Apostila Parker Motores CC Passo

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Tecnologia Eletromecnica

Apostila 1600.231.01 BR Outubro 2003

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V 30

4 L6 OXX1 G T 1P A 150 D 4 0 0 0 R

Pense em Qualidade, Pense ParkerPara ns da Parker, a qualidade alcanada quando suas expectativas so atendidas, tanto em relao aos produtos e suas caractersticas, quanto aos nossos servios. Nosso maior objetivo corresponder a todas as suas expectativas da melhor maneira possvel. A Parker Hannifin implementou substanciais modificaes, em sua organizao e mtodos de trabalho, a fim de satisfazer os requisitos do Sistema de Garantia de Qualidade ISO 9001e QS-9000. Este sistema controla a garantia de qualidade dos processos atravs de toda a organizao, desde o projeto e planejamento, passando pelo suprimento e produo, at a distribuio e servios. A Parker Hannifin est certificada pelo ABS - Quality Evaluations, Inc. desde 13/05/94 na ISO 9001 e em 26/11/99 teve seu certificado graduado para a norma automotiva QS-9000 Terceira Edio. Este certificado a certeza de que a Parker trabalha ativa e profissionalmente para garantir a qualidade de seus produtos e servios e a sua garantia segurana de estar adquirindo a melhor qualidade possvel. Isto significa que como cliente voc pode ter total credibilidade em ns como seu fornecedor, sabendo que iremos atender plenamente as condies previamente negociadas. Voc pode ter certeza de que sendo certificada pela ISO 9001 e QS-9000, a Parker: - Tem implementado um sistema de garantia de qualidade documentado, avaliado e aprovado. Assim voc no precisa inspecionar e testar os produtos recebidos. - Trabalha com fornecedores qualificados e aplica o princpio de perda zero em todo o processo de produo. Todos os componentes agregados ao produto satisfazem os mais altos requisitos de qualidade. - Trabalha para garantir que o projeto do produto atenda a qualidade requerida. O trabalho realizado com garantia de qualidade oferece solues racionais e reduz custos. - Previne as no conformidades dos processos em todos os estgios, com qualidade permanente e conforme especificaes. - Tem como objetivo permanente o aumento da eficincia e a reduo de custos sendo que, como cliente, isto lhe proporciona maior competitividade. - Trabalha para atender suas expectativas da melhor forma possvel, oferecendo sempre o produto adequado, com a melhor qualidade, preo justo e no prazo conveniente.

Para voc, cliente Parker, isto no nenhuma novidade. Qualidade Parker, sem dvida, uma grande conquista!

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ADVERTNCIA

SELEO IMPRPRIA, FALHA OU USO IMPRPRIO DOS PRODUTOS E/OU SISTEMAS DESCRITOS NESTE CATLOGO OU NOS ITENS RELACIONADOS PODEM CAUSAR MORTE, DANOS PESSOAIS E/OU DANOS MATERIAIS. Este documento e outras informaes contidas neste catlogo da Parker Hannifin Ind. e Com. Ltda. e seus Distribuidores Autorizados, fornecem opes de produtos e/ou sistemas para aplicaes por usurios que tenham habilidade tcnica. importante que voc analise os aspectos de sua aplicao, incluindo conseqncias de qualquer falha, e revise as informaes que dizem respeito ao produto ou sistemas no catlogo geral da Parker Hannifin Ind. e Com. Ltda. Devido variedade de condies de operaes e aplicaes para estes produtos e sistemas, o usurio, atravs de sua prpria anlise e teste, o nico responsvel para fazer a seleo final dos produtos e sistemas e tambm para assegurar que todo o desempenho, segurana da aplicao e cuidados sejam atingidos. Os produtos aqui descritos com suas caractersticas, especificaes, desempenhos e disponibilidade de preo so objetos de mudana pela Parker Hannifin Ind. e Com. Ltda., a qualquer hora, sem prvia notificao.

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Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

Apostila 1600.231.01 BR


Introduo

Introduo

A Diviso de Eletromecnica da Parker, com uma das mais completas gamas de produtos jamais oferecida ao mercado, oferece solues para uma ampla variedade de aplicaes no campo do controle do movimento. Alm de drives, motores e controladores h diversos sistemas mecnicos de posicionamento e produtos de apoio. Esta gama completa de hardware complementada por software sofisticado de interface e de operao que visa simplificar o processo de anlise de sistemas, seleo da motorizao, gerao de programas, e setup do sistema. Todos os produtos so fornecidos e tm o suporte de Centros de Tecnologia de Automao que oferecem aconselhamento tcnico especializado, auxiliando desde o conceito inicial at a colocao em operao e apoio ps-vendas. Este manual pretende servir de acompanhamento aos catlogos de produto da Eletromecnica da Parker e cobre de forma bsica a tecnologia e as aplicaes dos produtos, e contm tambm informaes de referncia para aplicaes e engenharia.

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ndice

ndiceViso Geral da Tecnologia ........................................................................................................................................................... 3

Parte I - Princpios BsicosMotores de Passo ........................................................................................................................................................................ 5 Motores CC com Escova ........................................................................................................................................................... 13 Motores sem Escova ................................................................................................................................................................. 15 Motores de Passo ...................................................................................................................................................................... 19 Motores com Escova DC ........................................................................................................................................................... 24 Servomotores sem Escova Brushless ...................................................................................................................................... 26 Dispositivos de Feedback .......................................................................................................................................................... 28 Comparao entre as Tecnologias de Motor de Passo e Servomotor ..................................................................................... 33

Parte II - AplicaesClculos de Torque e Inrcia ..................................................................................................................................................... 35 Dimensionamento de Transformadores para Sistemas de Posicionamento ........................................................................... 39 Frenagem Dinmica de Servomotores ...................................................................................................................................... 40 Introduo Programao de Cdigo X ................................................................................................................................... 42 Resoluo de Problemas em Comunicao RS232 ................................................................................................................. 45 Princpios de Instalao EMC ................................................................................................................................................... 46 Motores, Instalao Eltrica ...................................................................................................................................................... 46 Motores, Instalao Mecnica ................................................................................................................................................... 47 Paradas de Emergncia ............................................................................................................................................................ 52 Aterramento de Segurana ....................................................................................................................................................... 53 Sensores de Limite em Aplicaes de Segurana Crtica ........................................................................................................ 54

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Informaes Complementares

Tecnologia Eletromecnica Viso Geral da Tecnologia O sistema de ControleA tarefa desempenhada de fato pelo motor determinada pelo indexador/controlador; ele envia parmetros como velocidade, distncia, direo e taxa de acelerao. A funo de controle pode estar distribuda entre um controlador hospedeiro, como um computador industrial, e uma unidade escrava que aceita comandos de alto nvel. Em um sistema multi-eixos, um controlador poder operar em conjunto com diversos drives e motores. Estaremos vendo cada um destes elementos do sistema, bem como sua relao entre si.

Viso Geral da TecnologiaO controle de movimento, em seu sentido mais amplo, pode se relacionar a qualquer coisa, de um rob de solda ao sistema hidrulico de um guindaste mvel. No campo do Controle Eletrnico de Movimento, nos ocupamos principalmente com sistemas que se enquadram em uma gama de potncia limitada, tipicamente at cerca de 10KW, e que requerem preciso em um ou mais aspectos. Isto pode envolver o controle preciso da distncia ou da velocidade, muitas vezes dos dois, e s vezes de outros parmetros tais como torque ou taxa de acelerao. No caso dos dois exemplos acima, o rob de solda requer o controle preciso tanto da velocidade quanto da distncia; o sistema de guindaste hidrulico emprega o drive como sistema de feedback, portanto sua preciso varia com a habilidade do operador. Neste contexto, este no seria considerado um sistema de controle de movimento. Nosso sistema padro de controle eletrnico de movimento consiste de trs elementos bsicos:Comandos de Alto NvelComputador ou PLC

Seleo da Tecnologia do MotorA seo "Comparativo de Tecnologia" deste manual estabelece, em linhas gerais, os mritos relativos a cada tecnologia de motor e discute o tipo de aplicao adequado a cada uma. A tabela na pgina a seguir permite uma viso geral das consideraes de escolha e pode ser utilizada como guia geral para se chegar ao tipo mais adequado de motor. Lembre-se de que muitas aplicaes podem ser igualmente atendidas por mais de uma tecnologia de motor, e podero haver outras consideraes que influenciem a escolha, como compatibilidade com equipamentos existentes ou preferncias do cliente. No entanto, em termos gerais, o sistema de passo oferece a soluo de mais baixo custo, enquanto o servomotor brushless oferece o melhor desempenho em geral.

Sinais de Comando Indexador/ Controlador Drive Motor Passo Hbrido Servo CC Servomotor Brushless Passo Linear

Fig. 1.1 Elementos de um sistema de controle de movimento.

O MotorEste pode ser um motor de passo (rotativo ou linear), um motor CC com escova ou um servomotor brushless. O motor deve ser dotado de algum tipo de dispositivo para feedback, a no ser que seja um motor de passo. A Fig. 1.2 mostra um sistema completo, com feedback para controle da velocidade e posio do motor. Este sistema conhecido como servosistema de malha fechada de controle de velocidade.Encoder

Controlador

Drive

Motor

Circuito de feedback

Fig. 1.2 Servosistema de malha fechada de controle de velocidade.

O DriveTrata-se de um amplificador eletrnico de potncia que fornece a energia para a operao do motor em resposta a sinais de controle de baixa tenso. Em geral, o drive projetado especificamente para operar com um tipo particular de motor - no se pode empregar um drive para motor de passo na operao de um motor CC com escova, por exemplo.

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Informaes Complementares

Tecnologia Eletromecnica Tabela de Seleo da Tecnologia

Tabela de Seleo da TecnologiaInicie AquiUm motor de passo atender aos requisitos de torque/velocidade? No A taxa de inrcia da carga em relao ao motor superior a 10:1? Sim No Use um sistema de servomotor brushless

Sim A carga muda rapidamente durante a operao? Sim

Voc precisa operar continuamente acima de 120 rpm?

No Voc precisa operar continuamente acima de 2000 rpm?

No Sim Considere um sistema direct drive

Sim Utilize um servomotor brushless com caixa de transmisso (redutor planetrio)

No Sim

Voc precisa controlar o torque? No

A suavidade a baixas velocidades importante?

No

Considere um drive de mini passo preciso detectar perda de posio ou medir a posio real da carga para correo de folga? Sim

Sim importante um tempo curto para alcanar o set-point? No

Tente um drive de micro passo

Sim Utilize um drive de micro passo com viscosidade eletrnica a amortecimento ativo

Adicione realimentao com encoder no Controlador

Fig. 1.3 Tabela para seleo de tecnologia.

