Guia de sistemas de controle para atuadores lineares elétricos

Para aproveitar todo o potencial dos atuadores lineares elétricos, é essencial entender e implementar os sistemas de controle adequados. Ao escolher os sistemas de controle certos para atuadores lineares elétricos, as aplicações podem obter benefícios como maior precisão, facilidade de uso e otimização do desempenho.

Esta página é dedicada a entender os diferentes tipos de sistemas de controle para atuadores lineares elétricos, como funcionam, os benefícios que oferecem e como escolher o melhor para as necessidades específicas da sua aplicação.  

Introdução ao funcionamento dos atuadores

Atuadores são componentes fundamentais em vários sistemas mecânicos, desempenhando um papel crucial na conversão de energia em movimento. Essencialmente, um atuador utiliza uma fonte de energia e a converte em movimento físico. Essa capacidade é indispensável em inúmeras aplicações, desde máquinas industriais até eletrônicos de consumo e até robótica avançada. O conceito básico por trás dos atuadores envolve a conversão de energia, normalmente elétrica, hidráulica ou pneumática, em movimento mecânico. Isso é alcançado por meio de diferentes componentes e mecanismos, dependendo do tipo de atuador. Por exemplo, atuadores elétricos podem usar motores CC escovados, enquanto atuadores hidráulicos utilizam pistões preenchidos com fluido para gerar movimento.

Em atuadores lineares elétricos, usa-se corrente elétrica para produzir movimento rotacional em um motor elétrico que está mecanicamente ligado a uma caixa de engrenagens e utiliza um parafuso de avanço para acionar o eixo do atuador, preso a uma porca ACME, gerando movimento linear. Os sistemas de controle para atuadores evoluíram significativamente ao longo dos anos, aumentando a versatilidade e a funcionalidade desses dispositivos. Atuadores lineares podem ser operados por vários meios e mecanismos de controle, incluindo:

• Controladores com fio - fornecem uma conexão direta e confiável, frequentemente usados em ambientes industriais onde é necessário um controle robusto.
• Controladores sem fio - oferecem aos usuários a conveniência da operação por controle remoto à distância, sem a necessidade de cabos físicos.
• Controladores com Wi‑Fi e Bluetooth - permitem integração em sistemas inteligentes e acesso por dispositivos móveis, oferecendo interfaces fáceis de usar e a capacidade de ajustar configurações de forma remota e precisa.

Esses avanços na tecnologia de atuadores e nos sistemas de controle ampliaram o escopo de suas aplicações, tornando-os indispensáveis nos sistemas automatizados modernos. Seja para ajustar janelas em veículos, operar equipamentos agrícolas pesados ou automatizar eletrodomésticos, os atuadores continuam sendo essenciais para traduzir sinais elétricos em ação física.

 

Compreendendo os sistemas de controle para atuadores

Sistemas de controle são componentes integrais na operação de atuadores lineares elétricos, projetados para gerenciar o funcionamento e direcionar o comportamento do movimento desses dispositivos. Soluções populares como as caixas de controle são um tipo de sistema de controle para atuadores lineares que aloja todos os componentes eletrônicos em uma carcaça, geralmente em formato de caixa. Essencialmente, um sistema de controle interpreta comandos de entrada, sejam manuais ou automatizados, e os traduz em sinais que ajustam o movimento do atuador. O objetivo principal desses sistemas é garantir que os atuadores funcionem com precisão, eficiência e confiabilidade de acordo com parâmetros predefinidos.

 

A importância dos sistemas de controle na operação de atuadores não pode ser subestimada, especialmente quando se trata de alcançar um controle de movimento preciso e eficiente. Esses sistemas são cruciais por vários motivos:

