Um sistema servo é um sistema de controle de movimento em circuito fechado composto por três componentes principais: um atuador (o músculo), um dispositivo de controle (o cérebro), um elemento de feedback (os sentidos) e o cabo (o sistema nervoso). Esses elementos trabalham juntos para proporcionar um movimento preciso e repetível através de um feedback e correção contínuos.
Na automação industrial, o atuador é, na maioria das vezes, um servomotor, enquanto o dispositivo de controle é, normalmente, um servodrive, um controlador de movimento ou uma combinação dos dois. O elemento de feedback pode incluir um sensor da corrente, um codificador, um resolver ou até mesmo um sistema de visão, dependendo dos requisitos de desempenho da aplicação; o cabo completa o sistema servo, transportando energia, comunicação e sinais de feedback entre o motor, o drive e os elementos de controle. Cabos com blindagem e construção adequadas ajudam a manter a precisão, a confiabilidade e o desempenho geral do sistema.
Compreender como esses componentes funcionam individualmente e como trabalham juntos como um sistema de movimento integrado é a base para a seleção e otimização de aplicações servo.
Conclusões principais
- Os sistemas servo contam com cinco componentes integrados. Servomotores, drives, controladores, dispositivos de feedback e cabos trabalham juntos para proporcionar um controle de movimento preciso em circuito fechado.
- O desempenho do sistema depende da compatibilidade dos componentes. A seleção e integração adequadas de cada componente de movimento melhoram a precisão, a repetibilidade e a confiabilidade.
- Os requisitos da aplicação determinam a escolha do sistema servo. Os requisitos de carga, torque, precisão e coordenação determinam a combinação adequada entre motor, drive e dispositivo de feedback.
- A otimização de todo o sistema de movimento reduz os riscos. Adotar uma abordagem em nível de sistema simplifica a integração, melhora o desempenho e acelera o comissionamento.
O que um sistema servo faz?
Um sistema servo monitora e corrige continuamente o movimento do servomotor para atingir uma posição, velocidade ou torque comandados com alta precisão. Quando o controlador de movimento ou o servodrive envia um sinal ao motor para que ele se mova para uma posição específica, o motor começa a se mover, e o dispositivo de feedback sinaliza ao controlador de movimento ou ao servodrive para onde e a que velocidade o motor está se movendo. O controlador de movimento ou servodrive analisa então o feedback e determina se o motor atingiu a posição comandada. Caso contrário, o dispositivo de controle continua enviando sinais ao motor até receber a confirmação do dispositivo de feedback de que o motor atingiu a posição desejada.
Esse processo de controle de movimento em circuito fechado funciona de maneira muito semelhante ao do corpo humano — um notável sistema de movimento multieixos composto por centenas de músculos, diversos dispositivos de feedback e um sistema de controle que realiza ajustes rápidos. Por exemplo, quando você pega um copo d’água, seu cérebro envia sinais aos músculos, enquanto seus olhos e o sentido do tato fornecem continuamente feedback sobre a localização do copo e o movimento da sua mão. Sem que você perceba, seu cérebro faz inúmeras correções até que sua mão alcance o alvo. Um sistema servo realiza esse mesmo ciclo contínuo de comando, feedback e correção — mas em microssegundos. Os sistemas servo industriais modernos utilizam controladores sofisticados, diversos dispositivos de feedback e processadores de alta velocidade para executar esses ajustes com precisão excepcional.
Quais são os principais componentes de um sistema servo?
Cada um dos elementos básicos de um sistema servo desempenha uma função distinta, mas interdependente. A discriminação de um sistema servo industrial típico inclui:
- Servomotor – O músculo do sistema, disponível em diversas tecnologias, incluindo com escovas ou sem escovas, com carcaça ou sem carcaça e linear ou rotativo. O servomotor produz o torque necessário para acelerar e mover a carga.
- Servodrive – Pode ser tanto o cérebro do sistema quanto uma parte do cérebro. Os servodrives simples podem controlar o torque e/ou a velocidade, enquanto os servodrives de nível superior oferecem recursos adicionais e podem ser configurados como posicionadores com recursos de programação. Um drive compatível com o servomotor controla a tensão e a corrente que o motor recebe.
- Controlador servo – O cérebro do sistema, que utiliza um ambiente de programação para oferecer diversas opções de controle da máquina, operação de entradas e saídas e interconexão com uma interface gráfica de usuário. Os controladores servo podem ser autônomos ou integrados a servodrives.
- Dispositivo de feedback – Os sentidos do sistema, normalmente integrados ao servomotor. O elemento de feedback pode consistir em um codificador, um resolver, um dispositivo de feedback linear, um tacômetro ou outro sensor. Sistemas de controle sofisticados podem incluir formas mais avançadas de feedback, como um sistema de visão.
- Cabos – O sistema nervoso do sistema servo, interligando o feedback, a comunicação e a energia entre o cérebro, os músculos e os sentidos.
Que tipo de dispositivo de feedback é utilizado em um sistema servo?
O dispositivo de feedback de um sistema servo informa a posição e a velocidade do motor ao dispositivo de controle em tempo real, possibilitando a correção em circuito fechado que define o desempenho do servo. Os dispositivos de feedback mais comuns são os codificadores e os resolvers, que normalmente são integrados diretamente ao servomotor.
