Em muitos sistemas de automação contemporâneos, na robótica, nos equipamentos CNC e em aplicações de precisão, os servomotores são componentes essenciais. A posição, a velocidade e o binário podem ser controlados com extrema precisão graças ao seu design e fabrico.

Compreender o funcionamento interno de um servomotor é fundamental para selecionar o motor adequado para aplicações específicas e, neste artigo, iremos analisar em profundidade a construção do servomotor, os seus componentes e as respetivas funções.

O que é um servomotor?

Um dispositivo eletromecânico conhecido como servomotor oferece um controlo preciso do binário, da velocidade e da posição angular. É frequentemente utilizado em robótica, máquinas CNC, sistemas de automação e aplicações que requerem um controlo de movimento de alto desempenho. Ao contrário dos motores padrão, os servomotores são normalmente integrados com um sistema de retroalimentação (como um codificador) para monitorizar e ajustar continuamente o desempenho, garantindo que o motor se comporte de acordo com os comandos de controlo.

Componentes-chave dos servomotores

A construção de um servomotor é relativamente complexa, envolvendo vários componentes críticos que funcionam em conjunto para alcançar um controlo preciso. Estes componentes são:

• Estator
• Rotor
• Sistema de retroalimentação (codificador ou resolver)
• Controlador
• Fonte de alimentação

Vamos explorar cada componente em pormenor:

Estator

O estator do servomotor é o seu componente fixo. É constituído por placas de aço laminadas enroladas com bobinas de cobre, que estão ligadas à fonte de alimentação de CA ou CC. À medida que a eletricidade flui através destes enrolamentos, é produzido um campo magnético que interage com o rotor para produzir movimento.

• Função: No caso de um servomotor de CA, este campo magnético é criado pela corrente alternada, enquanto num servomotor de CC, o campo magnético é gerado pela corrente contínua fornecida aos enrolamentos do motor.
• Construção: O estator é normalmente fabricado a partir de finas chapas de aço magnético (laminas) que reduzem a perda de energia devido às correntes parasitas. Podem ser utilizados enrolamentos de cobre ou alumínio para maximizar a condutividade elétrica.

Rotor

O rotor é constituído por ímanes permanentes (no caso dos servomotores de ímanes permanentes) ou por um eletroímã (no caso dos servomotores do tipo de indução). A saída mecânica é transferida para a carga através do eixo no qual o rotor está montado.

• Função: A função do rotor é transformar energia elétrica em energia mecânica, rodando no interior do campo magnético do estator. O movimento do rotor é controlado com precisão através de sistemas de retroalimentação e controladores, para garantir um desempenho preciso.
• Construção: Nos motores de corrente contínua sem escovas (BLDC), o rotor também está equipado com ímanes permanentes, mas numa configuração ligeiramente diferente. Nos motores de indução de corrente alternada, o rotor pode ser constituído por núcleos de ferro laminado.

Sistema de retroalimentação (codificador ou resolver)

Uma parte essencial do servomotor é o sistema de retroalimentação. É composto por um codificador ou resolutor que monitoriza continuamente a posição, a velocidade e, ocasionalmente, o sentido de rotação do motor. O controlador recebe esta informação e utiliza-a para modificar instantaneamente o comportamento do motor.

• Função: A função principal do sistema de retroalimentação é garantir um controlo preciso, fornecendo informações sobre o desempenho real do motor. Se o motor se desviar da posição ou velocidade desejada, o controlador utiliza esta retroalimentação para efetuar ajustes, trazendo o motor de volta ao ponto de regulação desejado.
• Tipos de sistemas de feedback:
  Codificadores: São dispositivos óticos ou magnéticos que medem a posição e a velocidade do rotor. Podem ser absolutos, fornecendo um valor de posição constante, ou incrementais, indicando aumentos na posição relativa.
  Resolvers: São dispositivos eletromecânicos utilizados em aplicações de alta precisão para fornecer feedback contínuo sobre a posição do rotor.

Controlador

O controlador é o cérebro do sistema do servomotor. É responsável por processar os sinais de controlo, que são normalmente recebidos de um computador, controlador de movimento ou PLC, e, em seguida, transmitir comandos ao motor. Para obter o resultado pretendido, o controlador modifica o ciclo de trabalho e a potência de entrada.

• Função: Após interpretar o feedback do codificador ou do resolver, o controlador compara-o com o ponto de regulação pretendido. Utilizando esta informação, envia comandos ao motor, ajustando a tensão ou a corrente para controlar a velocidade, a posição e o binário.
• Construção: O controlador consiste normalmente num microprocessador ou num processador de sinal digital (DSP) capaz de gerir algoritmos de controlo complexos (tais como o controlo PID) para garantir um elevado desempenho.

