SERVOMOTOARE ELECTRICE 1. Generaliti n literaturasub denumirea de servomotoare se cuprind motoarele electrice executate special pentru a fi utilizate n sistemele automate de poziionare i care n general sunt de puteri reduse (pn laputeri de ordinul ctorva [kW]). Pentru puteri mai mari se folosesc motoarele electrice convenionale, care sunt elemente de execuie mai lente, cu constante de timp mai mari dar i cu randament mai bun. Servomotoarele sunt motoare electrice speciale, de curent continuu sau curent alternativ cu vitez de rotaie reglabil ntr-o gam larg n ambele sensuri avnd ca scop deplasarea ntr-un timp prescris a unui sistem mecanic (sarcina) de-a lungul unei traiectorii date, realiznd totodat i poziionarea acestuia la sfritul cursei cu o anumit precizie. Sistemele de reglare automat moderne impun servomotoarelor urmtoarele performane: 1.gam larg de modificare a vitezei n ambele sensuri; 2.funcionare stabil la vitez foarte mic; 3.constante de timp ct mai reduse; 4.fiabilitate i robustee ridicate; 5.raport cuplu/moment de inerie ct mai mare; 6.suprasarcin dinamic admisibil mare; 7.caracteristici de reglare liniare. Servomotoarele electrice se folosesc n cele mai diverse aplicaii cum ar fi acionarea roboilor industriali universali, a mainilor unelte cu comand numeric, a perifericelor de calculator, n acionarea imprimantelor rapide, n tehnica aerospaial, instalaii medicale etc. n aplicaiile enumerate, cuplul dezvoltat de servomotoare variaz ntr-o plaj larg de valori, 0,1 100 [Nm], cu puteri nominale ce variaz n intervalul 100 [W] i 20 [kW]. Conform principiului lor de funcionare, servomotoarele electrice pot fi clasificate n: servomotoare de curent continuu, servomotoare asincrone i servomotoare sincrone, n aceast ultim categorie fiind incluse att servomotoarele de curent continuu fr perii ct i servomotoarele pas cu pas. Servomotoarele de curent continuu se caracterizeaz prin posibilitatea de reglare a vitezei n limite largi, 1:10.000 i chiar mai mult, prin intermediul unei pri de comand electronic relativ simpl. Servomotoarele de curent continuu au caracteristici mecanice i de reglaj practic liniare, cuplu de suprancrcare mare, greutate specific mic, moment de inerie redus etc. Dezavantajele sunt legate de colector, fenomene de comutaie, uzur i scnteiere. Servomotoarele asincrone, n prezent rspndite n tot mai mare msur, elimin dezavantajele servomotoarelor de curent continuu legate de sistemul colector-perii, fiind de asemenea atractive prin robusteea, simplitatea i preul lor. Exist ns i o serie de dezavantaje legate de randament, factor de putere, greutate i nu n ultimul rnd procedee de comand mai complicate dect cele ale servomotorului de curent continuu. Fa de motoarele asincrone trifazate uzuale, de care nu se deosebesc constructiv, la servomotoarele de acelai tip se remarc: - un raport mai mare lungime/diametru relativ la rotor, ce are ns ca dezavantaj un transfer mai dificil al pierderilor de cldur din rotor; - consolidarea izolaiei statorice pentru a rezista deselor procese tranzitorii i luarea n consideraie a nclzirii rotorului. n servosistemele care necesit turaii variabile, servomotoarele asincrone se asociaz cu convertoare statice, obinndu-se domenii largi de variaie a turaiei, de peste 1: 20.000, la puterimai mici de 1 [kW]. De altfel, n aplicaii speciale la puteri mici s-au obinut turaii de peste 100.000 [rot/min]. Ca o particularitate, trebuie amintit ns faptul c atunci cnd alimenteaz servomotoare asincrone, motoare de inducie n general, convertoarele statice trebuie dimensionate pentru o putere aparent mai mare dect n situaia alimentrii servomotoarelor sincrone, la aceeai putere nominal i turaie la arbore. Principala caracteristic a servomotoarelor sincrone este dat de faptul c frecvena tensiunii de alimentare se afl n raport constant cu viteza lor de rotaie, indiferent de gradul de ncrcare al mainii. Ca urmare a acestei proprieti, utilizarea servomotoarelor sincrone este indicat n sisteme automate de poziionare la care viteza de rotaie a mainii se dorete a fi meninut riguros