Conceptos básicos de los servoaccionamientos

"Diseñamos y construimos servoaccionamientos para sistemas de control de movimiento".

Esa es la respuesta que podríamos dar cuando alguien nos pregunta "¿Qué hace ADVANCED Motion Controls?"

Para algunas personas, eso es todo lo que necesitan saber. Para otros, puede plantear más preguntas que respuestas. Hay que tener en cuenta que no todo el mundo tiene conocimientos de control de movimiento, ni de electrónica, ni siquiera de ciencia e ingeniería.

Así que vamos a repasar los fundamentos de los servoaccionamientos en diferentes niveles técnicos para que todos y cada uno puedan tener una cierta comprensión de lo que hacemos. Puedes parar cuando te sientas cómodo.

Los fundamentos del servoaccionamiento explicados a un niño de 5 años

Los servoaccionamientos son como pequeños ordenadores que envían electricidad a los motores y los hacen girar sin parar.

Copia del boceto del servoaccionamiento y del motor

Explicación de los fundamentos del servoaccionamiento a un niño de 12 años

¿Siguiendo hasta ahora? Eso espero. Entremos en un poco más de detalle.

Los servoaccionamientos son dispositivos electrónicos formados por placas de circuito, microchips, cables y conectores. Se conectan a motores eléctricos para controlar el giro del motor. Pueden hacer que el motor se acelere, se ralentice, se pare o incluso vaya hacia atrás en cualquier momento.

Lo consiguen controlando y dirigiendo el flujo de electricidad a través de los cables del motor. Sin un servoaccionamiento, un motor podría girar sin control o no girar en absoluto.

Algunos servoaccionamientos controlan motores pequeños, como en la articulación del codo de un brazo robótico. Otros servoaccionamientos controlan motores grandes, como los de la maquinaria pesada o las ruedas de un vehículo eléctrico. Los motores más potentes necesitan servoaccionamientos más potentes.

Explicación de los fundamentos de los servoaccionamientos a un estudiante de física de secundaria

Espero que sigan con nosotros, pero aquí es donde empieza a ponerse un poco más técnico.

¿Cómo funcionan los servoaccionamientos y qué hace que el motor gire?

Accionamiento del motor

¿Cómo gira un motor?

Un motor eléctrico tiene dos partes principales: un rotor que gira y está unido al eje, y un estator que permanece quieto y está unido al bastidor. Uno de estos componentes tendrá imanes normales, y el otro tiene bobinas de alambre o "electroimanes" que pueden encenderse haciendo pasar la corriente eléctrica por ellos.

Al encender y apagar sucesivamente los diferentes bobinados, se consigue un efecto magnético de rotación. Esto empuja contra los imanes regulares y hace que el rotor gire.

Los motores con escobillas tienen bobinas en el rotor e imanes en el estator, mientras que los motores sin escobillas tienen las bobinas en el estator y los imanes en el rotor.

En cualquier caso, la cantidad de corriente que pasa por los bobinados controla la cantidad de par (la fuerza con la que gira), mientras que la tensión controla la velocidad del motor (la rapidez con la que gira). Al regular la corriente y la tensión suministradas, el servoaccionamiento controla el par, la velocidad y la posición del eje del motor.

Motor trifásico sin escobillas

En un motor sin escobillas, los electroimanes del estator se encienden y apagan para hacer girar el rotor magnético.

Mando y control

Controlador de la máquina

Un gran controlador

Pero, ¿cómo se le dice al servomotor qué par, velocidad y posición debe buscar? Es fácil. Sólo tienes que utilizar un controlador, que puede ser algo tan simple como un dial o complicado como un ordenador.

El controlador envía una señal (un pulso de tensión pequeño pero específico) a la entrada de mando del servoaccionamiento. A continuación, el servoaccionamiento amplifica esencialmente la señal hasta alcanzar la corriente o la tensión deseada para el motor.

Servo Drive Fuente de alimentación

Un ejemplo de fuente de alimentación que se conecta a una toma de corriente.

Por supuesto, la ley de conservación de la energía nos dice que ésta no puede crearse de la nada.

Entonces, ¿de dónde viene esta potencia amplificada?

El servoaccionamiento está conectado a algún tipo de fuente de alimentación (una batería o un dispositivo que se enchufa) que proporciona una tensión constante. El servoaccionamiento toma esta tensión de alimentación y envía energía al motor según sea necesario en función de la señal de mando.

