Livro de Formação Técnica TC3.1 NC-PTP (01_2021)

BECKHOFF AUTOMATION

MANUAL DE FORMAÇÃO DE
TwinCAT NC-PTP (PointtoPointAxisMotion)

por Jorge Andril

01 / 2021

• BRESIMAR AUTOMAÇÃO , S.A. • Departamento de Engenharia ASATEK • www.bresimar.pt
• Avenida Europa, 460 – Quinta do Simão - Esgueira • 3800-230 Aveiro • PORTUGAL

O agradecimento à BECKHOFF AUTOMATION pelo
fornecimento de documentação técnica e à BRESIMAR
AUTOMAÇÃO S.A. pela disponibilidade de equipamentos para

a execução de testes de campo.

A BRESIMAR AUTOMAÇÃO é uma
empresa com sede em Aveiro, Portugal

A Bresimar Automação S.A., é uma empresa Possui uma equipa técnica qualificada, que presta
familiar especializada em Automação Industrial. serviços de assistência pré e pós-venda, que propõe
Fundada em 1982, foi evoluindo a sua atividade e aconselha soluções tecnológicas inovadoras.
comercial e atualmente divide-se em 3 áreas de
negócios. A gestão está focada e orientada para os clientes,
pelo que efetua uma seleção muito criteriosa de
Essas áreas de negócios são as seguintes: fornecedores. A formação é um fator determinante
para a qualidade dos serviços prestados por todos os
 Comercialização de equipamentos para colaboradores.
automação industrial através da
representação exclusiva de diversas marcas, Espero que estes apontamentos técnicos vos sejam
mundialmente conceituadas (INSYS-icom , úteis nas vossas aplicações de automação
Beckhoff , Siemens , Turck , Beijer , entre industrial!
outras ) .
Obrigado pela vossa atenção.
 Serviços de engenharia de automação e
controlo para processos industriais com Saudações
desenvolvimento de software para PLCs e
HMIs . Este serviço possui a marca registada Jorge Andril
asaTek .
http://pt.linkedin.com/in/jorgeandril/
 Produção e desenvolvimento de
transmissores e sensores de temperatura
incluindo sistemas sem fios. Estes
equipamentos tem a marca registada tekOn .



LISTA DE CONTEÚDOS

I- Tecnologia de Motion Control (sistemas e programação)

I-1 – Introdução ao Motion Control 1
I-2
I-2.1 – Aplicações industriais comuns com motion 2
I-2.2
I-2.3 – Sistemas por indexação 2
I-3
I-3.1 – Sistemas de corte “voador” (Flying Saw) 3
I-3.1.1
I-3.1.2 – Sistemas “pick and place” 4
I-3.1.3
I-3.1.4 – Layout dos sistemas de motion 5
I-3.2
I-4 – Eixo único 5
I-5
I-5.1 – Perfil do movimento 5
I-5.2
I-6 – Malha do posicionamento 5
I-6.1
I-6.2 – Malha de velocidade 6
I-6.2.1
I-6.2.2 – Malha de torque 6
I-6.2.3
I-6.2.4 – Eixos interpolares master-slave 6
I-6.3
I-6.4 – Formulas de cálculo de motion 7
I-6.4.1
I-6.4.2 – Exemplos práticos da utilização das equações de motion 9
I-6.4.3
I-6.5 – Sistema com movimento a velocidade constante 10
I-6.5.1
I-6.5.2 – Sistema com movimento de aceleração 10
I-6.6
I-6.7 – Especificação dos equipamentos de feedback de posição 12
I-7
I-7.1 – Graus, minutos e segundos 12
I-7.1.1
I-7.1.2 – Características dos sistemas de feedback de medição de posição 12
I-7.1.3
I-7.2 – Precisão 12

II - – Resolução 13

– A envolvência e condições da aplicação 14

– Desalinhamento mecânico 15

– Porta interface do encoder 15

– Tipo de contagem de impulsos do encoder 15

– PPR - Pulsos Por Revolução (usado nos encoders lineares) 15

– LPR - Linhas Por Revolução (usado com encoder SinCos) 16

– CPR - Contagens Por Revolução 16

– Conversão das unidades de contagem dos encoders 16

– Conversão para as unidades de rotação 16

– Conversão para as unidades lineares 16

– Precisão nas conversões de dados 18

– Malha de controlo de posição 18

– Afinação do loop de velocidade do controlo de motion 19

– Parâmetro de controlo 19

– Ganho Proporcional 20

– Ganho Integral 20

– Ganho Derivativo 20

– Exemplos práticos de afinação do loop da velocidade 21

Serviço de controlo de eixo TC 3.1 NC-PTP (“MOTION”)

II-1 – Adicionar tarefa cíclica ao serviço NC (Cyclic NC-Task) 25
II-2 – Adicionar um eixo ao serviço NC (Axes) 26
27
II-2.1 – Parâmetros globais do eixo (Axis 1) 27
II-2.1.1 – Subpasta dos “Settings” 29
31
II-2.1.2 – Subpasta dos “Parameter” 32
II-2.1.3 – Subpasta dos “Dynamics” 34
35
II-2.1.4 – Subpasta das “Online” 36
II-2.1.5 – Subpasta das “Functions” 36
40
II-2.1.6 – Subpasta do “Coupling” 41
II-2.2 – Parâmetros parciais do eixo (Axis 1)

II-2.2.1 – “Encoder” (Axis 1_Enc)
II-2.2.2 – “Drive” (Axis 1_Drive)

II-2.2.3 – “Controller” (Axis 1_Ctrl)

III - Aplicações com eixo TC 3.1 NC/PTP (“MOTION”)

III-1 – Portfolio de drives para motion da Beckhoff 43
III-2 – Automatização de máquina de furar com eixo linear 45
III-3 45
III-3.1 – 1ª Aplicação para o eixo linear com servo-drive AX2000 45
III-3.2 – Características técnicas da aplicação 46
III-3.3 46
III-4 – Configuração do I/O (hardware) 55
III-4.1 55
III-4.2 – Configuração do NC (hardware) 56
III-4.3 – 2ª Aplicação para o eixo linear com servo-drive EL7201 56

– Características técnicas da aplicação
– Configuração do I/O (hardware)

– Configuração do NC (hardware)

BECKHOFF AUTOMATION
TwinCAT 3.1 NC-PTP

III-5 – 3ª Aplicação para o eixo linear com servo-drive EL7037 67
III-5.1 67
III-5.2 – Características técnicas da aplicação 67
III-5.3 – Configuração do I/O (hardware) 67

– Configuração do NC (hardware)

IV - Livraria motion Tc_MC2 (v.2) para TC 3.1 NC-PTP 79
80
IV-1 – Consola de comissionamento do “MOTION” 83
IV-2 – Diagrama de estado da livraria de motion Tc_MC2.lib (v.2) 83
IV-3 85
IV-3.1 – As Funções Bloco mais usadas da livraria de motion Tc_MC2.lib (v.2) 85
IV-3.2 – Regras gerais para as Funções Bloco MC 86
87
IV-4 – Funções Bloco de organização de eixo 88
– MC_POWER 89
90
– MC_RESET 91
– MC_JOG 92
93
– MC_MOVEABSOLUTE 94
– MC_MOVERELATIVE 95
96
– MC_MOVEVELOCITY 97
– MC_READACTUALPOSITION 98
99
– MC_READACTUALVELOCITY
– MC_GEARIN

– MC_GEAROUT
– MC_READAXISERROR

– MC_HOME
– MC_STOP

– MC_HALT
– Resumo das FB e FUN da livraria Tc_MC2.lib (v.2)

V - Livraria motion Tc_MC2_FlyingSaw(v.2) TC 3.1 NC-PTP

V-1 – Arquitetura da livraria de motion Tc_MC2_FlyingSaw.lib (v.2) 107
V-2 – As Funções Bbloco da livraria de motion Tc_MC2_FlyingSaw.lib (v. 2) 111
V-2.1 111
V-2.2 – Regras gerais para as Funções bloco MC 113
– Funções Bloco de “flying saw” 113
115
– MC_GEARINVELO 117
– MC_GEARINPOS

– MC_READFLYINGSAWCHARACTRISTICS

VI - Projeto completo de motion TC3 NC-PTP

VI-1 – “MOTION” - Configuração do hardware do projeto de motion 119 ix
119
VI-1.1 – Arquitetura base do hardware do kit de formação de motion 120
VI-1.1.1 – Vista geral do kit de formação de TwinCAT 3.1 NC-PTP 121
122
VI-1.1.2 – Entradas e saídas digitais 122
VI-1.1.3 – Entradas analógicas e de encoder incremental 123
127
VI-1.1.4 – Drives de potência para motores 143
VI-1.2 – Configuração do hardware com o “MOTION” 143
144
VI-1.2.1 – Configuração dos Eixos de motion (“Axis 1” e “Axis 2”) 144
144
VI-2 – PLC Control - Programação do software de um projeto de motion 145
VI-2.1 – Arquitetura base do software do kit de formação de motion 150
151
VI-2.2 – Programação do software com o “PLC”
VI-2.2.1 – “PLC” – “Standard PLC Project”: Criar projeto

VI-2.2.2 – “PLC” – “Reference”: Carregar livraria Tc_MC2.lib e variáveis globais
VI-2.2.3 – “PLC” – “POUs”: Programação do automatismo de controlo do Eixo 1

VI-2.2.4 – “PLC” – “Visualization”: Desenho da HMI de controlo do Eixo 1
VI-2.2.5 – “PLC” – “Build”: Linkagens das variáveis e ativar configuração

VII - TwinCAT 3 Scope 155
155
VII-1 – TC 3 Scope View - Configuração dos displays de visualização 155

VII-1.1 – “MOTION” - Programa de simulação de motion, com duas posições
VII-1.2 – “Scope View” - Programa de visualização de variaveis do server NC-PTP

A - Kit de Formação Técnica com TwinCAT 2.11 NC-PTP

B - Visão geral dos erros gerados nas FB de motion (NC Errors)

C - TC 3 Motion – “NC Error codes” (17/12/2020 – V1.8)

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

I – Tecnologia de Motion Control (sistemas e programação)

Apresentação do módulo de motion TwinCAT 3.1 - PTP

O módulo TwinCAT 3.1 NC-PTP permite a realização de
movimentos ponto a ponto através do server NC-PTP
(software) e não através de um controlador de eixo externo
(hardware). Os eixos são representados, no TwinCAT PTP,
por objetos virtuais que fornecem uma interface cíclica com
o softPLC TwinCAT PLC. Estes objetos de eixo estão
vinculados a eixos físicos (drivers, encoders, motores, etc.).
Desta forma, podemos ter os mais diversos tipos de eixos
com as mais diversas interfaces de fieldbus (EtherCAT,
SERCOS, ProfiNET, Ethernet RT, etc) conectados
abstratamente aos objetos de eixo e disponiblizando uma
interface de configuração para essas fieldbus. O controlo dos eixos pode ser parametrizado com várias configurações
(com interface de controlo de posição ou velocidade). Os eixos são configurados no TwinCAT “MOTION”.

O módulo TwinCAT 3.1 NC-PTP (TF50x0) possui 3 pacotes funcionais :
TF5000: Até 10 eixos (expansível até ao maximo de 255 eixos).
TF5010: Expansão do TC3 NC PTP 10 para 25 eixos (expansível até ao máximo de 255 eixos).
TF5020: Expansão do TC3 NC PTP 10 para 255 eixos.

