Resumen

Visión general de Motion Control

¿Qué es un servo?

El servocontrol, también llamado "control de movimiento" o "robótica", se utiliza en los procesos industriales para mover una carga específica de forma controlada. Estos sistemas pueden utilizar tecnología de actuación neumática, hidráulica o electromecánica. La elección del tipo de actuador (es decir, el dispositivo que proporciona la energía para mover la carga) se basa en los requisitos de potencia, velocidad, precisión y coste. Los sistemas electromecánicos suelen utilizarse en aplicaciones de alta precisión, de baja a media potencia y de alta velocidad. Estos sistemas son flexibles, eficaces y rentables. Los motores son los actuadores utilizados en los sistemas electromecánicos. Mediante la interacción de campos electromagnéticos, generan energía. Estos motores proporcionan un movimiento rotatorio o lineal. Esta es una representación gráfica de un servosistema típico:

Este tipo de sistema es un sistema de retroalimentación, que se utiliza para controlar la posición, la velocidad y/o la aceleración. El controlador contiene los algoritmos para cerrar el bucle deseado (normalmente la posición o la velocidad) y también se encarga de la interconexión de la máquina con las entradas/salidas, los terminales, etc. El accionamiento o amplificador cierra el bucle o bucles interiores (típicamente la velocidad o la corriente) y representa el convertidor de potencia eléctrica que acciona el motor de acuerdo con las señales de referencia del controlador. El motor puede ser del tipo con escobillas o sin escobillas, rotativo o lineal. El motor es el actuador electromagnético real, que genera las fuerzas necesarias para mover la carga. Los elementos de retroalimentación, como tacómetros, lvdts, codificadores y resolvers, se montan en el motor y/o en la carga para cerrar los distintos bucles del servo.

ADVANCED Motion Controls diseña y fabrica servoaccionamientos y amplificadores para su uso en servosistemas. Los servoaccionamientos y amplificadores se utilizan ampliamente en los sistemas de control de movimiento en los que se requiere un control preciso de la posición y/o la velocidad. El accionamiento/amplificador simplemente traduce las señales de referencia de baja energía del controlador en señales de alta energía para proporcionar la tensión y la corriente del motor. En algunos casos, el uso de un accionamiento digital sustituye al sistema de control controlador/accionamiento o controlador/amplificador. Las señales de mando representan el par, la velocidad o la posición del motor y pueden ser de naturaleza analógica o digital. El comando analógico de +/-10 VDC sigue siendo la señal de referencia más común, pero está cediendo rápidamente el paso a los comandos digitales de red.

Controlador

El controlador es el "cerebro" de un servosistema. Es el responsable de generar las trayectorias de movimiento y de reaccionar a los cambios en el entorno exterior. Los controladores pueden ser algo tan simple como un interruptor ON/OFF o un dial controlado por un operador. También pueden ser tan complejos como un ordenador con capacidad para controlar activamente varios servoejes, así como para supervisar las E/S y mantener toda la programación de la máquina.

Normalmente, el controlador envía una señal al variador; el variador suministra energía al motor; y la retroalimentación del motor se envía de vuelta al controlador y al variador. La retroalimentación de la carga también se envía al controlador. El controlador analiza la retroalimentación y corrige los errores actualizando la señal al amplificador. Se considera que el controlador es la parte inteligente del servo, cerrando los bucles de velocidad y/o posición mientras que el amplificador cierra el bucle de corriente. Sin embargo, muchos amplificadores cierran los lazos de velocidad y/o posición reduciendo las demandas computacionales del controlador.

Formas físicas de los controladores

Los controladores vienen en una variedad de formas que la gente elige en función del coste, el rendimiento, la comodidad y la facilidad de uso. La mayoría de los controladores entran en la categoría de microcontroladores, PLC y controladores de movimiento. Cada uno de ellos se describe a continuación.

