UC02952

Efetuar a instalação e ensaio de servomecanismos

Curso profissional · 25h · TMIM

Índice

  1. Servomecanismos — definição, componentes (motor servo, encoder, driver, controlador), laço fechado vs. aberto
  2. Encoders e Transdutores de Posição — encoder incremental vs. absoluto, resolver, LVDT, SSI/BiSS
  3. Servo Drives — parametrização básica (Siemens Sinamics, Yaskawa Sigma), modos (posição, velocidade, binário), autotuning
  4. Controlador PID — proporcional, integral, derivativo, sintonização (Ziegler-Nichols, autotuning), resposta ao degrau
  5. Comunicação Industrial — EtherCAT, PROFINET, CANopen para servos
  6. Instalação e Ensaio — cablagem (encoder, potência, travão), EMC, comissionamento, parâmetros de diagnóstico

Bloco 1

Servomecanismos

Arquitectura de um Sistema Servo

REFERÊNCIA DE POSIÇÃO
  (do controlador CNC/PLC)
            │
            ▼
    ┌──────────────┐
    │  CONTROLADOR │ ← Malha de posição (1–2 kHz)
    │     PID      │
    └──────┬───────┘
           │ setpoint de velocidade
           ▼
    ┌──────────────┐
    │  SERVO DRIVE │ ← Malha de velocidade (4–8 kHz)
    │   (amplif.)  │ ← Malha de corrente (16–32 kHz)
    └──────┬───────┘
           │ corrente/tensão
           ▼
    ┌──────────────┐
    │  SERVO MOTOR │
    │  (AC sínc.)  │
    └──────┬───────┘
           │ posição real (feedback)
           ▼
    ┌──────────────┐
    │   ENCODER    │ ──────────────────────────► CONTROLADOR
    └──────────────┘

Laço Fechado vs. Aberto

Aspecto Laço Aberto Laço Fechado
Feedback Sem sensor de posição Encoder/resolver
Precisão Dependente da carga Alta precisão independente da carga
Erros Acumulam-se Auto-corrigidos
Custo Menor Maior
Complexidade Menor Maior
Exemplos Motor de passo sem encoder Servo motor; CNC

Bloco 2 e 3

Encoders e Servo Drives

Tipos de Encoders

Encoder incremental:

  • Gera pulsos A, B (desfasados 90°) + Z (zero)
  • Conta pulsos para determinar posição relativa
  • Requer homing após ligar
  • Protocolo: TTL diferencial (RS-422)
  • Resolução típica: 2048–131072 ppp (pulsos por rotação)

Encoder absoluto:

  • Cada posição tem código único (Gray code, Binary)
  • Mantém posição após desligar (não necessita homing)
  • Protocolos: SSI, BiSS, EnDat, Hiperface
  • Resolução típica: 17–23 bits (131072–8388608 posições/rotação)

Resolver:

  • Tipo de transformador rotativo: rotor + 2 estatores desfasados 90°
  • Sinal analógico (sinusoidal); muito robusto a ambiente hostil
  • Requer circuito RDC (Resolver-to-Digital Converter)

Parametrização Básica Sinamics V90 (Siemens)

Parâmetro Nome Valor típico
p0010 Set de comissionamento 0 = normal
p0304 Tensão nominal motor 400 V
p0305 Corrente nominal motor conforme placa
p0307 Potência nominal motor kW
p0311 Velocidade nominal motor rpm
p1120 Rampa de aceleração 1–5 s
p1121 Rampa de desaceleração 1–5 s
p2000 Velocidade de referência rpm (max)
p21xx Parâmetros do encoder conforme encoder

Bloco 4

Controlador PID

Sintonização PID — Método Ziegler-Nichols

Procedimento:

  1. Desactivar integral (Ti=∞) e derivativo (Td=0)
  2. Aumentar gradualmente Kp até que o sistema oscilar de forma sustentada (margem de ganho)
  3. Registar: ganho crítico Ku e período de oscilação Tu

Parâmetros de sintonização:

Controlador Kp Ti Td
P apenas 0,50 × Ku — —
PI 0,45 × Ku 0,85 × Tu —
PID 0,60 × Ku 0,50 × Tu 0,125 × Tu

Resposta ao degrau — análise:

Setpoint ─────────────┐
                      │
Resposta real:        │──────────────
                     /  ↑           ↑
                    / overshoot    steady-state
                   /   
  ────────────────/
  t_subida ──────┘ t_pico  t_assentamento

Bloco 5 e 6

Comunicação e Instalação

Protocolos de Comunicação para Servos

Protocolo Tipo Ciclo típico Aplicação
EtherCAT Ethernet industrial 250 µs–1 ms CNC, robótica de precisão
PROFINET IRT Ethernet industrial 250 µs Siemens, automação
CANopen CAN bus 1–10 ms Servos distribuídos
Modbus TCP Ethernet 5–20 ms Controlo de velocidade simples
SERCOS III Ethernet 62,5 µs Alta precisão, CNC
Analog ±10V Analógico Contínuo Referência simples de velocidade

Instalação e EMC

Regras de cablagem EMC para sistemas servo:

  1. Cabo motor: blindado (screened); blindagem ligada à terra em 360° nos dois extremos
  2. Cabo encoder: blindado separado do cabo de potência; mínimo 20 cm de separação
  3. Ferrite cores: colocar em todos os cabos de sinal na entrada do drive
  4. Aterramento de estrela: todos os PE ligados ao mesmo ponto de terra
  5. Separação física: cabos de sinal e cabos de potência em calhas separadas
  6. Filtro EMC de entrada: C2 (ambiente industrial)

