La historia del control de movimiento moderno

La determinación de la fecha de inicio del control del movimiento depende en gran medida de la definición que se dé del mismo. Se podría argumentar que comenzó con la invención de la leva mecánica. Otros podrían decir que no empezó hasta que se introdujo el control PID.

No hay un comienzo definitivo, pero vamos a empezar con los motores eléctricos, hace algo menos de 150 años. Puede leer una historia más extensa del control del movimiento aquí. En este artículo, exploraremos el desarrollo de las tecnologías que hicieron posible el control de movimiento moderno.

Todas las herramientas adecuadas

Aunque el motor eléctrico se había inventado desde 1837, no fue comercialmente viable hasta que Zenobe Gramme dio a conocer su diseño del motor de corriente continua en 1873. Años más tarde, el propio Tesla, campeón de la corriente alterna, presentó su propio motor de inducción de corriente alterna. Desde entonces, los motores eléctricos se utilizan cada vez en más dispositivos.

En 1914, el uso de piezas intercambiables se había generalizado y Henry Ford acababa de instalar la primera cadena de montaje mecanizada. La fabricación eficiente estaba en auge. Y eso es algo bueno, ya que el mundo se estaba sumergiendo en la Primera Guerra Mundial.

Con la cadena de montaje, los motores eléctricos y la innovación impulsada por la guerra, la era de la automatización se acercaba rápidamente, pero faltaba un componente clave para el control del movimiento...

Comentarios: La pieza que faltaba

En cierto modo, la propia retroalimentación de control ya se había implementado en la década de 1900. Los termostatos y los reguladores centrífugos se habían utilizado para los hornos y las máquinas de vapor, respectivamente, en los siglos anteriores. Pero la idea de utilizar un bucle de retroalimentación negativa para reforzar el control no había sido realmente diseñada, ni siquiera cuando terminó la Primera Guerra Mundial y entramos en la Era del Jazz.

Un día, en 1927, Harold Black tomó nota de cómo utilizar una parte de la salida de un amplificador de potencia para anular parte de la entrada y reducir la distorsión de la señal, especialmente en las comunicaciones de largo alcance. Su invención del amplificador de retroalimentación negativa sentó las bases para el avance de los amplificadores. Pronto, los bucles de retroalimentación negativa se introdujeron en los dispositivos neumáticos y de comunicación de todo el mundo.

El mismo año en que Harold Black publicó su artículo sobre el amplificador de retroalimentación negativa, Harold Hazen reconoció igualmente que la retroalimentación negativa podía utilizarse para ajustar la curva de respuesta de un servomecanismo. En el futuro, los trabajos de ambos Harold serían cruciales para el desarrollo de las técnicas de control de motores. Había nacido el control de movimiento eléctrico.

Sin embargo, incluso con un bucle de retroalimentación negativa, los sistemas de control seguían sin ser refinados. El uso de un control puramente proporcional era muy susceptible de sobrepasar inicialmente la salida objetivo y requerir tiempo para nivelarse y encontrar la estabilidad. Tampoco respondía bien a las perturbaciones repentinas. Todavía quedaba mucho trabajo por hacer antes de que la tecnología de servoamplificación empezara a parecerse a la actual.

PID: un cambio de juego

La implementación del control PID lo cambió todo. PID son las siglas de Proporcional, Integral y Derivativo, y se refiere a las diferentes ganancias que se aplican en un amplificador para corregir el error en un sistema de bucle cerrado. Una señal amplificada con PID produce una respuesta mucho más suave que una amplificada sólo con control proporcional. El componente de control integral elimina el error de estado estacionario y el componente derivado reduce el rebasamiento de la respuesta. La idea del PID existía como teoría matemática desde que J.C. Maxwell la escribió en 1886. Sin embargo, pasaría medio siglo antes de que se integrara en la tecnología, al menos a propósito.

Al finalizar la Segunda Guerra Mundial, los controladores con sistemas eléctricos empezaron a ser más comunes. Estos verían grandes mejoras en las siguientes décadas. Con la Guerra Fría, los países impulsaron la innovación tecnológica, ya que nadie quería estar en desventaja si estallaba una guerra abierta. Con el tiempo, la tecnología de control PID y los servoamplificadores ayudarían a la misión de Estados Unidos de poner un hombre en la luna.

La era de lo analógico

Los avances tecnológicos de los años 60 y 70 dieron lugar a la electrónica de estado sólido, incluidos los transistores semiconductores, que permitieron la conmutación de alta frecuencia. Al mismo tiempo, se desarrolló la modulación por ancho de pulso (PWM) como forma de enviar señales eléctricas de forma mucho más eficiente. Estos avances permitieron activar y desactivar varias fases del motor de forma controlada. Habíamos entrado en la era del control de los motores de corriente continua sin escobillas.

Los servoamplificadores analógicos eran cada vez más compactos y más avanzados simultáneamente. Características como los indicadores de estado, los múltiples modos de funcionamiento y la compatibilidad con múltiples dispositivos de retroalimentación empezaron a aparecer en el montaje en panel y Servoamplificador para montaje en PCB paquetes.

Cabe destacar que la industria del control del movimiento cambiaría para siempre (en nuestra opinión) cuando Sandor Barta y Daniel Schoenwald fundaron ADVANCED Motion Controls en 1987, construyendo servoamplificadores analógicos en una mesa de cocina en Van Nuys.

El auge de lo digital

La electrónica digital comenzó a afianzarse en la década de 1970. Los circuitos integrados, los microprocesadores, la memoria no volátil y la interconexión empezaron a configurar el panorama de la tecnología electrónica tal y como la conocemos hoy. Cada vez más industrias empezaron a pasar de lo analógico a lo digital.

Lo digital se abrió paso en la industria del control de movimiento en la década de 1990. Con la invención de los servoamplificadores digitales, o servoaccionamientos digitales, como se les conoce ahora, las posibilidades de control del movimiento se ampliaron enormemente. Los servoaccionamientos digitales ahora podían utilizar la retroalimentación de posición para mover el rotor de un motor a posiciones específicas, en lugar de sólo pares y velocidades. Los servoaccionamientos digitales también pueden funcionar en red y comunicarse entre sí y con otros dispositivos mediante señales de entrada/salida.

En los últimos años, la línea entre el controlador del motor y el amplificador se ha vuelto muy borrosa. Los servoaccionamientos tienen ahora su propia capacidad de procesamiento, lo que les permite hacer más del trabajo que normalmente requiere un controlador externo. Su memoria integrada les permite almacenar perfiles de movimiento, reduciendo de nuevo la carga de trabajo del controlador y, en ocasiones, eliminando por completo su necesidad.

Una parte importante del negocio del control del movimiento sigue siendo analógico, pero la industria se vuelve más digital con cada año que pasa. Puede leer más sobre el diferencias entre los servoaccionamientos digitales y analógicos aquí.

¿Qué es lo siguiente?

Aunque la tecnología base del control de movimiento está ya muy consolidada, la industria sigue creciendo y evolucionando. Si tiene curiosidad por saber hacia dónde se dirige la industria del control del movimiento, lea Tendencias de los servoaccionamientos para 2020 aquí.

por Jackson McKay, ingeniero de marketing