3 Explicação dos modos de controle do servomotor

1. Modo de controle de pulso do servomotor

Os servomotores são amplamente usados em várias aplicações devido à sua precisão e confiabilidade. Um dos métodos mais comuns de controle de servomotores, especialmente em pequenos equipamentos autônomos, é por meio do controle de pulso. Esse método é direto e fácil de entender, o que o torna uma escolha popular para o posicionamento do motor.

Conceito básico de controle

O modo de controle de pulso opera com base em dois princípios fundamentais:

1. Contagem total de pulsos: Determina o deslocamento do motor. O número de pulsos enviados ao servomotor corresponde diretamente à distância que o motor se moverá. Por exemplo, se um servomotor precisar de 2.000 pulsos para completar uma rotação completa, o envio de 1.000 pulsos resultará em meia rotação.
2. Frequência de pulso: Determina a velocidade do motor. A frequência com que os pulsos são enviados ao motor determina a velocidade com que o motor se moverá. Uma frequência de pulso mais alta resulta em uma velocidade mais rápida do motor, enquanto uma frequência mais baixa resulta em um movimento mais lento.

Implementação do controle de pulso

Para implementar o controle de pulso em um servomotor, siga estas etapas:

1. Selecione o modo de controle de pulso: Certifique-se de que o servomotor e seu controlador estejam configurados para operar no modo de controle de pulso. Isso geralmente pode ser feito por meio das definições de configuração do motor ou selecionando o modo apropriado no software do controlador.
2. Determinar os requisitos de pulso: Consulte o manual do servomotor para entender a relação entre os pulsos e o movimento do motor. O manual fornecerá uma tabela ou fórmula indicando quantos pulsos são necessários para movimentos específicos.
3. Gerar pulsos: Use um gerador de pulsos ou um microcontrolador para gerar os pulsos necessários. O gerador de pulsos deve ser capaz de produzir pulsos com a frequência e a contagem desejadas.
4. Enviar pulsos ao motor: Conecte o gerador de pulsos à entrada do servomotor. O motor receberá os pulsos e se moverá de acordo. Certifique-se de que as conexões estejam seguras e que o gerador de pulsos esteja configurado corretamente.

Tabela de exemplo do Manual do Servo Motor

Aqui está um exemplo de uma tabela típica de um manual de servomotor:

Forma de pulso de comando	Nome do sinal	Comando de direção positiva	Comando de direção negativa
Diferença de fase de 90 bits   Pulso bifásico A + fase B	SINAL DE PULSOS	B é 90 graus mais rápido do que a fase a	B é 90 graus mais lento do que a fase a
Trem de pulso positivo + trem de pulso negativo	SINAL DE PULSOS
Pulso + símbolo	SINAL DE PULSOS

Vantagens do controle de pulso

• Simplicidade: O controle de pulso é fácil de implementar e entender, o que o torna adequado para várias aplicações.
• Precisão: Ao controlar o número e a frequência dos pulsos, é possível obter um posicionamento preciso e controle de velocidade.
• Flexibilidade: O controle de pulso pode ser usado com vários tipos de servomotores e controladores, proporcionando flexibilidade no projeto do sistema.

Métodos de implementação de driver de motor controlado por pulso

No âmbito do controle do motor, especialmente para aplicações de alta velocidade, os métodos de controle de pulso são cruciais para determinar o sentido de rotação e a velocidade do motor. A seguir, exploramos três métodos distintos de controle de pulso, cada um com suas características, vantagens e limitações exclusivas.

Método 1: Controle diferencial

Implementação:

• O driver recebe dois pulsos de alta velocidade, rotulados como 𝑎a e 𝑏b.
• O sentido de rotação do motor é determinado pela diferença de fase entre esses dois pulsos.
  • Se o pulso 𝑏b conduz o pulso 𝑎a em 90 graus, o motor gira na direção positiva.
  • Se o pulso 𝑏b atrasa o pulso 𝑎a em 90 graus, o motor gira na direção inversa.

Características:

• Pulsos alternados: Os pulsos bifásicos se alternam, o que dá origem ao termo "controle diferencial".
• Anti-interferência: Esse método apresenta maior capacidade anti-interferência, o que o torna adequado para ambientes com forte interferência eletromagnética.

Limitações:

• Intensivo em recursos: Requer duas portas de pulso de alta velocidade para um único eixo de motor, o que pode ser uma limitação em sistemas com disponibilidade limitada de portas de pulso de alta velocidade.

Método 2: Controle de pulso sequencial

Implementação:

• O driver ainda recebe dois pulsos de alta velocidade, mas eles não existem simultaneamente.
• Quando um pulso está ativo, o outro deve estar inativo.
• Um pulso controla a direção positiva, enquanto o outro controla a direção negativa.

Características:

• Pulsos sequenciais: Garante que apenas um pulso seja emitido em um determinado momento, evitando conflitos de pulsos simultâneos.

Limitações:

• Intensivo em recursos: Semelhante ao controle diferencial, esse método também requer duas portas de pulso de alta velocidade para um único eixo do motor.