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Princpios Bsicos

Tecnologia Eletromecnica Motores de Passo Motores de Relutncia Varivel (V.R.)Um motor V.R. no possui magneto permanente, portanto o rotor gira livremente sem torque de reteno. A sada de torque para uma dada dimenso da estrutura restrita, embora a taxa de torque por inrcia seja boa, sendo que este tipo de motor freqentemente empregado em pequenas dimenses para aplicaes como mesas de microposicionamento. Motores V.R. so pouco utilizados em aplicaes industriais. No possuindo magneto permanente, eles no so sensveis polaridade da corrente e necessitam de um arranjo de drive diferente dos outros tipos de motor.S N

Motores de PassoH trs tipos principais de motores de passo:n Motores de magneto permanente (P.M.) n Motores de relutncia varivel (V.R.) n Motores hbridos

N S S N NS N S N S

N N

S N S S S N S N

Fig. 2.1 Motor tipo canstack, ou de magneto permanente.

Fig. 2.3 Motor de relutncia varivel.

Motores de Magneto Permanente (P.M.)O motor do tipo canstack mostrado nas Figuras 2.1 e 2.2 talvez o tipo de motor mais amplamente utilizado para aplicaes no industriais. Ele essencialmente um dispositivo de baixo custo, baixo torque e baixa velocidade ideal para aplicaes em campos como perifricos de informtica. A construo do motor resulta em ngulos de passo relativamente grandes, porm a simplicidade geral permite a produo em larga escala a custo muito baixo. O motor de vo axial ou disco uma variao do projeto de magneto permanente que apresenta um melhor desempenho, em grande medida devido inrcia muito baixa do motor. No entanto, isto restringe as aplicaes do motor s que envolvem baixa inrcia caso seja exigido todo o desempenho do motor.Rotor

Motores HbridosO motor hbrido mostrado na Fig. 2.4 , de longe, o motor de passo mais utilizado em aplicaes industriais. O nome proveniente do fato de que ele combina os princpios operacionais dos outros dois tipos de motores (PM e VR). A maioria dos motores hbridos de 2 fases, embora sejam utilizadas verses de 3 e 5 fases. Um outro desenvolvimento o motor hbrido aperfeioado (enhanced hybrid), que emprega magnetos para focagem do fluxo que propiciam um aumento significativo no desempenho, muito embora a um custo maior.Eixo de ao inoxidvel no magntico

Mancal Pr-lubrificado

Proteo do estator A

Espira A

Espira B

CarcaaProteo do estator B Eixo de sada

Rotor

Estator

Fig. 2.4 Motor de passo hbrido.

Diagrama cortesia da Airpax Corp., EUA

A operao do motor hbrido pode ser compreendida mais facilmente analisando-se um modelo muito simples que produzir 12 passos por revoluo (Fig. 2.5).

Fig. 2.2 Vista em corte de motor com magneto permanente.5Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

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Princpios Bsicos1A

Tecnologia Eletromecnica Motores de PassoMudando-se o fluxo da corrente do primeiro para o segundo conjunto de espiras do estator (b), o campo do estator rotaciona 90 e atrai um novo par de plos do rotor. Como resultado o rotor gira 30, correspondendo a um passo completo. A reverso do primeiro conjunto de espiras do estator, porm com sua energizao na direo oposta rotacionamos o campo do estator mais 90 e o rotor efetua mais um passo de 30 (c). Finalmente, o segundo conjunto de espiras energizado na direo oposta (d) para propiciar uma terceira posio de passo. Podemos agora retornar primeira condio (a), e, aps estes quatro passos, o rotor ter se movido pelo equivalente a uma largura de dente (tooth pitch). Este motor simples executa portanto 12 passos por revoluo. Obviamente, caso as bobinas sejam energizadas na seqncia inversa, o motor girar no sentido oposto. Caso duas bobinas sejam energizadas simultaneamente (Fig. 2.7), o rotor assume uma posio intermediria, pois fica igualmente atrado por dois plos do estator. Esta condio produz um torque maior, pois todos os plos do estator esto influenciando o motor. Pode-se fazer o motor dar um passo completo simplesmente revertendo-se a corrente em um conjunto de espiras; isto provoca uma rotao de 90 dos campos do estator, como no caso anterior. Na verdade, esta seria a forma normal de acionamento do motor no modo de passo completo, sempre mantendo as duas espiras energizadas e revertendo-se a corrente em cada espira, alternadamente.

N S N S N S N S

2A

2B

1B

Fig. 2.5 Motor hbrido simples de 12 passos/revoluo.

O rotor desta mquina consiste de duas peas de plo com trs dentes cada uma. Entre estas peas de plo h um magneto permanente magnetizado em paralelo com o eixo do rotor, tornando uma ponta um plo norte e a outra um plo sul. Os dentes so defasados nas extremidades norte e sul conforme mostrado no diagrama. O estator consiste de uma carcaa com quatro dentes que tem toda a extenso do rotor. As bobinas so enroladas sobre os dentes do estator e esto conectadas aos pares. No havendo corrente fluindo em nenhuma espira do motor, o rotor tender a assumir uma das posies mostradas na Fig. 2.6. Isto se deve ao fato do magneto permanente no rotor estar tentando minimizar a relutncia (ou resistncia magntica) do percurso do fluxo de uma extremidade outra. Isto ocorrer quando um par de dentes do rotor nos plos norte e sul estiverem alinhados com dois plos do estator. O torque que tende a manter o motor em uma destas posies em geral pequeno, e chamado de torque detentor. O motor mostrado ter 12 posies possveis de deteno. Caso, agora, a corrente atravesse um par das espiras do estator, como mostrado na Fig. 2.6(a), os plos norte e sul, resultantes no estator, atrairo os dentes de polaridade oposta em cada extremidade do rotor. H agora apenas trs posies estveis para o rotor, o mesmo nmero de dentes do rotor. O torque requerido para defletir o motor para fora de sua posio de estabilidade agora muito maior, e chamado de torque de reteno.(a)N S N S N S N N S S N S N S N S

N N N S N S S S N S N S

S N S N N S N S

S S S N S N N N S N S N

N S N S S N S N

(b)

Fig. 2.7 Passo completo, duas fases ligadas.

(c)S N S N S N S

(d)

S S N S

N S N N

N

Energizando-se alternadamente uma e depois duas espiras (Fig. 2.8), o rotor se movimenta por apenas 15 em cada estgio, e o nmero de passos por revoluo ser dobrado. Isto denominado meio passo (half-stepping), e a maioria das aplicaes industriais emprega este modo de passo. Embora haja s vezes uma pequena perda de torque, este modo resulta em uma suavidade muito melhor a baixas velocidades, e menos overshoot e oscilao (ringing) ao final de cada passo.

Fig. 2.6 Passo completo, uma fase ligada.

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Princpios Bsicos

Tecnologia Eletromecnica Motores de Passo

1S S S N S N N S N S S N S N N N S S N N S N N S N S

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Fase 1

Fase 2

Fig. 2.8 Meio passo.

Fig. 2.9 Corrente de passo completo, duas fases ligadas.

Padres de Corrente nas Espiras do MotorQuando o motor acionado em seu modo de passo completo, energizando-se duas espiras, ou fases, por vez (veja a Fig.2.9), o torque disponvel em cada passo ser o mesmo (estando sujeito a variaes muito pequenas nas caractersticas do motor e do drive). No modo de meio passo, estamos alternadamente energizando duas fases e ento apenas uma, como mostrado na Fig. 2.10. Supondo que o drive fornea a mesma corrente para as espiras nos dois casos, isto far com que seja produzido um torque maior quando houverem duas espiras energizadas. Em outras palavras, os passos sero alternadamente fortes e fracos. Isto no significa uma limitao importante no desempenho do motor - o torque disponvel obviamente limitado pelo passo mais fraco, porm haver uma melhoria significativa na suavidade do movimento a baixas velocidades no modo de passo completo. Obviamente, gostaramos de produzir um torque aproximadamente igual em todos os passos, e este torque deveria estar ao nvel do passo mais forte. Podemos obter isso empregando um nvel mais alto de corrente quando houver apenas uma espira energizada. Isto no provoca dissipao excessiva do motor pois a classificao de corrente do fabricante supe que duas fases estejam sendo energizadas (a classificao de corrente se baseia na temperatura permissvel na carcaa). Com apenas uma fase energizada, se dissipar o mesmo total caso a corrente seja elevada em 40%. Empregando esta corrente mais alta no estado de apenas uma fase ligada produz um torque aproximadamente igual nos passos alternados (veja a Fig. 2.11).1 2 3 4 5 6 7 8

Fase 1

Fase 2

Fig. 2.9 Corrente de passo completo, duas fases ligadas com correo de corrente.

Micro-passoVerificamos que energizar as duas fases com correntes iguais produz uma posio de passo intermediria a meio caminho entre as posies em que h uma fase nica ligada. Caso as correntes nas duas fases sejam desiguais, a posio do rotor ser deslocada em direo ao plo mais forte. Este efeito empregado no drive de micro-passo, que subdivide o passo bsico do motor estabelecendo uma escala proporcional da corrente nas duas espiras. Desta forma, o tamanho do passo diminudo e a suavidade do movimento em baixas velocidades sensivelmente melhorada. Os drives de micro-passo de alta resoluo dividem o passo do motor em at 500 micro-passos, propiciando 100.000 passos por revoluo. Nesta situao, o padro de corrente nas espiras muito semelhante a ondas senoidais com um deslocamento de fase de 90 entre elas (veja a Fig. 2.12). O motor est agora sendo acionado de forma muito semelhante ao que seria um motor sncrono CA convencional. Na verdade, o motor de passo pode ser acionado desta forma a partir de uma fonte com onda seno de 50 Hz com a incluso de um capacitor em srie com uma das fases. Ele girar a 60 rpm.Corrente da Fase 1:

1

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Fase 1+ -

Fase 2

Corrente da Fase 2:

+ -

Fig. 2.9 Corrente de passo completo, duas fases ligadas.

Fig. 2.12 Correntes de fase no modo de micro-passo.

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Princpios Bsicos O Motor Hbrido Padro de 200 PassosO motor de passo padro opera da mesma forma que nosso modelo simples, porm possui um nmero maior de dentes no rotor e no estator, o que propicia um tamanho menor para o passo bsico. O rotor construdo em duas sees como anteriormente, porm possui 50 dentes em cada seo. O deslocamento de meio dente entre as duas sees foi mantido. O estator possui 8 plos, cada um com 5 dentes, perfazendo um total de 40 dentes (veja a Fig. 2.13).