constant sau direct proporional cu frecvena de comand. Categoria servomotoarelor sincrone cuprinde toate tipurile mainilor sincrone asociate cu convertoare statice. Clasificarea acestora se poate face dup diverse criterii, dintre care se amintesc: a)dup principiul de conversie al energiei: -servomotoare sincrone cu magnei permaneni; -maini sincrone cu reluctan variabil; -maini sincrone cu histerezis. b)dup felul alimentrii: -servomotoare cu alimentare continu; -servomotoare cu alimentare discontinu (motoarele pas cu pas). c)dup tipul comenzii: -servomotoare cu comand din exterior; -servomotoare autopilotate. Servomotoarele sincrone se construiesc ntr-o gam foarte larg de puteri, de la zecimi de watt pn la zeci de kilowatti i ntr-o plaj larg de turaie, de la 1 [rot/lun] pn la 300.000 [rot/min] . Aceste servomotoare prezint cteva avantaje fa de motoarele sincrone clasice, cum ar fi: - absena contactelor alunectoare (perii - inele), ceea ce mrete viteza de funcionare, reduce frecarea, nivelul de zgomot i uzura, mbuntind fiabilitatea; - ntreinere uoar i posibilitatea funcionrii n medii explozive. 2.Servomotoare de curent continuu 2.1. Elemente constructive ale servomotoarelor de c.c. Dup tipul rotorului se deosebesc servomotoare cu: -rotor cilindric; -rotor disc (cu ntrefier axial); -rotor pahar. Soluia constructiv este afectat decisiv i de sistemul de excitaie care poate fi: -excitaie electromagnetic; -excitaie cu magnei permaneni; -excitaie hibrid. Servomotorul cu rotor cilindric este cel mai apropiat de construcia mainilor de c.c. clasice. n tabelul 1 se prezint seria de servomotoare cu rotor cilindric i excitaie prin magnei permaneni fabricat de Electromotor Timioara. Din examinarea caracteristicilor de catalog se observ c nu este important puterea nominal (nici nu se d) ci cuplul i turaia (maxime i nominale) innd cont de regimul de funcionare specific. n ultimul timp s-a generalizat excitaia cu magnei permaneni pn la puteri foarte mari (sute de kW), deosebirile constructive fiind impuse de materialul magnetic utilizat. Astfel, magneii de tip ALNICO caracterizai de inducie remanent mare i cmp coercitiv redus determin o soluie constructiv ca n figura 1. Fig. 1. Structura unui servomotor cu magnei ALNICO. Polii se realizeaz direct din materialul magnetic, iar pentru reducerea efectului demagnetizat al reaciei indusului se prevd tlpi polare din oel electrotehnic. Datorit cmpului coercitiv redus, magneii au lungimi mari i magnetizarea se face n interiorul mainii cu ajutorul unor bobine speciale plasate n jurul magneilor permaneni. Carcasa din material feromagnetic servete la nchiderea liniilor cmpului de excitaie, magneii permaneni fiind lipii cu rini epoxidice. Tabelul 1. Caracteristici pentru servomotoare cu rotor cilindric. Nr. crt. Caracteristica Simbol U.M.7173555125 1.Cuplul nominal MNNm7173555125 2.Cuplul la nmax Mtm Nm3,57,5152337,5 3.Cuplul impulsionalMmax Nm701703505501000 4.Turaia nominal nNrot/min 1000500500500300 5.Turaia maxim nmax rot/min 20001200120012001000 6.Curentul nominal IN A1620283181 7.Curentul la nmax Itm A88,5141322 8.Curentul impulsional Imax A160200280310600 9. Tensiunea nominal UN V60608011560 10. Tensiunea maxim Umax V120140180270205 11.Rezistena indusului RA 0,250,350,390,50,23 12. Tensiunea electromotoare la nN KE V50507095160 13. Cuplul pe amper K1Nm/A 0,440,851,31,781,7 14. Nivel de zgomot dB7070707070 15. Moment de inerie Jkgm2 0,010,0180,0650,090,282 16. Constant de timp Tem ms1012222015 electromecanic 17. Masa motorului mkg224275100200 18. Diametrul exterior/lungime mm200/361 200/481 228/500 228/620 260/655 Pentru materialele magnetice ALNICO cu inducii magnetice mai sczute dar cmpuri coercitive i energii mai ridicate (TYCONAL) magneii se plaseaz pe coard ca n figura 2. Liniile de cmp nu se mai nchid prin carcas, care poate fi din aluminiu i inducia poate fi mai mare n ntrefier. n ambele variante prezentate numrul de poli este limitat din considerente fizice la 4 8 poli, fiind mai sczut la mainile mai mici. Feritele, care au inducii remanente reduse i cmp coercitiv