¿Qué es el control de posición de doble bucle y dónde se necesita?

La mayoría de los sistemas de control de motores utilizan acoplamientos como engranajes, husillos de bolas, correas y otros métodos para transmitir las fuerzas del motor a la carga. Se utilizan por varias razones, como aumentar el par mediante relaciones de transmisión, cambiar el movimiento rotatorio a lineal o cambiar el ángulo del par aplicado. Junto con sus ventajas, estos sistemas de transmisión también tienen costes asociados, por ejemplo, pueden aumentar la fricción en el sistema y reducir la rigidez entre el motor y la carga. La rigidez puede verse comprometida por la flexión de los componentes de la transmisión, así como por el juego introducido por los engranajes. Por ejemplo, los husillos de bolas no son perfectamente rígidos, pueden doblarse y estirarse ligeramente bajo carga. Los engranajes tampoco son perfectos, pueden tener holgura que puede añadir una pequeña cantidad de "juego" entre la entrada y la salida.

Nuestro tema de hoy será cómo los problemas introducidos por la flexión y la holgura pueden abordarse utilizando el control de posición de doble bucle.

El problema del bucle único

Debido a factores de coste y comodidad, los dispositivos de retroalimentación, como los codificadores, suelen estar integrados en el motor. El codificador de la mayoría de los servomotores suele estar montado directamente en el eje del motor, normalmente en la parte trasera del mismo. En esta configuración, el codificador está directamente acoplado al eje del motor y, por tanto, su salida es una indicación de la posición real del motor.

Si se conecta un engranaje, un husillo de bolas u otro dispositivo de transmisión al eje del motor, la posición de la carga se calculará teniendo en cuenta las relaciones de transmisión de los dispositivos utilizados. En muchos casos, esta configuración es lo suficientemente precisa para la aplicación. Sin embargo, en algunos casos la flexibilidad añadida y el juego de la transmisión pueden introducir un error suficiente que se convierte en un problema.

Por ejemplo, digamos que hay una fresadora que utiliza un motor rotativo que hace girar un tornillo de bolas para mover la carga. Las fresadoras pueden aplicar grandes fuerzas para empujar las piezas a través de la fresa y estas fuerzas pueden hacer que las piezas en la fresadora se flexionen. La cantidad de flexión se ve afectada por una serie de variables, como la extensión del husillo de bolas y la fuerza aplicada a la carga. Si la única retroalimentación estuviera en el motor, entonces podríamos tener problemas. Esto se debe a que hay una larga cadena de piezas que pueden doblarse y flexionarse entre el motor y la carga. Afortunadamente hay una solución fácil y es poner una escala (o codificador) en la carga. De esta manera podemos medir directamente la posición de la carga independientemente de la flexión de las piezas de la transmisión.

Sin embargo, trasladar el codificador del motor a la carga no es la solución completa. Si se coloca la retroalimentación en el motor, se consigue un control estable y preciso del motor, pero se sacrifica la precisión de la posición de la carga. Alternativamente, colocar la retroalimentación en la carga aumenta la precisión de la posición final, sin embargo, sin retroalimentación en el motor, el sistema puede volverse inestable porque la holgura puede dejar el motor momentáneamente sin carga de manera impredecible.

Añadir control de doble bucle

Para lograr tanto la precisión como la estabilidad, la solución es utilizar dos dispositivos de retroalimentación. Uno en el motor y otro en la carga. Esta configuración se llama control de doble bucle y funciona así:

Empezando por el motor, el sistema de control cierra el bucle de velocidad alrededor del motor. Cerrando el bucle de velocidad aquí se estabiliza el sistema controlando la velocidad del motor independientemente de cómo la holgura hace que el motor se cargue o se descargue. Este bucle sería el bucle interior en un esquema de control de doble bucle.

El segundo bucle de este sistema es el exterior. Aquí el accionamiento cierra el bucle de posición utilizando la retroalimentación que mide directamente la posición de la carga. La colocación de la retroalimentación en la carga permite al controlador medir con precisión la posición y cerrar adecuadamente el bucle de posición.

Los dos lazos de un sistema de doble lazo trabajan juntos para crear un control de movimiento estable y preciso. La medición directa de la posición proporciona al sistema de control información precisa para el bucle de posición. Los pequeños ajustes de posición y, sobre todo, los cambios de dirección se gestionan mediante comandos de velocidad en el bucle de velocidad. Los comandos de velocidad provienen del bucle de posición donde la magnitud del comando es proporcional a la cantidad de error de posición. Dado que el bucle de velocidad se cierra alrededor del motor, no se produce el efecto de "bofetada" en el que el motor se acelera repentinamente cuando se descarga debido a la holgura. El bucle de velocidad mejora el control del motor y permite que el motor gire a una velocidad controlada independientemente de cómo esté cargado.

Accionamientos más inteligentes para un mejor control

Los sistemas de doble bucle en los accionamientos inteligentes pueden tener diferentes configuraciones, como la de rotativo a rotativo o la de rotativo a lineal. Un ejemplo de sistema rotativo a rotativo sería un motor rotativo conectado a una caja de cambios rotativa. La retroalimentación tanto del motor como de la carga utilizaría codificadores rotativos. Un ejemplo de sistema rotativo a lineal sería un motor rotativo conectado a un husillo de bolas como en el ejemplo anterior de la fresadora. La retroalimentación del motor utilizaría un codificador rotativo mientras que la retroalimentación de la carga utilizaría un codificador lineal.

Muchos servoaccionamientos inteligentes de ADVANCED Motion Controls llevan incorporada la capacidad de doble bucle. Los servoaccionamientos de posicionamiento que incluyen la función "realimentación auxiliar" tienen control de doble bucle. Puede encontrarlos en nuestro sitio web filtrando por "Retroalimentación Auxiliar" en nuestra búsqueda de productos.

por Rene Ymzon, Director de Marketing