Tecnologia Eletromecnica Motores de PassoCaso um motor seja dessincronizado, o erro posicional resultante sempre ser equivalente a um nmero inteiro de dentes do rotor ou um mltiplo de 7,2. O motor, propriamente dito, no pode perder passos individuais - erros de posio, de um ou dois passos, devem ser atribudos a rudo, pulsos de passo falsos ou perdidos, ou falha do controlador.

Espiras BifilaresA maior parte dos motores descrita como sendo de espiras bifilares, o que significa que h dois conjuntos idnticos de espiras em cada plo. Dois filamentos so enrolados juntos como se fossem uma nica bobina. Isto produz dois enrolamentos que so quase idnticos eltrica quanto magneticamente - se ao invs disso uma bobina fosse enrolada sobre a outra, mesmo tendo o mesmo nmero de voltas, as caractersticas magnticas seriam diferentes. Em termos simples, enquanto quase a totalidade do fluxo da bobina interna fluiria pelo ncleo ferroso, parte do fluxo da bobina externa fluiria pelo enrolamento da bobina interna. A origem da espira bifilar data do drive unipolar (veja a seo de Tecnologia de Drives). Ao invs de ser preciso reverter a corrente em uma espira, o campo poder ser revertido transferindo-se a corrente para uma segunda bobina enrolada na direo oposta. (Embora as duas bobinas sejam enroladas da mesma forma, trocando-se suas pontas produz-se o mesmo efeito.) Portanto, com um motor de espiras bifilares, pode-se manter um projeto simples para o drive. No entanto, este requisito j praticamente desapareceu atualmente, com a ampla disponibilidade do drive bipolar, de maior eficincia. No entanto, os dois conjuntos de espiras realmente proporcionam uma flexibilidade maior, e veremos que diferentes mtodos de conexo podem ser empregados para propiciar caractersticas alternativas para torque e velocidade. Caso todas as bobinas em um motor bifilar sejam retiradas separadamente, teremos um total de 8 terminais (veja a Fig. 2.14). Esta a configurao mais comum, pois propicia a maior flexibilidade. No entanto, h ainda alguns poucos motores que so produzidos com apenas 6 terminais, com um terminal atuando como conexo comum a cada espira num par bifilar. Este arranjo limita a flexibilidade, pois as espiras no podem ser conectadas em paralelo. Alguns motores so construdos com apenas 4 terminais, porm estes no tm espiras bifilares e no podem ser utilizados com um drive unipolar. Obviamente no h um modo alternativo de conexo para um motor de 4 terminais, porm para muitas aplicaes isto no constitui desvantagem, e ainda se evita o problema do isolamento de terminais no utilizados.

Fig. 2.13 Motor hbrido de 200 passos.

Se imaginarmos que um dente est colocado em cada um dos intervalos entre os plos do estator, haveria um total de 48 dentes, dois a menos do que o nmero de dentes do rotor. Portanto, se os dentes do rotor e do estator estiverem alinhados na posio vertical superior (correspondente posio de 12 horas de um ponteiro de relgio), eles tambm estaro alinhados na posio vertical das 6 horas. Nas posies correspondentes a 3 e 9 horas os dentes estaro desalinhados. No entanto, devido ao deslocamento entre os conjuntos de dentes do rotor, o alinhamento ocorrer nas posies correspondentes a 3 e 9 horas na outra extremidade do rotor. As espiras esto arranjadas em conjuntos de quatro, e enroladas de forma tal que os plos diametricamente opostos so equivalentes. Portanto, em referncia Fig. 2.13, os plos norte nas posies de 12 e 6 horas atraem os dentes plo sul na parte frontal do rotor; e os plos sul nas posies de 3 e 9 horas atraem os dentes plos norte na parte traseira. Ao se mudar a corrente para o segundo conjunto de bobinas, o padro do campo magntico do estator rotaciona 45. No entanto, para alinhar este novo campo, o rotor precisa girar apenas 1,8. Isto equivale a um quarto de giro de dente no rotor, o que resulta em 200 passos por revoluo. Observe que h o mesmo nmero de posies detentoras quanto passos por revoluo, normalmente 200. As posies detentoras correspondem aos dentes do rotor estando totalmente alinhados com os dentes do estator. Ao se aplicar energia a um drive de passo, usual que ele se energize no estado de fase zero, onde h corrente em ambos os conjuntos de espiras. A posio resultante do rotor no corresponde a uma posio detentora natural, portanto um motor sem carga se mover, pelo menos, meio passo no momento da energizao. claro que, se o sistema foi desligado num estado diferente do de fase zero, ou se o motor for movimentado enquanto desligado, poder ocorrer um movimento maior no momento da energizao. Outro ponto a se lembrar o de que, para um dado padro de corrente nas espiras, o nmero de posies estveis igual ao de dentes do motor (50 para um motor de 200 passos). 8

4 terminais

5 terminais

6 terminais

8 terminais

Fig. 2.14 Configuraes de terminais de motores.

Ocasionalmente pode-se encontrar um motor de 5 terminais. Estes no so recomendados, pois no podem ser utilizados com Drives bipolares convencionais, pois requerem isolamento adicional entre as fases.Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

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Princpios BsicosObservando-se um corte longitudinal do motor (Fig. 2.15), podemos ver o magneto permanente no rotor e o caminho do fluxo atravs das peas que constituem os plos e o estator. O fluxo alternado produzido pelas espiras do estator flui em um plano perpendicular pgina, e portanto os dois caminhos do fluxo esto em ngulo reto entre si e interagem apenas nas peas que constituem os plos do rotor. Esta uma caracterstica importante do motor hbrido - isto significa que o magneto permanente no rotor no enxerga o campo alternado das espiras, e portanto no produz um efeito desmagnetizante. Diferente do servomotor CC, quase impossvel de se desmagnetizar um motor de passo aplicandose corrente excessiva. No entanto, um excesso de corrente danificar o motor de outras maneiras. O calor excessivo poder derreter o isolamento ou o suporte das espiras, e poder amolecer o material colante que une as laminaes do rotor. Caso isto ocorra e as laminaes sejam deslocadas, os sintomas podem ser os mesmos que os de uma desmagnetizao do rotor.

Tecnologia Eletromecnica Motores de Passosees, de magneto ao mesmo eixo (Fig. 2.16). Uma segunda seo permitir a produo do dobro de torque, e duplicar a inrcia, portanto mantendo a mesma relao de torque-inrcia. Da, para cada tamanho do flange os motores de passo so normalmente produzidos em verses com sees de magneto simples, duplo e triplo.

Fig. 2.16 Motor de passo hbrido com seo tripla.

Como regra genrica, a relao de torque-inrcia reduzida numa relao quadrtica com cada aumento do dimetro do flange. Portanto, girando livremente, um motor tamanho 34 pode acelerar duas vezes mais rpido do que um motor tamanho 42, independente do nmero de sees.Forcer Magneto Permanente Eletro-magneto Fase A Eletro-magento Fase B Espiras ds Campos Dentes do Platinado Vo de Ar

N

S

Fig. 2.15 Corte longitudinal de um motor com simples magnento.

Platen

{

{

{

A1

A Fig. 2.15 mostra tambm que o fluxo do rotor precisa cruzar apenas um pequeno vo de ar (tipicamente menos de 0,1 mm) quando o rotor est em posio. Magnetizando-se o rotor aps a montagem, obtm-se uma elevada densidade de fluxo, que ser em grande parte destruda caso o rotor seja retirado. Portanto, os motores de passo jamais devem ser desmontados apenas para satisfao da curiosidade, pois neste caso a vida til do motor chegar certamente ao fim. Como o eixo do motor passa atravs do centro do magneto permanente, deve ser utilizado um material no magntico para se evitar um curto-circuito. Eixos de motores de passo so portanto feitos de ao inoxidvel, e devem ser manuseados com cuidado. Motores de pequenos dimetros so particularmente vulnerveis, e, caso sofram uma queda sobre a ponta do eixo, tero inevitavelmente o eixo entortado.

A2 B1 Faces dos Plos

Fig. 2.17 Motor de passo linear.

Motores de Passo LinearesO motor de passo linear essencialmente um motor de passo que foi desenrolado para operar em linha reta. O componente mvel denominado Forcer, e movimenta-se ao longo de um elemento fixo, ou base. Para fins operacionais, a base equivale ao rotor em um motor de passo normal, embora seja um dispositivo inteiramente passivo e no seja dotado de magneto permanente. O magneto incorporado ao Forcer Mvel, juntamente com as bobinas (veja a Fig. 2.17). O Forcer equipado com peas de 4 plos, cada uma possuindo 3 dentes. Os dentes so escalonados no sentido do comprimento em relao aos dentes da base, assim, alternando-se a corrente nas bobinas far com que o conjunto de dentes seguintes se alinhem. Um ciclo completo de alternao (4 passos completos) equivalente a um deslocamento de um dente da base. Da mesma forma que o motor de passo rotativo, o motor linear pode ser acionando por um drive de micropasso. Neste caso, uma resoluo linear tpica seria cerca de 500 passos por mm, ou 2 mcron por passo. O motor linear mais adequado a aplicaes que requerem o deslocamento de uma pequena massa em alta velocidade. Num sistema acionado por rosca, a inrcia predominante em geral representada pela rosca em si e no pela carga 9Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

Motores de Mltiplo MagnetosPara produzirmos um motor com uma sada de torque mais elevada, devemos aumentar a fora tanto do magneto permanente quanto do campo produzido pelo estator. Podese obter um magneto mais forte para o rotor aumentandose o seu dimetro, o que nos propicia uma rea seccional maior. No entanto, aumentar o dimetro provocar uma degradao no desempenho do motor em termos de acelerao, pois h uma diminuio da relao torque-inrcia (a grosso modo, o torque aumenta com o quadrado do dimetro, mas a inrcia aumenta quarta potncia). No entanto, podemos aumentar a sada de torque sem degradao do desempenho em termos de acelerao adicionando mais

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{B2


Princpios Bsicosa ser movimentada. Portanto, a maior parte do torque do motor utilizada para acelerar as engrenagens, e este problema se torna mais grave medida em que aumenta a distncia de movimentao requerida. Empregando-se um motor linear, toda a fora desenvolvida pode ser aplicada diretamente carga, e o desempenho obtido independe do comprimento do movimento. Um sistema de rosca pode atingir maior fora linear e mais robustez, porm a velocidade mxima de um motor linear equivalente poder ser at dez vezes superior. Por exemplo, uma velocidade mxima tpica para um motor linear 2,5 m/seg. Para que isto possa ser atingido com uma rosca de 10 mm seria necessria uma velocidade rotativa de 15.000 rpm. Alm disso, o motor linear pode movimentar-se a uma distncia de at 2,4 metros empregando uma base padro.