mare, impun o lungime mai mic pentru magnei i deci maina poate avea un numr mai mare de poli 10 12, v. figura 3. Utilizarea magneilor permaneni cu metale rare cu energii magnetice ridicate i inducii remanente de 1 [T] i chiar mai mari, de tip Samarium Cobalt, Neodym etc. conduce la un volum sczut al magneilor i deci dimensiuni reduse ale mainii. Datorit preului mare al acestor magnei foarte performani se construiesc doar servomotoare de putere mic, pentru aplicaii aerospaiale. n privina rotoarelor cilindrice acestea se execut la un raport ntre diametru i lungime cu valoris0,3, iar nfurrile sunt executate pentru a suporta un timp limitat cureni de 5 10 ori curentul nominal. Constantele de timp electrice pentru aceste servomotoare sunt n general sub 10 [ms] dar mai mari dect la celelalte servomotoare de c.c. Fig. 2. Structura unui servomotor cu magnei permaneni din TYCONAL. Fig. 3. Structura unui servomotor excitat cu ferite. Servomotorul cu rotor disc are structura artat n figura 4., magneii permaneni fiind plasai axial. Rotorul propriu zis este alctuit din conductoare lamelare imprimate sau tanate, pe un suport de sticlo textolit. Jumtate din conductoarele rotorice au n prelungirea lor lamelele de colector, colectorul fiind plan. Fig. 4. Structura unui servomotor cu rotor disc: a. seciune; b. conductoarele rotorice. nfurarea rotoric este ondulat de tip serie sau serie-paralel. La puteri mai mari se pot pune pe acelai ax pn la trei discuri. Deoarece rotorul nu conine materiale feromagnetice, este mult mai uor dect un rotor cilindric i n plus neliniaritile, pierderile prin histerez, saturaia sunt nlturate. Conductoarele fiind n aer densitatea de curent poate fi crescut mult, cca. 45 [A/mm2] n regim continuu i 100 [A/mm2] n regim de scurt durat fa respectiv 5 [A/mm2] i 15 [A/mm2] la rotor cilindric n aceleai condiii. Constanta de timp electric este < 0,1 [ms] pentru acest tip de rotor, iar cea electromecanic este de acelai ordin de mrime ca i la servomotoarele cu rotor cilindric datorit razei mari a rotorului disc. Fig. 5. Structura unui sevomotor de c.c. cu rotor pahar. Servomotorul cu rotor pahar are nfurarea rotoric dispus pe un pahar de fibr de sticl sau direct ntr-un pahar turnat de rin epoxidic, v. figura 5. Lipsa materialelor magnetice din rotor are aceleai consecine ca i la servomotorul cu rotor disc, n plus i constanta electromecanic este redus foarte mult, sub 0,1 [ms]. Aceste servomotoare sunt folosite n sisteme foarte rapide n care se ia n considerare elasticitatea arborilor. Uzual puterile nu depesc ordinul sutelor de [w] i se menioneaz c sunt cele mai rapide servomotoare, accelerarea unui astfel de servomotor de la 0 la 2500 [rot/min] fiind terminat n 2 [ms]. 2.2. Modelul matematic al servomotorului de c.c. Analiza funcionrii se face pe baza ecuaiilor deduse n diverse situaii i ipoteze simplificatoare. Fie n continuare un servomotor de c.c. cu excitaie electromagnetic separat (vezi figura 6.). Fig. 6. Servomotorul de c.c. cu excitaie electromagnetic separat. Comportarea servomotorului este descris de urmtorul set de ecuaii funcionale: ( )( )()eR r v r vaa a a a ae e e e ei f, m m m ,dtdJ m m m, i k m, k e, e i Ldtdi R u, i Ldtdi R u= |= +O= | =O | =+ + = + =(1) unde: Re i Ra sunt rezistenele nfurrii de excitaie respectiv rezistena total a circuitului indusului; Le , La sunt inductivitile totale ale nfurrii de excitaie respectiv indusului; ue i ua sunt valorile momentane ale tensiunilor la bornele nfurrii de excitaie respectiv indusului; ie i ia reprezint valorilemomentane ale curentului prin indus respectiv excitaie; e este t.e.m. indus de cmpul de excitaie. La scrierea relaiilor (1) s-a avut n vederea att regimul tranzitoriu electromagnetic care are loc n nfurrile mainii (excitaie + indus) i care se datoreaz variaiei curenilor i fluxurilor, ct i regimul tranzitoriu mecanic n care se afl rotorul mainii datorit variaiei vitezei unghiulare O. Periile s-au considerat plasate n axa neutr. Primele dou ecuaii au rezultat din aplicarea legii induciei electromagnetice n lungul circuitului de