Com as seguintes características técnicas e funcionais, entre outras:
 Suporta servo drives elétricos e hidráulicos, servo drives de servo motores, inverters (conversores de
frequência) , drives de motor de passo, drives DC, drives de comutação (rápido / lento), eixos de simulação
e eixos de encoder.
 Suporta diversas interfaces fieldbus (SERCOS, Ligthbus, PROFIBUS DP/MC) como ETHERCAT (CoE, SoE).
 A programação é realizada através de Funções Bloco, com a norma IEC 61131-3, em conformidade com a
definição standard do consórcio PLCopen.
 Opções que permitem facilmente o comissionamento do eixo, monitorizando em online todas as variáveis
de state do eixo, os valores reais, de setpoint e outros valores de controlo de ajuste do eixo em online .
 Permite via software a configuração de todos os parâmetros do eixo, como o sistema de medição, os
parâmetros de acionamento do controlador de posição (controlo P, controlo PID, PID com pré-controlo
de velocidade, PID com pré-controlo de velocidade e aceleração), entre outros.
 Permite o funcionamento dos eixos em modo flying saw (serra voadora), como opção.
 Permite o funcionamento dos eixos com programação por CAM, como opção
 Permite o funcionamento dos eixos com acoplamento multi-master.

Resumindo: A funcionalidade do eixo PTP (Ponto a Ponto) é um processo de controlo para posicionamento
unidimensional de eixos, em particular de servo eixos. Unidimensional não significa necessariamente eixos lineares.
O PTP forma a base de todo o TwinCAT NC, porque na inicialização do sistema os eixos estão normalmente no modo
PTP , portanto, são controlados por posição. As funcionalidades estendidas do TwinCAT NC são obtidas com base nos
modos PTP por reconfiguração (FIFO, NCI) ou por acoplamento (com todos os tipos de slaves).

 I-1 – Introdução ao Motion Control

O controlo de movimento é uma tecnologia de automação em grande evolução e que se tornou a chave de sucesso
no design das novas maquinas industriais. Trata-se de fazer com que um mecanismo se mova com controlo total da
sua posição e velocidade. Ele incorpora os elementos mais precisos para o controlo do movimento, com um motor
ou outro servo mecanismo (ex. hidráulica proporcional), o que requer um projeto mecânico cuidadoso.

A tecnologia de motion está avançando para fornecer melhor desempenho e maior facilidade de uso, permitindo
que servos e controlos de movimento sejam aplicados de forma mais ampla do que nunca. O controlo de movimento
pode fornecer maior precisão, desempenho e eficiência em muitas aplicações de máquinas industriais. A tecnologia
de controlo de movimento pode ser aplicada a servo motores rotativos, motores AC e DC assíncronos e várias
tecnologias de motores lineares, para fornecer sistemas de produção cada vez mais flexíveis e dinâmicos.

O resultado é que todo engenheiro de automação deve, agora, ter algum conhecimento prévio de sistemas de
controlo de movimento e seus requisitos mecânicos. Este Livro técnico de formação pretende explicar os
fundamentos por detrás da tecnologia e da terminologia.

[asaTek / J.Andril] 1

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

 I-2 – Aplicações industriais comuns com motion

As aplicações industriais, com motion, requerem uma variedade de conhecimentos de engenharia para
compreender completamente o sistema mecânico e o sistema de controlo. Os três exemplos, a seguir, mostram
como o motion pode ser usado em aplicações muito diferentes, cada um exigindo um método específico para atingir
o objetivo funcional, para o processo produtivo, pretendido.

I-2.1 – Sistemas por indexação

A Figura 1.1 mostra a forma mais simples de indexação, de uma mesa transfer rotativa. O motor gira a mesa em um
ângulo predefinido, conhecido por “angulo de índexação”, permitindo assim que a ferramenta faça a furação na
peça com precisão e de um modo eficiênte.

Fig. 1.1 - Mesa transfer rotativa com posicionamento por indexação (angulo)

A figura 1.2 mostra um tapete transportador com caixas, que devem ser enchidas com produto. Nesta aplicação, o
transportador é movido, para a frente, com uma cota (distância) bem definida. Quando a distância é percorrida o
transportador para e a caixa é enchida. Quando termina o enchimento da caixa, a sequência repete-se para o
enchimento das restantes caixas vazias.

Fig. 1.2 - Tapete transfer linear com posicionamento por indexação (distância)

Outra aplicação semelhante é para a produção de produtos estampados, a partir de um rolo de material, como
cartão, papel, têxtil ou chapa metálica, conforme mostrado na Figura 1.3. Em aplicações como esta, o produto
desenrolado costuma ser chamado de tela, quando passa pela máquina. Nesta aplicação a tela é movida, para frente,
em uma distância predefinida e quando para a prensa é usada para estampar o produto. O processo é repetido com
,esta sequência, sucessivamente.

Fig. 1.3 - Alimentador de tela, com material têxtil, para prensa de estampagem 2
[asaTek / J.Andril]

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

Para aplicações industriais com motion e por indexação, o
segredo é mover a distância especificada com precisão e em
um determinado tempo. O movimento pode ser mais suave
configurando as rampas de aceleração e desaceleração. O
movimento deve ser controlado para garantir que a
distância correta seja percorrida, para cada indexação. Este
geralmente é alcançado com um perfil de movimento
trapezoidal onde a aceleração, desaceleração e máxima
velocidade é controlado pelo driver do eixo.

Esse tipo de aplicação é conhecido como movimento de eixo
único ou movimento discreto com o tempo.

I-2.2 – Sistemas de corte “voador” (Flying Saw)

Um tapete de transporte de material, com uma lâmina de corte “voadora” (flying shear), é uma aplicação
muito usada na indústria e serve para cortar diversos materiais (tecido, cartão, cabedal, madeira, aço,
etc), em movimento contínuo, para um comprimento específico. Este tipo de aplicação é conhecido
como sistema de “mandante” e ”mandado”. Neste caso, todo o mecanismo de corte (o “mandado” ou
seguidor) é acelerado para acompanhar o velocidade do produto (o “mandante” ou referência ). Uma
vez o corte executado, o sistema de corte (“braço deslizante”) é desacelerado e volta à posição inicial,
pronto para começar um novo corte.

A velocidade e a posição do produto, que está sendo cortado, são medidas por um encoder de referência,
que informa o driver de motion para controlo do “mandante” e para que o “mandado” possa sincronizar-
se com o produto no tapete (“mandante”). Se a velocidade de alimentação do produto muda, o
mecanismo de corte também deve mudar.

Fig. 1.5 - Aplicação da lâmina de corte “voadora”

Fig. 1.6 - Perfil do movimento da lâmina de corte “voadora”

Um método alternativo para o corte de material é usar uma ferramenta, como uma serra

circular, que corta o produto em ângulo (a 90º do movimento do produto). O ângulo permite

que a serra seja sincronizada com o produto, para obter um corte em linha reta, enquanto o

produto se movimenta. Quanto maior for a largura do produto, mais rápido a serra terá que

se deslocar para manter um corte em linha reta. Esta solução é muito usada para cortar

materiais como vidro, lã mineral, placas de fibra, madeira, chapas metálicas, etc.

[asaTek / J.Andril] 3

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

Fig. 1.7 - Perfil do movimento do disco de corte “voador”

Nessas aplicações, o sistema precisa ser sincronizado com precisão com o resto da máquina de produção , portanto,
é conectado a um encoder de referência que fornece a posição do processo. Isso é conhecido como movimento
interpolado de 1,5 eixo ou movimento discreto sincronizado.

I-2.3 – Sistemas “pick and place”

As máquinas “pick and place” são comuns para lidar com todos os tipos de processos, em que peças tem
de ser retiradas e colocadas em locais diferentes ou para serem maquinadas. Essas máquinas são chamadas
de “mesas posicionadoras X-Y”, porque podem operar em duas dimensões. Nos dois exemplos, da figura
1.8, os sistemas possuem também o eixo Z para posicionamento ou maquinação da peça.

Fig. 1.8 - Postos de manipulação “pick and place”

Algumas aplicações de “pick and place” exigem que os eixos sejam coordenados, de modo que o movimento do
manipulador (ex. dispositivo de transporte de peça ) seja interpolado. O manipulador deverá viajar ao longo de um
percurso definido, como por exemplo uma linha reta , de uma posição para a próxima. Isso é desejável para
aumentar a eficiência e o desempenho de qualquer sistema multieixo, com especial utilidade em aplicações com
manipulação ou maquinação (ex. corte, fresagem, etc) de peças.

Fig. 1.9 - Aplicação com movimento circular com eixos interpolados (X-Y) 4
[asaTek / J.Andril]

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

Este tipo de aplicação, mostrado na figura anterior, é conhecido como movimento totalmente interpolado ou
movimento sincronizado de múltiplos eixos. Diferentes tipos de interpolação podem ser usados, a figura mostra a
interpolação circular com 2 eixos.

Nota : O movimento sincronizado múltiplos eixos não deve ser confundido com um sistema multieixo. O sistema
multieixo refere-se apenas ao fato de haver 2 ou mais eixos, com motor, que trabalham de modo independente um
dos outros. A melhor maneira, para não haver confusões da tecnologia aplicada, é a atribuir sempre aos sistemas
sincronizados de multiplos eixos de sistemas interpolados.

 I-3 – Layout dos sistemas de motion

Existem duas configurações típicas para a arquitetura dos sistemas de motion e que passamos a explicar,
de uma maneira breve, nas seções seguintes.

I-3.1 – Eixo único

Um sistema de controlo de movimento, para um único eixo com motor, geralmente consiste nos seguintes blocos
funcionais :

Fig. 1.10 - Sistema típico de um controlo de movimento

O encoder, de feedback do sistema, não precisa necessariamente estar na parte traseira do motor, embora na
maioria das aplicações esteja, usando um resolver. Detalhando o sistema, observamos a existência de três
controlos de malha fechada (loop) : o loop de posição, o loop de velocidade e o loop de corrente.

Fig. 1.11 - Sistema de controlo de malha fechada (loop)

I.3.1.1 - Perfil do movimento

O método usado para gerar o perfil de motion é uma parte importante em qualquer sistema, pois define os requisitos
para o movimento do sistema. O controlo e a geração da referência (setpoint) de posição, geralmente são tratados
no controlador de movimento.

I.3.1.2 - Malha do posicionamento

Em um sistema de controlo de motion tradicional, o loop de posição geralmente reside dentro do controlador de
motion e compara a referência de posição (setpoint) com o feedback da posição real, para determinar o erro de
posição. Este erro é usado para alterar a ordem de variação da velocidade, também conhecida como uma referência
de velocidade (setpoint), para regular a posição. Tradicionalmente, esta ordem era transferido do controlador de

[asaTek / J.Andril] 5

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

motion (ex. PLC) para o drive do motor por meio de um sinal analógico, mas esta técnica está sujeita a erros e ruídos
elétricos provocados por fontes de radiofrequência. Hoje, isto é comumente alcançado por meio de uma rede de
comunicação (fieldbus) de motion como SERCOS, EtherCAT, PROFINET IRT. No caso de um eixo único com controlo
de movimento integrado, pode ser aplicada a tecnica direta de uso de sinais digitais ao drive (ex. o uso de inverters,
também designados por conversores de frequência).