Método 3: Pulso único com sinal de E/S direcional

Implementação:

• O driver recebe um único sinal de pulso de alta velocidade.
• A direção da rotação do motor é controlada por um sinal IO direcional adicional.

Características:

• Controle mais simples: Esse método simplifica a lógica de controle ao reduzir o número de sinais de pulso necessários.
• Eficiência de recursos: Ocupa menos portas de pulso de alta velocidade, o que o torna ideal para sistemas menores com recursos limitados.

Limitações:

• Anti-interferência inferior: Embora seja mais simples, esse método pode não oferecer o mesmo nível de capacidade anti-interferência que o controle diferencial.

Resumo

Cada método de controle de pulso oferece vantagens distintas e é adequado para diferentes cenários de aplicação:

• Controle diferencial: Melhor para ambientes de alta interferência devido a seus recursos superiores de anti-interferência, mas requer mais recursos.
• Controle de pulso sequencial: Oferece um equilíbrio entre a complexidade do controle e o uso de recursos, mas ainda requer duas portas de pulso de alta velocidade.
• Pulso único com sinal de E/S direcional: Ideal para sistemas pequenos com recursos limitados, oferecendo simplicidade e eficiência ao custo de recursos anti-interferência potencialmente mais baixos.

Ao selecionar um método de controle, considere os requisitos específicos da sua aplicação, incluindo o nível de interferência, a disponibilidade de recursos e a complexidade do controle.

2. Modo de controle analógico do servomotor

Em aplicações em que é necessário um controle preciso da velocidade de um servomotor, o controle analógico pode ser um método eficaz. Esse modo utiliza um sinal analógico para regular a velocidade do motor, oferecendo uma abordagem direta e flexível.

Seleção de quantidade analógica

O sinal de controle analógico pode ser uma tensão ou uma corrente. Cada método tem suas próprias vantagens e considerações:

Modo de tensão

No modo de tensão, o sinal de controle é uma tensão específica aplicada à entrada de controle do servomotor. Esse método é relativamente simples de implementar e pode até mesmo ser obtido usando um potenciômetro para ajustes manuais. Aqui estão os pontos principais:

• Implementação: Aplique uma tensão específica à extremidade do sinal de controle.
• Facilidade de uso: Configuração simples, geralmente usando um potenciômetro.
• Adequação: Ideal para aplicações simples com interferência ambiental mínima.

Entretanto, os sinais de tensão são suscetíveis a ruídos e interferências, especialmente em ambientes complexos. Isso pode levar a um controle instável do motor, tornando-o menos confiável em tais cenários.

Modo atual

O controle do modo de corrente requer um módulo de saída de corrente correspondente para gerar o sinal de controle. Apesar do requisito adicional de hardware, os sinais de corrente oferecem vantagens significativas em termos de estabilidade e confiabilidade:

• Implementação: Requer um módulo de saída de corrente.
• Anti-interferência: Forte resistência a ruídos e interferências ambientais.
• Adequação: Ideal para ambientes complexos em que o controle estável é fundamental.

A natureza robusta dos sinais de corrente os torna preferíveis em ambientes industriais ou em outras aplicações em que as condições ambientais possam afetar a integridade do sinal.

3. Modo de controle de comunicação do servomotor

Os servomotores são componentes essenciais em várias aplicações industriais, fornecendo controle preciso sobre o movimento. O modo de controle de comunicação para servomotores é essencial para obter uma operação eficiente e precisa, especialmente em sistemas complexos e de grande escala. Aqui, exploramos os protocolos de comunicação comuns usados para o controle de servomotores e seus benefícios.

Protocolos de comunicação comuns

1. CAN (Rede de Área do Controlador)
   • Visão geral: O CAN é um padrão robusto de barramento veicular projetado para permitir que microcontroladores e dispositivos se comuniquem entre si sem um computador host.
   • Vantagens: Alta confiabilidade, recursos em tempo real e mecanismos de detecção de erros.
   • Aplicativos: Amplamente utilizado em sistemas de automação automotiva e industrial.
2. EtherCAT (Ethernet para tecnologia de automação de controle)
   • Visão geral: EtherCAT é um sistema de fieldbus baseado em Ethernet projetado para aplicações de controle em tempo real.
   • Vantagens: Comunicação de alta velocidade, baixa latência e recursos de sincronização.
   • Aplicativos: Ideal para aplicações de alto desempenho, como robótica, máquinas CNC e sistemas de controle de movimento.
3. MODBUS
   • Visão geral: MODBUS é um protocolo de comunicação serial originalmente publicado pela Modicon para uso com seus controladores lógicos programáveis (PLCs).
   • Vantagens: Simplicidade, facilidade de implementação e ampla adoção.
   • Aplicativos: Comumente usado em ambientes industriais para conectar dispositivos eletrônicos.
4. PROFIBUS (barramento de campo de processo)
   • Visão geral: O PROFIBUS é um padrão para comunicação de fieldbus na tecnologia de automação.
   • Vantagens: Alta velocidade de transmissão de dados, confiabilidade e amplos recursos de diagnóstico.
   • Aplicativos: Usado em automação de fábrica e automação de processos.

