Motion Control - Smart Manufacturing Begins with the ... acionamento Selagem servo acionada em sincronizmo com a embalagem Embaladora Vertical Embalagem em alta velocidade (doces/café)

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Motion ControlFundamentos Básicos do Controle de Movimento

Daniel GiraldiGOTC – Global OEM Technical ConsultantFS Eng (TÜV Rheinland, #8552/14, Machinery)12/08/2014

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Definição de MOTION CONTROL em 4 palavras “Mover um motor elétrico”

Temos duas versões:

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Definição de MOTION CONTROL emapenas 4 palavras “Mover um motor elétrico”Drive AC

( inversores, PowerFlex, Motor AC, motor de indução )

Servo Drive( posicionamento em malha fechada,

alta velocidade, alta precisão, Kinetix, SERCOS, CIP, motores de imã permanenteTemos duas versões:

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Na maioria dos casos, Motion Control significa: Sistema Servo Acionado “Posicionamento de malha fechada”

Definição de posicionamento de “malha fechada”:

O que é Motion Control?


View Animation

Pick and Place

Posição 1

Posição 2

Definindo “Posicionamento de MalhaFechada”

Posicionamento de malha fechadaResulta num movimento que é:

Preciso e Repetitivo

Packaging MachineAnimation:


View AnimationRotary Knife application:Web = continous sheet or filmRotary Knife precisely cuts to length “on the fly” Rotary Knife

Drives AC vs Servo Drive

Aplicações de Servo posicionamento emmalha fechada, posiçãoé o parâmetro de controle principal.

Aplicações com Drives AC velocidade é o parâmetro de controleprincipal


Embalagemtracionada com

servo acionamento

Selagem servo acionada em

sincronizmo com a embalagem

Embaladora VerticalEmbalagem em alta velocidade(doces/café)O produto é introduzido em uma bolsa e selado em ambas as extremidades.Servos são utilizados para alimentar o material e para vedar / cortar o saco em ambas as extremidades da embalagem.Posicionamento é fundamental para evitar o esmagamento do produto e para a legibilidade da logomarca.

Exemplo de Aplicação de Motion Control


Eixo Linear Move-se em uma linha reta. Tipicamente possuem um curso total definido.

CargaMotor

1000mm

Um Eixo pode ser tipo Linear ou Rotativo.

Eixo Linear

Terminologia básica de Motion


Eixos Rotativos giram sobre um ponto central. Uma aplicação típica é a Faca Rotativa

Rotação

Motor

Rotary Axis



Unidades do eixoRotativo

LoadMotor

PolegadasMillimetros

Unidades do eixoLinear

Define os parametros de movimento de um eixo..Selecionado para fornecer informação significativa para os operadores da máquina. Unidades Típicas: Polegadas, mm, Graus, revs

GrausRevolução

Units



Velocidade é a medição do deslocamento por unidade de tempo.ex. Para um automóvel a unidade de velocidade é kilometros por hora (km/h).Para Aplicações de motion, as unidades de velocidade tipicas são mm por seg para eixoslineares. Para eixos rotativos, inclue-se graus por seg e revoluções por segundo

Aceleração é uma mudança de velocidade positiva porunidade de tempo

Deceleration is a negative change in velocity per unit of time.

Uma máquina atinge a velocidade de 10 graus/segundoLeva 5 segundos para atingir esta velocidade. Qual é a aceleração? (Quanto a velocidade muda, POR SEGUNDO?)

Examplo:

Velocidade

Aceleração = velocidade/tempo = (10 graus/seg) / 5 seg. = 2 graus/seg^2.



Perfis de movimento perfil de velocidade para um eixo específico.Note a fase de aceleração, fase de velocidade constante, e fase de desaceleração de um eixo.

Velocidade constante

Velocidade Zero, Movimentocompleto

VelocidadeZero, Inicio do

movimento


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14 Constant Velocity Curva-S (ou cúbica))

perfil suave natransição entre aceleração e desaceleração


Torque é uma força de rotação.