As taxas de atualização típicas para o loop de posição são de 0,25 ms a 2 ms. As taxas de atualização de 1 ms, darão
desempenho suficiente para controlar até mesmo as aplicações de servos mecanismos mais dinâmicos, devido à
longa constante de tempo de reação dos sistemas mecânicos, a ser controlados. Taxas de atualização mais rápidas
geralmente resultam em melhorias de desempenho insignificantes.

Fig. 1.12 - Sistema de comunicação tradicional com sinais discretos versus fieldbus

I.3.1.3 - Malha de velocidade

O loop de velocidade geralmente é integrado no driver (inversor / amplificador). Esta malha compara a ordem dada
para a velocidade (setpoint) do motor, para controlo de posição, com o feedback da velocidade real gerando um
valor de referência de torque. Para que o sistema de controlo de movimento funcione corretamente, é importante
que todas as rampas dentro do driver estejam totalmente desabilitadas, caso contrário, o sistema ficará instável. A
taxa de atualização típica para o loop de velocidade é geralmente entre 250 μs a 500 μs.

1.3.1.4 - Malha de torque

O loop de corrente está integrado no driver (inversor / amplificador) e é projetado para regular a corrente de saída
de produção de torque, para o motor. O torque esta relacionado com os valores do loop de velocidade e dos valores
do feedback de corrente, dos sensores de corrente, dentro do driver. Este malha vai permitir gerar os sinais de
controlo adequados, na produção da potência de saída do inversor para comando do motor.

I-3.2 – Eixos interpolares master-slave

Aplicações de 1,5 eixo ou “mandante”/”mandado”, são aquelas em que o movimento de um eixo está diretamente
vinculado ao movimento de outro eixo. As aplicações mais conhecidas são as caixas de relação eletrónica
(electronic gearing). A fonte de referência, para o seguimento, pode ser um encoder colocado no motor ou eixo
“mandante” só com essa função ou valores lidos e enviados, por fieldbus, de outro dispositivo. Em uma relação de
engrenagem 1:1, conforme mostrado na figura 1.13, o motor “mandado” (que tem a “faca” de corte) moverá um
impulso ou volta para cada impulso ou volta do motor “mandante”. Por outras palavras, o motor de referência
(“mandante”) e o motor seguidor (“mandado”) movem-se à mesma velocidade e percorrem a mesma distância,
no mesmo espaço temporal.

Fig. 1.13 - Exemplo de um sistema “mandante”/“mandado” com “faca” de corte

Uma “faca” rotativa é usada para cortar, em movimento contínuo, um produto com um determinado
comprimento. Deverá existir obrigatoriamente sincronização da velocidade da “faca” rotativa com a velocidade
da linha de produção. Nesta aplicação, a posição do eixo do sistema de corte está dependente da posição do
produto. À medida que a velocidade da linha de produção aumenta ou diminui, a “faca” deve alterar a velocidade
de acordo, para manter o mesmo comprimento entre os cortes. Para conseguir isso é necessário haver uma
entrada , no controlador de motion, para um encoder que indique a posição do produto. Neste sistema, o encoder

[asaTek / J.Andril] 6

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

de referencia será o “mandante” ou eixo de referencia e que determinará a posição da “faca” rotativa. Portanto,
a “faca” rotativa é o eixo seguidor ou “mandado” e também requer feedback com indicação da posição desse eixo
“mandado”.

Fig. 1.14 - Configuração de um sistema “mandante”/”mandado”

 I-4 – Formulas de cálculo de motion

Existem quatro parâmetros base para o movimento e que são importantes quando lidamos com sistemas
de motion. São a distância, a velocidade, a aceleração e o jerk (“solavanco”). A relação entre estes
parâmetros são as seguintes:

Fig. 1.15 - Resumo das formulas matemáticas de motion
O perfil trapezoidal de velocidade, representado na figura seguinte, tem uma taxa constante de aceleração
e desaceleração. Tambem está representado o perfil de posição equivalente.

Fig. 1.16 - Perfil trapezoidal da velocidade e posição de um movimento 7
[asaTek / J.Andril]

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

No perfil de movimento, nas figuras seguintes, podemos analisar a relação entre a aceleração,
desaceleração e jerk. O jerk é um parâmetro muito importante para uma transição suave entre velocidades,
sendo muito crítico em algumas aplicações (ex. elevadores).

Fig. 1.17 - Perfil, em trapézio, da variação de velocidade

Podemos ver, na figura 1.17, que com uma taxa constante de aceleração e desaceleração (perfil trapezoidal
de velocidade), o nível de jerk (“solavanco”) é alto na aceleração, na desaceleração e na paragem. Os níveis
de jerk podem ser reduzidos alterando a taxa de aceleração ou desacelaração. A introdução da rampa S,
na variação da velocidade, pode alterar os níveis de jerk, conforme indica na Figura 1.18.

Fig. 1.18 - Perfil, em rampa S, da variação de velocidade

Reparamos, na figura 1.18, que ao aplicar à variação de velocidade, uma rampa em S, provoca um perfil
de lei quadratica na velocidade e um perfil trapezoidal na aceleração ou desaceleração, proporcionando
assim uma transição mais suave entre a mudança de velocidades.

[asaTek / J.Andril] 8

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

Outras melhorias podem ser feitas através da introdução de rampas de velocidade mais complexas. A
figura 1.19 mostra o efeito da implementação de uma rampa seno na variação da velocidade.

Fig. 1.19 - Perfil, em rampa seno, da variação de velocidade

Podemos observar que, ao aplicar uma rampa seno (sinusoidal) à velocidade, a aceleração e a
desaceleração ganham um perfil sinusoidal. Isto, por sua vez, provoca um perfil sinusoidal na velocidade,
no começo e no fim da aceleração ou desaceleração, proporcionando assim uma transição mais suave
entre mudanças de velocidades, o que é ideal para servomecanismos de alta precisão.
A desvantagem é que o consumo necessário de corrente, no motor, ser proporcional à mudança da
aceleração e portanto, quanto mais íngreme a taxa de aceleração, mais corrente é necessário o driver
debitar ao motor. Portanto, é necessário um sistema de maior potência.
O pico de torque com a rampa senusoidal aumentará em comparação com uma rampa linear equivalente.
O torque em RMS, para o mesmo perfil, também aumentará.

 I-5 – Exemplos práticos da utilização das equações de motion

O objetivo desta secção é mostrar alguns formulas matemáticas, de motion, que necessitamos quando
pretendemos calcular algumas grandezas físicas, para os diversos perfis de movimento.

COM MOVIMENTO ESTÁVEL COM MOVIMENTO EM RAMPA

Equações básicas

Velocidade = Distância / Tempo Velocidade = (2 x Distância) / Tempo
Tempo = (2 x Distância) / Velocidade
Tempo = Distância / Velocidade Distância = (Velocidade x Tempo) / 2

Distância = Velocidade x Tempo

Aceleração = Velocidade / Tempo
Tempo = Velocidade / Aceleração
Velocidade = Aceleração x Tempo

Quando o tempo não é conhecido

Aceleração = Velocidade2 / Distância Aceleração = Velocidade2 / (2 x Distância)
Distância = Velocidade2 / (2 x Acelera.)
Distância = Velocidade2 / Aceleração Velocidade
= √ (2 x Distância x Acelera.)
Velocidade = √ (Distância x Aceleração)

Quando a velocidade não é conhecida

Aceleração = Distância / Tempo Aceleração = (2 x Distância) / Tempo2
Distância = (Aceleração x Tempo2) / 2
Distância = Tempo2 / Aceleração Tempo
= √ ((2 x Distância) x Acelera.)
Tempo = √ (Distância x Aceleração)

[asaTek / J.Andril] 9

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

I-5.1 – Sistema com movimento a velocidade constante

Se um eixo linear se move a uma velocidade constante de 5 m/s, durante 4,5 s, qual a distância que percorre?

Se um eixo linear percorre com velocidade constante, 7,5 m em 5 s, a que velocidade o eixo anda?

I-5.2 – Sistema com movimento de aceleração

Se, por exemplo, tivermos um guindaste a pegar em cargas
colocadas no solo e levantá-las, com uma aceleração
constante de 5 m/s em um espaço temporal de 4,5 s, que
distância o braço do guindaste percorre?

[asaTek / J.Andril] 10

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

Se um guindaste pega em uma carga do solo e acelera a 3 m/s2 em 6 s, que velocidade atinge?

Se um guindaste pega em uma carga do solo e acelera a 1,5 m/s2 em 5 s, que distância a carga terá
percorrido?

Se um guindaste pega em uma carga do solo durante 4 s à velocidade de 3 m/s, qual foi a taxa de
aceleração?

[asaTek / J.Andril] 11

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

 I-6 – Especificação dos equipamentos de feedback de posição

Um dos requisitos mais importantes para dispositivos de feedback, usados em motion, é a sua qualidade
funcional. Como acontece com qualquer componente de um um sistema a relação custo e qualidade é
importante, os dispositivos de feedback não são diferentes.

I-6.1 – Graus, minutos e segundos

Antes de considerar quais fatores importantes na seleção de um dispositivo de feedback, é útil entender e considerar
o conceito das unidades angulares. Por exemplo, 360° é equivalente a uma revolução (volta completa). Para as
grandezas angulares menores são usadas os minutos ou minutos de arco, que é uma subdivisão de um grau (como
no tempo) e que corresponde a 60 minutos em um grau. O símbolo usado para minutos de arco é ', então para 0,5°
corresponde a 30', minutos de arco. Esta analogia continua com uma subdivisão de um minuto de arco que
corresponde a um segundo de arco. O símbolo usado para o segundo de arco é ".

Nota : sempre útil para lembrar
➜ 1' (minuto de arco) = 0,0166667° (1° / 60')
➜ 1" (segundo de arco) = 0,000277778° (1° / (60'× 60"))

I-6.2 – Características dos sistemas de feedback de medição de posição

Existem muitos dispositivos de feedback, nos sistemas de controlo de posição, que afetam o desempenho geral do
sistema e sua precisão. De seguida explicaremos o conceito de precisão de posição e resolução de posição .

I-6.2.1 - Precisão

A precisão é o fator mais importante para a qualidade de um um sistema de posicionamento, com feedback, em
um eixo com motor. A precisão de um dispositivo de feedback está dependente de muitos fatores, como o tipo de
encoder, a sua construção e a sua instalação na aplicação industrial. A precisão é considerada em termos do pior
caso de erro de posição em uma revolução mecânica completa e é dado em segundos de arco. Por vezes também
pode ser designado como erro de ciclo único.

Se tivéssemos a visualizar, através de um osciloscópio, o dispositivo de feedback instalado em um servomotor,
teríamos as formas de onda representadas na figura seguinte :

 O traço superior (violeta) mostra o canal C do impulso de “zero”, do encoder (1 por volta).
 O traço abaixo (verde) é a leitura dos canais A/B incrementais, do dispositivo de feedback.
 O traço inferior (amarelo) é o erro de ciclo único do dispositivo real de feedback.

O gráfico repete-se a cada impulso de “zero” do encoder.

Fig. 1.20 - Precisão de um dispositivo de feedback em uma revolução 12
[asaTek / J.Andril]

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Ao observarmos no gráfico anterior, o traço inferior (amarelo), vemos a leitura do torque/vibrações da engrenagem
do servomotor (visto com pequenos distúrbios de alta frequência, no traço). Destaca-se o desalinhamento da
montagem do dispositivo de feedback (ex. encoder) ao servomotor, mais o erro de ciclo único do dispositivo real de
feedback.