Comentarios

Si llevas la cuenta, hasta ahora hemos hablado de tres componentes principales a los que se conectan los servoaccionamientos: Los bobinados del motor, el controlador y la fuente de alimentación. Pero hay un cuarto elemento al que se conectan los servoaccionamientos y que los hace tan eficaces: El dispositivo de retroalimentación del motor.

Información sobre el velocímetro

Los conductores utilizan el velocímetro para obtener información mientras están en la carretera... o al menos los conductores responsables lo hacen.

Como humanos, utilizamos dispositivos de retroalimentación todo el tiempo. El velocímetro de nuestro coche nos dice a qué velocidad vamos para saber si debemos acelerar o reducir la velocidad. Un termómetro de cocina nos permite saber cuándo la carne está a punto. Un manómetro nos permite saber cuándo el neumático de una bicicleta necesita más o menos aire. Una encuesta de opinión de los clientes indica a una empresa dónde tiene que hacer ajustes. Los comentarios facilitan la adopción de medidas correctivas.

La mayoría de los servomotores están equipados con algún tipo de dispositivo de retroalimentación, como un codificador, que puede conectarse directamente a un servoaccionamiento.

La existencia de un bucle de retroalimentación permite al servoaccionamiento realizar correcciones en tiempo real de la corriente y la tensión que envía al motor. Esto garantiza que el motor gire con el par deseado, a la velocidad deseada y en la posición deseada, independientemente de las interferencias.

Dispositivo de retroalimentación del codificador incremental

Un codificador incremental es un dispositivo de retroalimentación común utilizado en los motores para seguir el movimiento de rotación.

Por ejemplo, supongamos que una fuerza externa comienza a actuar sobre el eje del motor, provocando una disminución de la velocidad deseada. La señal de retorno del motor indica la velocidad real del motor. El servoaccionamiento comparará entonces la velocidad real con la velocidad objetivo y aumentará la potencia suministrada al motor para compensar hasta que alcance la velocidad adecuada.

Esto es análogo a cuando se utiliza el control de crucero en un automóvil y se empieza a subir una cuesta. Sin tocar nada, el ordenador del coche realiza todos los cambios necesarios para mantener la misma velocidad a pesar de la pendiente. En un servomotor, todo esto ocurre más rápido de lo que el ser humano puede percibir, con miles de ajustes por segundo.

Explicación de los fundamentos del servoaccionamiento a un estudiante de ingeniería de nivel universitario

Muy bien, sabelotodo, ¿quieres lo bueno? Aquí tienes.

Hasta ahora, hemos visto los servoaccionamientos como pequeñas cajas mágicas con electricidad y cables que entran y salen de ellas. Sabemos lo que hacen, pero no cómo lo hacen. Veamos lo que realmente ocurre en su interior.

Bucles de retroalimentación negativa

Los servoaccionamientos suelen conocerse como servoamplificadores porque, en el fondo, eso es lo que hacen. Amplifican una señal de mando. Pero es el desarrollo del control basado en la retroalimentación lo que los convierte en dispositivos más sofisticados y útiles.

Como hemos mencionado, los servoaccionamientos utilizan bucles de retroalimentación para corregir los errores.

En el control del movimiento y en la mayoría de los procesos de control, los errores se corrigen mediante bucles de retroalimentación negativa.

En un bucle de retroalimentación negativa, la señal de salida del sistema (del valor medido) se resta de la entrada de referencia del sistema (el valor objetivo) para crear el nuevo valor de entrada (la señal de error).

Echa un vistazo a este sencillo diagrama de bloques.

Bucle de retroalimentación negativa simple

Un simple bucle de retroalimentación negativa.

Digamos, por ejemplo, que su objetivo es 5 y su valor medido es 3. La señal de error terminará siendo +2. Si el objetivo es 5 y el valor medido es 7, la señal de error será de -2.

Así, si la salida de un sistema es demasiado alta, la señal de error será negativa y el sistema responderá en sentido negativo para bajar la salida. Si la salida del sistema es demasiado baja, el error será positivo y el sistema responderá en sentido positivo para subir la salida.

Este proceso se realiza de forma continua, manteniendo el error lo más cercano posible a cero.

Esta retroalimentación negativa es esencial. Si la retroalimentación fuera positiva (en otras palabras, si se sumara el valor medido al objetivo en lugar de restarlo), un sistema que va demasiado rápido lo compensaría yendo aún más rápido o un sistema que va demasiado lento se detendría o acabaría funcionando a la inversa.

Casi todos los servoaccionamientos son capaces de cerrar el bucle de corriente, pero otros también pueden cerrar el bucle de velocidad e incluso el de posición. Si un sistema tiene un servoaccionamiento que sólo puede cerrar el bucle de corriente, pero la máquina necesita cerrar también los bucles de velocidad y posición, entonces esos bucles adicionales tendrán que ser cerrados por el controlador.