1. Precisão: Os sistemas de controle permitem o ajuste fino dos movimentos do atuador para alcançar altos níveis de repetibilidade e exatidão. Isso é essencial em aplicações onde o posicionamento exato é crítico, como em cirurgias robóticas ou engenharia aeroespacial.
2. Eficiência: Ao otimizar a forma como os atuadores respondem aos comandos, os sistemas de controle reduzem o consumo de energia e minimizam o desgaste. Isso não apenas prolonga a vida útil do atuador, como também melhora a eficiência geral do sistema no qual ele opera.
3. Adaptabilidade: Mecanismos de Feedback podem ajustar o comportamento de atuadores compatíveis em tempo real analisando o Feedback posicional. Essa adaptabilidade é vital em ambientes dinâmicos onde as condições mudam rapidamente, como em processos de manufatura automatizados ou quando vários atuadores sofrem distribuição desigual de peso.
4. Integração: Os sistemas de controle frequentemente permitem que os atuadores trabalhem em conjunto com outros sistemas preexistentes, facilitando operações complexas a partir de entradas simples enviadas ao sistema de controle. Essa integração é apoiada por avanços em conectividade e programação. Em alguns sistemas de controle, seus transformadores integrados também podem atuar como um conversor de tensão quando, por exemplo, é necessária uma fonte de entrada de 120 VCA para alimentar um atuador de 12 VCC.
5. Recursos de segurança: Recursos de segurança programados, como proteção contra sobrecarga, ajudam a prevenir danos a um atuador ou à aplicação, interrompendo a operação quando a caixa de controle detecta um consumo de Corrente elétrica excessivamente alto. Outro recurso de segurança encontrado em caixas de controle inclui proteção contra superaquecimento para interromper a operação após determinado tempo de ciclo, garantindo que a operação permaneça dentro das classificações de Ciclo de trabalho de um atuador, evitando assim a queima do Motor.

Sistemas de controle são fundamentais para a funcionalidade dos atuadores, fornecendo a inteligência e a adaptabilidade necessárias para garantir precisão, eficiência, segurança e um controle de movimento eficaz. Seu papel é crucial no crescente universo da tecnologia de automação, onde a precisão de movimento é frequentemente a pedra angular do sucesso operacional.

Componentes e tipos de sistemas de controle

Sistemas de controle para atuadores lineares elétricos consistem em vários componentes-chave que viabilizam uma operação precisa e eficiente. Entender esses componentes e os princípios por trás deles é crucial para otimizar o desempenho de atuadores lineares.

Componentes-chave de uma caixa de controle básica

Em uma caixa de controle básica projetada para atuadores lineares elétricos, cada componente desempenha um papel crucial para garantir uma operação eficiente. Veja a seguir um detalhamento desses principais componentes, suas funções e os propósitos que cumprem:

1. Relés: Relés atuam como chaves que controlam um circuito elétrico de alta potência usando um sinal de baixa potência. Para caixas de controle projetadas para gerenciar atuadores de 2 fios, dois relés são essenciais para reverter a polaridade da tensão aplicada nos dois fios do atuador, o que, por sua vez, muda a direção do movimento. Isso permite controle bidirecional em uma configuração simples para estender e retrair o atuador.
2. Canais de entrada: Canais de entrada são interfaces pelas quais o sistema de controle recebe sinais elétricos de fontes externas, como fontes de alimentação ou sinais de controles remotos com fio. Caixas de controle que operam com Feedback posicional também podem receber sinais dos sensores de um atuador. Esses canais processam as entradas do usuário e/ou dos sensores para determinar como o atuador deve operar, tornando-os fundamentais para iniciar e controlar os movimentos do atuador com base em requisitos específicos.
3. Canais de saída: Canais de saída enviam sinais de controle do controlador para o atuador ou outros componentes, como relés. Caixas de controle que operam com Feedback posicional também podem fornecer Corrente elétrica para que os sensores do atuador tenham energia para funcionar. Esses canais são cruciais para executar os comandos determinados pelo sistema de controle, influenciando diretamente o comportamento do atuador.
4. Botão de sincronização remota: Esse botão é usado para sincronizar o sistema de controle com um dispositivo de controle remoto. Ele garante que as entradas remotas sejam reconhecidas e processadas pelo sistema de controle, facilitando uma operação conveniente e flexível à distância.
5. Indicador luminoso: Indicadores luminosos fornecem Feedback visual sobre o status do sistema. Eles podem indicar ligado/desligado, modos de operação, estados de erro ou recepção de sinal, o que ajuda no monitoramento e na solução de problemas do sistema sem a necessidade de ferramentas de diagnóstico complexas.
6. Seleção de modo: Este recurso permite ao usuário alternar entre diferentes modos de operação da caixa de controle, como controles momentâneo ou não momentâneo. No modo momentâneo, o botão do controle remoto deve ser mantido continuamente pressionado na posição ativa para o dispositivo operar. Assim que você solta o interruptor, o dispositivo para de funcionar. O modo não momentâneo funciona como uma chave que permanece em sua última posição definida até ser alterada novamente, independentemente de estar sendo pressionada. Isso significa que, uma vez ativado, o dispositivo continua operando até que o interruptor seja desligado manualmente.
7. Antena: A antena faz parte de caixas de controle que possuem configuração de comunicação sem fio. As antenas são usadas para melhorar o alcance e a qualidade de sinal entre o sistema de controle e os dispositivos de controle remoto, ou entre sistemas interconectados. É crucial para manter uma comunicação robusta em ambientes onde a fiação direta é impraticável ou indesejável.
8. Módulo receptor RF: Este módulo recebe sinais de radiofrequência enviados por controles remotos sem fio. Ele decodifica esses sinais em comandos acionáveis que o sistema de controle pode entender e executar. O módulo receptor RF é essencial para configurações de controle sem fio, permitindo a operação remota do atuador sem contato físico.