excitaie respectiv de indus. n condiiile n care periile sunt plasate n axa neutr, ntre nfurarea de excitaie i cea de indus nu exist inductivitate mutual. Att Le ct i La au fost introduse sub semnul derivatei ntruct sunt mrimi variabile cu sarcina, consecin a modificrii saturaiei mainii. Fluxul total e e ei L = (nlnuit cu spirele nfurrii de excitaie) are dou componente: o component de dispersie e ei L o i una util ehcare ptrunde n rotor i care este proporional cu fluxul polar| . Se poate scrie: e eh e e eh e e e ei L i L i L + = + = = o o, (2) | = C i Le eh ,(3) unde Leh este inductivitatea util Leh = f(ie) iar C constant de proporionalitate. ntruct La se modific n general n limite restrnse, se poate admite La~ ct i prin urmare,

dtdiLdt) i L ( daaa a=.(4) A treia i a patra ecuaie reprezint expresiile t.e.m. induse prin rotaie i respectiv a cuplului electromagnetic. n aceste relaii, k este o constant adimensional care depinde de construcia servomotorului:

a 2N pk t =, (5) n care p reprezint numrul de perechi de poli, N este numrul de conductoare iar a numrul de perechi de ci de nfurare. Relaia a cincea este ecuaia fundamental a micrii, n care J este momentul de inerie al servomotorului plus al mecanismului de lucru antrenat i raportat la arborele mainii iar mR este cuplul rezistent momentan total care poate fi descompus n dou componente, una de frecare vscoasO = F mv i cealalt, un cuplu mr independent de vitez. Servomotoarele de c.c. prezint dou regimuri de funcionare: a)regimul cu flux constant ( |= const.); b)regimul cu tensiune pe indus constant (Ua = const.). 2.2.1. Servomotorul de c.c. comandat pe indus Se caracterizeaz printr-un flux de excitaie constant. n cazul regimului staionar prin particularizarea relaiei (1) se obine ecuaia caracteristicii mecanice, O = O =e a Ma2aaF u kRKuRKm , (6) unde| = k K[Wb] = constanta mainii (la servomotoarele cu excitaie separat i derivaie,. ct = | ). Coeficientul aMRKk =de amplificare tensiunecuplu i K kRKFMae = =2, de frecare vscoas electric, caracterizeaz comportarea unui anumit servomotor. De o deosebit importan este valoarea minim a tensiunii de comand Um pentru care servomotorul se pune n micare n gol. Pentru valori ale tensiunii < Um servomotorul nu rspunde la apariia unui semnal de comand, cauzele fizice fiind frecri n rulmeni, poziie preferenial a rotorului datorat nesimetriei electrice sau mecanice a mainii etc.Pentru servomotoare de calitate UM < 3 [%]din tensiunea maxim de comand. Caracteristicile de reglare, dependena m = f(u) cu parametru viteza sunt artate n figura 7 i trebuie s fie ct mai liniare. Fig. 7. Caracteristicile de reglareale servomotoarelor de c.c. comandate prin indus. Puterea util dezvoltat se poate scrie:

( )O O = O =e a M uF u k m P. (7) Se observ c puterea util este nul la pornire( ) 0 = Oi la mers n gol (m = 0) i are un maxim dedus din:

2 F 2kla 0dtdP0eM uO= = O =.(8) Caracteristica de variaie este reprezentat n figura 8 i arat c parametrii importani pentru servomotor sunt cuplul maxim de pornire Mp, puterea maxim dezvoltat Pm i viteza de mers n gol 0O , corespunztoare semnalului maxim de comand Uam, ne mai fiind precizai parametrii nominali ca putere i vitez. n regim dinamic, relaiile (1) pot fi trecute direct n operaional innd cont c n general( ) ( ) s s s u = O, undeueste unghiul de poziie al arboreluimotorului: ( ) ( )( ) ( ) ( )( )( ) ( )( ) ( ) ( ) ) s ( m s s sT 1 F s ms Ki s ms i sT 1 R s K s us S K s er m maa a a s a+ u + ==+ + u =u =, (9) unde s-a notat Ta = La/Ra constanta de timp a circuitului indusului, iar Tm = J/Fm constanta electromecanic a servomotorului i sarcinii. Eliminnd curentul n primele trei relaii din (9), introducnd kM i Fe , se poate scrie: ( )( )( )( )( )aeaaMa a2aaasT 1s s Fs usT 1ksT 1s sRKsT 1s uRKs m+ u +=+u+=, (10) i mpreun cu ultima relaie din (9): ( ) ( ) ( )( ) ( ) s s sT 1 sT 1FF1sT 1Fs m s usT 1ka memaer aaMu((

+ + ++= + , (11) relaie ce permite prezentarea funciei de transfer a servomotorului printr-o schem bloc ca n figura 9.a. Fig. 8. Variaia puterii utile n funcie de vitez. Dac Ta