Ganancias

La señal de error pasa por las "ganancias" del sistema, es decir, el paso de amplificación que toma la entrada del sistema para producir la salida del mismo. En algunos sistemas, se trata de una simple ganancia proporcional.

Pensemos en esto como si se tratara de un micrófono y un altavoz. Si hablas por el micrófono, tu voz se amplifica. Si te diriges a una multitud de 20 personas en el auditorio de una escuela, puede que tengas una pequeña ganancia que te haga sonar dos o tres veces más fuerte de lo que realmente eres. Pero si te diriges a una multitud de cientos de personas en un evento al aire libre, necesitarás una ganancia mucho mayor para que todo el mundo pueda oírte, por lo que es posible que el sistema haga que tu voz suene diez veces más fuerte. En cualquier caso, cuanto más alto hables en el micrófono, más alto será el sonido que salga.

Lazo de retroalimentación del motor del servo drive con ganancias

Un bucle de retroalimentación básico en un sistema de control de movimiento con un servoaccionamiento. El servoaccionamiento recopila la señal de error y luego la "amplifica" para obtener la salida del servoaccionamiento.

Así, en una aplicación de servoaccionamiento, se puede tener una constante de ganancia proporcional de 5 A/V, donde una entrada de 1V produce una salida de 5A, una entrada de 2V produce una salida de 10A, etc.

En otra aplicación, podría tener una constante de ganancia proporcional de 10 A/V donde 1V de entrada produce una salida de 10A, 2V de entrada produce una salida de 20A, etc.

Control PID

Para algunos procesos, una ganancia proporcional es suficiente para el control. Pero para la mayoría de los procesos, como la robótica, se desea un control más preciso. Uno de los esquemas de control más extendidos es el control (proporcional, integral y derivativo).

En el PID, se tiene la ganancia proporcional multiplicada por el valor actual del error, pero también se tiene la ganancia integral multiplicada por la acumulación del error en el tiempo (integral) y la ganancia derivativa multiplicada por el cambio del error en el tiempo (derivativa). Esto casi siempre resulta en una corrección mucho más precisa del error, reduciendo problemas como el sobreimpulso y la oscilación.

Lazo de retroalimentación del motor del servoaccionamiento con control PID

Un bucle de retroalimentación básico en un sistema de control de movimiento con un servoaccionamiento que cuenta con control PID.

Explicación de los fundamentos del servoaccionamiento para el diseñador de sistemas

Enhorabuena, si ha llegado hasta aquí. Ahora vamos a ver más allá de una simple combinación de controlador-accionamiento-motor y a ver cómo los servoaccionamientos encajan en un sistema completo de control de movimiento.

Niveles de potencia

No todos los servoaccionamientos son iguales. Todos los servoaccionamientos tienen una tensión nominal de funcionamiento y unos valores máximos de corriente continua y de pico. Aunque se han realizado muchos avances para aumentar la densidad de potencia (especialmente en los últimos años con nuestra familia de servoaccionamientos FlexPro), los servoaccionamientos más grandes suelen ser más potentes y tener una menor resolución de control de corriente.

Tal vez un niño de 5 años podría entender esto, pero por si acaso, no intentes alimentar un diminuto motor de 5 amperios con un voluminoso servomotor de 80 amperios y no intentes hacer funcionar un pesado motor de 80 amperios con un minúsculo servomotor de 5 amperios.

Servoaccionamiento básico de montaje en panel

Servoaccionamiento de montaje en panel

Factor de forma

Los servoaccionamientos tienen varias formas y tamaños, algunos más adecuados para diferentes aplicaciones.

Montaje en panel

Los servoaccionamientos de montaje en panel tienen una placa base metálica y una cubierta de plástico o metal fino que encierra la placa de circuito impreso.

Los agujeros o muescas de la placa base se utilizan para montar los accionamientos en una superficie plana mediante pernos o tornillos.

Son la forma tradicional de los servoaccionamientos, que suelen utilizarse en la maquinaria.

Montaje en PCB

Servoaccionamiento FlexPro

Servoaccionamiento de montaje en placa

Los servoaccionamientos de montaje en placa de circuito impreso se fabrican sin carcasa ni cubiertas. Están diseñados para montarse directamente en otra placa de circuito impreso mediante clavijas o soldaduras, de forma similar a como podría fijarse un subcomponente.