Benefícios do controle de comunicação em servomotores

O uso de protocolos de comunicação para controlar servomotores oferece várias vantagens, especialmente em aplicações de sistemas complexos e de grande escala:

• Escalabilidade: O tamanho do sistema e o número de eixos do motor podem ser facilmente ajustados sem mudanças significativas na infraestrutura.
• Complexidade de fiação reduzida: O controle de comunicação reduz a necessidade de fiação de controle extensa, simplificando a instalação e a manutenção.
• Flexibilidade: O sistema construído é altamente flexível, permitindo a fácil integração e reconfiguração dos componentes.
• Diagnóstico aprimorado: Os protocolos de comunicação geralmente incluem recursos de diagnóstico que ajudam no monitoramento e na solução de problemas do sistema.
• Controle em tempo real: Protocolos como o EtherCAT oferecem recursos de controle em tempo real, essenciais para aplicações que exigem sincronização e tempo precisos.

4. Expansão dos modos de controle do servomotor

1. Controle de torque do servomotor

O modo de controle de torque permite a configuração precisa do torque de saída externo do eixo do motor por meio da entrada de um sinal analógico externo ou da atribuição direta de endereço. Esse modo é particularmente útil em aplicações em que é fundamental manter a tensão consistente do material.Exemplo:

• Se uma entrada de 10 V corresponder a 5 Nm de torque, então uma entrada de 5 V resultará em 2,5 Nm de saída de torque.
• Quando a carga do eixo do motor é menor que 2,5 Nm, o motor gira para frente.
• Quando a carga externa é igual a 2,5 Nm, o motor permanece parado.
• Quando a carga excede 2,5 Nm, o motor inverte a direção (comum em sistemas com carga gravitacional).

Aplicativos:

• Dispositivos de enrolamento e desenrolamento, como os usados na fabricação de tecidos ou em equipamentos de extração de fibra óptica, em que a tensão do material deve permanecer constante.
• É possível fazer ajustes em tempo real na configuração de torque alterando a entrada analógica ou mudando o valor por meio de protocolos de comunicação, garantindo uma tensão consistente no material, apesar das mudanças no raio de enrolamento.

2. Controle de posição do servomotor

No modo de controle de posição, a velocidade de rotação do motor é normalmente determinada pela frequência dos pulsos de entrada externos, enquanto o ângulo de rotação é controlado pelo número de pulsos.Características:

• Alguns sistemas servo permitem a atribuição direta de valores de velocidade e deslocamento por meio de comunicação.
• Esse modo oferece controle preciso da velocidade e da posição, o que o torna ideal para aplicações que exigem alta precisão.

Aplicativos:

• Dispositivos de posicionamento
• Máquinas-ferramentas CNC
• Máquinas de impressão

3. Modo de velocidade do servomotor

O modo de velocidade permite o controle da velocidade de rotação do motor por meio de entrada analógica ou frequência de pulso.Características:

• Com o controle PID de loop externo de um dispositivo de controle superior, o modo de velocidade também pode ser usado para posicionamento.
• O sinal de posição do motor ou da carga direta deve ser enviado de volta ao computador superior para processamento.
• Suporta a detecção direta da posição do anel externo da carga, em que o codificador do eixo do motor mede apenas a velocidade e um dispositivo separado na extremidade da carga fornece o sinal de posição.

Vantagens:

• Reduz os erros na transmissão intermediária
• Aumenta a precisão geral do posicionamento do sistema

4. Entendendo os três loops

Os sistemas servo normalmente operam usando três sistemas de regulagem PID de feedback negativo em malha fechada: a malha de corrente, a malha de velocidade e a malha de posição.Loop atual:

• O loop mais interno, gerenciado inteiramente dentro do driver do servo.
• Detecta e ajusta a corrente de saída de cada fase do motor usando um dispositivo Hall.
• Controla o torque do motor com carga computacional mínima e resposta dinâmica rápida.

Speed Loop:

• O segundo loop, que utiliza o feedback do codificador do motor.
• A saída PID do loop de velocidade define o loop de corrente, o que significa que o controle de velocidade inclui inerentemente o controle de corrente.
• Essencial para qualquer modo de controle, pois o loop de corrente forma a base de controle.

Loop de posição:

• O loop mais externo, que pode ser configurado entre o driver e o codificador do motor ou entre um controlador externo e o codificador do motor/carga final.
• A saída interna do loop de controle de posição define o loop de velocidade, exigindo a operação de todos os três loops no modo de controle de posição.
• Esse modo envolve o maior esforço computacional e tem a resposta dinâmica mais lenta.

Conclusão

Compreender os diferentes modos de controle e o sistema de três loops dos servomotores é essencial para otimizar seu desempenho em várias aplicações industriais. Cada modo oferece vantagens exclusivas e é adequado a tarefas específicas, garantindo o controle preciso do torque, da posição e da velocidade.