Comprimento da alavanca

Força

Torque

Torque = força x comprimento (da alavanca)



Torque é uma força de rotação.

Torque = força x comprimento (da alavanca)



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Posicionamento do Eixo

Posição Comandada: A posição desejada de um eixo, conformegerada plao controlador de movimento

Posição atual: A posição corrente verdadeira de um eixo.

Existem dois aspectos no posicionamento de um eixo:

O objetivo do posicionamento de um eixo é minimizer a diferença entre a posição comandada e a posição atual!


18

Erro de Posição

Erro de Posição é a diferença entre a posição comandada e a posiçãoatual num controlador de movimento.

A tolerância do erro de posição pode ser ajustada, para variar a sensibilidade do drive ao erro de posição (embreagem eletrônica)

C B A B C

-.0002 -.0001 +.0001 +.0002

CommandedPosition

ActualPosition

Position Error

O erro de posição nunca será eliminado completamente em um Sistema de controle em malha-fechada.

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Teoria do motor DC

Atualmente, são raramente utilizados em aplicações de Motion, mas estudando a teoria de funcionamento fica mais fácil entender outros tipos de motores


20

Teoria do MOTOR DC

Exemplos simples de motor DC escovado: Brinquedos, vibrador de telefones Motor de partida automotivo Antigos motores elevadores industriais


O imã ira girar devido atração dos polosopostos…

Teoria do MOTOR DC


E irá se ajustar a esta posição...

Teoria do MOTOR DC


Se adicionarmos um novo imã ao eixo...

Teoria do MOTOR DC


E desmagnetizar o outro imã...

Teoria do MOTOR DC


O Segundo imã irá tentar alinhar-se com ospolos opostos...

Teoria do MOTOR DC


E se ajustará a esta nova posição...

Teoria do MOTOR DC


Se continuar chaveando os imãs conforme feitoanteriormente o eixo continuará emmovimento.

Teoria do MOTOR DC


Porém... Imãs permanetnes não podem serchaveados (ligado/desligado)

Teoria do MOTOR DC


Então... Utiliza-se eletroimãs


Eletroimãs podem ser chaveados enquantogiram.

Teoria do MOTOR DC


Quando a bobina energizada encontra um imã, ela é desligada e a próxima é energizada. O cilco se repete…

Quem está ligando e desligando estes eletroimãs, e porque é chamado de motor escovado?

Teoria do MOTOR DC


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Motores AC Brushless (sem

escovas)

Para nosso propósito, motores AC são sempre Sem escovas, e motores CC são sempre com escovas . Porém existem outros casos…

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Teoria do motor BrushlessDois problemas típicos de motoresescovados:

Pobre dissipação de calor O comutador mecânico solta faíscas danificando-

se rapidamente.


Os enrolamentos(eletroimãs) aquecem, mas não há um caminho direto para dissipar o calor

A solução é inverter a parte interna com a externa!

Teoria do motor Brushless


Um servo motor sem escovaspossui o imãpermanente no rotorE o enrolamentono estator…

Imãs

O calor das bobinas vão diretamente para carcaça, e não tem o desgaste das escovas e comutadoresSem comutadores que liga e desliga as bobinas?



Quando os enrolamentos são energizados com uma corrente senoidal, um campo magnéticorotacional é produzido.


E, conforme o campo magnético gira, o rotor de imãpermanente gira com ele.

•Este tipo de motor é “síncrono”: o rotor estásempre travado ao campo magnético(não háescorregamento)

•A VELOCIDADE é dependente da frequência da corrente



Descrevemos o motor AC sem escovas tipo “imãpermanente” (PM).

