedback, incluindo sensores de efeito Hall, resolvers, encoders de uso geral (em uma grande variedade) e encoders senoidais. Felizmente, muitos fornecedores de servomotores oferecem múltiplas opções de feedback para um dado motor, que atendem uma ampla gama de requisitos de desempenho ou ambientais.
Sensores de efeito Hall estão entre os dispositivos de feedback mais simples e menos caros. São dispositivos digitais do tipo liga/desliga que detectam a presença de campos magnéticos. Feitos de material semicondutor, são robustos, podem operar em frequências muito altas (equivalente a dezenas de milhares de rpm do motor) e permitem um sequenciamento de comutação preciso. Como a informação de posição que esses dispositivos fornecem é inexata, são mais usados para dar suporte a controle trapezoidal (de seis passos) em vez de controle senoidal. Sensores de efeito Hall são adequados para controle de torque ou controle de velocidade grosseiro, e simplificam a eletrônica de drive ao alternar diretamente os dispositivos de potência de fase do motor.
Resolvers são transformadores rotativos bastante adequados para ambientes adversos, com fatores como temperaturas extremas, vibrações e choques. Também podem suportar velocidades do motor superiores a 10.000 rpm. Seu custo é de baixo a moderado e fornecem precisão e resolução moderadas, adequadas para a maioria das aplicações industriais.
Estão disponíveis encoders incrementais em uma variedade de configurações, de tipos ópticos sem contato a tipos com contato, em versões tanto lineares quanto rotativas e com diversas variações de contagem de linha. Esses encoders proporcionam excelente precisão e podem ser operados a muitos milhares de rpm. Embora os encoders incrementais atuais sejam mais robustos do que nunca, alguns não são adequados para ambientes extremamente hostis.
Encoders senoidais oferecem desempenho de altíssimo nível. Embora mais caros do que os resolvers ou encoders incrementais, são mais adequados para aplicações que exigem alta precisão combinada com alta resolução.
Saiba mais
É muito importante que você leia os nossos três posts no blog sobre Dispositivos de Feedback, sensores de efeito Hall e resolvers, e encoders lineares, rotativos e senoidais para dominar este tópico crucial de movimento. E sinta-se à vontade para contatar um engenheiro da Kollmorgen para tratar das especificidades da sua aplicação e obter recomendações para a melhor tecnologia de circuito de servo para atender às suas necessidades.