Microcontroladores

Se trata de un tipo de ordenador pequeño y de bajo coste que ejecuta un programa almacenado en una memoria no volátil. La configuración de un microcontrolador para un sistema generalmente requiere un programador experimentado, y el cierre de los bucles como la posición y la velocidad puede ser bastante difícil. A menudo, cuando se diseña un servosistema utilizando un microcontrolador, se hace que el amplificador/accionador cierre los bucles deseados, mientras que el microcontrolador simplemente envía comandos particulares de vuelta al amplificador. Estos comandos pueden depender de las entradas en el microcontrolador (sensores, interruptores, etc).

PLCs

A finales de la década de 1960, los controladores lógicos programables (PLC) se utilizaron por primera vez para eliminar el desorden de cables y las pesadillas de resolución de problemas asociadas a los circuitos de relés secuenciales. Los PLC pueden sustituir a los relés mecánicos, cuya vida útil es limitada. Estos controladores son más caros que los microcontroladores, pero con razón.

Los PLC tienen un procesador y una memoria que permiten programar, guardar y ejecutar comandos. También tiene un bastidor y ranuras de E/S para poder añadir módulos de E/S al PLC según sea necesario. Los módulos pueden añadir funciones como contadores de alta velocidad, relojes en tiempo real o capacidades de servocontrol.

Las ventajas de los PLC son su capacidad de ampliación y su resistencia a entornos adversos. El precio suele ser inferior al de los controladores de movimiento.

Controladores de movimiento

Los controladores de movimiento se construyen específicamente para el control del movimiento (de ahí su nombre). Por tanto, los comandos y las E/S son específicos para las necesidades de la industria del movimiento. A diferencia de los demás, los controladores de movimiento suelen estar basados en un PC, lo que permite una interfaz gráfica de usuario. Suelen contar con funciones avanzadas que facilitan el ajuste, la detección de la conmutación y otras funciones. Un controlador de movimiento, en general, le hará la vida más fácil que un PLC o un microcontrolador. Debido a las funciones añadidas, suelen ser más caros.

Comando

El comando es la señal que se envía desde el controlador al servoaccionamiento.

Los servoaccionamientos digitales pueden controlarse a través de varias redes, como CANopen, Ethernet, EtherCAT, Ethernet Powerlink, Synqnet, USB, RS232 y muchas más, que permiten controlar el motor conectando el amplificador directamente (o casi directamente) a un ordenador. Las señales de red tienen la ventaja de poder comunicar algo más que el comando de salida, incluyendo el estado de E/S, el estado del accionamiento, la información de posición y mucho más.

Los servoaccionamientos analógicos se controlan con señales analógicas de +/-10V y señales PWM y de dirección.

Conduzca

El servoaccionamiento es el enlace entre el controlador y el motor. También denominados servoamplificadores, su función es traducir las señales de referencia de baja energía del controlador en señales de potencia de alta energía para el motor. Originalmente, los variadores eran simplemente la etapa de potencia que permitía a un controlador accionar un motor. Empezaron siendo modelos de un solo cuadrante que accionaban motores de escobillas. Más tarde incorporaron capacidades de cuatro cuadrantes y la capacidad de alimentar motores sin escobillas. Cuatro cuadrantes significa la capacidad de accionar y regenerar un motor en ambas direcciones.

La tendencia actual es añadir más funciones y capacidades a los accionamientos. Hoy en día se espera que los accionamientos gestionen toda la información del sistema, incluidos los encoders, resolvers y tacómetros, así como los interruptores de límite y otros sensores. También se pide a los accionamientos que cierren el bucle de par, el bucle de velocidad y el bucle de posición, y se les asigna la responsabilidad de generar trayectorias. A medida que la línea entre el controlador y el accionamiento se difumina, el accionamiento asumirá muchas de las funciones de control más complejas que solían ser del dominio exclusivo del controlador.