 

Juntos, esses componentes formam um sistema de controle abrangente para atuadores de 2 fios, cada um cumprindo uma função específica que contribui para a eficácia e a eficiência gerais da operação do atuador. Esse sistema não apenas permite um controle preciso sobre os movimentos do atuador, como também aprimora a interface e a interação do usuário, tornando-o adaptável a uma ampla gama de aplicações.

 

Mecanismos de Feedback posicional

Feedback posicional é essencial para aprimorar a precisão e a exatidão do controle do atuador. Três tipos comuns de mecanismos de Feedback incluem sensores de efeito Hall, potenciômetros e Feedback de fim de curso.

Sensores de efeito Hall
A teoria do Efeito Hall, proposta por Edwin Hall (quem descobriu o Efeito Hall), afirma que sempre que um campo magnético é aplicado perpendicularmente ao fluxo de Corrente elétrica em um condutor, é induzida uma diferença de tensão. Essa tensão pode ser usada para detectar se um sensor de efeito Hall está na proximidade de um ímã.

Ao fixar um ímã ao eixo rotativo de um motor, sensores de efeito Hall podem detectar quando o eixo está paralelo a eles. Usando uma pequena placa de circuito, essas informações podem ser geradas como uma onda quadrada, semelhante aos codificadores ópticos. É comum que placas de efeito Hall tenham 2 sensores, resultando em uma saída em quadratura, onde dois sinais sobem e descem à medida que o motor elétrico gira, com uma diferença de fase de 90° entre eles. Contando esses pulsos e verificando qual ocorre primeiro, os sistemas de controle podem determinar a direção em que o motor está girando.

Potenciômetros
Um potenciômetro fornece uma resistência variável proporcional à posição do atuador. Geralmente há Engrenagens ligando o eixo do potenciômetro ao motor rotativo do atuador. À medida que o atuador se move, o valor da resistência muda, podendo ser medido e convertido em dados de posição. Essas informações são então usadas por um sistema de controle para fazer ajustes finos na posição do atuador, aumentando a precisão.

 

Feedback de fim de curso
O objetivo dos sinais de Feedback de fim de curso é permitir que um sistema determine se o atuador acionou fisicamente os fins de curso internos. Esse tipo de Feedback é simples e útil para aplicações que exigem principalmente saber se o atuador atingiu as posições totalmente estendida ou totalmente recolhida.

Tipos de sistemas de controle para atuadores

Sistemas de controle para atuadores podem ser amplamente categorizados em dois tipos:

Sistemas de controle em malha aberta: Nesses sistemas, o atuador é controlado apenas com base nos comandos de entrada, sem qualquer Feedback sobre a posição real. Embora sejam mais simples e menos caros, os sistemas em malha aberta não conseguem corrigir erros de posicionamento, tornando-os menos precisos que seus equivalentes.

Um exemplo de sistema simples em malha aberta inclui um interruptor basculante momentâneo ligado a um atuador linear. Isso exige que um operador pressione e mantenha o interruptor para que o atuador continue seu ciclo; soltar o interruptor antes de o atuador atingir o final do curso fará com que ele pare no meio do movimento.

Sistemas de controle em malha fechada: Esses sistemas incorporam mecanismos de Feedback, como sensores de efeito Hall ou potenciômetros, para ajustar continuamente os sinais de controle com base na posição real do atuador. Esse laço de Feedback permite controle preciso e correção de erros, tornando os sistemas em malha fechada ideais para aplicações em que a precisão é crítica. Sistemas de controle em malha fechada são comumente encontrados em aplicações que utilizam microcontroladores, caixas de controle e PLCs programados para atuadores executarem funções específicas.

A escolha do sistema de controle e de seus componentes impacta significativamente a funcionalidade dos atuadores e a otimização do desempenho. Ao integrar mecanismos de Feedback eficazes e selecionar o tipo apropriado de sistema de controle, os atuadores podem ser otimizados para uma ampla gama de aplicações, garantindo precisão e confiabilidade em sua operação.