Os codificadores (incrementais ou absolutos) convertem a posição do eixo em sinais digitais e são amplamente usados em aplicações industriais de controle de movimento. Os resolvers são dispositivos analógicos valorizados por sua robustez em ambientes adversos. Aplicações mais exigentes podem incorporar dispositivos de feedback linear para medição direta da posição linear, tacômetros para feedback de velocidade ou sistemas de visão para feedback espacial complexo.
Os requisitos de precisão da aplicação determinam a escolha do dispositivo de feedback. Quanto maior for a resolução do feedback, maior será a precisão posicional e melhor será o desempenho do circuito de controle. Para um aprofundamento, confira nosso informativo técnico sobre como selecionar o dispositivo de feedback de posição adequado para servomotores.
Como selecionar o servomotor e o drive adequados para a sua aplicação
A seleção do servomotor e do drive adequados exige uma análise estruturada dos requisitos de desempenho do sistema. A quantidade de torque necessária para acelerar e movimentar a carga determina o tamanho do servomotor, o que, por sua vez, condiciona a escolha do servodrive. O processo a seguir abrange os principais pontos de decisão:
1. Definir os requisitos de carga e torque
Calcule o torque e as exigências de inércia da aplicação, incluindo aceleração, desaceleração e cargas operacionais contínuas. Isso determina o tamanho mínimo do servomotor.
2. Determinar a precisão necessária, os requisitos de feedback e segurança
Os requisitos de precisão, desempenho e segurança da aplicação determinam o tipo de dispositivo de feedback e os recursos de segurança funcional necessários no sistema de drive. Aplicações de alta precisão geralmente exigem codificadores absolutos de alta resolução.
3. Adequar o servodrive ao motor
Selecione um servodrive adequado para a tensão, corrente e interface de comunicação do motor. Um drive e um motor adequadamente combinados garantem um controle em circuito fechado estável e protegem ambos os componentes contra a operação fora de seus parâmetros nominais.
4. Avaliar os requisitos de coordenação e de controladores
O número de eixos, o nível de coordenação entre os eixos e a velocidade de resposta necessária determinam se um servodrive autônomo com capacidade de posicionamento integrada é suficiente ou se é necessário um controlador servo específico.
5. Verificar os cabos e a integração do sistema
Verifique se os cabos de feedback, comunicação e energia estão especificados de acordo com o ambiente e a arquitetura do sistema. Os cabos são o sistema nervoso do sistema de servocontrole. Cabos subdimensionados ou incompatíveis causam erros de sinal que podem afetar o desempenho.
Próxima etapa: início do processo de seleção
Organizar tudo isso pode ser uma tarefa considerável. Se você estiver selecionando um sistema servo para o design de uma nova máquina, deixe que os especialistas em controle de movimento da Kollmorgen ajudem a identificar a combinação ideal para os requisitos da sua aplicação.
Você também pode se aprofundar em cada etapa do processo com estes recursos relacionados:
- Como escolher um servomotor – saiba como o torque, a velocidade, a inércia, as dimensões físicas e as condições ambientais influenciam a escolha do motor.
- Como escolher um servodrive – entenda como a tensão, a corrente, as opções de feedback e os protocolos de comunicação determinam o drive certo para a sua aplicação.
- Como iniciar: dimensionamento e seleção de servos – explore uma abordagem em nível de sistema para o dimensionamento de motores, drives, dispositivos de feedback e cabos, visando o desempenho ideal da máquina.
- Como escolher os cabos adequados para o seu sistema – saiba como o design do cabo, a blindagem e as condições ambientais afetam a integridade do sinal, a confiabilidade e o desempenho geral do sistema.
Perguntas Frequentes
Como um sistema servo difere de um sistema de movimento em circuito aberto?
Um sistema servo usa feedback em circuito fechado para monitorar e corrigir continuamente a posição, a velocidade ou o torque do motor, enquanto um sistema em circuito aberto opera sem verificar o movimento real. Como os sistemas servo detectam e corrigem erros em tempo real, eles oferecem maior precisão, melhor desempenho dinâmico e operação mais confiável em aplicações exigentes de controle de movimento.
Qual é a diferença entre um servodrive e um controlador servo?
Um servodrive regula a tensão e a corrente fornecidas ao servomotor, enquanto um controlador servo gerencia as funções de nível superior da máquina, como sequenciamento de movimentos, coordenação e E/S. Alguns servodrives avançados combinam as duas funções, enquanto outros exigem um controlador separado. Saiba mais sobre as diferenças entre servodrives e controladores de movimento.
Um servodrive pode funcionar como um controlador servo?
Os servodrives de nível superior podem incorporar recursos de posicionamento e programação, permitindo que funcionem como um drive e controlador combinados para aplicações de eixo único ou multieixo sem a necessidade de um controlador de movimento separado. No entanto, no caso de máquinas complexas que exigem movimentos coordenados em multieixos, os controladores servo específicos oferecem gerenciamento de E/S mais abrangente, ambientes de programação e interfaces gráficas de usuário que os servodrives autônomos não oferecem.
De que forma o dispositivo de feedback afeta o desempenho do sistema servo?
O dispositivo de feedback determina diretamente a precisão posicional e a resposta dinâmica do sistema de servocontrole, pois uma maior resolução de feedback permite circuitos de controle mais fechados e maior precisão de movimento. Os codificadores e os resolvers são os dispositivos de feedback mais comuns em sistemas servoindustriais, mas aplicações que exigem precisão extrema ou que enfrentam condições ambientais adversas podem exigir dispositivos de feedback linear, tacômetros ou sistemas de visão para atingir o desempenho necessário.
