A escolha de um sistema de servomotor para um projeto de máquina começa com a compreensão dos componentes que compõem o servomotor ou o sistema de servoacionamento. Os sistemas servo são sistemas de circuito fechado usados para controlar certos movimentos desejados. Eles incluem um dispositivo de feedback que fornece informações constantes entre o motor e o acionador para controlar com precisão a posição, a velocidade e o torque do mecanismo que está sendo acionado.
Motor servo driver QXR DDR de alto desempenho
Normalmente, os projetos de servos são sistemas altamente dinâmicos que envolvem o acionamento de uma carga para acelerar e desacelerar rapidamente. Eles operam em quatro quadrantes, o que significa que podem controlar o torque e a velocidade, tanto positivos quanto negativos.
A seleção acionada por servo requer uma solução sistemática. Em outras palavras, uma abordagem holística que leva em consideração os parâmetros gerais mecânicos, elétricos e de programação. O sistema inclui a determinação de cargas mecânicas, curvas de movimento (incluindo requisitos de posicionamento), características do servo motor e o ambiente no qual o motor e outros componentes estão localizados; Em particular, quando o motor está funcionando a uma velocidade quase constante, ele afeta os produtos acabados, materiais e/ou o próprio processo.
Parâmetros de carga mecânica e curva de movimento
Vamos começar entendendo o que significa carga mecânica e requisitos de movimento. A física newtoniana básica afirma que a força (ou torque na direção da rotação) é proporcional à massa (inércia rotacional) multiplicada pela aceleração, independentemente de a aceleração ser positiva ou negativa. No contexto do motion design, a construção da máquina tem sua própria qualidade e a qualidade da carga que carrega.
Portanto, é importante determinar as partes mecânicas - especialmente a qualidade do movimento e a curva de movimento desejada. Os métodos para converter movimento rotacional em movimento linear variam amplamente e são afetados por fatores como precisão, carga, dinâmica de movimento e ambiente.
Uma vez entendido o mecanismo utilizado, entender a dinâmica do movimento é importante para determinar a melhor solução de servomotor. A curva de movimento inclui não apenas o movimento de um ponto a outro, mas também as funções que podem ser usadas nesse movimento, como o impulso associado à usinagem das peças. Aceleração, uniformidade e desaceleração, bem como tempos de residência e pausa, estão todos incluídos na curva de movimento geral do sistema. Os movimentos de indexação podem ser movimento triangular simples, trapézio variável ou 1/3-1/3-1/3 (o movimento mais eficiente associado ao torque RMS).
Ferramenta de seleção e seleção do sistema servo
Muitos fornecedores oferecem ferramentas de seleção e seleção para ajudar os usuários a criar perfis de movimento com base nos requisitos de movimento de suas aplicações. A maioria das ferramentas de software, como a plataforma Motioneering da Kollmorgen, fornece uma variedade de descrições de movimento para ajudá-lo a calcular aceleração, tempo de movimento, distância, velocidade e tempo de residência. A Figura 1 mostra a curva básica 1/3-1/3-1/3, com uma aceleração de 50% introduzida para suavizar a aceleração. Neste exemplo, escolhemos mover 8 polegadas em 1 segundo e usar 50% de aceleração e um tempo de espera de 2 segundos. O sistema calcula o movimento em termos de 1/3 do tempo de aceleração, 1/3 da velocidade constante e 1/3 da desaceleração. A velocidade máxima calculada pela ferramenta é 720in/min. Você pode ver o contorno da curva "S" (com base em 50 por cento de aceleração). Além disso, para este movimento, pode-se observar que uma carga de empuxo (linha vermelha) é aplicada na parte transversal do movimento -- esta curva de movimento provavelmente está sendo usinada. O tempo de permanência também pode ser visto como 3 segundos. A parte do tempo de espera é importante porque todos os parâmetros associados a esta curva serão usados para calcular o torque RMS, que será uma métrica que usaremos para selecionar o motor correto. Além das curvas de movimento, também é importante entender os requisitos reais de posicionamento das cargas em termos de resolução, precisão e repetibilidade. Isso será diretamente afetado pela seleção de dispositivos de feedback e (mais significativamente) pelo momento vazio de conexões mecânicas na forma de folga e flexibilidade.