Son muy compactas y ofrecen una conectividad fiable, pero están menos protegidas de los elementos. Suelen utilizarse tanto en robótica fija como móvil.

Los accionamientos montados en placa de circuito impreso se conectan a veces a una tarjeta de montaje para ofrecer conexiones más tradicionales con hilos y cables, manteniendo su carácter compacto. Esto puede ahorrar al diseñador de la máquina la molestia de diseñar una placa de circuito impreso con los conectores de pines exactos para que coincida con la unidad.

Servoaccionamiento montado en el vehículo

Montaje del vehículo

Los servoaccionamientos para montaje en vehículos están firmemente protegidos por una gruesa carcasa de plástico y una pesada placa base. Los terminales de tornillo se utilizan para permitir una corriente elevada. Como su nombre indica, se utilizan en aplicaciones móviles.

Independientemente del factor de forma, el rendimiento de todos ellos es el mismo. La diferencia tiene más que ver con la facilidad de instalación para diferentes industrias y aplicaciones.

Redes

En los robots, vehículos móviles, máquinas y otros sistemas de control de movimiento, es probable que haya más de un eje de movimiento. Eso significa más de un motor, lo que suele significar más de un servoaccionamiento. El controlador debe enviar los comandos a todos estos servoaccionamientos.

Hay dos maneras de que el controlador maneje esto. En el caso de los servoaccionamientos analógicos, es necesario un esquema de control centralizado en el que el controlador se conecta individualmente a cada servoaccionamiento.

Servoaccionamientos de la red de máquinas

Tener los servoaccionamientos en red simplifica el cableado. Los datos y los comandos pueden fluir a lo largo de un único bus de red hacia cada nodo, por lo que el controlador no necesita una conexión directa con cada uno.

Sin embargo, con los servoaccionamientos digitales es posible un esquema de control distribuido mediante el uso de una red. Una red encadena los servoaccionamientos. Se pueden enviar mensajes o paquetes de datos a través de la red y los servoaccionamientos responderán a los datos que se les dirijan.

Existe una gran variedad de protocolos de red. Las redes de tiempo real, como EtherCAT o EtherNet/IP, permiten tiempos de respuesta increíblemente rápidos, enviando actualizaciones en menos de un milisegundo. Otras redes como CANopen o ModBus no son tan rápidas, pero son más fáciles y menos costosas de implementar.

Cada ADVANCED El modelo de servoaccionamiento digital de Motion Controls está diseñado para un protocolo de red específico, con muchas opciones disponibles, incluidas las aduaneras.

 

Otros tipos de motores

Al igual que los teléfonos móviles han evolucionado mucho más allá de la simple realización de llamadas telefónicas, los servoaccionamientos pueden hacer mucho más hoy en día que hacer funcionar los servomotores.

Además de los servomotores estándar con escobillas y sin escobillas, los servoaccionamientos también pueden utilizarse para controlar motores lineales, motores paso a paso bifásicos y trifásicos, motores de inducción de CA, bobinas de voz y otros.

Diagrama del motor lineal

Un motor lineal es eléctricamente análogo a un servomotor sin escobillas "desenrollado", por lo que se controla fácilmente con servoaccionamientos digitales.

Incluso si su sistema tiene varios tipos de motor, es muy posible que pueda controlarlos todos utilizando el mismo modelo de servoaccionamiento o modelos similares, lo que simplifica su diseño.

E/S

La funcionalidad de E/S (entrada/salida) se utiliza en los servoaccionamientos digitales para permitirles intercambiar señales altas/bajas con otros dispositivos del sistema. Estos dispositivos pueden ser sensores de temperatura, interruptores de límite, sensores de presión o incluso otros servoaccionamientos.

El uso de las E/S puede ser muy útil para permitir que el servoaccionamiento controle funciones sencillas en la máquina y alivie la carga del controlador y/o la red.

Aislamiento

Sus servomotores o su fuente de alimentación necesitarán aislamiento eléctrico. De lo contrario, podrías acabar con una tierra flotante que acabe friendo tus servoaccionamientos y otros componentes del sistema. Necesita servo drives con aislamiento óptico incorporado o una fuente de alimentación con un transformador de aislamiento. Las excepciones a esta regla son los sistemas alimentados por baterías y los sistemas con servoaccionamientos que están diseñados para recibir alimentación de CA directamente.

Bono: Conceptos básicos de servoaccionamiento para filósofos

Si un servoaccionamiento es un dispositivo que impulsa la corriente y la tensión a un motor, si lo desconectas del sistema, ¿sigue siendo un servoaccionamiento?

 

por Jackson McKay, ingeniero de marketing

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