Procedimento de comissionamento:

  1. Verificar alimentação (tensão e fase)
  2. Verificar cablagem do encoder (continuidade, blindagem)
  3. Definir parâmetros do motor (placa ou motor database do drive)
  4. Executar identificação automática do motor (autotuning de corrente)
  5. Executar autotuning de ganhos PID
  6. Verificar resposta ao degrau de posição
  7. Testar limites de hardware (fins de curso)
  8. Efectuar teste funcional de segurança (STO — Safe Torque Off)

Resumo da UC02952

Competências adquiridas:

  • Identificar e descrever a arquitectura de um servomecanismo de malha fechada
  • Distinguir encoders incrementais, absolutos e resolvers
  • Parametrizar um servo drive básico (Sinamics V90 ou equivalente)
  • Sintonizar um controlador PID pelo método de Ziegler-Nichols
  • Instalar um sistema servo com correcta cablagem EMC
  • Efectuar o comissionamento completo de um servo

Avaliação: Ficha 1 (erro de posição + diagnóstico drive) + Ficha 2 (instalação Sinamics V90 + sintonização PID) + Projecto (instalar e comissionar servo 10h)

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Arquitetura em cascata de malhas de controlo Um servo não tem uma malha, tem três encaixadas: posição por dentro velocidade por dentro corrente, cada uma mais rápida que a anterior. Perceber esta hierarquia é o que permite diagnosticar onde está o problema — vibração de alta frequência aponta para a malha de corrente, erro de posição para a malha exterior. O encoder fecha tudo: sem feedback fiável nenhuma malha funciona. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Porque é que cada malha tem de ser muito mais rápida que a que está acima dela • O papel do encoder a fechar a malha e o que sucede se o sinal se perde • Como ler o diagrama para localizar a origem de uma instabilidade

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Malha aberta vs. malha fechada A diferença entre os dois é a presença de feedback: em malha aberta o sistema "confia" que o comando foi executado, em malha fechada mede e corrige. Por isso o servo mantém precisão mesmo com a carga a variar, enquanto o stepper perde passos sem avisar. Esta tabela ajuda a justificar ao cliente porque é que o servo, apesar de mais caro, se paga em aplicações de precisão. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Como os erros se acumulam em malha aberta e se autocorrigem em malha fechada • Critério prático para escolher stepper ou servo numa máquina nova • Porque é que o custo extra do servo se justifica em CNC e robótica

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Escolha do transdutor de posição A diferença prática entre incremental e absoluto resolve-se com uma pergunta: o eixo pode perder a referência ao desligar? O incremental obriga a homing em cada arranque, o absoluto sabe sempre onde está. O resolver entra quando o ambiente é hostil — calor, vibração, óleo — porque é puramente analógico e robusto. Ligar cada tipo às aplicações reais da oficina. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • O que é o homing e porque é que um encoder absoluto o dispensa • Em que máquinas vale a pena pagar o resolver mais robusto • Como os protocolos digitais (SSI, EnDat, BiSS) transportam a posição absoluta

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Parametrização do servo drive Comissionar um drive começa sempre por transcrever fielmente a placa de características do motor — tensão, corrente, potência e velocidade nominais. Errar estes valores faz o drive calcular mal os limites e pode danificar o motor. As rampas de aceleração e desaceleração definem o quão suave ou agressivo é o movimento e protegem a mecânica de choques. Trabalhar os parâmetros como uma checklist sequencial. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Porque é que copiar mal a placa do motor compromete todo o controlo • Efeito prático de rampas curtas demais na mecânica e na corrente • Função do set de comissionamento (p0010) ao entrar e sair do modo de configuração

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Sintonização PID e resposta ao degrau O PID é o coração do servo: o P reage ao erro atual, o I elimina o erro permanente e o D antecipa. Ziegler-Nichols dá um ponto de partida sistemático em vez de tentativa e erro, mas o técnico tem de saber ler a resposta ao degrau para afinar — overshoot a mais é P/I agressivo demais, resposta lenta é ganho a menos. Hoje o autotuning automatiza muito disto, mas perceber o método manual é o que permite corrigir quando o autotuning falha. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • O contributo isolado de P, I e D na resposta do sistema • Como identificar ganho crítico e período de oscilação na prática • Ler overshoot, tempo de subida e de assentamento para decidir o que afinar

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Protocolos de comunicação para servos A escolha do bus determina a precisão e o sincronismo possíveis: quanto mais curto o tempo de ciclo, mais apertado o controlo coordenado de vários eixos. EtherCAT e SERCOS III, com ciclos na ordem dos microssegundos, dominam CNC e robótica; CANopen serve servos distribuídos onde os milissegundos chegam. O analógico ±10V ainda existe para referências simples de velocidade e é o que o técnico encontra em máquinas antigas. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Porque é que o sincronismo entre eixos exige ciclos muito curtos • Quando um bus de campo simples (CANopen) é suficiente face ao EtherCAT • Como reconhecer e manter sistemas legados com referência analógica

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Instalação EMC e comissionamento ordenado Num servo, metade das avarias "misteriosas" são ruído eletromagnético mal gerido: blindagens ligadas só num extremo, cabos de potência e de sinal na mesma calha. A regra de ouro é separar potência de sinal e ligar a blindagem a 360° em ambos os extremos. O comissionamento segue uma ordem fixa que termina no teste de segurança STO — nunca se pula a verificação de cablagem para "ver se anda". 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Porque é que o cabo do encoder nunca partilha calha com o cabo do motor • O que é o STO e porque é o último passo do comissionamento • Sintomas típicos de problemas de EMC num servo (erros de posição erráticos)