Geralmente, para qualquer tecnologia de feedback, quanto mais preciso for o dispositivo de feedback, maiores serão
os custos. Além disso, a precisão do dispositivo de feedback não deve ser confundida com a resolução posicional de
um sistema acionado por motor.

I-6.2.2 - Resolução

A resolução de um sistema posicional, que consiste em um servomotor com um dispositivo de feedback e um drive,
pode ser difícil de se definir. A razão para isso deve-se, em parte, ao tipo de dispositivo de feedback selecionado
para a aplicação. Nesta secção vamos explicar três sistemas possíveis, de dispositivos de feedback de posição, que
podem ser usados.

(Nota: A designação PPR, CPR e LPR esta explicada na secção I-6.4)

Sistema 1 : Resolver
O dispositivo de feedback de
posição, com um resolver
consiste em um componente
indutivo eletromecânico,
semelhante a um auto-
transformador, que gera
uma saída analógica. Ele não
dá nenhuma informação da
posição discreta, por conta
própria, precisando de ser
convertido para um sinal
digital. A conversão é feita
no drive de potencia e a

resolução é determinada pelo número de bits do conversor ADC (analógico para digital). Os 14 bits são típicos nos
resolvers. Para uma rotação mecânica do motor temos 16.384 (214) posições discretas (CPR). Os resolvers são usados
pela sua construção robusta e tolerância a altas temperaturas, mas têm baixa precisão posicional comparado com
outros dispositivos.

Sistema 2 : Encoder incremental por quadratura
Um encoder incremental em
quadratura, é o dispositivo
de feedback digital mais
comum. A maioria dos
encoders são óticos, usando
fototransístores para emitir
uma luz que passa por
orifícios, existentes em um
disco acoplado ao eixo do
encoder. A resolução desses
dispositivos depende do

número de orifícios que podem ser colocados nesse disco do encoder. Os 10 000 impulsos por revolução é o limite
máximo existente nos encoders incrementais. Em um encoder com 4096 PPR, com dois canais (A e B) de impulso em
quadratura, o drive usará os flancos dos impulsos desses 2 canais para o posicionamento (PPR é multiplicado por 4).
Portanto, para uma rotação mecânica do motor, 16.384 CPR (214) posições discretas estão disponíveis. Os encoders
de quadratura são usados devido à sua combinação de baixo custo com um desempenho razoável na precisão linear
de posicionamento.

[asaTek / J.Andril] 13

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Sistema 3 : Encoder incremental por SinCos
Um encoder SinCos é um
dispositivo de feedback
analógico que não oferece à
saida nenhuma informação
posicional discreta, por conta
própria. Precisa de ser
convertido em um sinal
digital. Esta conversão é feita
no drive e é dividida em dois
itens. Um deles o número de
LPR e o outro é o número de
bits do conversor ADC. Se o
conversor tiver 11 bits,
então, em cada ciclo SinCos
2048 (211) posições discretas
estão disponíveis. Isso
determina a resolução
posicional do sistema. Se
tivermos um encoder com

4096 LPR (212) e assumirmos que o inversor tem 11 bits de interpolação disponíveis, então para uma revolução
mecânica do motor, temos 4096 × 2048 ou (212) × (211) = 8.388.608 CPR (223) de posições discretas.

Características dos diversos dispositivos de feedback disponíveis :

Tipo de F.A. do Impulsos / SinCos Resolução do Precisão do
feedback encoder por volta feedback feedback
Resolver 6Vrms 1 Media Baixa
(a 6kHz) +/- 720º
Encoder 5Vdc 4096 16384 (14 bits) Alta
incremental Media +/- 60º
7 - 10Vdc
Encoder absoluto 16384 (14 bits)
indutivo 7 - 12Vdc
(EnDat2.1) 32 Media Media
Encoder ótico 3,5 - 14Vdc
SinCos 524288 (19 bits) +/- 280º
(Hiperface)
Encoder absoluto 1024 Muito alta Alta
ótico 1,4x106 (20 bits) +/- 52º
(EnDat2.2)
2048 Muito alta Muito alta

2,08x106 (21 bits) +/- 20º

I-6.2.3 – A envolvência e condições da aplicação

As condições em que o dispositivo de feedback deve funcionar é crítico para o sucesso, a longo prazo, do sistema.

Existem dois fatores principais que devem ser considerados e que passo a explicar :
 O primeiro fator são as vibrações mecânicas transmitidas pela carga, através do eixo do motor, para o dispositivo
de feedback. Em casos graves, o disco de vidro dentro do encoder pode quebrar.

 O segundo fator é a temperatura ambiente. O dispositivo de feedback se não estiver ventilado pode atingir
temperaturas elevadas. Nos casos em que a temperatura, no dispositivo de feedback, for superior a 100 °C podemos
ter problemas, como falha nos componentes eletrónicos do encoder ou perda de impulsos para a leitura do
posicionamento.

[asaTek / J.Andril] 14

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

A melhor solução é, sempre que possível, isolar o encoder desses problemas. Para conseguir isso estude a melhor
solução para a sua instalação, verificando onde e como ele é montado. Se isso não for possível, instale dispositivos
mais robustos, como um resolver.

I-6.2.4 – Desalinhamento mecânico

A disposição de montagem dos dispositivos de feedback é crítica para o bom sucesso, a longo prazo, do sistema

acionado por motor.

Na montagem é necessário um alinhamento do encoder com o veio do motor. Se o dispositivo de feedback (encoder)
não estiver corretamente alinhado com o eixo do motor, pode gerar calor nos rolamentos do encoder, levando a
uma falha prematura. Em casos graves, o disco de vidro no encoder pode esfregar contra a cabeça de deteção ótica.

I-6.3 – Porta interface do encoder

Este é o circuito de saída (porta de interface), no dispositivo de feedback, que serve de comunicação com o drive ou
inverter.

Podemos ter diversos tipos e configurações tais como : porta EIA – 422, EIA (RS) –485, TTL, HTL, saida em coletor
aberto e um sinal analógico de 1V pico a pico, são os mais comuns. É importante selecionar a porta adequada, no
encoder, para ser compatível com o drive que temos disponível.

I-6.4 – Tipo de contagem de impulsos do encoder

De seguida explicaremos, de uma maneira resumida, os diversos métodos de contagem de impulsos (ou também
designados pulsos) do encoder com as suas designações e que permitem a medição da posição do movimento.

I-6.4.1 – PPR – Pulsos Por Revolução (usado nos encoders lineares)

Pulsos ou impulsos por revolução refere-se ao número de impulsos que temos nos nos canais A e B
(individualmente) dos encoders digitais, do tipo incremental, quando o dispositivo de feedback roda 360°.

É comum que os dispositivos de feedback tenham PPR com a potência de 2, por exemplo 512, 1024, 2048, 4096 etc.
Isso permite que o drive ou inverter processe as informações mais facilmente, pois é um valor binário. Estes valores
são tratados, no drive, com uma contagem em quadratura (CPR). Isso corresponde a multiplicar por 4 vezes o
número de impulsos por revolução (PPR).

Fig. 1.21 – Medição da posição de um movimento usando um encoder em quadratura

É necessário ter em conta as especificações da interface de comunicação no driver ou inverter. A
especificação, para não haver falhas de leitura, é a frequência máxima de leitura do encoder. É importante
que a sua aplicação não ultrapasse esse valor.

Para calcular a frequência de impulsos do encoder, a seguinte fórmula é usada:

Frequência máxima = (Velocidade máxima do motor em rpm / 60) × PPR do Encoder

[asaTek / J.Andril] 15

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I-6.4.2 – LPR – Linhas Por Revolução (usado com encoder SinCos)

Linhas por revolução , relaciona-se o número de ciclos de onda sinusoidal, nos canais de um encoder analógico
(SinCos), quando o dispositivo de feedback roda 360°.

É comum que os dispositivos de feedback tenham um LPR com a potência de 2, por exemplo 512, 1024, 2048, 4096,
etc. Isso permite que o drive processe as informações mais facilmente, pois é um valor binário.

I-6.4.3 – CPR – Contagens Por Revolução

 Em encoders digitais de quadratura, as contagens por revolução são os impulsos da combinação da quadradura
dos canais A e B por revolução. Multipilca-se o PPR por 4. Isso é realizado no driver ou inverter e disponibiliza o valor
ao loop de posição.

Consideremos o seguinte:
Um servomotor tem um encoder de quadratura incremental com 4096 PPR (212). A contagem por revolução é de
CPR = PPR x 4 = 4096 × 4 = 16.384 CPR (ou 212 + 22 = 214)

 Em encoders analógicos (SinCos), as contagens por revolução são as linhas (ondas sinusoidais sin e cos) em
quadradura por revolução. Multipilca-se o LPR por 4. Isso é realizado no driver ou inverter e disponibiliza o valor ao
loop de posição.

Consideremos o seguinte:
Um servomotor possui um encoder SinCos com 4096 LPR (212) e um drive com 11 bits de interpolação. A contagem
por rotação é de CPR = LPR x 4 = 4096 × 2048 = 8.388.608 CPR (ou 212 + 211 = 223).

Nota : Contagem corresponde a 1 impulso ou pulso.

I-6.5 – Conversão das unidades de contagem dos encoders

Quando controlamos um motor de um sistema de motion para se mover para uma posição especifica, a baixo nivel,
o drive controla-o atraves da leitura da contagem dos sinais de feedbacks de posição. A posição pode ser controlada
através de um encoder lendo diversas grandezas, como a contagem de impulsos, a velocidade em contagens por
segundo (CPS) e a aceleração contagens por segundo2 (CPS2). Nestes sistemas, a leitura é feita em unidades de
rotação ou lineares, como por exemplo, revoluções por minuto (rpm) ou metros por minuto (mpm).

I-6.5.1 – Conversão para as unidades de rotação

Para converter CPS (contagens por segundo) para uma unidade de rotação, o número de CPR do encoder que está a
ser usado deve ser conhecido. Uma vez conhecido, a conversão é feita da seguinte maneira:

Unidades por segundo (UPS) out = (CPS in / CPR) × Unidades por revolução (UPR)

CPS out = (UPS in / UPR) × CPR

I-6.5.2 – Conversão para as unidades lineares

Para converter CPS (contagens por segundo) para uma unidade linear de velocidade, por exemplo de CPS para
m/min, o número de unidades lineares por revolução (UPR) deve ser conhecido, para o sistema utilizado.

Se tivermos, como exemplo, um simples transportador por tapete com um rolo de tração de diâmetro de 100 mm
teríamos uma velocidade linear, do transporte das peças, de 314 mm/rev e que é é o perímetro da circunferência.

Fig. 1.22 – Calculo de um transportador de peças por tapete 16
[asaTek / J.Andril]

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Fig. 1.23 – Calculo de posicionador de ferramenta por fuso de esferas (ballscrew)

Se tivermos uma mesa linear (mostrado na figura 1.23), com um movimento através de um fuso de esferas , que tem
um passo de 200 mm/rev e uma relação de transmissão motor-ferramenta de 3:1 teremos de fazer calculos de
conversão. As formulas usadas para o cálculo de conversão de CPS para unidades lineares serão as seguintes :

Unidades por segundo (UPS) out = (CPS in / CPR) × Unidades por revolução (UPR)
CPS out = (UPS in / UPR) × CPR

CPR  Contagem (impulsos) Por Revolução UPR  Unidades Por Revolução (ex. mm/rev)
CPS  Contagem (impulsos) Por Segundo UPS  Unidades Por Segundo (ex. mm/s)

A seguir apresentamos 4 exemplos práticos, de calculo.

