Motion Control Fundamentos Básicos do Controle de Movimento

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1 Motion Control Fundamentos Básicos do Controle de Movimento Daniel Giraldi GOTC Global OEM Technical Consultant FS Eng (TÜV Rheinland, #8552/14, Machinery) 12/08/2014 Rev 5058-CO900F

2 Definição de MOTION CONTROL em 4 palavras Mover um motor elétrico Temos duas versões: Copyri

3 Definição de MOTION CONTROL em apenas 4 palavras Drive AC Mover um motor elétrico ( inversores, PowerFlex, Motor AC, motor de indução ) Temos duas versões: Servo Drive ( posicionamento em malha fechada, alta velocidade, alta precisão, Kinetix, SERCOS, CIP, motores de imã permanente Copyri

4 O que é Motion Control? Na maioria dos casos, Motion Control significa: Sistema Servo Acionado Posicionamento de malha fechada Definição de posicionamento de malha fechada :

5 Definindo Posicionamento de Malha Fechada Posicionamento de malha fechada Resulta num movimento que é: Preciso e Repetitivo Posição 1 Posição 2 Packaging Machine Animation: View Animation Pick and Place

6 Drives AC vs Servo Drive Aplicações com Drives AC velocidade é o parâmetro de controle principal Aplicações de Servo posicionamento em malha fechada, posição é o parâmetro de controle principal. Rotary Knife application: Web = continous sheet or film Rotary Knife precisely cuts to length on the fly View Animation Rotary Knife

7 Exemplo de Aplicação de Motion Control Embaladora Vertical Embalagem 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. Selagem servo acionada em sincronizmo com a embalagem Posicionamento é fundamental para evitar o esmagamento do produto e para a legibilidade da logomarca. Embalagem tracionada com servo acionamento

8 Terminologia básica de Motion Um Eixo pode ser tipo Linear ou Rotativo. Eixo Linear Move-se em uma linha reta. Tipicamente possuem um curso total definido. 1000mm Eixo Linear Motor Carga

9 Terminologia básica de Motion Eixos Rotativos giram sobre um ponto central. Uma aplicação típica é a Faca Rotativa Rotação Motor Rotary Axis

10 Terminologia básica de Motion Units Define os parametros de movimento de um eixo.. Selecionado para fornecer informação significativa para os operadores da máquina. Unidades Típicas: Polegadas, mm, Graus, revs Unidades do eixo Linear Polegadas Millimetros Unidades do eixo Rotativo Graus Revolução Motor Load

11 Velocidade Terminologia básica de Motion 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 eixos lineares. Para eixos rotativos, inclue-se graus por seg e revoluções por segundo Aceleração é uma mudança de velocidade positiva por unidade de tempo Examplo: Uma máquina atinge a velocidade de 10 graus/segundo Leva 5 segundos para atingir esta velocidade. Qual é a aceleração? (Quanto a velocidade muda, POR SEGUNDO?) Aceleração = velocidade/tempo = (10 graus/seg) / 5 seg. = 2 graus/seg^2. Deceleration is a negative change in velocity per unit of time.

12 Terminologia básica de Motion 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, Inicio do movimento Velocidade Zero, Movimento completo

13 14 Constant Velocity Curva-S (ou cúbica)) perfil suave na transição entre aceleração e desaceleração Copy

14 Terminologia básica de Motion Torque é uma força de rotação. Torque Comprimento da alavanca Força Torque = força x comprimento (da alavanca)

15 Terminologia básica de Motion Torque é uma força de rotação. Torque = força x comprimento (da alavanca)

16 Posicionamento do Eixo 17 Existem dois aspectos no posicionamento de um eixo: Posição Comandada: A posição desejada de um eixo, conforme gerada plao controlador de movimento Posição atual: A posição corrente verdadeira de um eixo. O objetivo do posicionamento de um eixo é minimizer a diferença entre a posição comandada e a posição atual! Copy

17 Erro de Posição 18 Erro de Posição é a diferença entre a posição comandada e a posição atual num controlador de movimento. O erro de posição nunca será eliminado completamente em um Sistema de controle em malha-fechada. Commanded Position Actual Position C B A B C Position Error A tolerância do erro de posição pode ser ajustada, para variar a sensibilidade do drive ao erro de posição (embreagem eletrônica) Copy

18 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 PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 19

19 Teoria do MOTOR DC 20 Exemplos simples de motor DC escovado: Brinquedos, vibrador de telefones Motor de partida automotivo Antigos motores elevadores industriais Copy

20 Teoria do MOTOR DC O imã ira girar devido atração dos polos opostos PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 21