Fonte de alimentação

Nos servomotores de CA, trata-se normalmente de uma fonte de alimentação de CA, enquanto nos servomotores de CC é utilizada uma fonte de alimentação de CC. A fonte de alimentação deve ser capaz de fornecer alta potência com flutuações mínimas de tensão ou corrente, uma vez que os servomotores exigem elevados níveis de precisão e fiabilidade.

• Função: A fonte de alimentação destina-se a fornecer ao motor e ao controlador a tensão e a corrente de que necessitam, garantindo um funcionamento estável e uma utilização económica da energia.

Princípio de funcionamento dos servomotores

Os procedimentos seguintes podem ser utilizados para compreender como funciona um servomotor:

1. Sinal de entrada: O controlador recebe um sinal de entrada, que normalmente representa a posição, velocidade ou binário desejados.
2. Monitorização de retroalimentação: O sistema de retroalimentação (codificador ou resolutor) monitoriza continuamente a posição real do rotor.
3. Cálculo do erro: Para determinar a posição ou velocidade necessária, o controlador compara o sinal de entrada com a posição real do codificador ou do resolver (retroalimentação).
4. Correção: O controlador modifica a potência fornecida aos enrolamentos do estator para corrigir a posição do rotor, caso exista uma discrepância entre a posição pretendida e a posição real.
5. Monitorização contínua: O controlador ajusta continuamente o motor para manter a precisão, garantindo que o motor atinge e mantém o ponto de regulação necessário.

Tipos de servomotores

Os servomotores são classificados em vários tipos com base no seu design e na utilização pretendida. Os tipos mais comuns incluem:

Servomotores de CA:

• Utilizam corrente alternada (CA) para funcionar.
• Dividem-se em motores CA síncronos e motores CA de íman permanente (PM), entre outros.
• São frequentemente utilizados em robótica, máquinas CNC e automação industrial.

Servomotores de corrente contínua (CC):

• Funcionam com corrente contínua (CC) e proporcionam um movimento suave e preciso.
• São normalmente utilizados em aplicações que requerem binário e velocidade baixos a médios.

Servomotores de corrente contínua sem escovas (BLDC):

• Subtipo de motor BLDC que não utiliza escovas.
• Maior eficiência, menor necessidade de manutenção e vida útil mais longa.
• Utilizados em aplicações onde são necessárias uma longa vida útil e um binário elevado.

Características	Servomotor CA	Servomotor de corrente contínua	Servomotor BLDC
Fonte de alimentação	Corrente Alternada	Corrente contínua	Corrente contínua
Eficiência	Elevada	Moderada	Muito elevada
Controlo de velocidade	Preciso com sistemas de retroalimentação	Fácil com variação de tensão	Preciso e suave
Binário	Moderado a elevado	Moderado	Elevado
Durabilidade	Altamente durável e robusta	Requer mais manutenção	Altamente durável e de baixa manutenção
Custo	Moderadamente caro	Custo-eficaz	Caro
Aplicação	Automação industrial, robótica	Pequenos eletrodomésticos, brinquedos, tarefas de baixa potência	Veículos elétricos, drones, equipamento médico

Vantagens dos servomotores

• Controlo de precisão: As aplicações em que a exatidão e a precisão são essenciais constituem o foco do projeto dos servomotores. Os sistemas de retroalimentação permitem um ajuste contínuo, garantindo que o motor se mantém no curso pretendido.
• Elevada eficiência: Os servomotores são normalmente mais eficientes do que os motores comuns, uma vez que ajustam a potência de entrada em função da procura, evitando o consumo desnecessário de energia.
• Elevado binário e controlo de velocidade: Oferecem um controlo de binário superior a diferentes velocidades, tornando-os adequados para aplicações com carga variável.
• Longa vida útil: Como os servomotores (especialmente os do tipo sem escovas) têm menos peças móveis sujeitas a desgaste, costumam durar mais tempo do que os motores comuns.

A escolha do servomotor adequado para uma determinada aplicação requer uma compreensão da estrutura do motor. Um fabricante de servomotores concebe estes dispositivos altamente complexos, que dependem da interação de vários componentes para proporcionar um controlo preciso da posição, velocidade e binário. Ao compreender como estes componentes — tais como o estator, o rotor, o sistema de retroalimentação, o controlador e a fonte de alimentação — interagem, os engenheiros e técnicos podem avaliar melhor as capacidades do motor e otimizar a sua utilização numa ampla variedade de indústrias. Os servomotores tornar-se-ão cada vez mais importantes para alcançar precisão e eficiência, à medida que a automação e a robótica continuam a avançar.