Exemplo 1 : Um transportador de peças, por tapete, tem um encoder acoplado ao movimento do rolo de tração de
65 536 CPR (impulsos), funcionando a uma velocidade de 30 000 CPS (impulsos por seg), com o perímetro do rolo de
200 mm, qual é a velocidade linear em mm/s?

mm/s = (CPS in / CPR) x mm/rev
= (30000 / 65536) x 200
= 91,55 mm/s

Exemplo 2 : Um transportador de peças, por tapete, tem um encoder acoplado ao movimento do rolo de tração de
65 536 CPR (impulsos) rodando à velocidade de 250 mm/s e com um perímetro do rolo de 200 mm, qual é a
velocidade equivalente em CPS (impulsos por segundo)?

CPS out = (UPS in / UPR) x CPR
= (mm/s in / mm/rev) x 65536
= (250 / 200) x 65536
= 81920 CPS

Exemplo 3 : Um transportador de peças, por tapete, tem um encoder acoplado ao movimento do rolo de tração de
65 536 CPR (impulsos) rodando à velocidade 40 000 CPS e com um perímetro do rolo de 200 mm. Qual é a velocidade
linear em mm/min ?

mm/min = (CPS in / CPR) x mm/rev x 60
= (40000 / 65536) x 200 x 60
= 7324 mm/min ou 7,324 m/min

Exemplo 4 : Uma mesa posicionadora de ferramenta, com um fuso de esferas de passo de 200mm, tem um encoder
acoplado de 65 536 CPR e roda à velocidade de 100 000 CPS. Existe uma relação de transmissão entre o motor e o
movimento do fuso de 3:1. Qual a velocidade da mesa posicionadora ?

mm/min = ((CPS in / CPR) x mm/rev x 60) x (Voltas fuso /voltas motor))
= ((100000 / 65536) x 200 x 60 x (1 / 3))
= 6104 mm/min ou 6,104 m /min

[asaTek / J.Andril] 17

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

I-6.6 – Precisão nas conversões de dados

Ao converter um tipo de grandezas de dados para outro, por exemplo mm para as contagens de encoder, é
importante considerar que se os valores dos cálculos não forem precisos, a precisão do sistema está posta em causa.

Por exemplo, temos uma roda com um perímetro de 172,472 mm e que tem um encoder acoplado, ao seu eixo, de
65 536 CPR (impulsos por revolução). Se quisermos saber o numero de contagens (impulsos) por mm de curso,
arredondando o perímetro para 172 mm, no cálculo 65536/172 iremos obter um um erro acumulado no final do
curso (ex. 10 000 mm).

Cálculo do numero de impulsos no final do curso (com arredondamento) :
Impulsos totais no final do curso = 10000 mm x 65536 /172 mm
= 3810232 impulsos

Cálculo do numero de impulsos no final do curso (sem arredondamento) :
Impulsos totais no final do curso = 10000 mm x 65536 /172,472 mm
= 3799805 impulsos

No final do curso, entre usar arredondamento ou não usar, temos um erro de 10 437 contagens (impulsos do
encoder) ou 27,44 mm em 10 m.

I-6.7 – Malha de controlo de posição

O loop de posição é uma parte fundamental em todos os sistemas de controlo de movimento. A figura
seguinte ilustra um loop de posição típico.

Fig. 1.24 - Loop de posição típico.

Na figura 1.24, a velocidade de referência é gerada pelo perfil de velocidade pretendido para o movimento, após o
qual a velocidade de referência se divide em duas malhas. Uma é a malha de controlo da velocidade e outra é a
malha do controlo de posição.

A malha de velocidade fornece a maior parte da velocidade de referência final enviada pelo driver ou inverter e a
malha de controlo de posição fornece um sinal de compensação ou correção da velocidade de referência.

[asaTek / J.Andril] 18

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

Fig. 1.25 – Velocidade de referência gerada a partir da malha de velocidade com controlo proporcional

O ganho da malha de velocidade (Kff) permite que uma proporção da velocidade de referência do perfil do
movimento corrija a saída da malha de posição, definindo assim a velocidade de referência final. Normalmente, esse
ganho é definido como 1, de modo que a malha de retenção da posição do movimento precisa corrigir apenas
pequenas diferenças de posição.

 I-7 – Afinação do loop de velocidade do controlo de motion

A malha de velocidade, tal como a malha de posição e a malha de corrente (torque) são loops
importantíssimos no controlo do movimento de um eixo, com o objetivo final de conseguirmos sistemas
precisos e fiáveis.

I-7.1 – Parâmetro de controlo

A malha de velocidade mantém a velocidade do motor da aplicação pretendida, variando a demanda de torque ao
sistema, através da malha de corrente. Essa demanda depende do erro existente no seguimento da velocidade. A
variação da ordem a dar, do nivel de torque, tem o efeito no movimento como os pedais de travar ou acelerar na
condução de um carro.

Nota :
A malha de velocidade deve ser sintonizada antes de tentar controlar o posicionamento, caso contrário, a malha de
posição pode não ser capaz de manter a posição corretamente ou pode até se tornar instável.
Para ajudar a manter o erro de velocidade no mínimo, ou seja, seguir a referência o mais próximo possível, três
ganhos de malha da velocidade são fornecidos; Proporcional, Integral e Derivativo (PID) conforme mostrado na
figura seguinte.

Fig. 1.26 – Loop do controlo de velocidade e seus ganhos 19
[asaTek / J.Andril]

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

Erro de seguimento de velocidade :
O erro de seguimento de velocidade é a diferença entre a referência da velocidade pretendida e a leitura de
feedback da velocidade real , ou seja:

Erro de velocidade = Referência de velocidade - Feedback de velocidade

I-7.1.1 – Ganho Proporcional

O ganho Proporcional responde proporcionalmente ao erro, ou seja, o ganho proporcional é um múltiplo direto da
velocidade após o erro e aumenta a resposta do sistema. Isso significa que, para a componente proporcional produzir
uma saída deve haver um erro. Se o ganho proporcional for usado sozinho (sem os ganhos I ou D) a velocidade final
oscilará em relação à velocidade de referência. Este processo é denominado regulação. Na figura seguinte 1.27,
vemos a oscilação do efeito regulador do ganho proporcional no feedback da velocidade.

Fig. 1.27 – Efeito da regulação proporcional no loop da velocidade

Se o ganho proporcional aumentar para uma determinada carga, o erro de velocidade diminuirá. Se o ganho
proporcional for elevado demais, alem de originar ruído acústico gerado no motor, devido as altas frequencias
geradas pelo drive de potência, o limite de estabilidade da malha fechada (feedback) é atingido rapidamente e a
saída oscilará. Uma resolução maior no dispositivo de feedback de velocidade, geralmente, permite que ganhos mais
altos sejam usados.

I-7.1.2 – Ganho Integral

O ganho Integral responde proporcionalmente ao acumular de erro da velocidade ao longo de um período de tempo.
É fornecido para evitar a regulação da velocidade conforme descrito acima (oscilação). Aumentar esse ganho
diminuirá a quantidade de tempo necessária para atingir o ponto de ajuste de velocidade, aumentando assim a
estabilidade do sistema. O ganho integral também reduz o amortecimento do sistema, o que pode levar a um
overshoot após um transiente. Para um dado ganho integral, o amortecimento pode ser melhorado aumentando o
ganho proporcional. Em geral, um meio-termo entre a resposta do sistema, estabilidade e amortecimento deve ser
alcançado para uma determinada aplicação.

I-7.1.3 – Ganho Derivativo

O ganho Derivativo responde proporcionalmente à taxa de variação do erro. É fornecido para adicionar
amortecimento ao sistema nas condições transitórias. Para 99% das aplicações, ganho diferencial não é necessário,
pois o ajuste correto dos ganhos proporcionais e integrais proporcionará um desempenho suficiente.

[asaTek / J.Andril] 20

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

I-7.2 – Exemplos práticos de afinação do loop da velocidade

A malha de velocidade tem como função manter a velocidade do motor pretendida para a aplicação, variando a
demanda de torque (corrente) ao sistema através da malha de corrente. Essa demanda depende do erro existente
no seguimento da velocidade (diferença entre a velocidade pretendida e a velocidade real).

A fim de ajustar a malha de velocidade, nos sistemas de posição dinâmica de alto desempenho, o perfil de velocidade
mais exigente deve ser conhecido, ou seja, a velocidade máxima como a taxa de aceleração e desaceleração. Uma
vez que isso seja conhecido, o drive ou inverter pode ser configurado para cumprir esse perfil usando as velocidades
predefinidas e a taxa de aceleração / desaceleração da seguinte forma:

1. Defina os tempos de aceleração e desaceleração, a configurar no drive ou inverter, que corresponda ao perfil
mais exigente. As taxas de aceleração / desaceleração são definidas em s por 1000 rpm. Para calcular o tempo
de aceleração real para qualquer velocidade, utilize a seguinte fórmula:

Tempo de aceleração do perfil = (Tempo para atingir Vel. Max. ∕ Vel. Max.) × 1000

Exemplo 1: O perfil de movimento, pretendido para uma aplicação, leva 0,5 s para atingir 400 rpm e 0,5 s para parar.
Qual é o tempo de aceleração que temos de programar para obtermos esse perfil ?

2. Programe o drive ou inverter para que ele percorra continuamente as velocidades predefinidas, acelerando de
zero à velocidade máxima e, em seguida, volte à velocidade zero.

3. Enquanto o perfil se repete, os ganhos da malha de velocidade podem ser alterados para obter o melhor
desempenho. Os ganhos devem ser aumentados em pequenos passos (tentativa-erro) até que o nível ideal seja
alcançado. Para ver a melhoria, do desempenho do sistema, monitorize os seguintes parâmetros usando um
osciloscópio ou um software do tipo scope view:

➜ A velocidade final atingida ( = velocidade de referência)
➜ A velocidade de feedback
➜ O erro de seguimento da velocidade

Também pode ser benéfico monitorizar, na saída do drive, o limite de corrente. Durante este procedimento,
particularmente com aplicações de alta inércia, deve-se certificar de que o limite de corrente na saída do drive ou
inverter não é alcançado durante a aceleração ou desaceleração. Os limites de corrente devem ser ajustados para
corresponder ao motor ou, se for muito alto, aos requisitos da aplicação. O torque é proporcional à corrente,
portanto, se os limites da corrente forem atingidos, o torque produzido também será limitado, o que afetará a
resposta e a precisão do sistema.

[asaTek / J.Andril] 21

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

Nas figuras seguintes mostramos o efeito dos ganhos Proporcionais e Integrais, na mudança de velocidade de
referencia de 0 a 200 rpm, no feedback de velocidade e no erro de seguimento .

Fig. 1.28 – Ganho Proporcional e Integral insuficiente

Os gráficos, da figura 1.28, mostram o desempenho com um baixo ganho Proporcional e Integral. Observe que a
velocidade de feedback não atinge a velocidade de referência pretendida e que o perfil dessa velocidade é
excessivamente arredondado.