El futuro de la tecnología de accionamiento seguirá basándose en las demandas de la industria del control del movimiento. Estas demandas incluyen:

• Mayor ancho de banda para aumentar el rendimiento de la producción
• Mayor control de velocidad y posición para permitir una fabricación más intrincada y miniaturizada
• Mayor capacidad de la red para coordinar estrechamente los ejes dentro de una máquina y coordinar las máquinas dentro de una fábrica
• Funcionamiento simplificado, fácil de usar y universal

Motor

El motor convierte la corriente y la tensión procedentes del accionamiento en movimiento mecánico. La mayoría de los motores son de tipo rotativo, pero también existen motores lineales. Hay muchos tipos de motores que pueden utilizarse en las servo aplicaciones.

La siguiente lista de tipos de motores se encuentran comúnmente en las servo aplicaciones.

Monofásico

Los motores monofásicos tienen dos cables de alimentación y son muy fáciles de configurar. Los motores de esta categoría pueden incluir motores con escobillas, cargas inductivas y bobinas de voz. Los amplificadores diseñados para motores con escobillas suelen utilizarse para accionar cargas monofásicas, aunque la mayoría de los accionamientos trifásicos de AMC también pueden accionar estos motores.

Cepillo

El motor monofásico más común. Las escobillas son una forma de conmutación mecánica que dirige la corriente a las bobinas correctas en el momento adecuado.

Actuador lineal

Los actuadores lineales utilizan un motor rotativo acoplado a una caja de cambios para mover un eje lineal hacia dentro y hacia fuera. El motor del actuador suele ser un motor con escobillas.

Bobina de voz

Una bobina móvil es conceptualmente similar a un altavoz de audio. El movimiento es lineal y suele estar limitado a menos de 0,5" (13 mm) de recorrido. Muchas aplicaciones de bobina móvil requieren un servoaccionamiento de alto rendimiento y ADVANCED Los controles de movimiento suelen ser la primera opción.

Rodamiento magnético

Los cojinetes magnéticos hacen flotar un eje giratorio sobre un cojín magnético controlado con servos. Se utilizan cuando se requiere una baja fricción o cuando las velocidades del eje son demasiado altas para los rodamientos convencionales. Los cojinetes magnéticos utilizan electroimanes para hacer levitar el eje giratorio, de modo que nada lo toca físicamente. Un sistema típico de cojinetes magnéticos requiere 4 ó 5 accionamientos: uno en X e Y a cada lado del eje giratorio y un cojinete de empuje opcional para evitar que el eje flote hacia dentro y hacia fuera. Los requisitos de rendimiento de los accionamientos pueden ser extremadamente altos debido a la naturaleza dinámica del sistema.

Carga inductiva

Las universidades y los científicos suelen utilizar las cargas inductivas para crear campos magnéticos para sus experimentos. ADVANCED Los accionamientos de Motion Controls han controlado con éxito cargas inductivas con menos de 80uH de inductancia hasta más de 1H (1.000.000uH) de inductancia. Existen consideraciones especiales para la energía almacenada en un inductor de gran tamaño, y nuestro departamento de asistencia técnica estará encantado de analizarlas en relación con su proyecto.

Trifásico

Rotativo sin escobillas

Los servomotores de imanes permanentes sin escobillas tienen una mayor densidad de potencia, una mejor disipación del calor y requieren menos mantenimiento que los motores con escobillas. Los motores sin escobillas pueden ser un poco más difíciles de configurar debido al aumento del cableado, por lo que nuestra línea digital facilita las cosas automatizando el proceso de conmutación.

Lineal

La construcción de un motor lineal es la misma que la de un motor rotativo, pero abierta y aplanada. La configuración de un accionamiento para un motor lineal es idéntica a la configuración de un accionamiento para un motor rotativo. Los motores lineales se utilizan en aplicaciones de accionamiento directo en las que los requisitos de velocidad y precisión son superiores a los que pueden ofrecer un motor rotativo y un husillo de bolas.