Tecnologia Eletromecnica Motores de PassoO fluxo magntico que passa entre o Forcer e a base resulta em uma grande fora de atrao. A fora de atrao pode ser at 10 vezes superior fora de reteno de pico do motor, requerendo um conjunto de mancais que mantenha uma distncia precisa entre as faces dos plos e os dentes da base. So empregados mancais de rolamentos de ar para manter as distncias requeridas. Ao se estabelecer a corrente em uma das espiras, o campo magntico resultante tende a reforar o fluxo do magneto permanente em um plo e a cancel-lo no outro. Revertendo-se a corrente, o reforo e o cancelamento so intercambiados. Removendose a corrente provoca uma diviso do fluxo eletromagntico em partes iguais entre as faces dos plos. Aplicando-se de forma seletiva a corrente s fases A e B, possvel se concentrar o fluxo em qualquer uma das quatro faces dos plos do Forcer. A face que estiver recebendo a maior concentrao de fluxo tentar alinhar seus dentes com a base. A Fig. 2.18 mostra os quatro estados primrios, ou posies de passo completo, do Forcer. Os quatro passos resultam no movimento de uma largura de dente para a direita. Revertendo-se a seqncia faz com que o Forcer movimente-se para a esquerda.

Como Funciona o Motor LinearO Forcer consiste de dois eletromagnetos (A e B) e de um magneto permanente forte. As faces dos dois plos de cada eletromagneto so dentadas, sendo que os quatro conjuntos de dentes so espaados em quadratura, resultando que apenas um conjunto pode ser alinhado aos dentes da base por vez.Fase A N S Fase B

Caractersiticas do Motor de PassoPoderamos discutir diversas caractersticas de desempenho dos motores de passo, porm, para manter a simplicidade, nos restringiremos quelas com maior significado prtico. A Fig. 2.19 ilustra a curva de torque esttico do motor. Isto se refere a um motor que est energizado porm estacionrio, e mostra como o torque varia com a posio do rotor ao se defletir do ponto de estabilidade. Estamos supondo que no h frico nem outras cargas estticas aplicadas ao motor. Com a movimentao do rotor para longe da posio estvel, o torque aumenta de forma estvel at atingir um ponto mximo aps um passo completo (1,8). Este valor mximo denominado torque retentor, e representa a maior carga esttica que pode ser aplicada ao eixo sem causar rotao contnua. No entanto, isto no nos informa o torque mximo de operao do motor - este sempre menor do que o torque retentor (tipicamente em torno de 70%).Sentido Anti-horrio

A1 Alinhado

Direo do FEM Devido ao Eletromagneto

Linhas de Fluxo

N

S

B2 Alinhado N S

4 Passos do Motor

Torque Mximo ngulo Estvel Instvel Estvel

Torque

A2 Alinhado

N

S

Fig. 2.19 Curva caracterstica de torque em relao ao deslocamento.

B1 Alinhado

Fig. 2.18 Os quatro estados primrios do Forcer.

Com a defleo do eixo para alm de um passo completo, o torque cair at estar novamente em zero aps dois passos completos. No entanto, este ponto de zero instvel, e o torque se reverte imediatamente para alm dele. O ponto estvel seguinte encontrado quatro passos completos adiante do primeiro, equivalente a uma largura de dente no rotor, ou a 1/50 de revoluo. 10Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

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Sentido Horrio


Princpios BsicosEmbora esta caracterstica de torque esttico no tenha muita utilidade por si s, ela ajuda a explicar alguns dos efeitos que observamos. Por exemplo, ela indica a robustez esttica do sistema, em outras palavras, como a posio do eixo muda quando aplicada uma carga de torque a um motor estacionrio. Claramente, o eixo dever se curvar at que o torque gerado se equipare carga aplicada, portanto, se a carga varia, assim tambm o far a posio esttica. Portanto, erros de posio no cumulativos resultaro de efeitos como frico ou cargas de torque em desequilbrio. importante lembrar que a robustez esttica no aumenta com o emprego de um drive de micro-passo - uma dada carga sobre o eixo produzir a mesma defleo angular. Portanto, embora o micro-passo aumente a resoluo e a suavidade do movimento, ele no, necessariamente, aumentar a preciso de posicionamento. Sob condies dinmicas com o motor funcionando, o rotor dever estar atrasado em relao ao campo do estator caso esteja produzindo torque. De forma similar, haver uma situao de adiantamento quando o torque se reverter durante a desacelerao. Observe que o atraso e o adiantamento se relacionam apenas posio, e no velocidade. Tomando-se a curva de torque esttico (Fig. 2.19), claramente este atraso ou adiantamento no podero exceder dois passos completos (3,6) se for preciso que o motor mantenha o sincronismo. Este limite do erro de posicionamento pode tornar o motor de passo uma opo atraente em sistemas onde a preciso do posicionamento dinmico seja importante. Quando o motor de passo executa um nico passo, a natureza da resposta oscilante, como mostrado na Fig. 2.20. O sistema pode ser comparado a uma massa que esteja sendo localizada por uma mola magntica, e portanto o comportamento lembra a caracterstica clssica da massa aplicada a uma mola. Observando-se de forma simplificada, a curva de torque esttico indica que, durante o passo, o torque positivo durante o movimento totalmente frente e portanto est acelerando o rotor at que seja atingido um novo ponto estvel. Neste momento, o impulso carrega o rotor para alm da posio estvel, e o torque agora revertido, desacelerando o rotor e o fazendo retornar na direo oposta. A amplitude, freqncia e taxa de decaimento desta oscilao dependero da frico e da inrcia no sistema, bem como das caractersticas eltricas do motor e do drive. O overshoot inicial tambm depende da amplitude do passo, portanto o meio passo produz menos overshoot do que o passo completo, e o micro-passo ser ainda melhor.

Tecnologia Eletromecnica Motores de PassoA tentativa de se aplicar ao motor um passo que corresponda sua freqncia natural de oscilao pode provocar uma resposta exagerada conhecida como ressonncia. Em casos graves, isto pode levar ao dessincronismo, ou perda de passo (stalling), do motor. Este problema incomum com drives de meio-passo, e ainda menos comum com um micro-passo. A velocidade natural de ressonncia est tipicamente na faixa de 100 a 200 passos completos/segundo (0,5 a 1 rev/seg). Em condies dinmicas incluindo todas as variveis, o desempenho do motor descrito por uma curva de torque e velocidade como a mostrada na Fig. 2.21. H duas faixas de operao, a faixa de incio/parada (ou pull in) e a faixa de rendimento (slew ou pull out). Na faixa de incio/parada, o motor pode ser acionado ou parado com a aplicao de pulsos de passo a uma freqncia constante no drive. Em velocidades dentro desta faixa, o motor possui torque suficiente para acelerar sua prpria inrcia at uma velocidade de sincronismo sem que a defasagem de posicionamento exceda 3,6. bvio que, se uma carga inercial for adicionada, esta faixa de velocidade reduzida. Portanto, a faixa de incio/parada depende da inrcia da carga. O limite superior da faixa de incio/parada est localizado tipicamente entre 200 e 500 passos completos/segundo (1 a 2,5 rev/seg.).Torque Detentor

Curva de Incio/Parada Curva de Rendimento

Torque

Faixa de Incio/ Parada

Faixa de Rendimento

Passos por Segundo

Fig. 2.21 Curvas de incio/parada e rendimento.

Para operar o motor em velocidades mais elevadas, necessrio iniciar numa velocidade dentro da faixa de incio/ parada e ento acelerar o motor para a regio de rendimento. De forma semelhante, ao parar o motor, ele deve ser desacelerado de volta faixa de incio/parada antes de se desativar os pulsos de passo. O uso da acelerao e desacelerao, ou ramping, permite que velocidades muito mais elevadas possam ser obtidas, e em aplicaes industriais a faixa til de velocidade se estende at cerca de 3.000 rpm (10.000 passos completos/seg.). Observe que a operao contnua em altas velocidades no normalmente recomendada para um motor de passo devido ao aquecimento do motor, porm se pode utilizar altas velocidades com sucesso em aplicaes de posicionamento. O torque disponvel na faixa de rendimento no depende da inrcia da carga. A curva de torque e velocidade normalmente medida colocando-se o motor em movimento e ento aumentando-se a carga at que o motor perca o passo. Com uma carga de inrcia mais elevada, deve ser utilizada uma taxa de acelerao mais baixa, porm o torque disponvel na velocidade final no afetado. 11Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

ngulo

Tempo

Fig. 2.20 Resposta de um nico passo.

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Princpios Bsicos Perguntas e Respostas Freqentes Sobre Motores de passo1 Por que os motores de passo esquentam?Por duas razes: 1. A corrente flui atravs do motor de passo mesmo ele estando parado. 2. Os projetos de drives com onda de pulso (PWM) tendem a fazer o motor esquentar mais. A construo do motor, como o material de laminao e rotores com calhas, tambm afetaro o seu aquecimento.

Tecnologia Eletromecnica Motores de Passo10 Como se pode reduzir as chances de ressonncia?Isto de ocorrncia mais provvel em sistemas de passo completo. Adicionar inrcia diminui a freqncia de ressonncia, e a frico tende a amortecer a ressonncia. O emprego de velocidades de incio/parada mais elevadas do que a velocidade de ressonncia ajudar. Passar para um drive de meio passo, mini-passo ou micro-passo tambm minimizar qualquer ressonncia que houver. Tambm so ocasionalmente utilizados amortecedores inerciais viscosos.

11 Por que o motor s vezes d saltos ao ser ligado? 2 Qual a temperatura segura de operao?A maioria dos motores possui um isolamento categoria B, classificado a 130. Uma temperatura de 90 na carcaa do motor no dever causar problemas trmicos. No entanto, os motores no devem ser montados numa posio onde o operador possa entrar em contato fsico com a carcaa do motor. O motor possui 200 posies detentoras naturais, porm o drive ligado em um estado definido, correspondente a uma, dentre apenas 50 posies. Portanto, a movimentao pode ser de at 3,6 em qualquer direo.

12 O motor, propriamente dito, sofre alguma alterao no caso de emprego de um drive de micro-passo?No, o motor ainda um motor de passo padro de 1,8. O micro-passo obtido com a aplicao proporcional da corrente no drive para que se obtenha uma resoluo maior.

3

O que pode ser feito para se reduzir o aquecimento do motor?Muitos drives possuem uma reduo automtica de corrente, quando parados, acionada atravs de um comando ou jumper. Isto reduz a corrente quando o motor estiver parado sem perda de posio.

4

Qual o significado da especificao de preciso absoluta?Isto se refere aos erros no cumulativos encontrados na usinagem do motor.