Fig. 1.29 – Suficiente ganho Proporcional e insuficiente ganho Integral

A Figura 1.29 mostra o desempenho apenas com baixo ganho Integral. Observe que, embora o perfil de velocidade
de feedback tenha melhorado a sua forma de evolução não é ainda suficiente para atingir a velocidade de referência
pretendida, como velocidade final.

[asaTek / J.Andril] 22

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

Fig. 1.30 – Suficiente ganho Integral e insuficiente ganho Proporcional

A Figura 1.30 mostra o desempenho apenas com baixo ganho Proporcional. Embora a velocidade de feedback
alcance a velocidade de referência como velocidade final, tem um problema que é superá-la (overshoot) devido à
falta de amortecimento de ganho P. Este tipo de forma de onda pode ser causado tanto em sistemas de baixa inércia
e com um ganho Proporcional excessivo ou em sistemas de alta inércia mas com insuficiente ganho Proporcional.

Fig. 1.31 – Ganho Proporcional e Integral perfeito

A Figura 1.31 mostra o desempenho com configurações de ganho ideais para o Proporcional e o Integral. Observe
que o perfil de velocidade de feedback atinge a velocidade de referência sem overshoot.

Ruído acústico
Se o ruído acústico se tornar um problema por aumentar o P ou usar um encoder de baixa resolução, devemos
colocar um filtro temporal (até 1 ms) no loop de corrente. Pode reduzir significativamente o nível de ruído e, assim,
permitir que ganhos maiores sejam configurados. Adicionar um filtro temporal, tem o efeito de adicionar um
pequeno atraso no sistema, mas desde que o filtro aplicado não seja excessivo. Uma outra alternativa à filtragem
seria colocar um encoder de melhor resolução, caso tenhamos um encoder com essas características.

[asaTek / J.Andril] 23

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo I

[asaTek / J.Andril] 24

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

II – Serviço de controlo de eixo no TwinCAT 3.1 NC-PTP (“MOTION”))

Apresentação das funcionalidades do TwinCAT NC PTP

A funcionalidade de eixo PTP
(Point To Point) é um processo
de controlo de movimento para
posicionamento unidimensional
de eixos, em particular para
servo-eixos. Unidimensional não
significa necessariamente linear.
Significa simplesmente que um
componente é controlado em
um sistema de coordenadas
especificadas (polares ou
cartesianas). O PTP forma a base
de todo o TwinCAT NC, porque
na inicialização (start-up) do
sistema os eixos estão normalmente no modo PTP , portanto, são controlados por posição. As funcionalidades
estendidas do TwinCAT NC são obtidas com base nos modos PTP por reconfiguração (FIFO, NCI) ou por
acoplamento (para todos os tipos de slaves).

Se o TwinCAT 3.1 tiver licenças (ex. com “7 Days Trial License”) do serviço de PLC (TC1200 – TC3 PLC) e de NC (ex.
TF5000 - TC3 NC PTP até 10 eixos PTP) podemos executar um projeto, com eixos, na pasta “MOTION” da árvore
do projeto. Nesta pasta “MOTION”, os eixos necessários podem ser criados e seus parâmetros serão definidos.
Durante o tempo de execução (run time) do TwinCAT, os eixos podem ser movidos e ajustados através das páginas,
em online, correspondentes (menus de manobra).

 II-1 – Adicionar tarefa cíclica ao serviço NC (Cyclic NC-Task)

Ao inserir um novo item com “Add New Item...”, na pasta “MOTION”, é criado automaticamente uma estrutura
com uma tarefa NC (“NC-Task 1”). A configuração do tipo “NC/PTP NCI Configuration” é inserida no serviço de NC
“TwinCAT MOTION Server”. Podemos configurar o tempo de ciclo (Cycle ticks) e a prioridade (Priority), da respetiva
tarefa, no sistema. O tempo de ciclo e o nº da porta do serviço encontra-se na subpasta “Task”.

Para podermos visualizar as variáveis de processo do
eixo, no software “Scope View”, deverá selecionar a
opção “Create Symbols”, em ambas as tasks (SAF e SVB).

Na figura em baixo, vemos o ecrã (como
exemplo) da “NC-Task 1 SVB” , com um “Cycle
ticks” de 10 ms. Na página seguinte é explicado a
relação das task SAF e SVB.

[asaTek / J.Andril] 25

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

A tarefa SVB (“SVB Task”) é o gerador de setpoint e gera os perfis de controlo de velocidade e posição, para todo
o movimento dos drives de acordo com a posição atual, posição de comando, velocidade máxima, taxas de
aceleração e desaceleração e arranque (“jerk”) de cada acionamento. Esta tarefa é normalmente executada a cada
10 ms e uma mudança em qualquer um desses parâmetros resultará em um novo perfil para todo o movimento a
cada 10 ms. Dessa forma, se um drive estiver na posição de destino (“target”) o sistema continuará a calcular os
perfis para mantê-la naquela posição. É nesta tarefa que é atualizada os I/O da fieldbus do NC.

A tarefa SAF (“SAF Task”), do loop de controlo, normalmente é executada a cada 2ms (embora seja possível ir tão
rápido quanto os 100 µs, se a rede / fieldbus e a unidade puderem manipular os dados com rapidez). Esta tarefa
não é responsável pela atualização dos I/O através da fieldbus do NC.

Essa tarefa geralmente é usada em drives controlados no modo de comando de velocidade. Por isso, emitirá novos

comandos de velocidade para as unidades em todos os ciclos SAF. Ajusta a velocidade de comando com base na

posição de comando, posição atual e parâmetros de controlo. Se o drive estiver no modo de controlo de posição,

como em muitos eixos SERCOS, esse loop de controlo será desativado e as posições geradas pela tarefa SVB serão

diretamente enviadas para o drive. Cabe então ao drive levar o motor à posição especificada e se o drive não

conseguir executar, irá falhar o comando.

SAF Task Settings SVB Task Settings

A tarefa SVB (“NC-Task 1 SVB”) deve ser configurada para ser executada uma vez a cada 5 ciclos da tarefa SAF. Se
a tarefa SAF (“NC-Task 1 SAF”) tiver uma taxa de atualização de 2 ms, a tarefa SVB deverá ter uma taxa de
atualização de 10 ms. Se a tarefa SAF tiver uma taxa de atualização de 1 ms dos drives, a tarefa do SVB deverá ser
definida para 5 ms.

 II-2 – Adicionar um eixo ao serviço NC (Axes)

Quando os eixos são inseridos na configuração NC, alguns subelementos e
variáveis são criados automaticamente (veja figura em baixo). Cada eixo
recebe um encoder, um drive e um controlador que podemos configurar.

[asaTek / J.Andril] 26

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

TIPO DE EIXOS DESCRIÇÃO
Continuous Axis Eixo com o nível de velocidade contínuo. O eixoresponde continuamente a um valor definido
de velocidade.
Encoder Axis
Discrete Axis Eixocom encodermas sem drive econtrolador
Eixo com 2 níveis de velocidade (velocidade alta / baixa). Oeixoresponde aum valor de
Low Cost Stepper Axis velocidadededoisestágios,incluindoo sentidoderotação.

Eixo sem encoder físico. O eixo consiste em um motor passo a passo que é conectado a saídas
digitaisereageaimpulsos. Eixosem encoderfísico.

II-2.1 – Parâmetros globais do eixo (Axis 1)

Na configuração das tarefas do controlo NC ( “software”) temos diversos tipos de acionamentos de eixo (ex.
“Continuous Axis”, “Encoder Axis”, etc)que poderão ser selecionados na pasta “MOTION” do TwinCAT
Motion Server.

II-2.1.1 – Subpasta dos “Settings”

Na subpasta “Settings” podemos escolher diversos tipos de hardware para o funcionamento do eixo, como
podemos ver a seguir.

[asaTek / J.Andril] 27

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

Tipo de acionamentos de eixo existentes no TwinCAT 3.1 :
Configuração Standard: “Mapping via Encoder and Drive”

Configuração com saídas digitais:
- Stepper interface: “KL2531/KL2541 (Stepper-Interface)”

KL2531 (“Stepper motor terminal, 24Vdc, 1.5A”)
KL2541 (“Stepper motor terminal, 50Vdc,5A with incremental encoder”)
- DC interface: “KL2532/KL2542/KL2552/KL2535/KL2545(Amplifier-Interface)”
KL2532 (“2-channel DC motor output stage 24Vdc, 1A”)
KL2542 (“2-channel DC motor output stage 50Vdc, 3.5A”)
KL2552 (“2-channel DC motor output stage 50Vdc, 5A”)
KL2535 (“2-channel pulse with current terminal 1A, 24Vdc - PWM”)
KL2545 (“2-channel pulse with current terminal 3.5A, 24Vdc - PWM”)

Configuração com Servo-Drive:
- AX2xxx-B200 (Lightbus): “AX2xxx-B200 Drive (Ligthbus)”
- AX2xxx-B510 (CANopen): “CANopen DS402/Profile MDP 742 (e.g. EtherCAT CoE Drive)
- AX2xxx-B750 (Sercos): “SERCOS Drive (e.g. EtherCAT SoE Drive, AX2xxx-B750)”
- AX2xxx-B900 (Ethernet): “AX2xxx-B900 Drive (Ethernet)”
- Sinamics S120 (Profibus MP): “PROFI drive MC (DPV2 / PNIO)”
- Lenze Drive: “Lenze Drive (CANopen)”

Este menu serve para definir as unidades das grandezas, para todos menus seguintes.

A unidade de medida para o eixo dependerá do tipo de eixo que está a ser controlado. Um eixo linear
geralmente usará unidades em m ou mm, enquanto um eixo rotativo usará ° (graus). Com a unidade m a
posição é exibida em m ou mm e a velocidade em m/min ou m/s, para um eixo linear. Mas podemos escolher
também a unidade mm onde a posição pode ser em mm ou μm e a velocidade em mm/min ou mm/s ,
respetivamente. Para um eixo rotativo, a unidade é em ° onde a posição pode se em ° ou m° e a velocidade
em °/s ou °/min. Também é possível, em vez de °, usar a unidade equivalente Degree.

No campo “Display (Only)” selecione “Modulo” para poder mostrar a posição do eixo. Essa configuração é
exibida para todas as visualizações de posição, velocidade, aceleração e jerk.

No campo “Axis cycle time / Acess divider”, o utilizador pode definir o tempo de ciclo para cada eixo individual
e também em que intervalo de tempo (Módulo) isso acontecerá.

[asaTek / J.Andril] 28

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II-2.1.2 – Subpasta dos “Parameter”

Na subpasta “Parameter” podemos escolher diversos parâmetros do movimento do eixo e seus limites
funcionais.

PARÂMETROS Descrição
Reference Velocity Velocidade ao nível máximo do sinal de comando (ex. 10V)
Maximum Velocity Velocidade que o eixo nunca deve exceder
Manual Velocity (Fast) Velocidade rápida em manual (Tecla função F1 e F4)
Manual Velovity (Slow) Velocidade lenta em manual (Tecla função F2 e F3)
Homing Velocity Velocidade do movimento de aproximação ao fim de curso (CAM) de
(towards PLC cam) “zero máquina” (calibração).
Homing Velocity
(off PLC cam) Velocidade do movimento de saída / retirada do fim de curso (CAM)
Jog Increment (Forward) de “zero máquina” (calibração).
Jog Increment (Backward)
Deslocação relativa, com impulso do comando JOG+ (ex. mm)
Deslocação relativa, com impulso no comando JOG- (ex. mm)

[asaTek / J.Andril] 29

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

PARÂMETROS Descrição
Position Lag Monitoring
Maximum Position Lag Value Desativação / ativação da monitorização da posição real do eixo com
Maximum Position Lag Filter Time uma diferença entre a posição pretendida e a atual (lag).