A menos que o projeto possa usar uma solução de motor de acionamento direto, ele incluirá algum tipo de transmissão mecânica. A transmissão de energia linear rotativa (convertendo a saída de um motor rotativo em deslocamento do eixo) pode ser realizada por acionamento por polia ou por mecanismos baseados em parafusos, como fusos de esferas. O acionamento rotativo inclui uma caixa de engrenagens ou um conjunto de acionamento por correia, de modo que polias de vários tamanhos possam ser usadas como retardadores. Em algumas aplicações, as peças movidas contribuem significativamente para a massa total do movimento. Um caso especial é a massa de um eixo de máquina que deve ser movida para mudar -- como na distribuição ou processamento de um sistema robótico. A variação total da carga pode ser um fator no ajuste do servoconversor.
Os componentes em movimento devem somar sua inércia e refleti-la de volta ao eixo do motor. Além da inércia, forças externas, atrito e ineficiência devem ser consideradas.
Considerações ambientais no projeto servo
Ainda não acabou. Ao determinar o projeto do servo, apenas alguns mecanismos disponíveis podem fornecer de forma econômica e eficiente o movimento, a capacidade de carga e a precisão necessários. Uma consideração que muitas vezes é negligenciada é o ambiente em que o sistema servo opera. A maioria dos servomotores é classificada para operar a 40°C - um ambiente muito quente, mas típico em muitas fábricas e configurações industriais.
A resistência ao calor dos componentes eletrônicos de direção não é muito alta e, como eles também são classificados em 40 graus C, gerenciar a temperatura ambiente onde operam é um desafio. Normalmente, o resfriamento forçado no gabinete de controle é necessário para manter as condições ambientais adequadas (temperatura e umidade). Portanto, a localização do motor e do driver deve ser considerada. Obviamente, o motor pode ser instalado ou integrado diretamente no dispositivo para acionar o mecanismo de transporte de carga. Em contraste, o inversor em uma solução centralizada está localizado em um gabinete de controle -- geralmente precisa ser resfriado.
Os fabricantes definem o desempenho parcial do motor de acordo com as condições ambientais sob as quais o motor opera. Conforme observado acima, muitos projetistas assumem que o motor é classificado para uma temperatura ambiente de 40 graus C, mas ocasionalmente uma especificação de motor de 25 graus C é fornecida. Portanto, deve-se prestar atenção aos valores de referência publicados ao revisar as especificações. Se a temperatura ambiente da máquina exceder a temperatura ambiente nominal, o motor não atingirá a potência nominal.
Outras condições ambientais podem afetar as tintas e vedações do motor e outros subcomponentes mecânicos. Poeira, sujeira, umidade, enxágue por pulverização, requisitos de higiene, ambientes explosivos, ambientes de vácuo e radiação exigem servomotor especial com características físicas adaptadas ao ambiente hostil atual.
Processo de seleção
Ao determinar a composição necessária do motor/sistema de acionamento, grande parte do esforço de seleção inicial é mecânico e ambiental. Agora, quando o usuário seleciona o produto final, os demais componentes do sistema que o sistema contém devem ser considerados. Fatores mecânicos e ambientais continuarão a influenciar elementos de feedback, fiação e a escolha final da arquitetura de controle.
Considerações de feedback e características do servo motor
Por definição, os sistemas servo possuem dispositivos de feedback que medem velocidade, posição e outros parâmetros do sistema durante a operação. Os fabricantes podem ter opções limitadas, mas é importante considerar cuidadosamente parâmetros de aplicação específicos, incluindo carga de impacto e precisão de posicionamento, bem como repetibilidade. Os transformadores rotativos costumam ter excelente desempenho em ambientes hostis, especialmente para cargas de alto impacto. Um transformador rotativo é um transformador rotativo que consiste em uma bobina de enrolamento com partes de estator e rotor ao redor do núcleo. Essa construção permite operação em temperatura mais alta e maior tolerância a cargas de alto impacto do que os encoders que podem conter elementos de disco de vidro.
