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Sebenta UC02952 — Servomecanismos

1. Fundamentos dos Servomecanismos

1.1 Definição e Aplicações

Um servomecanismo é um sistema de controlo de posição, velocidade ou binário em malha fechada, no qual a posição (ou velocidade) de saída é continuamente comparada com a referência e os desvios são automaticamente corrigidos.

Componentes de um sistema servo completo:

• Motor servo: AC síncrono com ímanes permanentes (PMSM) — alta densidade de potência, baixa inércia
• Encoder: transdutor de posição angular; montado no veio traseiro do motor
• Servo drive (amplificador): processa o erro de posição e fornece corrente ao motor
• Controlador (CNC, PLC, ou controlador de movimento): calcula a trajectória e envia referências ao drive

Diferenças entre servo, VFD e motor de passo:

1.2 Malhas de Controlo

Servo drive típico com 3 malhas aninhadas:

1. Malha de corrente (interna, mais rápida):
2. Frequência de amostrage: 16–32 kHz
3. Regula a corrente no enrolamento do motor (= binário)

4. Resposta em < 1 ms

5. Malha de velocidade (intermédia):

6. Frequência: 4–8 kHz
7. Compara a velocidade de referência com a velocidade medida pelo encoder

8. Resposta em 5–20 ms

9. Malha de posição (externa, mais lenta):

10. Frequência: 1–2 kHz (geralmente no controlador)
11. Compara a posição de referência com a posição real do encoder
12. Resposta em 10–50 ms

2. Encoders — Tecnologias e Protocolos

2.1 Encoder Incremental

Princípio: disco perfurado (ou com padrão fotogravado) que gira com o motor. Sensor óptico ou magnético gera pulsos A e B desfasados 90° (quadratura) + pulso Z (zero = uma vez por rotação).

Contagem em quadratura (×4): A cada estado (combinações AB: 00, 01, 11, 10) conta-se um passo. Para um encoder de 1000 ppp (pulsos por rotação), obtêm-se 4000 contagens/rotação em ×4.

Circuito diferencial RS-422: os sinais A, B, Z são enviados em par diferencial (A+ / A-) para imunidade ao ruído electromagnético.

Limitação: após corte de energia, a posição é perdida. Requer homing ao religar.

2.2 Encoder Absoluto Rotativo

Princípio: disco com N faixas codificadas em código Gray ou binário. Cada posição angular tem um código único → posição absoluta mesmo sem alimentação.

Resolução:

• 17 bits: 131 072 posições/rotação → resolução angular de 0,00275°
• 23 bits: 8 388 608 posições/rotação → resolução angular de 0,000043°

Protocolos de comunicação série:

• SSI (Synchronous Serial Interface): interface simples, unidireccional; usado com Heidenhain, Sick
• BiSS (Bidirectional Serial Synchronous): versão bidirecional; permite parametrização
• EnDat (Heidenhain): protocolo proprietário; alta resolução; interpolação interna
• Hiperface (Sick/Stegmann): protocolo misto analógico+digital

2.3 LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

O LVDT é um transdutor de posição linear analógico:

• Núcleo ferroso móvel em torno de 3 enrolamentos (primário + 2 secundários)
• Saída diferencial: tensão de saída proporcional ao deslocamento
• Gama: ±1 mm a ±500 mm
• Resolução teórica ilimitada (analógico)
• Robusto; sem contacto mecânico; longa vida

3. Servo Drives — Parametrização

3.1 Siemens Sinamics V90

O Sinamics V90 é um servo drive de entrada/gama média da Siemens, para servos 0,05–7 kW com motor Simotics 1FL6.

Modos de operação:

• PTI (Pulse Train Input): frequência de pulsos como referência de velocidade/posição → para PLCs básicos sem protocolo avançado
• S (Speed control): referência analógica de velocidade (0–10V ou 4–20mA)
• Profinet IRT: controlo em tempo real via Ethernet → para SIMATIC S7

Parâmetros chave:

3.2 Yaskawa Sigma-7

O Sigma-7 é um servo drive premium com autotuning avançado:

• Autotuning "Adaptive" → ajusta ganhos em tempo real com a carga
• Protocolos: MECHATROLINK-III, EtherCAT, analógico
• Software SigmaWin+ para configuração e análise

4. Controlador PID — Teoria e Prática

4.1 Equação do PID

$$u(t) = K_p \left[ e(t) + \frac{1}{T_i}\int_0^t e(\tau)d\tau + T_d \frac{de(t)}{dt} \right]$$