13 Um movimento foi feito numa direo, e ento o motor comandado para executar um movimento na mesma distncia porm na direo oposta. O movimento de retorno mais curto. Por qu?Diversos fatores podem estar influenciando os resultados. O motor possui uma histerese magntica que pode ser influente em mudanas de direo, que da ordem de 0,03. Qualquer efeito de chicoteamento no sistema criar erros de posicionamento. Um pulso de passo, que ocorra antes que um sinal de direo seja estabelecido, provocar um erro.

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Como possvel que a especificao de repetibilidade seja melhor do que a preciso?A repetibilidade indica a preciso com que uma posio anterior pode ser restabelecida. H muito poucos erros no sistema que provoquem a variao de uma posio dada, portanto, basicamente, a mesma impreciso encontrada no retorno quela posio.

14 Por que alguns motores so construdos como motores de oito contatos?Isto permite maior flexibilidade. O motor pode ser operado como um motor de seis contatos com drives unipolares. Com drives bipolares, as espiras podem ser conectadas em srie ou em paralelo para fornecer caractersticas diferentes de torque em relao velocidade.

6

A preciso do motor aumentar proporcionalmente resoluo?No. A preciso absoluta bsica e a histerese do motor permanecem inalteradas.

15 Qual a diferena entre a conexo em srie e a em paralelo?Com as espiras em srie, o torque a baixas velocidades maximizado. Porm, isto tambm provoca maior indutncia. Portanto o desempenho a altas velocidades menor do que no caso das espiras serem conectadas em paralelo.

7

Posso utilizar um motor pequeno em uma carga grande se o requisito de torque for baixo?Sim, porm se a inrcia da carga for superior a dez vezes inrcia do rotor, pode ocorrer um amplo efeito de oscilao (ringing) ao final do movimento.

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Como se pode reduzir a oscilao (ringing) ao final do movimento?A frico no sistema ajudar a diminuir esta oscilao. Caso esteja sendo empregada uma velocidade de incio/parada, a diminuio de seu valor tambm ajudar. A funo de viscosidade eletrnica no drive ZETA minimiza este problema.

16 Pode-se usinar um degrau de encaixe no eixo do motor?Sim, porm deve-se tomar cuidado para no danificar os mancais (veja a seo de Instalao do Motor). O motor no pode ser desmontado.

17 De que comprimento podem ser os contatos do motor?Em condies normais, 15 m para drives unipolares e 30 m para drives bipolares devem funcionar. Recomenda-se fios blindados.

9

Por que um motor pode perder o passo durante um teste sem carga?Um motor sem carga desenvolve um torque elevado em relao sua prpria inrcia. Os motores de passo so otimizados para cargas da mesma ordem que a inrcia do motor.

12

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Princpios Bsicos

Tecnologia Eletromecnica Servomotores ComutaoA fora que rotaciona a armadura do motor resultado da interao entre dois campos magnticos (o campo do estator e o campo da armadura). Para produzir um torque constante no motor, estes dois campos devem permanecer constantes tanto em termos de magnitude quanto na orientao relativa.2 1 Entrada de Corrente 3 Sada 6 4

Motores CC com EscovaPrincpiosO motor CC com escova baseia-se no conceito de que criada uma fora quando um condutor percorrido por uma corrente quando colocado em um campo magntico (Fig. 3.1).Campo Magntico (B)

Condutor de Corrente (I) (Perpendicular pgina)

5

Fora (F) Fora sobre o Condutor F = I x B

Fig. 3.3 Esquema eltrico da armadura.

Fig. 3.1 Fora sobre um condutor em um campo magntico.

A fora que age sobre o condutor o produto da corrente e da densidade do fluxo: F=IxB onde B = densidade do fluxo magntico e I = corrente A fora disponvel pode ser aumentada utilizando-se mais condutores, ou enrolando-se um fio numa forma de bobina. Esta a base do motor CC com escova.

Consideraes PrticasO problema agora como utilizar esta fora para produzir o torque contnuo requerido numa aplicao prtica de motor. Para obter a maior fora possvel, um grande nmero de condutores deve ser colocado no campo magntico. Na prtica, isto produz um cilindro de fios, com as espiras colocadas em paralelo ao eixo do cilindro. Um eixo mecnico passando pelo eixo do cilindro age como piv, e este arranjo chamado de armadura do motor (Fig. 3.2).Campo Resultante Devido Corrente na Armao Eixo

Isto obtido construindo-se a armadura como uma srie de pequenas sees conectadas em seqncia aos segmentos de um comutador (Fig. 3.3). A conexo eltrica feita com o comutador por meio de duas escovas. Se a armadura girar 1/6 de revoluo no sentido horrio, a corrente nas bobinas 3 e 6 ter mudado de direo. Com a passagem de segmentos sucessivos do comutador pelas escovas, a corrente nas bobinas conectadas a estes segmentos muda de direo. Este efeito de comutao ou chaveamento resulta em um fluxo de corrente na armadura que ocupa uma posio fixa no espao, independente da posio da armadura. Isto resultar na produo de uma sada de torque constante no eixo do motor. O eixo de magnetizao determinado pela posio das escovas. Se o motor projetado para possuir as caractersticas similares nas duas direes de rotao, o eixo das escovas deve ser posicionado para produzir um eixo de magnetizao a 90 em relao ao campo do estator.

Tipos de Motor com EscovaSo utilizados dois tipos diferentes de motores CC escova.

Motor com Ncleo de FerroEste o tipo mais comum de motor utilizado em sistemas CC servo-controlados (veja a Fig. 3.4). Ele composto por duas partes principais - uma carcaa contendo os magnetos do campo, e um rotor com bobinas de fios enroladas em ranhuras sobre um ncleo de ferro e conectadas a um comutador. As escovas em contato com o comutador levam a corrente s bobinas.Magnetos do Estator

Armao

Direo da Corrente Perpendicular Pgina Campo do Estator

Espiras do Rotor

Fig. 3.2 Armadura do motor CC.

Com a rotao da armadura, o campo magntico tambm rotacionado. A armadura ir parar com seu campo magntico estando alinhado com o campo do estator, a no ser que haja algum dispositivo para mudar constantemente a direo da corrente em cada bobina da armadura. 13

Comutator

Escovas

Fig. 3.4 Motor com ncleo de ferro.Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

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Princpios Bsicos Motor com Bobina MvelH duas formas comuns deste motor - o motor impresso (Fig. 3.5), empregando uma armadura de disco, e a armadura do tipo concha (Fig. 3.6). Como estes motores no possuem ferro mvel em seus campos magnticos, eles no sofrem perda de ferro. Isto significa que se pode obter velocidades de rotao mais elevadas com baixa potncia de entrada. No entanto, sua capacidade trmica muito pequena, portanto eles so danificados mais facilmente pelo excesso de corrente.Diagramas cortesia da Electro-Craft Ltd.Movimento

Tecnologia Eletromecnica Servomotores Equaes do MotorDiferente de um motor de passo, o motor CC com escova exibe uma relao simples entre corrente, tenso, torque e velocidade. til verificar estas relaes como auxlio na aplicao de motores com escova.

O Circuito Equivalente do Motor EscovaSe voc aplicar uma tenso constante aos terminais de um motor com escova, ele se acelerar at uma velocidade final constante (n). Sob estas condies, a tenso (V) aplicada ao motor oposta pela FEM inversa (nK E); a tenso resultante da diferena leva a corrente do motor (I) atravs da armadura do motor e da resistncia das escovas RS). O circuito equivalente de um motor CC mostrado na Fig. 3.8.L I Rs RL Vg

v

Magneto Permanente (8 plos)

Fig. 3.5 Motor impresso com armadura de disco. Fig. 3.8 Circuito equivalente do motor.

Vo de Ar Movimento

Plo do MagnetoS

RS = resistncia do motor L = indutncia da espira = FEM inversaCaminho do Fluxo

Ncleo Armao (Conjunto de Condutores em Forma de Cilindro Oco)

S

Vg

RL representa as perdas magnticas. O valor de RL , em geral, grande, e portanto pode ser ignora-do, da mesma forma que a indutncia L, que , em geral, pequena. Se aplicarmos uma tenso V ao motor e uma corrente I fluir, ento: V mas portanto V = IRS + Vg = IRS + nKE (1)

Fig. 3.6 Motor com armadura do tipo concha.

Fora Eletromotriz (FEM) InversaAo ser acionado mecanicamente, um motor CC, com magneto permanente, atuar como gerador. Com a rotao do eixo, surgir uma tenso eltrica nos terminais das escovas. Esta tenso denominada FEM inversa (Fora Eletromotriz), e gerada mesmo quando o motor acionado por uma tenso aplicada a ele. A tenso de sada tem uma relao essencialmente linear com a velocidade do motor, e sua taxa definida como a constante de tenso do motor, KE (Fig. 3.7). O KE em geral expresso em volts por 1.000 rpm.

Vg = nKE

Esta a equao eltrica bsica do motor. Se KT a constante de torque do motor (em Nm por amp), ento o torque gerado pelo motor ser dado por: T = IKT (2)

Tenso de Sada

H um torque oposto devido frico e ao amortecimento interno, porm em geral pequeno e pode ser ignorado para os fins deste clculo inicial. As equaes (1) e (2) so tudo o que precisamos para chegar corrente e a tenso de acionamento necessrias para atender aos requisitos dados de torque e velocidade. Os valores de KT, KE e RS podem ser encontrados nos dados do fabricante do motor. 14Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

Velocidade do Eixo

Fig. 3.7 Curva caracterstica da FEM.

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Princpios Bsicos

Tecnologia Eletromecnica Servomotoresdiferena entre estes dois motores, precisamos rever a evoluo do servomotor brushless. Um motor simples de CC com escova convencional (Fig. 3.10) consiste de um rotor com espiras que gira dentro de um campo magntico fornecido pelo estator. Se as conexes das bobinas fossem feitas atravs de anis deslizantes, este motor se comportaria como um motor de passo (revertendo-se a cor-rente no rotor faria com que ele virasse 180). Incluindo o comutador e as escovas, a reverso da corrente feita automaticamente, e o motor continua a girar na mesma direo.

Motores sem Escova (Brushless)Antes de abordarmos em detalhes o assunto de motores sem escova, vamos esclarecer um ponto de terminologia. O termo sem escova (brushless) agora aceito como referente a uma variedade especfica de motor servocontrolado. Claramente, um motor de passo um aparelho sem escova, da mesma forma que um motor CA de induo. No entanto, o chamado motor sem escova foi projetado para ter um desempenho semelhante ao motor DC com escova, porm sem suas limitaes. O principal fator limitador do desempenho dos motores com ncleo de ferro o aquecimento interno. preciso expulsar este calor, seja atravs do eixo e dos mancais para a carcaa externa, ou atravs do vo de ar entre a armadura e os magnetos de campo e da para a carcaa. Nenhuma destas rotas termicamente eficiente, portanto a refrigerao na armadura do motor sempre muito pobre.Caminho de Retorno por Trs do Elemento Ferroso

N

S

S

+

-

Comutador

Fig. 3.10 Motor CC com escova convencional.N

Magnetos

N

Dentes Laminados do Estator

S

Espiras

Fig. 3.9 Motor Brushless.