Consideraciones sobre la carga

Las consideraciones sobre la carga deben incluir el objeto que se está moviendo, las partes móviles de la máquina y cualquier cosa que pueda causar inestabilidades no deseadas, como acoplamientos y holguras. La masa total de las piezas móviles de la máquina tiene inercias que se reflejan en el motor. Los puntos de fricción, como los de las etapas lineales y los rodamientos, se sumarán a la carga del motor. Los acoplamientos flexibles añadirán resonancias que hay que tener en cuenta.

Comentarios

En los sistemas de control modernos, se utilizan dispositivos de retroalimentación para garantizar que el motor o la carga alcancen la posición o la velocidad ordenada. Los servoamplificadores y los controladores utilizan esta retroalimentación para determinar la cantidad de corriente que hay que suministrar al motor en cada momento, en función de su posición y velocidad actuales frente a la que necesita. Hay dos tipos principales de realimentación: absoluta y relativa (también conocida como "incremental").

Retroalimentación Absoluta

Los dispositivos absolutos proporcionan una posición definitiva dentro de un rango especificado al encenderse (es decir, sin una rutina de búsqueda).

Retroalimentación relativa (incremental)

Estos dispositivos sólo proporcionan actualizaciones de posición incrementales. Para conocer la posición del motor o de la carga, es necesario utilizar la realimentación incremental junto con algún tipo de realimentación absoluta (un final de carrera, por ejemplo) para determinar la posición inicial. Una vez conocida la posición inicial, la realimentación relativa puede proporcionar información sobre la posición en todo el rango de movimiento.

Dentro de estos dos tipos generales de retroalimentación, hay muchos dispositivos de retroalimentación diferentes. Estos son algunos de los dispositivos más utilizados en el control del movimiento.

Tipos de respuesta

Codificador de cuadratura

Los encoders son el dispositivo de retroalimentación de posición más frecuente en el control de movimiento. Los codificadores lineales pueden alcanzar resoluciones submicrónicas y los codificadores rotativos pueden tener resoluciones superiores a 100.000 cuentas por revolución. Se trata de dispositivos de retroalimentación relativa.

Codificador sinusoidal

Los codificadores sinusoidales utilizan ondas sinusoidales en lugar de las ondas cuadradas de los codificadores en cuadratura. Esto permite interpolar los recuentos del codificador intermedio hasta más de 1024 veces. Son posibles resoluciones de más de 4 millones de recuentos por resolución. Se trata de dispositivos de retroalimentación relativa.

Codificador sinusoidal absoluto

Estos utilizan los mismos codificadores sinusoidales que los anteriores, además de un dispositivo mecánico o un circuito eléctrico que puede mantener la información de posición absoluta durante muchos miles de revoluciones. Estos dispositivos transfieren la información de posición a través de un protocolo en serie como: Hiperface^®EnDat^® y BiSS.

Sensores Hall

Se trata de una retroalimentación de baja resolución que suele ser necesaria para el control de la conmutación. También se puede utilizar para la retroalimentación de la velocidad a velocidades más altas. Proporcionan 6 unidades de retroalimentación absoluta dentro de cada ciclo eléctrico.

Resolver

Un resolver es esencialmente un transformador rotativo. Esta retroalimentación es capaz de alcanzar resoluciones superiores a los 16 bits. Los resolutores son la retroalimentación elegida para entornos de alta temperatura y alta vibración. Proporcionan retroalimentación absoluta en una revolución.

Perfiles de movimiento

El objetivo de todos los servosistemas es mover algún tipo de carga. La forma en que se mueve la carga se conoce como perfil de movimiento. Un perfil de movimiento puede ser tan simple como un movimiento del punto A al punto B en un solo eje, o puede ser un movimiento complejo en el que varios ejes deben moverse con precisión en coordinación. En la figura 1 se muestra un ejemplo de perfil. La distancia total recorrida, D, se encuentra calculando el área bajo la curva. T es el tiempo total requerido para el movimiento. La pendiente de la curva de velocidad representa la aceleración o desaceleración en ese instante concreto. Hay varios tipos de perfiles de movimiento utilizados con los sistemas de servocontrol. Los más utilizados son Velocidad constante, Trapezoidaly Curva S perfiles de movimiento.

