Entenda as tecnologias e como escolher
A invenção do servomotor por volta de 100 anos atrás transformou as funcionalidades do movimento elétrico, permitindo um controle preciso de velocidade e posição para aplicações que vão de automação industrial a robótica, dispositivos médicos, controle de voo, máquinas CNC e muitas outras.
As tecnologias de servomotores evoluíram ao longo dos anos, expandindo o escopo de possibilidades de aplicação. Mas, por outro lado, criaram um dilema: qual tecnologia escolher para a aplicação? Vamos dar uma olhada nos motores CC de ímã permanente com escovas, motores CC sem escovas BLDC e motores CA de ímã permanente, avaliar os pontos fortes, os pontos fracos e os melhores usos de cada categoria.
Servomotores CC de ímã permanente com escovas
Inventada em 1926, a tecnologia mais antiga de servomotor usa um motor CC com escovas, um conceito que remonta a 1832. Os projetos comumente usados hoje incorporam ímãs permanentes no estator e bobinas de cobre enroladas nas laminações do rotor, com acionamento por meio de servo usando um dispositivo de feedback em tempo real, como um tacômetro.
O servodrive interpreta os sinais de feedback e modula a tensão fornecida ao motor em uma série de pulsos de largura variável, um processo conhecido como modulação de largura de pulso. Esses pulsos são comutados, ou seja, entregues às múltiplas fases das bobinas do rotor por meio de um interruptor rotativo que consiste em uma série de barras de cobre (o comutador) em contato com escovas fixas feitas de um material eletricamente condutor, como o grafite.
À medida que as bobinas são trocadas em sequência, elas geram um campo magnético giratório que interage com os ímãs permanentes para girar o rotor. Com base nos dados do dispositivo de feedback de velocidade, o drive usa modulação de largura de pulso para corrigir continuamente eventuais erros, por exemplo, para garantir velocidade e posicionamento consistentes do rotor, mesmo quando o motor está acionando cargas variáveis.
Vantagens dos servomotores CC com escovas
- Custo inicial mais baixo, embora a vida útil limitada possa anular essa vantagem.
- Alto torque no momento da partida e em velocidades baixas.
- Sistema de controle do motor relativamente simples.
Desvantagens dos servomotores CC com escovas
- Escovas gastas requerem substituição de rotina.
- Um comutador gasto requer retrabalho, novos rolamentos ou até mesmo a substituição do motor.
- A comutação física limita a transferência de energia e, se for excedida, pode ocasionar arco voltaico.
Servomotores CC sem escovas (BLDC)
Os motores CC sem escovas foram inventados na década de 1960, viabilizados pelos avanços na eletrônica baseada em semicondutores. Os primeiros modelos tinham potência limitada, mas os motores BLDC ganharam destaque na década de 1980 com a crescente disponibilidade de materiais potentes de ímã permanente. Hoje, esses motores são usados com muito mais frequência em aplicações industriais do que servomotores CC com escovas.
Sem escovas físicas em contato com um comutador giratório, o projeto básico de um motor BLDC é o inverso de um motor com escovas para melhorar a eficiência e o desempenho. As bobinas da armação são enroladas dentro do estator/estrutura em lâminas com ranhuras e os ímãs permanentes são fixados ao rotor.
Um dispositivo de feedback, como um encoder, relata continuamente a posição do rotor para o drive, que por sua vez comuta diretamente a tensão CC fornecida às bobinas para corrigir eventuais erros de rotação e alcançar a direção, velocidade e posição desejadas. Essa comutação eletrônica ocorre em etapas que imitam grosseiramente uma onda senoidal, em que a corrente em qualquer ponto de rotação é aplicada a duas fases, enquanto a terceira fase está sempre desligada.
Essa forma de onda em etapas resulta em ripple de torque, enquanto um efeito de cogging é criado pela atração entre o rotor de ímã permanente e a estrutura dentada do estator. Essas características dificultam o controle preciso e a operação suave em baixas velocidades, mas raramente são um problema em altas velocidades. Os motores sem ranhuras e sem dentes no estator eliminam o efeito de cogging, mas a operação suave em baixas velocidades ocorre à custa de um torque significativamente menor.
Vantagens dos servomotores CC sem escovas
- Controle preciso e responsivo de circuito fechado em velocidades médias a altas.
- Sem comutação física significa maior vida útil, maior eficiência e manutenção mínima.
- Capaz de atingir velocidades muito mais altas do que motores com escovas, com menor queda de torque.
Desvantagens dos servomotores CC sem escovas
- Eletrônica de acionamento e programação/ajuste mais complexos.
- O cogging e o ripple de torque podem prejudicar a suavidade e o controle a 200 rpm.
Servomotores CA de ímã permanente
Os servomotores CA síncronos de ímã permanente são a escolha preferencial para a maioria das aplicações que exigem controle preciso de posição e velocidade. Desenvolvida pela primeira vez na década de 1980, essa tecnologia tem melhorado continuamente devido aos avanços na eletrônica de acionamento, materiais de ímã permanente, tolerâncias de fabricação e outras inovações.
O design básico é semelhante ao de um servomotor BLDC. O estator externo consiste em bobinas de enrolamento trifásicas inseridas entre uma série de dentes de aço laminado. Um sistema de comutação eletrônica energiza essas bobinas em sequência para produzir um campo magnético rotativo, que interage com os ímãs permanentes no rotor interno para criar rotação.
Ao contrário dos motores de servomecanismo BLDC, a corrente de comutação para um motor de servomecanismo CA é entregue em forma de onda senoidal para as três fases, em função da posição do rotor. A corrente varia em amplitude e frequência para fornecer torque mais potente e controle mais preciso. A onda senoidal suave também minimiza os efeitos de cogging e ripple de torque.
Vantagens dos servomotores CA de ímã permanente
- Densidade de torque excepcional, eficiência e potência em um pacote relativamente compacto.
- Formatos, tamanhos e faixas de potência versáteis.
- Baixa inércia para resposta rápida a cargas e velocidades que mudam dinamicamente.
- Vida útil longa e confiável com manutenção mínima.
Desvantagens dos servomotores CA de ímã permanente
- Motores com ranhuras podem apresentar cogging em baixas velocidades, embora a comutação em onda senoidal e o firmware sofisticado do drive possam compensar esse efeito.
Guia de comparação de servomotores
| Servomotor CC | BLDC | Servomotor CA | |
|---|---|---|---|
| Fonte de alimentação | Corrente contínua | Corrente contínua, comutação | Corrente alternada |
| Eficiência | Menor eficiência | Alta eficiência | Eficiência mais alta |
| Controle de velocidade | Excelente (rpm limitado na extremidade superior) | Média | Excelente |
| Controle de posição | Excelente | Regular | Excelente |
| Manutenção e vida útil | Mais manutenção, vida útil mais curta | Pouca manutenção, vida útil mais longa | Pouca manutenção, vida útil mais longa |
| Densidade de torque | Largura | Alto | A maior |
| Suavidade | Boa (limitada pela resolução do feedback, taxas de atualização etc.) | Baixa (exceto pela vantagem em alta rotação) | A melhor (a capacidade dependa da resolução de feedback, taxas de atualização, rpm etc.) |
| Responsividade | Potência limitada | Bom | Melhor |
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