•Sumário: É um conceito similar aomotor escovado DC exceto:

• As posições de imã e eletroimã sãoinvertidas

• A comutação é feita externamenteao motor

(SERVO motores para Motion Control são normalmentesmotores PM)

Existe ainda um outro tipo de motor AC sem escovas…


40

AC Induction motor Very common throughout industry and

consumer appliances, because

Cheap to Build No exotic permanent magnets

needed Cheap to Control**

“Across the Line” starting single-phase operation possible

(permanent-split-capacitor (PSC) or shaded pole, or start/run winding)

• ** this trend is slowly reversing. The complex power and electronic components of Drives have plummeted in cost, and wordlwide “green” initiatives favor the efficiency of PM motors


41

AC Induction motor

Similar to an AC Permanent Magnet motor, except: Rotor isn’t permanently magnetic; there are bars of

conductors that become magnetized during operation via “induction” or flux current from the stator windings

There is slip (rotor is always slightly slower than the speed of the rotating magnetic field)

Position sensing isn’t required, can run “Across the line” or simple Volts/Hz mode


Driving AC brushless motors


43

terminology VFD – “Variable Frequency Drive” –

used for induction motors Servo Drive –

used for permanent magnet servo motors

• VFD vs Servo drives: – different control algorithms– Different commutation and

feedback strategiesBut….


44

terminology

• Both of these motors are 3-phase AC brushless motors –So the “Muscle” or Power Conversion

section of a VFD and Servo drive are very similar…


45

AC input power is converted to High Voltage DC

AC Input DC Output(DC Bus)

ACFull wave rectified DC

capacitor


46 DC Bus capacitors


Transistores IGBT chaveiam o Barramento DC para as bobinas.

Power fromDC Bus

Phase A

Phase B

Phase C

Da mesma forma que oscomutadores emum motor DC, o drive precisachavear nasequência corretapara girar o motor


48 IGBT (Transistor Bipolar de

PortaIsolada)


49

Power fromDC Bus

Os transistors fornecem a energia do Bus DC, como conseguimos uma

onda suave de potência AC para o motor?


50

Positive DC transistors pulsed

Negative DC transistors pulsed Resultando

na correntedo motor

PWM – pulse width modulation


Feedback Transducers

The “Eyes” of the Servo System Tells us how far the motor has moved, and how

fast the motor is spinning

MotionCommand

Input Controller DriveMechanical

MotionOutput

FeedbackTransducer

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What Is An Encoder ?

00000000000000000001000000001100000000100000000110000000011100000001010000000100

Motionappliedto shaft

A device that converts mechanical motion into electrical signals to determine machine position and speed.


53

PRECISION GLASS DISK


Incremental Encoder Output

LightSource

Channel AOutput

Channel BOutput


55

Absolute encoder - multiturn Uses mechanical gear reduction and multiple code discs to keep track of motor shaft within 4096 revs


58

Linear Actuator Drive Mechanisms

How to produce linear motion from a rotary motor?


59

Linear Actuator Drive Mechanisms

Ballscrew

Ball bearings

Ballnut

Recirculating tube

• Low Friction (high efficiency)

• Moderate Costs• High Loads• Long Life• High Speed


60

Other linear actuators include Belt/pulley system Packaged motor/ballscrew combinations Linear motors..


61 It is an “unwrapped” permanent magnet motor

Magnet can be stationary or moving

Very high performance, very tight precision


62Motion Controllers maintain precise control of:• Position• Velocity• Acceleration/Deceleration

accomplished by continually monitoring the machine’s Actual Position and Position Feedback

Motion Controller

Command Signal

Position Feedback

The Command Signal controls

motion.

Actual Position.