21 Teoria do MOTOR DC E irá se ajustar a esta posição... PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 22

22 Teoria do MOTOR DC Se adicionarmos um novo imã ao eixo... PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 23

23 Teoria do MOTOR DC E desmagnetizar o outro imã... PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 24

24 Teoria do MOTOR DC O Segundo imã irá tentar alinhar-se com os polos opostos... PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 25

25 Teoria do MOTOR DC E se ajustará a esta nova posição... PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 26

26 Teoria do MOTOR DC Se continuar chaveando os imãs conforme feito anteriormente o eixo continuará em movimento. PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 27

27 Teoria do MOTOR DC Porém... Imãs permanetnes não podem ser chaveados (ligado/desligado) PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 28

28 Então... Utiliza-se eletroimãs PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 29

29 Teoria do MOTOR DC Eletroimãs podem ser chaveados enquanto giram. PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 30

30 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? PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 31

31 32 Copy

32 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 PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 33

33 Teoria do motor Brushless Dois problemas típicos de motores escovados: Pobre dissipação de calor O comutador mecânico solta faíscas danificandose rapidamente. 34

34 Teoria do motor Brushless Os enrolamentos(eletroimãs) aquecem, mas não há um caminho direto para dissipar o calor A solução é inverter a parte interna com a externa! 35

35 Teoria do motor Brushless Um servo motor sem escovas possui o imã permanente no rotor E o enrolamento no estator Imãs O calor das bobinas vão diretamente para carcaça, e não tem o desgaste das escovas e comutadores Sem comutadores que liga e desliga as bobinas? PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 36

36 Quando os enrolamentos são energizados com uma corrente senoidal, um campo magnético rotacional é produzido. 37

37 Teoria do motor Brushless E, conforme o campo magnético gira, o rotor de imã permanente gira com ele. Este tipo de motor é síncrono : o rotor está sempre travado ao campo magnético(não há escorregamento) A VELOCIDADE é dependente da frequência da corrente 38

38 Descrevemos o motor AC sem escovas tipo imã permanente (PM). Sumário: É um conceito similar ao motor escovado DC exceto: As posições de imã e eletroimã são invertidas A comutação é feita externamente ao motor (SERVO motores para Motion Control são normalmentes motores PM) Existe ainda um outro tipo de motor AC sem escovas 39

39 AC Induction motor 40 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 Copy

40 AC Induction motor 41 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 Copy

41 Driving AC brushless motors PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 42

42 terminology 43 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 strategies But. Copy

43 terminology 44 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 Copy

44 AC input power is converted to High Voltage DC 45 AC Input DC Output (DC Bus) capacitor AC Full wave rectified DC Copy

45 46 DC Bus capacitors Copy

46 Transistores IGBT chaveiam o Barramento DC para as bobinas. Phase A Power from DC Bus Phase C Phase B Da mesma forma que os comutadores em um motor DC, o drive precisa chavear na sequência correta para girar o motor 47

47 48 IGBT (Transistor Bipolar de Porta Isolada) Copy

48 49 Os transistors fornecem a energia do Bus DC, como conseguimos uma onda suave de potência AC para o motor? Power from DC Bus Copy

49 PWM pulse width modulation 50 Positive DC transistors pulsed Negative DC transistors pulsed Resultando na corrente do motor Copy

50 Feedback Transducers The Eyes of the Servo System Tells us how far the motor has moved, and how fast the motor is spinning Motion Command Input Controller Drive Mechanical Motion Output Feedback Transducer PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 51

51 What Is An Encoder? A device that converts mechanical motion into electrical signals to determine machine position and speed Motion applied to shaft Copyright 2012 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved

52 53 PRECISION GLASS DISK Copy

53 Incremental Encoder Output Light Source Channel A Output Channel B Output PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 54

54 Absolute encoder - multiturn Uses mechanical gear 55 reduction and multiple code discs to keep track of motor shaft within 4096 revs Copy

55 Linear Actuator Drive Mechanisms 58 How to produce linear motion from a rotary motor? Copy

56 Linear Actuator Drive Mechanisms 59 Ballscrew Low Friction (high efficiency) Moderate Costs High Loads Long Life High Speed Ballnut Recirculating tube Ball bearings Copy

57 60 Other linear actuators include Belt/pulley system Packaged motor/ballscrew combinations Linear motors.. Copy

58 61 It is an unwrapped permanent magnet motor Magnet can be stationary or moving Very high performance, very tight precision Copy

59 Simple Control Theory 62 Motion Controllers maintain precise control of: Position Velocity Acceleration/Deceleration accomplished by continually monitoring the machine s Actual Position and Position Feedback The Command Signal controls motion. Command Signal Motion Controller Position Feedback Actual Position. Copy