 

Feedback e correção de erros

Em um cenário ideal, atuadores lineares sempre se comportariam de forma previsível; no entanto, perturbações podem ocorrer na forma de ventos fortes, distribuições desiguais de peso, obstruções físicas e desgaste mecânico. Algumas dessas perturbações podem ser consideradas utilizando sistemas de controle programados para trabalhar com atuadores lineares que tenham Feedback compatível, a fim de ler erros e então executar estratégias de correção para alcançar os resultados desejados.

Variáveis que os sistemas de controle corrigem

1. Posição: Os sistemas de controle ajudam a garantir que um atuador atinja e mantenha a posição desejada com precisão, comparando a posição definida pelo usuário com a leitura real dos sensores de Feedback posicional. Exemplos incluem quando usuários de mesas para trabalhar em pé pressionam um botão do controlador para que os atuadores se desloquem até uma posição de memória predefinida específica e ajustem seu espaço de trabalho da altura sentada para a em pé.
2. Velocidade: A leitura do Feedback posicional e a divisão da distância percorrida pelo tempo decorrido resultam na velocidade de deslocamento. Alguns sistemas de controle permitem ajustes de Velocidade por meio de PWM (Modulação por Largura de Pulso), permitindo que o atuador se mova em diferentes velocidades conforme os requisitos da aplicação. Isso é útil em aplicações onde são necessárias velocidades variadas, como em atuadores que impulsionam o movimento de simuladores de voo.
3. Força: Certos sistemas de controle podem regular a quantidade de força exercida pelos atuadores, garantindo operação dentro de limites seguros e prevenindo danos ao sistema ou a componentes ao redor. Ao medir a Corrente elétrica consumida, os sistemas de controle podem estimar aproximadamente quanta força está sendo exercida pelos atuadores lineares. Esse recurso é útil para atuadores lineares que abrem e fecham janelas, desligando a alimentação e interrompendo a aplicação de força caso a mão de uma pessoa ou um obstáculo esteja bloqueando o caminho do deslocamento.

Tipos de estratégias de controle

Diferentes estratégias de controle são utilizadas na indústria para alcançar um nível adequado de precisão no controle de movimento. Cada uma oferece benefícios distintos e é adequada para várias aplicações, dependendo do nível de controle e precisão exigidos pelo sistema. Algumas das estratégias de controle amplamente usadas para atuadores lineares elétricos incluem:

1. Controle liga/desliga: Esta é a forma mais simples de controle usada com atuadores lineares elétricos, comumente encontrada em sistemas de controle em malha aberta. Envolve ligar ou desligar a Corrente elétrica fornecida ao atuador, sem estado intermediário. Esse método é direto e usado em aplicações onde não é necessário controle preciso da posição. O atuador opera em potência total até atingir um fim de curso definido ou completar sua tarefa, momento em que desliga.
2. P (Controle Proporcional): O controle proporcional ajusta a potência de entrada do atuador com base no erro, que é a diferença entre a posição/força real medida e o valor desejado pelo usuário. O sinal de controle é proporcional a esse erro; ou seja, quanto maior o erro, mais forte a resposta do atuador. Esse método permite uma operação mais suave do que o controle liga/desliga, mas ainda pode resultar em erro em regime permanente se não for combinado com outros tipos de controle. 
3. PI (Controle Proporcional‑Integral): Essa estratégia aprimora o controle proporcional adicionando um termo integral, que aborda a questão do erro em regime permanente. O componente integral soma os erros passados ao longo do tempo, fornecendo uma ação corretiva cumulativa que leva o erro a zero. Isso permite que o atuador não apenas atinja, mas também mantenha a posição/força desejada pelo usuário com maior precisão. 
4. Controle PID (Proporcional‑Integral‑Derivativo): Controle PID é um método mais avançado que combina três tipos de estratégias de controle — proporcional, integral e derivativo — para fornecer um controle preciso e estável do atuador. O componente proporcional depende do erro atual, o integral soma os erros passados e o derivativo prevê erros futuros com base na taxa de variação. Essa abordagem abrangente permite um controle altamente preciso da posição, força e Velocidade do atuador, tornando‑a ideal para sistemas complexos e dinâmicos em que a precisão é crítica. 