No motor brushless, a construo do motor com ncleo ferroso virada ao avesso de forma que o rotor se torna um magneto permanente, e o estator se torna um ncleo ferroso com espiras. As bobinas transmissoras de corrente esto agora localizadas na carcaa, propiciando um caminho trmico curto e eficiente para o ar exterior. A refrigerao pode ser melhorada ainda com aletas dissipadoras na carcaa externa e soprando-se ar sobre elas, se necessrio (para se refrigerar eficazmente um motor com escova com ncleo ferroso, deve-se soprar ar por dentro dele). A facilidade de refrigerao do motor brushless permite que ele produza uma potncia muito maior relativamente ao seu tamanho. A outra grande vantagem do motor brushless a ausncia de um comutador convencional e das escovas. Estes tens so fontes de desgaste e de potenciais problemas, e podem requerer manuteno freqente. Pelo fato de no possuir estes componentes, o motor brushless por si s mais confivel e pode ser utilizado em condies ambientais adversas. Para se obter um torque elevado e uma inrcia baixa, os motores brushless empregam magnetos ferrosos, muito mais caros do que os magnetos cermicos convencionais. O drive eletrnico necessrio para um motor brushless tambm mais complexo do que o de um motor com escova. Na categoria dos motores brushless existem dois tipos bsicos: trapezoidal e de onda senide. Embora sua construo seja praticamente idntica, a forma de controle dos dois tipos significativamente diferente. O motor trapezoidal muitas vezes referido como servomotor CC brushless, enquanto o motor de onda senide s vezes chamado de servomotor CA brushless, pois muito parecido com o motor CA sncrono. Para explicar completamente a 15

Para transformar este motor em um servomotor brushless, devemos comear eliminando as espiras no rotor. Isto pode ser obtido virando-se o motor do avesso. Em outras palavras, fazemos com que o magneto permanente seja a parte rotatria e colocamos as espiras nos plos do estator. Ainda precisaremos de algum meio para reverter a corrente automaticamente - uma chave reversora operada por uma came poderia fazer este trabalho (Fig. 3.11).

N S

Chave Reversora

+

-

Fig. 3.11 Motor CC do avesso.

Obviamente, um arranjo assim com uma chave mecnica no satisfatrio, porm a capacidade de chaveamento propiciada por dispositivos sem contato tende a ser muito limitada. No entanto, em uma aplicao servocontrolada, empregaremos um amplificador eletrnico ou drive que tambm pode ser usado para executar a comutao em resposta a sinais de baixa intensidade provenientes de um sensor ptico ou Hall (veja a Fig. 3.12). Este componente referido como o Controlador de Comutao. Portanto, diferente do motor CC com escova, a verso brushless no pode ser acionada simplesmente conectando-a a uma fonte de corrente contnua. A corrente do circuito interno deve ser revertida em posies definidas do rotor. Portanto, o motor est, na verdade, sendo acionado por uma corrente alternada.Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

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Princpios Bsicos

Tecnologia Eletromecnica ServomotoresA1 B2 C2 A1

C2

A2 B2

N S

C1 A2

B1 C1

B1

Fig. 3.14 Servomotor trifsico brushless.A1

A1C2

Comutador Encoder

B2 N C1

N S A2 S

I C2 A2 B2

B1

C1

B1

Drive

Campo do Estator A1 C2 N I B1 C2 A2 B2 C1 B1

A1 B2 N S S A2 Campo do Estator A1 Campo do Estator B2 S S C1 A2 N N B1 C1 C2

Fig. 3.12 Servomotor brushless.

Voltando ao motor convencional com escova, um rotorconsistindo de apenas uma bobina, exibir uma ampla variao de torque conforme rotaciona. Na verdade a caracterstica ser senoidal, com o torque mximo sendo produzido quando o campo do rotor estiver em ngulo reto com o campo do estator, e com torque zero no ponto de comutao (veja a Fig. 3.13). Um motor CC, na prtica, possui um grande nmero de bobinas no rotor, cada uma conectada no apenas a seu prprio par de segmentos do comutador, mas tambm s outras bobinas. Desta forma, a contribuio principal para o torque ser feita por uma bobina prxima sua posio de pico de torque; h tambm um efeito de uma corrente mdia que flui em todas as outras bobinas, portanto a ondulao resultante (ripple) do torque muito pequena.

C1

A1

C2 A2 B2 I B1

Fig. 3.15 Posies do campo do estator para diferentes correntes de fase.

+Torque

-

0

90

180

Direo do Campo do Rotor Relativamente ao Campo do Estator

Fig. 3.13 Curva caracterstica da posio em relao ao torque.

Gostaramos de reproduzir uma situao similar no servomotor brushless, mas isto iria requerer um grande nmero de bobinas sendo distribudas em torno do estator. Isto pode ser possvel, porm cada bobina requereria seu prprio circuito individual de acionamento. Isto claramente proibitivo, portanto um servomotor brushless tpico possui dois ou trs conjuntos de bobinas ou fases (veja Fig. 3.14). o servomotor mostrado um projeto de dois plos e trs fases; em geral o motor possui quatro ou seis plos do rotor, com um aumento correspondente no nmero de plos do estator. Isto no aumenta o nmero de fases, cada fase possui suas espiras distribudas entre diversos plos do estator. 16

A curva caracterstica de torque na Fig. 3.13 indica que o torque mximo produzido quando os campos do rotor e do estator esto a 90 entre si. Portanto, para gerar um torque constante precisaramos manter o campo do estator a um ngulo constante de 90 frente do rotor. Limitar o nmero de fases a trs significa que podemos fazer com que o campo o estator avance apenas em incrementos de 60 (a Fig. 3.15 mostra as posies do campo do estator para trs, dos seis caminhos possveis da corrente). Em outras palavras, o campo do estator permanece no mesmo lugar durante 60 da rotao do eixo. Portanto, no podemos manter um ngulo de torque constante de 90, mas podemos manter uma mdia de 90 trabalhando entre 60 e 120. A Fig. 3.16 mostra a posio do rotor em um ponto de comutao; quando o ngulo de torque cai para 60, o campo do estator avana de 2 para 3 para que o ngulo agora aumente para 120, e permanece ali pelos prximos 60 de rotao.

2

Campo do Estator

S Rotao N 60

Campo do Estator

120

3

Campo do Rotor Atraso Mdio = 90

Fig. 3.16 Posio do rotor no ponto de comutao.Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

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Princpios Bsicos O Motor TrapezoidalCom um nvel fixo de corrente nas espiras, o uso desta parte estendida da curva caracterstica de torque senoidal causa uma grande flutuao do torque. Podemos minimizar o efeito manipulando o projeto do motor para aplainar a caracterstica, fazendo-o trapezoidal, (Fig. 3.17). Na prtica, isto no muito fcil de se fazer, portanto ainda haver algum grau de no-linearidade. O efeito disto tende a ser um ligeiro golpe nos pontos de comutao, que pode ser sentido quando o motor estiver girando devagar.60

Tecnologia Eletromecnica ServomotoresO drive de um Servomotor Brushless Senoidal mais complexo do que o da verso trapezoidal. preciso uma tabela de referncia da qual possamos gerar as correntes senoidais, e estas devem ser multiplicadas pelo sinal de demanda do torque para se determinar a amplitude absoluta. Com um motor trifsico conectado em estrela, basta determinar as correntes em duas das espiras - isto automaticamente determinar o que acontece na terceira espira. Como mencionamos anteriormente, o Servomotor Brushless Senoidal precisa de um dispositivo de feedback de alta resoluo, que no entanto pode atuar para fornecer as informaes de posio e velocidade para o controlador. Para entender por qu um Servomotor Brushless Senoidal produz um torque constante, mais fcil pensar em termos de um motor bifsico. Este possui apenas dois conjuntos de espiras alimentados com correntes senoidais a 90 entre si. Se representarmos a posio do eixo do motor por um ngulo , ento as correntes nas duas espiras so da forma Isen e Icos. Voltando ao nosso modelo original de motor, voc se lembrar de que a curva caracterstica fundamental de torque do motor tambm senoidal. Portanto, para uma dada corrente I, o valor instantneo do torque dado por: T = I KT sen onde KT a constante de torque do motor. Tornando a corrente do motor tambm senoidal, e em fase com a curva caracterstica de torque do motor, o torque gerado por uma fase se torna: T1 = (I sen) KT sen = I KT sen2 De forma similar, o torque produzido pela outra fase : T2 = I KT cos2 O torque total : T1 + T2 = I KT (sen2 + cos2) mas:Corrente 60

60

Fig. 3.17 Curva caracterstica do motor trapezoidal.

A ondulao (Ripple) do torque resultante da no-linearidade da curva caracterstica do torque tender a produzir uma modulao da velocidade na carga. No entanto, em um sistema empregando feedback de velocidade, o loop de velocidade ter, em geral, um ganho elevado. Isto significa que um aumento muito pequeno na velocidade gerar um grande sinal de erro, reduzindo a demanda de torque para corrigir a mudana de velocidade. Portanto, na prtica, a corrente de sada do amplificador tende a espelhar a curva caracterstica de torque (Fig. 3.18) para que a modulao resultante da velocidade seja extremamente pequena.(Torque)

sen2 + cos2 = 1 para qualquer valor de T1 + T2 = IKT

portanto:

Fig. 3.18 Perfil da corrente no servocontrolador por velocidade.

Servomotor Brushless SenoidalNo Servomotor Brushless senoidal, no h a tentativa de modificar a curva caracterstica senoidal bsica do torque. Este servomotor pode ser acionado da mesma forma que um motor sncrono de CA com a aplicao de correntes senoidais as espiras do motor. Estas correntes devem ter o deslocamento adequado de fase, de 120 no caso do motor trifsico. Precisamos agora de um dispositivo com resoluo muito mais alta para controlar a comutao se quisermos uma rotao suave a baixas velocidades. O drive precisa gerar 3 correntes que estejam em relao correta entre si em qualquer posio do rotor. Portanto, ao invs do simples Controlador de Comutao gerando vrios pontos de chaveamento, precisamos agora de um resolver ou de um encoder ptico de alta resoluo. Desta forma possvel se manter um ngulo de torque de 90 com muita preciso, resultando em uma rotao bem suave baixa velocidade e uma ondulao desprezvel do torque. 17

Portanto, para correntes de fase senoidais com amplitude constante, o torque resultante tambm constante e independente da posio do eixo. Para que esta condio continue verdadeira, as correntes de acionamento devem seguir precisamente uma relao seno-cosseno. E isto pode ocorrer apenas com uma resoluo suficientemente alta do encoder ou resolver utilizado para comutao.

