No campo da automação industrial moderna, a servotecnologia desempenha um papel crucial. Não é apenas o núcleo do controle de movimento de precisão, mas também a chave para melhorar o desempenho do equipamento e otimizar a eficiência da produção. Com o avanço contínuo da Indústria 4.0 e da fabricação inteligente, a demanda por sistemas servo com alto desempenho e altas capacidades dinâmicas tornou-se cada vez mais urgente.
Os sistemas servo tradicionais muitas vezes lutam para equilibrar alto desempenho e alta dinâmica simultaneamente. O alto desempenho normalmente se refere à precisão, rigidez e estabilidade de um sistema durante a operação em estado estacionário, enquanto a alta dinâmica enfatiza sua capacidade de responder rapidamente a comandos, acelerar/desacelerar e rastrear trajetórias de movimento complexas. No entanto, em muitos cenários de aplicação, como:
• Robótica: Robôs de alta velocidade e alta precisão exigem resposta rápida para controlar comandos e execução flexível de movimentos complexos, colocando demandas extremamente altas na dinâmica do sistema servo.
• Usinagem de Precisão: Máquinas-ferramentas de alta precisão exigem sistemas servo com rigidez e estabilidade excepcionais para garantir a qualidade da usinagem e, ao mesmo tempo, permitir um ajuste fino rápido para melhorar a eficiência.
• Fabricação de semicondutores: Equipamentos como máquinas de litografia e inspeção de wafer impõem requisitos extremamente rigorosos à precisão, velocidade e dinâmica do sistema servo.
• Fabricação de Eletrônicos: Dispositivos como máquinas pick-and-place SMT e sistemas de distribuição de alta velocidade devem completar inúmeras ações repetitivas em curtos intervalos de tempo, desafiando os sistemas servo em termos de velocidade de resposta e estabilidade.
Assim, o desenvolvimento de tecnologia servo que atenda aos requisitos de alto desempenho e alta dinâmica tornou-se uma tendência inevitável da indústria. Somente superando esse gargalo poderemos atender melhor às crescentes demandas de aplicações e melhorar o desempenho e a competitividade geral dos equipamentos.
Alcançar servossistemas de alto desempenho e alta dinâmica não é uma tarefa fácil, exigindo a superação de vários desafios técnicos, incluindo:
• Limitações dos Algoritmos de Controle: O controle PID tradicional enfrenta problemas com sistemas complexos e fatores não lineares. Estratégias de controle avançadas – como controle preditivo de modelo (MPC), controle adaptativo e controle difuso – são necessárias para melhorar a velocidade de resposta, a capacidade anti-interferência e a robustez.
• Gargalos de desempenho em motores e acionamentos: Como atuador principal, o desempenho do motor impacta diretamente o desempenho do sistema. Motores de alto desempenho como motores síncronos de ímã permanente (PMSM) ou motores de torque devem ser adotados, com projetos otimizados para reduzir a inércia e aumentar a densidade de torque. Os drives devem apresentar frequências de comutação mais altas, precisão de corrente e latência mais baixa para garantir uma resposta rápida e precisa.
• Precisão do sensor e limites de velocidade: Encoders, grades e outros sensores são essenciais para feedback de posição/velocidade. Sua precisão e velocidade afetam diretamente a precisão do controle e o desempenho dinâmico. Sensores de maior resolução e amostragem mais rápida com filtragem de ruído eficaz são essenciais.
• Rigidez mecânica e amortecimento insuficientes: Estruturas mecânicas – incluindo mecanismos de transmissão e suporte – afetam o desempenho do sistema. A baixa rigidez provoca vibração e ressonância, prejudicando a estabilidade e a precisão, enquanto o amortecimento insuficiente retarda a resposta e reduz o desempenho dinâmico. Otimização estrutural, aumento de rigidez e controle de amortecimento ativo (por exemplo, materiais de amortecimento) são necessários.
• Desempenho e confiabilidade em tempo real: Os servossistemas devem concluir a aquisição, processamento, controle e execução de dados em prazos extremamente curtos, exigindo desempenho ultra-alto em tempo real. Além disso, a confiabilidade é crítica em ambientes industriais adversos. Processadores de alto desempenho, sistemas operacionais em tempo real (RTOS), redundância, diagnóstico de falhas e controle tolerante a falhas são soluções vitais.
Para enfrentar esses desafios, as seguintes estratégias principais devem ser adotadas para desbloquear a tecnologia servo avançada e aproveitar as oportunidades da indústria:
• Desenvolver algoritmos de controle avançados: Explore e aplique algoritmos de ponta como MPC, controle adaptativo, controle fuzzy e controle de rede neural. O aprendizado de máquina pode otimizar ainda mais os parâmetros para ajuste adaptativo.
• Adote motores e acionamentos de alto desempenho: Utilize PMSMs ou motores de torque com projetos otimizados para menor inércia e maior densidade de torque. Selecione unidades com frequências de comutação mais altas, precisão de corrente e latência mais baixa. Implemente estratégias de controle avançadas como FOC e DTC.
• Use sensores de alta precisão e alta velocidade: Empregue codificadores/réguas de grade de alta resolução e amostragem rápida com filtragem de ruído. A fusão multissensor pode aumentar a precisão e a confiabilidade da medição.
• Otimize o projeto mecânico: Melhore a rigidez e o amortecimento por meio de análise de elementos finitos (FEA), otimização estrutural e técnicas de amortecimento ativo.
• Melhore o desempenho e a confiabilidade em tempo real: Utilize processadores de alto desempenho, RTOS, redundância e designs tolerantes a falhas. Protocolos de comunicação em tempo real (por exemplo, EtherCAT, PROFINET) garantem a sincronização.
• Priorizar simulação e testes: Aproveite a simulação de software e os testes de hardware-in-the-loop (HIL) para avaliação e otimização abrangentes de desempenho.
• Fortalecer a colaboração indústria-academia: Estabelecer parcerias com universidades e institutos de investigação para acelerar a inovação e o desenvolvimento de talentos.
Num mercado competitivo, apenas a inovação contínua pode garantir a liderança da indústria. As principais recomendações incluem:
Aumentar o investimento em P&D: Dedicar recursos para desenvolver tecnologias e produtos servo proprietários.
Foco nas necessidades do mercado: entenda os pontos problemáticos do usuário e personalize as soluções de acordo.
Construir valor da marca: Melhorar o reconhecimento e a reputação da marca para estabelecer uma forte presença no mercado.
Expandir aplicativos: Explore novas indústrias e campos emergentes para tecnologia servo.
Desenvolva um ecossistema: Colabore com parceiros para impulsionar o avanço da tecnologia servo.
Desbloquear a tecnologia servo que atende aos requisitos dinâmicos e de desempenho ultra-alto é fundamental para a automação industrial moderna. Ao abraçar a inovação e superar desafios, as empresas podem liderar a indústria e moldar o futuro.