Position Range Monitoring Esta monitorização é feita durante a movimentação do eixo.
Position Range Window
Target Position Monitoring Este valor, de indicação de erro de lag, é especificado no parâmetro
Target Position Window "Maximum Position Lag Value". Se existir um erro da posição atual
Target Position Monitoring Time do eixo, excedendo o valor máximo indicado no parâmetro anterior,
durante um tempo maior que o especificado em "Maximum Position
Lag Filter Time” e se a monitorização estiver ativa, o eixo é
instantaneamente parado. A saída de comando da velocidade é
colocada 0V e o sistema é colocado no estado de “error”.

Com o “Position Range Monitoring” e “Target Position Monitoring”
a TRUE o sistema monitoriza se a cota proposta é cumprida, com um
erro inferior ao indicado no “Target Position Window” e dentro da
janela temporal indicada em “Target Position Monitoring Time”.

A monitorização começa a partir da cota definida na “Position Range
Window”.

PARÂMETROS Descrição
Limit Switches
A gama dos limites de fim de curso de deslocação do eixo, em ambos
os sentidos (em mm). Fins de curso virtuais de limite mínimo e de
limite máximo.

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BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

PARÂMETROS DESCRIÇÃO
Acceleration
Deceleration Limite ou máxima aceleração permitido no eixo.
Jerk
Limite ou máxima desaceleração permitido no eixo.

Indicação de quão rapidamente a aceleração / desaceleração pode mudar. Se o
valor de Jerk (“abanão”) estiver a subir em direção ao infinito serão induzidas
vibrações nos órgãos mecânicos do sistema (“efeito de chicote”).

II-2.1.3 – Subpasta dos “Dynamics”

Na subpasta “Dynamics” podemos configurar dinamicamente a aceleração, desaceleração e jerk do movimento
do eixo, usando um modo gráfico (com cursores).

PARÂMETROS DESCRIÇÃO
Acceleration
Deceleration Limite ou máxima aceleração permitido no eixo.
Jerk
Limite ou máxima desaceleração permitido no eixo.

Indicação de quão rapidamente a aceleração / desaceleração pode mudar. Se o
valor de Jerk (“abanão”) estiver a subir em direção ao infinito serão induzidas
vibrações nos órgãos mecânicos do sistema (“efeito de chicote”).

Há duas possibilidades de calcular os parâmetros anteriores:

Opção indireta (Indirect by Acceleration Time): Se selecionarmos esta opção podemos escrever o tempo (em
seg) pretendido para a rampa de aceleração (Acceleration Time) e o tempo de frenagem (Deceleration Time).
Neste caso a aceleração (Acceleration, mm/s2 ou º/s2), a desaceleração (Deceleration, mm/s2 ou º/s2) e o jerk
(Jerk, mm/s3 ou º/s3) são calculados automaticamente. Se pretendermos ajustar os tempos anteriores,
calculados automaticamente, usamos os cursores de Acceleration e Deceleration Characteristic.

Opção direta (Direct): Nesta opção podemos escrever diretamente o valor (em mm/s2 ou º/s2) para a aceleração
(Acceleration), desaceleração (Decelaration) e Jerk. Neste caso o tempo de rampa de arranque (Acceleration
Time), o tempo de frenagem (Deceleration Time) e o perfil de aceleração / desaceleração (Acceleration /
Deceleration Characteristics) serão calculados de um modo automático e exibidos na parte superior desta
subpasta.

[asaTek / J.Andril] 31

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

II-2.1.4 – Subpasta de “Online”

A consola da subpasta “Online” permite manobrar o eixo sem necessidade de existir um programa no PLC. Se
existir um programa no PLC a ordem vinda do programa sobrepõe-se às ordens manuais introduzidas pela
consola.

Esta subpasta divide-se em 5 partes (I) DISPLAY, (II) STATUS BOXES, (III) ENABLING BOXES, (IV) INPUT
PARAMETERS, (V) FUNCTION KEYS. Será uma HMI de visualização, em online, do estado do eixo.

(I) – DISPLAY (só visualização, não permite escrita)
Indicação da posição do movimento no instante.

Setpoint Position [mm] Indica o valor da posição do movimento a cumprir.
Actual Velocity [mm/s] Indicação da velocidade do movimento no instante.
Setpoint Velocity [mm/s] Valor da velocidade do movimento a cumprir.
Lag distance (min/max) [mm] Diferencial entre o valor da cota (mm ou °) atual e o que devia estar
a cumprir, naquele instante. É indicado os limites de mínimo e
Override [%] máximo desde o ultimo reset.
Gama da escala (em %) disponível para o sinal de comando do drive
Total / Control Output [%] (0-10V). Ex. 100% (escala 1/1 – 0 a 10V), 50% (escala 1/2 – 0 a 5V).
Indicação do valor do sinal de controlo do drive em tensão (Total) e
Error em percentagem (Control Output).
Indicação do código de erro existente no eixo.

(II) – STATUS BOXES (só visualização, não permite escrita)

Status (log.) Indicação do estado funcional do controlo do eixo. Exemplo:

Indicação que o eixo se encontra pronto (Ready), indicação que o

eixo não está em movimento (NOT moving), indicação do sentido

do movimento para a frente / para trás (Moving Fw / Moving Bw),

indicação que se encontra a executar uma tarefa (Has Job)

Status (phys.) Indicação do estado físico do eixo. Exemplo: Indicação que o eixo

está na posição (In Target) e dentro dos limites pretendidos (In Pos.

Range).

[asaTek / J.Andril] 32

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

(III) – ENABLING BOXES (permite ativar o eixo)

- Ativar o controlo do eixo (Controller).
- Ativar o movimento + , para a frente (Feed Fw). Se o eixo

se encontra a deslocar na direção positiva e a habilitação do
feed forward é cancelada, o eixo para ( o eixo não reinicia
quando a habilitação é ativada novamente).
- Ativar o movimento -, para trás (Feed Bw).
- Selecionar a gama da escala do controlo de velocidade do
drive em % (0≤Override≤100.0), referenciado à velocidade
nominal.
- Poderá ativar as configurações de uma única vez (All).

Aceite as configurações com OK ou cancele com Cancel.
Set Gravar as configurações de controlo do eixo no sistema NC.

(IV) – INPUT PARAMETERS (permite parametrizar o eixo)

Controller Kv-Factor Coeficiente proporcional (P) do loop de controlo de posição do

eixo.

Reference Velocity [mm/s] Velocidade máxima do eixo dependendo da velocidade

máxima do motor e movimento (em mm ou °).

Exemplo Stepper motor (em graus ou em mm):

+ Com o terminal EL7037

Base frequency (max.) = 2000 fullsteps/s

+ Com o motor de passo AS1020-0120

Motor frequency = 200 fullsteps/rot.

Distance (em graus) = 360°

Distance (em mm) = 20 mm (em 1 rotação)

Vmax= Base frequency / Motor frequency

Velocity maximal = (2000 / 200) = 100 rot./s

Vref.=Vmax * Distance

Velocity reference = 100 *360 = 3600 °/s ou

Velocity reference = 100 * 20 = 200 mm/s

Target Position [mm] Posição a atingir, do eixo.

Target Velocity [mm/s] Velocidade a atingir, do eixo.

(V) – FUNTIONS KEYS (consola com Teclas Função para o eixo)
Ordens manuais do movimento:
[F1] – Fast Backward
Velocidade manual rápida de recuo (--)
[F2] – Slow Backward
Velocidade manual lenta de recuo (-)
[F3] – Slow Forward
Velocidade manual lenta de avanço (+)
[F4] – Fast Forward
Velocidade manual rápida de avanço (++)
[F5] – Ordem automática para deslocação do eixo para a cota
absoluta, com os valores configurados no “Target
Position” (cota) e “Target Velocity” (velocidade de
deslocação).
[F6] – Parar o movimento do eixo
[F7] – Eliminar erro (Reset)
[F8] – Ordem Homming - “zero máquina” /”zerar”
(não usado nos eixos virtuais)

[asaTek / J.Andril] 33

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

II-2.1.5 – Subpasta das “Functions”

A consola da subpasta “Functions” permite visualizar (em online) o estado do eixo (com aceleração,
desaceleração, jerk). Indica o modo de funcionamento em Absolute ou Relative (cotas absolutas ou relativas) e
permite comandar diretamente o drive do eixo.

Esta subpasta divide-se em 3 partes (I) DISPLAY e (II) ENTRY BOXES e (III) FUNCTIONS KEYS .

(I) – DISPLAY (só visualização, não permite escrita)
Indica a posição do movimento no instante (valor real).

Setpoint Position [mm] Indica a cota a cumprir pelo eixo (setpoint).

(II) – ENTRY BOXES (permite parametrizar o eixo) / (III) FUNTION KEYS

Extended Start  Function keys “Start” / “Stop”

Permite programar manualmente a cota da posição do eixo sem PLC. Confirme com Start.

Start Mode Com cotas Absolute / Relative (cotas absolutas ou relativas).

Target Position [mm] Cota da posição a cumprir.

Target Velocity [mm/s] Valor da velocidade do movimento a cumprir.

Acceleration, Deceleration, Jerk Valores para a aceleração, desaceleração e jerk a cumprir no

[mm/s2] movimento do eixo.

Raw Drive Output  Function keys “Start” / “Stop”

Permite configurar (em percentagem) o sinal de saída do comando do drive. Confirme com Start.

Output Mode Permite comandar o drive do eixo. Podemos escolher a velocidade

(Percent ou Velocity) do movimento em percentagem (do comando de 10V) ou em

Output Value [%] velocidade (°/s ou mm/s).
Set Actual Position  Function keys “Start”

Permite a recalibração manual (“zerar” eixo) sem necessidade do movimento de referenciação (homming).

Confirme a programação com o comando Set.

Absolute ou Relative Ex. Serve para “zerar” a cota do eixo, manualmente

Set Target Position  Function keys “Start”

Permite programar manualmente uma nova cota para o movimento do eixo. Confirme com o Set.

Absolute ou Relative Permite redefinir nova cota, enquanto o eixo está em curso e ainda
não finalizou o movimento. Corresponde à função “New Target
Position”.

[asaTek / J.Andril] 34

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

II-2.1.6 – Subpasta do “Coupling”

A consola da subpasta “Coupling” permite ativar funções especiais de manobra do eixo e seus acoplamentos.

Esta subpasta divide-se em 2 partes (I) DISPLAY e (II) MASTER / SLAVE COUPLING

(I) – DISPLAY (só visualização, não permite escrita)
Indica a posição do movimento no instante (valor real).

Setpoint Position [mm] Indica a cota a cumprir pelo eixo (setpoint).

(II) – MASTER / SLAVE BOXES (permite parametrizar o eixo e seus acoplamentos)

Master/Slave Coppling

Permite configurar o tipo de acoplamento para o eixo sem necessidade de um PLC.

Master Axis Permite escolher o eixo de Master.

Coupling Mode Permite programar diversos tipos de acoplamentos como o Linear,

Flying e Univ. Saw por Velo ou Pos, Jerk Setter (Velo), CAM Profile

(Universal), Cyclic Change RAMP, Const. Surf. Velo RAMP. Por

defeito está no modo Linear.