Motores de Acionamento Direto ("Direct Drive")Em algumas situaes, um motor servocontrolado convencional pode no ter o torque ou a resoluo adequados para satisfazer s necessidades da aplicao. Um sistema de reduo mecnica ento empregado para aumentar o torque e/ou a resoluo. Os sistemas de acionamento direto acoplam a carga diretamente ao motor sem uso de correias ou engrenagens. O motor Dynaserv oferece um torque muito elevado diretamente, e soluciona muitas das questes referentes a desempenho levantadas pela caixa de reduo.Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

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Princpios BsicosA Fig. 3.19 mostra a construo do motor de acionamento direto Dynaserv em comparao a um motor convencional com caixa de reduo. A caixa de reduo introduz perdas significativas de frico entre o motor e a carga, e a preciso poder ficar sacrificada devido a erros mecnicos ou efeito chicote. O motor de acionamento direto brushless e sem engrenagens, portanto elimina a frico na transmisso. Como o elemento de feedback acoplado diretamente carga, a preciso e repetibilidade do sistema so mantidas, e o efeito chicote eliminado.Motor Convencional Caixa de Reduo Motor CC/CA Motor de Acionamento Direto Mancal Encoder PCB Elemento Rotativo

Tecnologia Eletromecnica ServomotoresRotormc m

Bobina de Excitao Magneto Permanente Estator B

T

Estator A

Placa de Circuito Impresso do Controlador Elemento Estator

Fig. 3.21 Circuito magntico do Dynaserv.

Vantagens do Motor de Acionamento DiretoAlta PrecisoOs motores de acionamento direto eliminam folgas e a histerese que so inevitveis quando se emprega uma caixa de reduo. O posicionamento absoluto de 30 arc-seg tpico, com uma repetibilidade de 2 arc-seg.

Controlador

Ncleo do Rotor

Ncleo do Estator

Fig. 3.19 Comparao entre o convencional e o acionamento direto.

O motor contm mancais de preciso, componentes magnticos e um dispositivo integrado de feedback em um pacote compacto (veja a Fig. 3.20). O motor do tipo rotor externo, propiciando movimentao direta da carcaa externa, que presa carga. Os mancais de rolamentos cruzados, que suportam o motor, so muito rgidos para permitir que o motor receba a carga diretamente. Em muitos casos desnecessrio utilizar mancais ou eixos adicionais para conexo. Kit PDAPlaca do Controlador Kit de LED Braadeira Kit do Compartimento

Tempo mais Rpido de ParadaDevido ao projeto sem engrenagens, o acionamento direto aumenta a produo diminuindo os tempos de parada.

Torque Elevado Alta VelocidadeA curva de torque pela velocidade no servo de acionamento direto muito plana. Isto resulta em uma grande acelerao em velocidades que seriam difceis de serem atingidas com uma tabela rotativa convencional (de at 4 revolues/ segundo).

Rotao SuaveControlador

Anel de Reteno Ncleo do Estator Ncleo do Rotor Compartimento Hub

O servo de acionamento direto possui uma ondulao muito pequena de velocidade e torque, o que contribui para sua excelente controlabilidade numa faixa de velocidade superior a 1000:1.

Operao LimpaNcleo

O projeto brushless e sem engrenagens resulta em uma operao livre de manuteno. Com a preparao adequada, o Dynaserv pode operar em ambientes categoria 10.Ondulao da Velocidade (DM1150A)20

Fig. 3.20 Vista explodida do Dynaserv.

Ondulao de Torque (DM1015A)

Ondulao (%)

O torque proporcional ao quadrado da soma do fluxo magntico do rotor de magneto permanente (m), e do fluxo magntico das espiras do estator (c) - veja a Fig. 3.21. O torque elevado gerado devido aos seguintes fatores: 1. O dimetro do motor grande. As foras tangenciais entre o rotor e o estator agem com um raio grande, resultando num torque elevado. 2. Um grande nmero de dentes no rotor e no estator significa que o motor possui um grande nmero de plos, em outras palavras, possui muitos ciclos magnticos por revoluo. Este elevado nmero de plos resulta numa sada de torque elevado. 18

Condies15 Carga 30 x Inrcia do Rotor Rotao horria Modo de Velocidade

15.3 15 14.7

Torque (N m)

10

5% 5

5 3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0 90 180 270 360

Revoluo (rps)

ngulo de Rotao (graus)

Fig. 3.22 Ondulao de velocidade/torque do Dynaserv.Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

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Princpios Bsicos

Tecnologia Eletromecnica Drive para Motores de Passo e ServomotoresV+

Drives para Motores de PassoO drive para motor de passo fornece energia eltrica ao motor em resposta a sinais de baixa tenso do sistema de controle. O motor um dispositivo de criao de torque, e esse torque gerado pela interao de campos magnticos. A fora responsvel pelo campo estator a fora magnetomotriz (MMF), que proporcional corrente e ao nmero de espiras no enrolamento. Refere-se a isso freqentemente como produto de amp por volta. Assim, essencialmente o drive deve funcionar como uma fonte de corrente. A tenso aplicada s significativa como meio de controlar a corrente. Os sinais de entrada para o drive do motor de passo consistem em trens de pulso e um sinal direcional, sendo necessrio um pulso para cada passo que o motor for dar. Isso vlido independentemente se o drive passo, meio passo, portanto o drive pode exigir entre 200 e 100.000 pulsos para produzir uma rotao do eixo. At recentemente, o modo de passo mais freqentemente usado em aplicaes industriais era o modo de meio passo, no qual o motor dava 400 passos por rotao. A introduo de motores de minipasso baratos aumentou essa resoluo para entre 4.000 e 5.000 passos por rotao. Com a velocidade do eixo em 3.000 rpm, o meio passo corresponde a uma freqncia de pulso de passo de 20kHz. Essa velocidade a 25.000 passos por rotao exige freqncia de passo de 1.25MHz, e controladores de movimento para motores de micropasso devem poder operar em freqncias de passo muito mais altas.Elementos de um Drive de Motor de Passo Fase 1 Tradutor Direo Fase 2PassoRegistro Vlvula de 1 via1A 1B

2A

2B

TR1

TR2

TR3

TR4

0V

Fig. 4.2 Motor unipolar bsico.

Tal drive funcionar perfeitamente com baixas velocidades, mas medida que a velocidade aumenta o torque cai rapidamente devido indutncia do enrolamento.

Analogia com a Indutncia da guaPara os que no conhecem bem a propriedade da indutncia, a seguinte analogia com a gua pode ser til (Fig. 4.3). Um indutor comporta-se da mesma forma que uma turbina conectada a um volante. Quando a torneira aberta e presso aplicada tubulao de entrada, ser necessrio um tempo para que a turbina se acelere devido inrcia do volante. A nica forma de aumentar a taxa de acelerao aumentar a presso aplicada. Se no houver frico ou vazamento no sistema, a acelerao permanece indefinidamente enquanto a presso continuar sendo aplicada. Na prtica, a velocidade final ser determinada pela presso aplicada e pela frico e vazamento pelas hlices da turbina.Presso Equivalente a Tenso Aplicada

Passo

Chaveamento Motor

Direo

Energia Cintica do Volante Equivalente a Energia Armazenada no Campo Magntico Turbina

Fig. 4.1 Elementos de um drive de motor de passo.

Os componentes lgicos do drive de motor de passo so freqentemente chamados de tradutor. Sua funo converter os sinais direcionais e de passo em ondas de controle para o gerador de energia (ver Fig. 4.1). As funes bsicas do tradutor so comuns maioria dos tipos de drives, embora o tradutor seja necessariamente mais complexo no caso de um motor de micropasso. Contudo, o projeto do gerador de energia o principal fator que influencia o desempenho do motor, e vamos analis-lo mais detalhadamente. O tipo mais simples de estgio de potncia o arranjo unipolar mostrado na Fig. 4.2. Ele chamado de drive unipolar porque a corrente s flui em uma direo atravs de um nico terminal do motor. Um motor com espiras bifilares deve ser usado pois a reverso do campo estator atingida transferindo-se a corrente para a segunda bobina. No caso desse drive simples, a corrente determinada somente pela resistncia do enrolamento do motor e a tenso aplicada. 19

Fluxo de gua Equivalente a Corrente

Alta Presso acarreta em Acelerao mais do Volante

Tenso (Presso) Presso Reversa quando o Fluxo Interrompido

Corrente (Fluxo)

Fig. 4.3 Analogia com a indutncia da gua.Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

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Princpios BsicosAplicar tenso aos terminais de um indutor produz efeito similar. Com indutncia pura (nenhuma resistncia), a corrente aumentar de forma linear enquanto a tenso continuar sendo aplicada. A taxa de aumento da corrente depende da indutncia e da tenso aplicada, portanto uma tenso mais alta deve ser aplicada para fazer com que a corrente cresa mais rapidamente. Num indutor real que possui uma certa resistncia, a corrente final determinada pela resistncia e pela tenso aplicada. Uma vez que a turbina tenha atingido a velocidade, par-la no tarefa simples. A energia cintica armazenada no volante tem de ser dissipada, e quando a torneira fechada, o volante aciona a turbina como uma bomba, e tenta manter a gua fluindo. Isso cria alta presso em toda a tubulao de entrada e sada na direo inversa. O estoque de energia equivalente no indutor o campo magntico. medida que esse campo se desintegra, ele tenta manter o fluxo de corrente gerando alta tenso reversa. Incluindo-se uma vlvula de uma via nas conexes da turbina, a gua pode continuar circulando quando a torneira fechada. A energia armazenada no volante ento til para manter o fluxo. Usamos a mesma idia no circuito chopper do drive, no qual um diodo permite que a corrente recircule depois de ter se acumulado. Voltando a nosso simples motor unipolar, se observarmos como a corrente se comporta (Fig. 4.4), podemos ver que ela segue um modelo exponencial com valor final determinado pela tenso e a resistncia do enrolamento. Para fazer com que ela se acumule mais rapidamente, podemos aumentar a tenso aplicada, mas isso aumentaria tambm o nvel de corrente final. Uma maneira simples de solucionar esse problema acrescentar resistores em srie com o motor para manter a corrente final no mesmo nvel de antes.