Os codificadores senoidais podem fornecer alta resolução, até 24 bits e além, para precisão de posicionamento ideal. Alguns encoders híbridos podem fornecer a robustez de um transformador rotativo com melhor resolução. Esses codificadores inteligentes são baseados em transformadores rotativos com componentes eletrônicos que interpretam sinais de seno e cosseno e os convertem em um sinal digital de alta resolução que será passado para um servo driver para uso em feedback de velocidade e posição.
Atualmente, os codificadores mais recentes oferecem uma variedade de protocolos de comunicação (EnDAT, BiSS e DSL) e fornecem recursos de alta resolução e baixo ruído para ajudar a obter sinais de feedback ideais para servo drivers e controladores.
Outra opção de feedback que depende dos requisitos do aplicativo é se você deseja feedback absoluto ou incremental. Em um sistema rotativo, você pode contar a partir de 0 depois de completar uma rotação de 360 graus usando uma única volta do equipamento. O encoder absoluto multivolta permite que o sistema saiba sua posição, não apenas a posição do motor em uma rotação de 360 graus, mas também o número de voltas que ele completou em cada direção. Então ele sabe exatamente onde está. É importante saber isso e onde estão localizadas as ferramentas e outros eixos. Codificadores incrementais simples, por outro lado, podem determinar a posição em uma única rotação, mas somente após encontrar zero no ciclo de inicialização. Como resultado, o usuário não saberá quantos ciclos foram concluídos ou mesmo a posição absoluta
em uma rotação de 360 graus quando ligado.
Além do servo motor e do próprio servo driver, a conexão real entre os dois também é importante. A flexibilidade do cabo (definida por seu raio de curvatura permitido) é uma consideração importante, especialmente quando o cabo está se movendo com o eixo.
O comprimento do cabo pode ser limitado pelo tipo de encoder em consideração. Os parâmetros do cabo, como impedância e queda de tensão, combinados com a força do sinal do codificador, são os principais fatores na consideração do comprimento. Alguns dos dispositivos mais novos oferecidos no mercado transmitem informações seriais aos drivers (como DSL, EnDat e BiSS) em taxas de transmissão muito altas, que serão afetadas pelo comprimento, especialmente impedância e relação sinal/ruído. Até o conector desempenha um papel no loop de "feedback", pois o conector precisa processar os vários sinais gerados por esses dispositivos. Outro fator de comprimento de cabo relacionado à potência do motor está relacionado às altas frequências de comutação envolvidas nos drivers PWM atuais. Há ruído no cabo de alimentação do motor. Quando o cabo se torna mais longo e se aproxima da metade do comprimento de onda da frequência no cabo, uma antena será formada. A antena enviará ou receberá informações (neste caso gerando ruído) que não deveriam estar presentes em um sistema de alto desempenho.
Último parâmetro: controle de movimento e rede -- centralizada versus descentralizada
Uma consideração final que pode causar a duplicação do processo geral de design (e alterar outros componentes especificados do design) é a arquitetura do sistema. O engenheiro deve se perguntar: devo me concentrar em um sistema de controle centralizado com drivers, controladores e componentes eletrônicos de suporte agrupados em um gabinete centralizado ou é mais lucrativo e econômico distribuir os drivers pela máquina (uma abordagem de sistemas distribuídos)? Uma máquina com múltiplos eixos, que podem estar espalhados pela máquina, seria um candidato ideal para uma solução distribuída. Este método pode reduzir significativamente os requisitos de cabos e economizar custos associados à fiação de cabos longos e aos slots e suportes de cabos que acompanham esses cabos. Além disso, mover o driver para fora da máquina reduz o tamanho do gabinete necessário para abrigar os componentes eletrônicos de controle e suporte, reduzindo novamente os custos e os requisitos de resfriamento dentro do gabinete. Por outro lado, máquinas compactas e com menos eixos não se beneficiarão de um sistema tradicional
abordagem centralizada.
conclusão
Há muitas coisas que devem ser consideradas ao selecionar um sistema servo para uma aplicação, muitas das quais foram descritas neste artigo. Outra escolha que afeta a seleção dos componentes controla o sistema. O tipo de controle geralmente é especificado em um estágio inicial nas discussões de projeto da máquina e depende de uma variedade de fatores, enquanto a escolha do controle geralmente se restringe à escolha dos padrões de comunicação fieldbus.