 

Como escolher o sistema de controle adequado

 

Ao selecionar sistemas de controle para seus atuadores lineares elétricos, é importante considerar os seguintes fatores:

• Grau de proteção IP
• Compatibilidade
• Orçamento

1. Grau de proteção IP: Avalie os requisitos ambientais específicos da sua aplicação para determinar o tipo de sistemas de controle necessários. A caixa de controle PA-33, por exemplo, tem um grau de proteção IP IP65 contra poeira e água. Recomenda-se um grau de proteção IP65 ou superior para sistemas de controle expostos a elementos externos como água da chuva, poeira e detritos. 
2. Compatibilidade: Certifique-se de que o sistema de controle seja compatível com os atuadores lineares elétricos que você escolheu ou está utilizando, para garantir uma integração perfeita. Verifique se seu atuador possui protocolos de comunicação/Feedback posicional correspondentes aos controladores considerados. Por exemplo, o Micro Servo Atuador de Precisão PA-12-T (TTL/PWM) e o PA-12-R (RS-485) oferecem controle de posição preciso, com precisão posicional de até 100 µm, e requerem protocolos de comunicação avançados para tal desempenho. Outro ponto a considerar é se o tipo de Motor do seu atuador será compatível com um sistema de controle. Motores sem escovas de operação contínua, como os encontrados em nossos atuadores PA-14 sob encomenda, exigiriam caixas de controle compatíveis com sua operação, como a caixa de controle LC-241.

Para ver quais de nossas caixas de controle e atuadores são compatíveis entre si, confira nossos quadros de comparação e tabelas de compatibilidade nos links abaixo:

https://7717445.fs1.hubspotusercontent-na1.net/hubfs/7717445/PDF%20Manuals/Desk%20Accessories/Control%20Boxes%20Compatibility%20Chart%202023.pdf

https://7717445.fs1.hubspotusercontent-na1.net/hubfs/7717445/PDF%20Manuals/Desk%20Accessories/Control%20Boxes%20Comparison%20Chart-1.pdf

 

3. Orçamento: Considere se há restrições orçamentárias para o projeto e escolha um sistema de controle que ofereça o melhor custo‑benefício, atendendo aos seus requisitos de desempenho. Por exemplo, projetos internos simples que não exigem alta precisão funcionariam sem problemas ao ligar um interruptor basculante básico, sem alto grau de proteção IP, para controlar um miniatua­dor linear de 2 fios a um preço acessível.

 

Caixas de controle do tipo efeito Hall

Caixas de controle como nossa série FLTCON permitem funções programadas, recursos de segurança e outras configurações de usuário que podem ser acessadas por meio do controle remoto. Quando vários atuadores do tipo efeito Hall são conectados a uma caixa de controle FLTCON, a caixa garante a sincronização dos motores para que se movam juntos na mesma Velocidade.

Leia nosso blog sobre aplicações para as caixas de controle FLTCON para mais informações.

 

Caixa de controle	Tensão de entrada	Número de canais
FLTCON-1	110 VCA	1
FLTCON-2	110 VCA	2
FLTCON-2-24 VCC	24 VCC	2
FLTCON-3	110 VCA	3
FLTCON-4	110 VCA	4

 

Ao escolher uma configuração com 2x atuadores de efeito Hall, nossa FLTCON-2 aceita tensão de entrada de 110 VCA; no entanto, também oferecemos a FLTCON-2-24 VCC, que aceita tensão de entrada de 24 VCC. Oferecemos uma ampla gama de opções de controle remoto para você aproveitar todos os recursos exclusivos de nossos diferentes controles programáveis com fio — eles também podem ser usados junto com nossos controles sem fio RT-14 para maior comodidade.

 

Em resumo

Sistemas de controle desempenham um papel crucial para maximizar o desempenho, a eficiência e a capacidade dos atuadores lineares elétricos. Ao entender os diferentes tipos de sistemas de controle, suas funções e como escolher o mais adequado para sua aplicação, você garante operação ideal e alcança os resultados desejados. Esteja você nos setores de manufatura, robótica ou automotivo, implementar o sistema de controle adequado pode levar o desempenho de seus atuadores lineares elétricos a outro nível.

Esperamos que você tenha achado isso tão informativo e interessante quanto nós, especialmente se estava buscando orientação para escolher sistemas de controle adequados para seus atuadores lineares elétricos. Se tiver qualquer dúvida sobre nossos produtos ou tiver dificuldade em escolher os sistemas de controle e atuadores lineares elétricos ideais para suas necessidades, entre em contato conosco! Somos especialistas no que fazemos e teremos prazer em ajudar com quaisquer perguntas!

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