Tecnologia Eletromecnica Drive para Motores de Passo e Servomotores O Drive BipolarA maior desvantagem do drive unipolar sua incapacidade de utilizar todas as bobinas do motor. Sempre haver fluxo de corrente em somente metade de cada enrolamento. Se pudermos utilizar ambas as partes ao mesmo tempo, poderemos obter aumento de 40% em amp por volta para mesma dissipao de energia no motor. Para atingir alto desempenho combinado alta eficincia, precisamos de um drive bipolar (que possa direcionar corrente em ambas as direes em cada bobina do motor) e de um mtodo melhor de controle de corrente. Vamos analisar primeiramente como podemos montar um drive bipolar.V+

TR1

0VTR2

V-

Fig. 4.5 Drive bipolar simples.

Motor R-LEsse o princpio usado no drive limitado por resistncia (R-L), ver Fig 4.4. Com uma tenso aplicada de 10 vezes tenso do motor, a corrente atingir seu valor final em um dcimo do tempo. Em termos de constante de tempo eltrica, a reduo de L/R para L/10R, portanto ganha-se aumento de velocidade. Porm ns estaremos pagando um preo por esta performance extra. Sob condies estveis, a energia dissipada nos resistores em srie 9 vezes maior que no motor, produzindo uma quantidade significativa de calor. Alm disso, a energia extra deve vir toda da fonte de corrente contnua, criando a necessidade de que esta seja muito maior. Os motores R-L so, assim, adequados somente para aplicaes de baixo consumo de energia. Em contrapartida, oferecem vantagens como simplicidade, robustez e baixa interferncia.L R V I V

Uma possibilidade bvia o circuito simples mostrado na Fig. 4.5, no qual duas fontes de energia so usadas com um par de transistores de comutao. Pode-se fazer a corrente fluir em qualquer direo pela bobina do motor acionando um ou outro transistor. Contudo, h desvantagens claras nesse esquema. Para comear precisamos de duas fontes de energia, ambas capazes de fornecer a corrente total para ambas as fases do motor. Quando toda a corrente estiver vindo de uma fonte, a outra est parada, fazendo com que a utilizao das fontes de energia seja baixa. Alm disso, os transistores devem suportar duas vezes a tenso que pode ser aplicada ao motor, exigindo o uso de componentes caros.V+

TR1

TR3

TR2

TR4

0V

I

V R

Fig. 4.6 Ponte bipolar.

L

R 2V

R

I

2V

I

2V 2R

Fig. 4.4 Princpio do motor R-L.

O arranjo padro usado num drive bipolar o sistema de ponte mostrado na Fig. 4.6. Embora ele use um par extra de transistores de comutao, os problemas associados configurao anterior so eliminados. Somente uma fonte de energia necessria e plenamente utilizada; a tenso 20Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

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Princpios Bsicosnos transistores igual disponvel para impulsionar o motor. Em sistemas de baixo consumo de energia, esse arranjo pode ainda ser usado com limite de resistncia, como mostra a Fig. 4.7.V+

Tecnologia Eletromecnica Drive para Motores de Passo e Servomotoressistor. Quando a tenso necessria tiver sido atingida, o comutador superior desligado e a energia armazenada na bobina mantm a corrente circulando via comutador inferior e diodo. As perdas no sistema fazem com que essa decaia lentamente, e quando um limite mais baixo pr-determinado atingido, o comutador superior religado e o ciclo se repete. A corrente , portanto, mantida no valor mdio correto comutando ou cortando(chopping) o fornecimento para o motor. Mtodos alternativos so empregados para determinar os pontos de comutao. A freqncia de comutao pode ser determinada juntamente com um limite superior nico, situao em que a amplitude de onda da corrente, e no a taxa de comutao, ir variar com a carga. Quando um controle de corrente mais apurado for necessrio, como no caso de um motor de micropasso, a modulao de largura de pulso usada. Esse mtodo de controle de corrente muito eficiente porque muito pouca energia dissipada nos transistores de comutao quando no esto em estado de comutao transiente. A energia obtida da fonte est intimamente relacionada potncia mecnica gerada pelo eixo (diferentemente do motor R-L, que extrai o mximo de energia da fonte quando parado). Uma variante desse circuito o circuito chopper de dois estados. Nesse drive, a tenso fornecida aplicada ao enrolamento do motor em direes alternadas, fazendo com que a corrente suba e desa em taxas aproximadamente iguais. Essa tcnica tende a exigir menos componentes e consequentemente tem custo mais baixo. Contudo, a onda de corrente associada no motor normalmente maior e aumenta o calor no motor.

TR1

TR3

TR2

TR4

0V

Fig. 4.7 Motor bipolar R-L.

O Drive com Estgio de Recirculao ChopperO mtodo de controle de corrente, usado na maioria dos motores de passo, a recirculao ou chopper de trs estados (Fig. 4.8). Esse mtodo baseado na ponte de quatro transistores com diodos de recirculao e um resistor. O resistor tem baixo valor (tipicamente 0,1 ohm) e fornece tenso de resposta proporcional corrente no motor. A corrente introduzida no enrolamento acionando um comutador superior e um inferior, e isso aplica a tenso total em todo o motor. A corrente aumentar de forma quase linear e podemos monitorar essa corrente observando o re-

+

+

TR1

TR3

TR1

TR3

TR2

D1

D2

TR4 Vs

TR2

D1

D2

TR4 Vs

Rs Injection

Rs Recirculation

Motor current

Fig. 4.8 Drive chopper com recirculao.

21

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Princpios Bsicos Regenerao e Descarga de EnergiaComo outras mquinas rotativas com magnetos permanentes, o motor de passo agir como um gerador quando o eixo for movido mecanicamente. Isso significa que a energia reservada inrcia de carga durante a acelerao devolvida ao drive durante a desacelerao. Isso aumenta a corrente do motor e pode danificar os comutadores de energia se a corrente extra for excessiva. Um detetor de limite no drive percebe esse aumento de corrente e momentaneamente desliga todos os transistores ponte (Fig. 4.9). Cria-se assim um caminho para que a corrente de regenerao volte ao capacitor de fornecimento, onde aumenta a tenso. Durante essa fase a corrente no est mais fluindo pelos resistores, e os comutadores devem ser ligados novamente aps um curto perodo (tipicamente 30 microsegundos) para que as condies sejam reavaliadas. Se a corrente continuar muito alta, o drive volta ao estado de regenerao.+V

Tecnologia Eletromecnica Drive para Motores de Passo e ServomotoresO circuito de descarga de energia tpico mostrado na Fig. 4.10. Um retificador e um capacitor alimentados com corrente alternada do transformador fornecem uma tenso de referncia igual ao valor de pico da corrente alternada de entrada. Sob condies normais esse valor ser igual tenso do motor. Pode ocorrer durante a regenerao um excesso de tenso no drive que superar essa referncia, e isso ir ligar o transistor de descarga que conecta o resistor de 33 ohms fonte de energia. Quando a tenso tiver cado o suficiente, o transistor desligado novamente. Embora a corrente instantnea, passando pelo resistor de descarga, possa ser relativamente alta, a energia mdia dissipada normalmente pequena pois o perodo de descarga muito curto. Em aplicaes em que a energia regenerada for alta, talvez devido desacelerao freqente e rpida de uma carga de alta inrcia, um resistor suplementar de descarga (resistor de frenagem) de alta potncia pode ser necessrio.

Drives de MicropassoComo j foi dito, a subdiviso do passo bsico do motor possvel fornecendo-se corrente aos dois enrolamentos do motor. Isso produz uma srie de posies de passo intermedirias entre os pontos de uma fase ligada. claramente desejvel que essas posies intermedirias sejam igualmente espaadas e produzam torque aproximadamente igual quando o motor estiver em funcionamento. Um micropasso preciso aumenta a exigncia de preciso no controle da corrente no motor, particularmente com baixos nveis de corrente. Um pequeno desequilbrio de fase, que pode ser at difcil de detectar num motor de meio passo, pode produzir erros de posicionamento inaceitveis num sistema de micropasso. A modulao de largura de pulso freqentemente usada para atingir uma preciso maior que a que pode ser atingida usando-se um simples sistema de limites. As correntes de fase necessrias para produzir os passos intermedirios tm uma forma aproximadamente sinusoidal, como mostra a Fig. 4.11. Contudo, essa forma no oferecer a melhor resposta com todos os motores. Alguns trabalharo bem com a forma sinusoidal, mas outros precisaro de um formato mais abaulado ou aparado (Fig. 4.11). Assim, um drive de micropasso para operao com vrios tipos de mquinas precisa poder ajustar-se forma da corrente. Os nveis de corrente intermedirios so normalmente armazenados como dados num EPROM, com alguns meios de modificar os dados para obteno de diferentes formas. Pode-se pensar na mudana de forma como a adio ou subtrao de um terceiro componente harmnico onda seno bsica.

Power dump circuit

Power supply capacitor

Fig. 4.9 Fluxo de corrente durante a regenerao.

Um pequeno aumento na tenso de fornecimento durante a regenerao aceitvel, mas se o aumento for muito grande os comutadores podem ser danificados por excesso de tenso ao invs de excesso de corrente. Para solucionar esse problema, usamos um circuito de descarga de energia que dissipa a energia regenerada.HV

D2 D1 AC in R2 TR1 1K R5 100K R3

R6 33 10W

Sinewave

Filled out

Trimmed

C1

R1

TR2

Fig. 4.11 Forma de corrente de micropasso.

R4

0V

Fig. 4.10 Circuito de descarga de energia tpico.

No caso de motores de micropasso de alta resoluo produzindo 10.000 passos por rotao ou mais, o mximo desempenho ser obtido somente com um tipo particular de motor. Nesse motor os dentes do estator ficam num espaamento de 7,5, onde 48 espaos iguais resultam em 22Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Jacare, SP - Brasil

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Princpios Bsicos360. Na maioria dos motores de passo hbridos, os dentes do estator tem o mesmo espaamento que os dentes do rotor, resultando em incrementos iguais de 7,2. Esse ltimo arranjo tende a oferecer uma produo de torque superior, mas menos satisfatria que um motor de micropasso pois os plos magnticos so mais fixos - no h transferncia progressiva de alinhamento dos dentes de um plo para o prximo. Na verdade, com esse tipo de motor, pode ser mais difcil encontrar uma forma de corrente que d bom posicionamento esttico combinado a uma rotao leve e de baixa velocidade. Uma alternativa para obter um estator com espaamento de 7,5 tornar os dentes do rotor mais oblquos. Isso produz um efeito similar e tem a vantagem de usar lminas de 7,2. Aumentar a obliqidade um recurso tambm usado em motores escova de corrente contnua para melhorar a suavidade. Devido a essa dependncia do tipo de motor para obteno de bom desempenho, comum que sistemas de micropasso de alta resoluo sejam fornecidos num paco

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