Coupling Factor Fator da caixa da engrenagem (fator de acoplamento se o modo de

acoplamento for linear) e que podem ter valores negativos.

Botões de Comando para ativar o acoplamento com um dado fator.

Couple A ordem de acoplamento só pode ser executada com os eixos

parados.

Uncouple A ordem pode ser executada em modo dinâmico (com os eixos em
Change Factor movimento). O eixo slave é convertido em um eixo autónomo e de
seguida continua o seu movimento, como se fosse um eixo
independente, podendo ser parado individualmente.
Deve ser selecionado apenas durante o movimento de deslocação,
com dimensões, porque se não um erro de seguimento é gerado.

[asaTek / J.Andril] 35

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

II-2.2 – Parâmetros parciais do eixo (Axis 1)

Na configuração das tarefas do controlo NC (“software”) uma vez definido o tipo de acionamento, sendo o
mais o comum a configuração “Standard (Mapping via Encode rand Drive)”, é criada uma estrutura funcional
na arvore do eixo do “System Manager” no TwinCAT NC (NC – Configuration)”.

Na configuração temos 3 partes funcionais para o controlo do eixo. O Encoder (Enc), o Drive (Drive) e o Control
(Ctrl) que nas secções seguintes iremos resumidamente explicar.

II-2.2.1 – “Encoder” (Axis 1 Enc)

Dependendo do modo de operação, o encoder determina a posição, a velocidade e a aceleração atual.
Uma gama variada de encoders são suportados no “TwinCAT NC”, desde absolutos a incrementais . Na
subpasta “NC-Encoder” uma vasta lista de encoders estando no topo o “Simulation encoder” (encoder virtual).

Para cada encoder existem parâmetros de configuração, com valores de fábrica, que podemos alterar na
subpasta “Parameter”.

[asaTek / J.Andril] 36

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

PARÂMETROS DESCRIÇÃO

Invert Encoder Counting Direction Inverte a direção de contagem com FALSE / TRUE. A FALSE a
polaridade do eixo é a mesma da direção da contagem (+ / ”up”), a
TRUE é oposto à direção da contagem (- / ”down”).

Scaling Factor Numerator Fator de escala (com numerador e denominador) que converte o nº
Scaling Factor Denominator de impulsos em distância percorrida (mm) em encoders
incrementais.

Position Bias Valor de correção (offset) de “zero” para encoders absolutos.

Module factor “Distância” percorrida em uma revolução. Se estivermos a trabalhar com

Tolerance Window for Modulo Start graus teremos de introduzir 360,0 °.

Encoder Mask Máscara quepermitelimitar (ex. 0x 0000 FFFF) ovalor deleitura doencoder.
(maximum encoder value) A máscara permite detetar eventos de overflow,da contagem.

Evaluation Direction * Deteta e avalia o sentido da contagem do encoder : Positivo ou Negativo
(log. count direction) (POS+NEG), Positivo (POS), Negativo (NEG) ou desligado (OFF)

Reference System ** Tipo de encoder : “INC” (incremental) ou “ABS” (absoluto)

Soft Position Limit Min. Monitoring Ativar o fim de curso mínimo virtual (por software).

Minimum Position Cota (distância) do fim de curso virtual de mínimo.

Soft Position Limit Max. Monitoring Ativar o fim de curso máximo virtual (por software).

Maximum Position Cota (distância) do fim de curso virtual de máximo.

*/** Só aparece nos Parameter em alguns tipos de encoder, ex.“Encoder (universal)”.

[asaTek / J.Andril] 37

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

PARÂMETROS DESCRIÇÃO
Filter Time for Actual Position (P-T1) Filtro aplicado à leitura da posição atual (PT1).
Filter Time for Actual Velocity (P-T1) Filtro aplicado à leitura da velocidade atual (PT1).
Filter Time for Actual Accelera- (PT1) Filtro aplicado à leitura da aceleração atual (PT1).

PARÂMETROS DESCRIÇÃO
Invert Direction for Calibr. Cam Search
Invert Direction for Sync Impuls Search Inverter a direção de procura da CAM de “zero máquina”. A FALSE
a CAM é colocada no lado do movimento + (avanço). A TRUE a
Calibration value CAM é colocada no lado – (recuo).
Reference Mode *
Inverter a direção de procura do impulso Sync do encoder (1
impulso sync por revolução) durante o homing (referenciação do
“zero maquina”). A FALSE a CAM é colocada no lado do + (avanço)
do movimento. A TRUE a CAM é colocada no lado – (recuo) do
movimento.

Valor de correção do “zero máquina” após a execução do homing
em mm ou graus.
Modo de referenciação do “zero máquina”:

+ “Default”: Configuração de defeito. Quando o motor atinge o
CAM de referência, a direção é invertida. A ausência do sinal da
CAM faz com que o motor pare. A posição de referência é então
definida.

+ “Plc CAM”: Referência com base na CAM. O modo de referência
de eixo mais simples usa uma CAM, que gera um sinal digital em
uma posição definida no curso do eixo. Durante o homing, o NC
determina a mudança do sinal e aloca uma posição de referência
configurável para esta posição.

+ “Hardware Sync”: Alguns encoders tem um impulso de Sync por
revolução (“zero” do encoder) além dos sinais de contagem. A
precisão do homing pode ser melhorada selecionando este modo.
A precisão é comparável ao Software Sync.

+ “Hardware Latch 1 (pos./neg. edge)”: O modo de referência
por hardware (Latch Pos ou Latch Neg, transição do sinal digital
positivo ou negativo) requer um sinal de digital externo para
armazenar a posição do encoder.

[asaTek / J.Andril] 38

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II
Encoder Mode
+ “Software Sync”: Este modo melhora a precisão do homing,
detetando o overflow da contagem do encoder após uma
revolução do encoder ou do motor, após o sinal da CAM ter sido
detetado. Este modo requer um encoder parcialmente absoluto
(por exemplo, resolver) com intervalo de overflow constante em
relação à CAM de referência. A deteção de overflow é configurada
por meio do parâmetro Reference Mask (e.g. for “software Sync) .

+ “Application defined Homing sequence (PLC)”: Referência
definida pela sequência de programa no PLC.
Modo de operação do encoder :

+ “POS”: A posição atual é determinada.

+ “POSVELO”: A posição e velocidade atual são determinadas.

+ “POSVELOACC”: A posição, velocidade e aceleração atual é
determinada.

Position Correction Se estiver a TRUE, é aplicado um filtro (em segundos) à leitura da
Filter Time Position Correction (P-T1) posição atual corrigida (PT1).

* Só aparece nos Parameter / Homing em alguns tipos de encoder, ex.“Encoder (universal)”.

Quando tivermos o eixo completamente parametrizado e o eixo em funcionamento (em movimento) podemos,
na subpasta Online do “Axis 1 Enc”, visualizar as informações de status mais importantes do encoder. Podemos
também calibrar diretamente o encoder através da flag de calibração (“Calibration Flag”) com os comandos de
set / reset.

[asaTek / J.Andril] 39

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

II-2.2.2 – “Drive” (Axis 1 Drive)

O “Drive” é o sistema que permite controlar o motor diretamente. O “MOTION” (System Manager) suporta
uma gama variada de drives (Servo-drives, drives de baixa e alta velocidade, drives de motores stepper, etc).

Para cada drive existem parâmetros de configuração com valores já pré-definidos (valores de fábrica).

PARÂMETROS DESCRIÇÃO
Invert Motor Polarity Inverter a direção de rotação do motor através do drive, com FALSE
/ TRUE. A FALSE o motor move na direção “para a frente” (+). A
Reference Velocity TRUE o motor move na direção “para trás” (-).
at Output Ratio [0.0 … 1.0] Velocidade de referência (ex. 2200.0) com fator de escala de saída.
Minimum Drive Output Limitation (ex. 1 , corresponde à gama de velocidade de 0 a 2200.0 mm/s).
Maximum Drive Output Limitation Limite mínimo do sinal de comando no drive. (ex. -1.0).

Limite máximo do sinal de comando no drive. (ex. +1.0).

[asaTek / J.Andril] 40

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

II-2.2.3 – “Controller” (Axis 1 Ctrl)

O objetivo do controlador é operar com base nas diferenças de velocidade ou posição definidas
(following error) ou outros parâmetros (aceleração), de modo a que o erro de seguimento (diferença entre o
valor pretendido e o real) seja o menor possível e que o eixo não ultrapasse a posição (overshoot da
posição/cota) ou velocidade definida.

Podem ser escolhidos dois tipos diferentes de controladores: controladores de posição (cuja tarefa é controlar
a posição real, de forma que siga a posição definida o mais preciso possível) e controladores para eixos especiais
(eixos de alta / baixa velocidade, motor passo a passo, SERCOS). A maneira como o controlador opera depende
do tipo de controlador de posição ou velocidade.

Por exemplo, se tivermos um controlo de posição do tipo “Position controller PID (with Ka)” temos parâmetros
de controlo de posição, P (Kv), I (Tn) e D (Tv), que podemos ter de ajustar. Outro parâmetro relevante é a
monitorização (“Position Lag Monitoring”) do erro por ultrapassagem do limite máximo de desvio de posição
(“Max. Position Lag value”) durante um dado tempo (“Max. Position Lag Filter Time”).

[asaTek / J.Andril] 41

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo II

[asaTek / J.Andril] 42

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo III

III – Aplicações com eixo TwinCAT 3.1 NC-PTP (“MOTION”)

Apresentação de aplicações do TwinCAT NC PTP com diversos drivers

Neste capítulo iremos explicar passo a passo como podemos
colocar um eixo em funcionamento, sem necessidade de
programa existente em um PLC, somente configurando o eixo
através do “MOTION” do TwinCAT 3.1

Serão apresentadas os cálculos e parametrizações necessárias
para poder manobrar manualmente e com precisão os eixos NC ,
através do TwinCAT NC-PTP – “MOTION”, usando diversificados
dispositivos elétricos para movimentação de eixo.

As configurações apresentadas, nos passos seguintes deste
capítulo, são válidas e poderão ser repetidas em diversos tipos de
drives (ex. AX2000, AX5000, stepper drives e servo drives EL/KL,
etc, ) com motores e movimentos diferentes (lineares e angulares
com cotas incrementais ou absolutas).

 III-1 – Portfolio de drives para Motion da Beckhoff

O portfolio da Beckhoff é imenso, nas opções que disponibiliza, no que respeita às soluções de motion. Temos
diversas soluções de drives para os diversos tipos de motores. Podemos usar servomotores, motores de passo a
passo, motores DC, motores AC e mesmo sistemas de posição com hidráulica proporcional.

Passo a indicar alguns dos diversos drives disponíveis pela Beckhoff :

+ Servo drives : AX2000; AX5000; AX8000

EL7201; EL7211; EL7221

+ Stepper drives : EL7031; EL7037; EL7041; EL7047

KL2531; KL2541

+ DC motor drives : EL7332; EL7342; EL7411

KL2532; KL2552; KL2284

+ AC motor drives : KL2791

Tabela de terminais K-Bus disponíveis (a 12/2020)

[asaTek / J.Andril] 43

BRESIMAR AUTOMAÇÃO Capítulo III
Tabela de terminais EtherCAT disponíveis (a 12/2020)

[asaTek / J.Andril] 44