Simple Control Theory


63

Servo Control Basics

•POSITION ERROR is calculated from the actual and commanded position• The “GAINS” are the mathematical factors that convert the error signal to a new output value to the motorPosition command

GAINS M

Motor

\ Encoder


• Manually adjusting the gains is called “tuning”• “Hotter” gains increase performance, but risk instability and overheating

M0

5

10

15

20

25

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Fine Interpolator

-

-

dtd

-

Resolver or Encoder

Position Feedback

Velocity Feedback

Position Error Current Feedback

MotorProportional Gain Proportional

Gain

Command Velocity

Position Command

Current Loop

Position Loop

dtd

Velocity Loop


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INCOMPATIBILIDADE DE INÉRCIA

O que é inércia? INÉRCIA = é a resistência de um objeto à alteração de

seu movimento Inércia está NORMALMENTE relacionada ao PESO

Um objeto mais pesado irá resistir a alteração emseu movimento mais do que um objeto leve.

• Ele poderiaarremessaruma bola de boliche a maisde 90Km/h?


66

Inércia rotacional, ou“momento de inércia” é diferente, a distância do peso para o centro do eixofaz toda diferença!

• Quando um motor precisaacelerar uma carga rotativa, é a Inércia Rotacional da carga, não o peso, queimporta!

Inércia Rotacional


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Inércia Rotacional

É verdade que reduzindo o peso de um componente reduz a inercia porém..

Quanto mais próximo a borda o peso for removido, menor será a inércia rotacional,

Permitindo ao motor ACELERAR a carga maisrápido

O que mais poderia ser feito para reduzir inércia?


68

Gearboxes (redutores)

Auenta a velocidade do motor Diminui o torque Diminui a inércia da carga, vista pelo

motor(pelo QUADRADO da relação)


69 Relação de Inércia (ou “incompatibilidade”) é a inércia do motor comparado com a carga

• Baixa relação de inércia

• Grande relação de inércia • Uma grandeincompatibilidade é maisdifícil de controlar, e deixa o Sistema instável.

• Pode ser “ajustado” “de-tunando” o eixo (que iráreduzir a Performance!)

• Um redutor é a melhorforma de reduzir a relaçãode inércia ! Mas…



70 Os problemas da relaçãode inércia são MUITO AGRAVADOS poracoplamentos elásticos outransmissões entre o motor e a carga!!!!



71

A eternal pergunta: Qual é a relação de inércia aceitável?

1:1?

5:1?

10:1?

40:1?

Alta Relaçãode inércia

AcoplamentoCompatível

Alta Performance

Não podemos ter os 3 !!



Drives & Motion

72

250W 3 KW 22 KW 150 KW1.2 KWDrive Continuous Power Rating

Kinetix6000 Kinetix

7000

Volta

ge 120V

2

30V

1 ph

ase

230

V 3

phas

e

460

V 3

phas

e

11 KW7.5 KW500W

Kinetix 300/350Kinetix 300/350

Kinetix6200/6500Ultra3000

Kinetix2000

Kinetix5500


Drives & Motion

Motores Rotativos

Motores Direct drive

Motores Lineares

Cilindros Elétricos

Motores e Atuadores


Drives & Motion

Recursos

- Faixa de tensão de entrada de 170 a 264 Vca, monofásica e trifásica- Saída de potência contínua de 0,05 W a 1,5 kW- Configurações de ganho e reconhecimento do motor automáticas- Solução de controle de posicionamento de custo otimizado para

aplicações menores, com poucos eixos- Comunicação serial Modbus-RTU para alterar parâmetros do inversor

durante a operação- Integra-se com os elementos fundamentais de componentes

conectados para realizar operações de indexação para até três eixos- Interfaces de comando flexíveis incluindo E/S digital, analógica, trem de

pulso e Modbus-RTU- Configurável com software UltraWare

KINETIX 3 Modbus RTUPTO - Analogico


Drives & Motion

- Micro 850 envia comandos PTO (Pulso e Direçao) para Servo Drive Kinetix 3

- Servodrive Kinetix 3 envia potencia para o motor e recebe o feedback do encoder

- Desta forma é possível substituir um motor de passo por um servo (no modo step direction).