60 Servo Control Basics 63 Position command 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 motor GAINS Motor M \ Encoder Copy

61 Manually adjusting the gains is called tuning Hotter gains increase performance, but risk instability and overheating d dt Command Velocity Position Command Fine Interpolator Position Loop - Position Error Position Feedback Proportional Gain - Velocity - Loop d dt Proportional Gain Velocity Feedback Current Feedback Current Loop Resolver or Encoder Motor M PUBLIC Copyright INFORMATION 2013 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 64

62 INCOMPATIBILIDADE DE INÉRCIA 65 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 em seu movimento mais do que um objeto leve. Ele poderia arremessar uma bola de boliche a mais de 90Km/h? Copy

63 Inércia Rotacional 66 Inércia rotacional, ou momento de inércia é diferente, a distância do peso para o centro do eixo faz toda diferença! Quando um motor precisa acelerar uma carga rotativa, é a Inércia Rotacional da carga, não o peso, que importa! Copy

64 Inércia Rotacional 67 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 mais rápido O que mais poderia ser feito para reduzir inércia? Copy

65 Gearboxes (redutores) 68 Auenta a velocidade do motor Diminui o torque Diminui a inércia da carga, vista pelo motor(pelo QUADRADO da relação) Copy

66 INCOMPATIBILIDADE DE INÉRCIA 69 Relação de Inércia (ou incompatibilidade ) é a inércia do motor comparado com a carga Grande relação de inércia Uma grande incompatibilidade é mais difícil de controlar, e deixa o Sistema instável. Pode ser ajustado detunando o eixo (que irá reduzir a Performance!) Um redutor é a melhor Baixa relação de inércia forma de reduzir a relação de inércia! Mas Copy

67 INCOMPATIBILIDADE DE INÉRCIA 70 Os problemas da relação de inércia são MUITO AGRAVADOS por acoplamentos elásticos ou transmissões entre o motor e a carga!!!! Copy

68 71 INCOMPATIBILIDADE DE INÉRCIA A eternal pergunta: Qual é a relação de inércia aceitável? Alta Relação de inércia 1:1? 5:1? Não podemos ter os 3!! 10:1? 40:1? Acoplamento Compatível Alta Performance Copy

69 Drives & Motion Drive Continuous Power Rating 250W 500W 1.2 KW 3 KW 7.5 KW 11 KW 22 KW 150 KW Voltage 120V 230V 1 phase 230V 3 phase 460V 3 phase Kinetix 2000 Kinetix Kinetix Ultra3000 Kinetix 300/350 Kinetix 7000 Kinetix 6200/

70 Drives & Motion Motores e Atuadores Motores Rotativos Motores Direct drive Motores Lineares Cilindros Elétricos

71 Drives & Motion KINETIX 3 Modbus RTU PTO - Analogico 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

72 Drives & Motion Solução de Baixo Custo KINETIX 3 com Micro 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).

73 Drives & Motion O que é PTO? - 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) PTO é a solução de baixo custo e bom desempenho. Pode ser conectado usando cabos blindados baixo custo para qualquer unidade servo componente

74 Drives & Motion Kinetix 300 Index Ethernet IP Safe Off Controle flexível para satisfazer muitas exigências de aplicação Indexação - 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 PTO Plataforma escalável para atender aos padrões globais de máquinas 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 - 400W Melhorar 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).

75 Drives & Motion 400W 3kW Power Range 120/230V single phase 230/460V 3-phase models I/O & Encoder Output EtherNet/IP Absolute and Incremental Feedback, MP and TLY motors. Smart Motor Recognition Technology Plug and Play Auto Tuning 4 Character Display Automatic Device Recovery Module 24V control power Integrated Safe Torque Off ISO Safety PL d SIL 2

76 Drives & Motion Kinetix 350 Ethernet IP CIP Motion Safe Off Potência de saída contínua de 400 W a 3 kw Tensão de entrada: Vca monofásica e 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

77 Drives & Motion Quais CPUs CompactLogix utilizo para controle CIP MOTION?

78 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 PLd/SIL2.

79 Drives & Motion Kinetix VPL Servo Motor Kinetix 5500 Servo Drive Frame 165 Frame 130 Frame 115 Frame 100 Frame 1 Frame 2 Frame 3 Frame 75 Frame 63 Single Cable Interface Studio 5000 Software 82

80 Drives & Motion Kinetix 5500 / VPL Kinetix 6500 / MPL Price Lowest cost solution supports TLY motor 500 usec loop closure performance 600 W to 3 kw Kinetix 350 / TLY 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 Performance and Features

81 Muito Obrigado! Follow ROKAutomation on Facebook & Twitter. Connect with us on LinkedIn. Rev 5058-CO900F

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