Cosas que hay que recordar:

• Velocidad proporcional a 1/T
• Aceleración proporcional a 1/T²
• Potencia (pico) proporcional a 1/T³

Las implicaciones del último punto son profundas. Por ejemplo, si tienes un sistema existente y quieres que los movimientos se completen el doble de rápido, ¡el sistema requerirá 8 veces más potencia!

Velocidad constante

Este perfil de movimiento mantiene una velocidad constante entre los puntos (véase la figura 2a). Este es el perfil de movimiento más básico porque sólo se utiliza un comando de velocidad.

La velocidad constante se utilizaría en algo como un transportador o un ventilador.

Las máquinas de posicionamiento de precisión no utilizan el perfil de velocidad constante porque una máquina del mundo real no puede cambiar la velocidad instantáneamente. Habrá un retraso de tiempo que fluctuará con los cambios en la carga y el sistema. En la figura 2B, la línea punteada representa la trayectoria de velocidad real que tomará la carga. Ta y Td representan el tiempo requerido para acelerar y desacelerar. Estos tiempos pueden variar con las fluctuaciones de la carga.

Trapezoidal

El perfil de movimiento trapezoidal inclina la curva de velocidad para crear tasas de aceleración y desaceleración predecibles. En la figura 3 se muestra un perfil de movimiento trapezoidal. El tiempo de aceleración y desaceleración es preciso y repetible. Ta y Td siguen existiendo, pero ahora son valores especificados en lugar de valores aleatorios.

• Si ta = td = T/3 para un perfil de movimiento trapezoidal, la potencia total utilizada es mínima
• El error de rebasamiento sigue existiendo para un movimiento trapezoidal, pero este error es insignificante para muchos sistemas.
• Las máquinas de mayor precisión requieren un perfil de movimiento diferente.

Curva S

El perfil de movimiento de la curva S permite un cambio gradual de la aceleración. Esto ayuda a reducir o eliminar los problemas causados por el rebasamiento, y el resultado es que el sistema percibe muchas menos vibraciones mecánicas. Los puntos de aceleración mínima se producen al principio y al final del periodo de aceleración, mientras que la aceleración máxima se produce entre estos dos puntos. De este modo se obtiene un perfil de movimiento rápido, preciso y suave.

Cálculos de par y potencia

Partiendo del perfil de velocidad, el perfil de par puede derivarse tomando la derivada de la velocidad. Una pendiente positiva en el perfil de velocidad será un par positivo y una pendiente negativa será un par negativo. La inclinación de la pendiente corresponde a la magnitud del par.

A continuación, la curva de potencia puede obtenerse multiplicando la curva de velocidad por la curva de par (par x velocidad = potencia).

Diseñar un sistema

La información de estos tres perfiles es la base del diseño del sistema.

• A partir de los perfiles de velocidad y par, puede limitar su selección de motores a los modelos capaces de proporcionar el par y la velocidad necesarios
  • A partir de los datos del motor (Kt - constante de par, Kv - constante de tensión, Rm resistencia del motor) se pueden determinar las necesidades de corriente y tensión del sistema
    • A partir del par máximo se puede calcular la corriente máxima (I). I = T / Kt
    • A partir de la velocidad máxima se puede calcular la tensión máxima (V). V = Velocidad * Kv + I * Rm
• Cuando se conocen los requisitos de corriente y tensión, se puede seleccionar un servoaccionamiento

Más ecuaciones

• El par es proporcional a la corriente.
• Par*Velocidad = Potencia
• KT = Constante de par (lb-in/A)
• El par RMS es importante para el suministro y las consideraciones térmicas.