Solução de Baixo CustoKINETIX 3 com Micro 850


Drives & Motion

- Tipicamente PTO é para aplicações de posicionamento precisos que exigem mais flexibilidade do que o previsto pelo Posicionamento Index

- Também é usado para controle preciso de velocidade, especialmente se o registro de posição é necessário. (Não usado para controle de torque)

- Um pulso gira o motor por um valor fracionário (por exemplo, 1/2000 revolução)

O que é PTO?

PTO é a solução de baixo custo e bom desempenho. Pode ser conectado usando cabos blindados baixo custo para qualquer unidade servo componente


Drives & Motion

Controle flexível para satisfazer muitas exigências de aplicaçãoIndexação- Cinco tipos diferentes de indexação- S-Curve e movimentos trapezoidais- 32 capacidade Index

Controle Sobre Ethernet / IP- Velocidade e Corrente- Posição absoluta e incremental, com ou sem registro

- Engrenagem eletrônica- Controle de entrada analógica- Controle por PTOPlataforma escalável para atender aos padrões globais de máquinas- 120 V modelos de motores de acionamento 240V em velocidade máxima- 240V fase c / integrado filtros individuais- Modelos para 240 e 460 trifásico- Faixas de potência 3kW - 400WMelhorar a produtividade da máquina- Safe Torque Off Integrado- Módulo de memória para substituição automática do dispositivo- Integração total da Rockwell Automation MP-Series e TL-Series motores e cilindros

(TLY).

Kinetix 300 Index Ethernet IP Safe Off


Drives & Motion

EtherNet/IP

Absolute and Incremental Feedback, MP and TLY motors.

Smart Motor Recognition Technology – Plug and Play

Auto Tuning

Integrated Safe Torque OffISO 13849-1 Safety PL dSIL 2

4 Character Display

400W – 3kW Power Range120/230V single phase

230/460V 3-phase models

24V control power

I/O &Encoder Output

Automatic Device Recovery Module


Drives & Motion

Potência de saída contínua de 400 W a 3 kW

Tensão de entrada: 120-240 Vca monofásica e 240-460 Vca trifásica

Com suporte no software de programação RSLogix™ 5000 (somente na versão 20) e no ambiente de engenharia de automação e projeto do Studio 5000™ (versão 21 e posterior)

Ideal para controladores CompactLogix® e ControlLogix® em redes EtherNet/IP™

Integra-se facilmente com servo-motores e atuadores MP-Series™ e TL-Series™

Suporte a CIP MOTION, integração com CPU´s Motion

Kinetix 350 Ethernet IP CIP Motion Safe Off


Drives & Motion

Quais CPUs CompactLogixutilizo para controle CIP

MOTION ?


Drives & Motion

Kinetix 5500 Ethernet IP CIP Motion Safe Off

Recursos

Inclui Ethernet de porta dupla – Suporta DLR

Fornece realimentação digital através de um único cabo

Permite operar servo-motores e motores de indução em uma plataforma de inversor

Recursos de segurança incorporados:

O Safe Torque-Off tem certificação ISO 13849-1 PLd/SIL2.


Drives & Motion

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Single CableInterface

Studio 5000 Software

Kinetix 5500 Servo DriveKinetix VPL Servo Motor

Frame 3Frame 2

Frame 1

Frame 75 Frame 63

Frame 165 Frame 130 Frame 115 Frame 100


Drives & Motion

Kinetix 5500 / VPL

Kinetix 350 / TLY

Performance and Features

Price

Kinetix 6500 / MPL

•Lowest cost solution supports TLY motor

•500 usec loop closure performance

•600 W to 3 kW•Top performance 125 usec loop closure

•Smallest cabinet space required•600 W to 15 kW

•Single cable and hybrid power topology•VPL motor support at release

• Premier integrated solution• Top performance 125 usec loop

closure• 1.2 kW to 22 kW

• Supports entire motor portfolio• Advanced safety features

www.rockwellautomation.com

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