Onde:

• u(t) = sinal de controlo (saída do controlador)
• e(t) = erro = setpoint − medição
• Kp = ganho proporcional
• Ti = tempo integral (elimina erro estacionário)
• Td = tempo derivativo (amortecer oscilações)

Efeitos de cada componente:

4.2 Autotuning em Servo Drives

Todos os drives modernos incluem autotuning automático que:

1. Aplica um perfil de perturbação (sinal degrau ou chirp)
2. Mede a resposta dinâmica do sistema (inércia, atrito, elasticidade)
3. Calcula e sugere os ganhos óptimos de Kp, Ti, Td

Procedimento típico de autotuning Sinamics V90:

1. p0010 = 0 (modo normal); p0015 = 1 (activa autotuning)
2. O drive move o motor com um perfil de teste
3. Ler os ganhos calculados: p1460 (ganho Kp velocidade), p1462 (Ti velocidade)
4. Verificar a resposta: disparar um movimento de teste e observar

5. Comunicação Industrial para Servos

5.1 EtherCAT

O EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) é o protocolo de mais baixa latência para controlo de servos:

• Ciclo de comunicação: 250 µs (4 eixos); 62,5 µs com hardware especial
• Topologia: daisy-chain (cada slave processa o frame e passa adiante)
• Utiliza frames Ethernet standard → hardware de rede standard
• Sincronização: Distributed Clocks (todos os slaves sincronizados com precisão < 1 µs)
• Aplicações: robótica, CNC multi-eixo, máquinas de packaging

5.2 PROFINET IRT (Isochronous Real-Time)

• Ciclo: 250 µs com IRT (Isochronous Real-Time); 1 ms com RT standard
• Integração natural com Siemens SIMATIC (S7-1200, S7-1500, Simotion)
• Configuração no TIA Portal com GSDML device description files

6. Instalação e Comissionamento

6.1 Cablagem — Regras de Instalação

Cabo de potência (motor):

• Cabo motor blindado 4 condutores + PE: U, V, W (fases) + PE
• Secção conforme corrente nominal do motor
• Blindagem: conectar à terra (PE) no drive e na carcaça do motor (conector de 360°)
• Comprimento máximo sem filtro: 25 m (Sinamics V90 sem opções)

Cabo encoder:

• Cabo multi-condutor blindado (tipicamente 8–12 condutores para EnDat 2.2)
• Blindagem ligada ao PE apenas no drive (não no motor — para evitar loops de terra)
• Separar fisicamente do cabo de potência (≥ 20 cm)
• Máximo comprimento: 50 m (EnDat); 15 m (incremental TTL não diferencial)

Cabo de travão (se existir):

• O travão de retenção (DC 24V) é integrado no motor para eixos verticais
• Activado quando o servo está sem energia → previne queda da carga
• Nunca ligar o travão directamente à saída do servo drive → usar relé de controlo

6.2 Procedimento de Comissionamento Completo

Fase 1 — Verificação pré-ligação (motor desacoplado da carga):

1. Verificar cablagem de potência (L1, L2, L3, PE ao drive; U, V, W, PE ao motor)
2. Verificar cablagem do encoder (verificar pinos contra o manual do motor)
3. Verificar tensão de alimentação do drive (24V DC para electrónica + 400V AC para potência)
4. Verificar parâmetros do motor no drive (introduzir dados da placa)

Fase 2 — Identificação do motor:

1. Activar identificação automática do motor (p1910=1 em Sinamics): o drive mede a resistência e indutância do motor
2. Verificar que o motor está identificado sem alarme

Fase 3 — Autotuning dos ganhos:

1. Desacoplado da carga: executar autotuning de velocidade
2. Com carga: executar autotuning de posição
3. Verificar resposta ao degrau de posição (overshooting < 10%, settling time < 100ms para aplicações típicas)

Fase 4 — Testes funcionais:

1. Testar perfil de movimento completo (aceleração, velocidade constante, desaceleração)
2. Verificar fins de curso de hardware (hardware limit switches) — o servo deve parar antes dos limites mecânicos
3. Testar STO (Safe Torque Off): desligar o sinal STO → o motor deve ficar sem binário (não trava, apenas desactiva)
4. Testar travão (se equipado): verificar que trava quando o sinal de enable do drive desaparece

Sebenta elaborada para a UC02952 do curso TMIM — Aulify Platform Versão 1.0 — 2026