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Fundamentos del control del pulso para el control del movimiento

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Para automatizar máquinas que sólo requieren dos o tres ejes de actuadores eléctricos, las salidas de pulsos pueden ser la forma más sencilla de hacerlo.

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El uso de salidas de pulsos de un PLC es una forma rentable de conseguir un movimiento simple. La mayoría, si no todos, los fabricantes de PLC proporcionan una forma de controlar los servos y steppers usando una señal de tren de pulsos. Así que cuando una máquina simple necesita ser automatizada en sólo dos o tres ejes en los actuadores eléctricos, las salidas de pulsos pueden ser mucho más fáciles de configurar, cablear y programar que usando señales analógicas. También puede costar menos que el uso de movimiento en red como Ethernet /IP.

Así que echemos un vistazo al control de un motor paso a paso o servo con un controlador o amplificador entre el controlador y el motor con el énfasis en las señales de pulso utilizadas desde el controlador o indexador.

Conceptos básicos del tren de pulsos

Los motores paso a paso y las versiones controladas por pulso de los servomotores pueden girar en ambas direcciones. Esto significa que un controlador debe proporcionar, como mínimo, dos señales de control al accionamiento. Hay dos maneras de proporcionar estas señales, y los diferentes fabricantes las llaman cosas diferentes. Hay dos maneras comunes de referirse a los dos esquemas de señales de control que se utilizan: "Modo 1P", también conocido como "modo de paso/dirección", y "modo 2P", que se denomina "modo CW/CCW" o modo en el sentido de las agujas del reloj/contrahorario. Ambos modos requieren dos señales de control desde el controlador hasta la unidad.

En el modo 1P, una señal de control es un tren de pulsos o una señal de "paso". La otra señal es una entrada direccional. Si la entrada direccional está activada y hay una señal pulsada en la entrada de paso, el motor gira en el sentido de las agujas del reloj. Por el contrario, si la señal direccional está desactivada y hay una señal pulsada en la entrada de paso, el motor gira en la otra dirección, o en sentido contrario a las agujas del reloj. El tren de pulsos siempre está en la misma entrada, sin importar la dirección que se desee.

En el modo 2P, ambas señales son un tren de pulsos. Sólo una entrada a la vez tendrá una frecuencia, así que si el tren de pulsos CW está presente, el motor gira CW. Si el tren de pulsos CW está presente, el motor gira CW. La entrada que recibe el tren de pulsos depende de la dirección deseada.

Los pulsos de salida del controlador hacen que el motor se mueva. El motor gira una unidad incremental por cada pulso de la entrada de pulsos del motor. Por ejemplo, si un motor a pasos de dos fases tiene 200 pulsos por revolución (ppr), entonces un pulso hace que el motor gire 1/200 de una revolución o 1,8 grados, y 200 pulsos harán que el motor gire una revolución.

Por supuesto, los diferentes motores tienen diferentes resoluciones. Los motores paso a paso pueden ser micro-pasados, dándoles muchos miles de pulsos por revolución. Además, los servomotores generalmente tienen muchos miles de pulsos por revolución como su resolución mínima. No importa la resolución del motor, un pulso del controlador o del indexador hace que gire sólo una unidad incremental.

La velocidad de rotación de un motor depende de la frecuencia de los pulsos, o velocidad. Cuanto más rápidos son los pulsos, más rápido gira el motor. En el ejemplo anterior, con un motor que tiene 200 ppr, una frecuencia de 200 pulsos por segundo (pps) haría girar el motor a una rotación por segundo (rps) o 60 rotaciones por minuto (rpm). Cuantos más impulsos se necesiten para que el motor gire una revolución (ppr), más rápido deben enviarse los impulsos para obtener la misma velocidad. Por ejemplo, un motor con 1.000 ppr necesitaría tener los tiempos de frecuencia de pulso tan altos como los de un motor con 200 ppr para ir a las mismas rpm. Las matemáticas son bastante simples:

rps = pps/ppr (rotaciones por segundo = pulsos por segundo/pulsos por rotación)

rpm = rps(60)

Control de los pulsos

La mayoría de los controladores tienen un método para determinar si el motor debe girar en CW o CCW y controlar las señales apropiadamente. En otras palabras, normalmente no se requiere que el programador averigüe qué salidas encender. Por ejemplo, muchos PLC tienen funciones para controlar el movimiento mediante una señal de pulsos, y esa función controla automáticamente las salidas para obtener la dirección de rotación correcta, independientemente de si el controlador está configurado para el modo 1P o 2P.

Considere dos movimientos como un simple ejemplo. Ambos movimientos son 1.000 pulsos. Uno está en la dirección positiva, el otro en la dirección negativa. El controlador enciende las salidas apropiadas, ya sea que se use 1P o 2P, para hacer que el motor gire en la dirección positiva (usualmente CW) cuando el número de pulsos comandados es de 1,000. Por otro lado, si un programa ordena -1.000 pulsos, el controlador enciende las salidas apropiadas para que se muevan en la dirección negativa (generalmente CW). Por lo tanto, no es necesario que el programador controle la dirección de rotación del motor mediante el uso de un código en el programa para seleccionar qué salidas utilizar. El controlador lo hace automáticamente.

Los controladores y conductores generalmente tienen una forma para que los usuarios seleccionen el tipo de pulso, ya sea por medio de un interruptor dip o un ajuste de selección de software. Es importante asegurarse de que el controlador y el driver estén configurados de la misma manera. Si no es así, el funcionamiento puede ser errático o no funcionar en absoluto.

Movimientos absolutos e incrementales

Los dos comandos de movimiento más comunes en la programación de control de movimiento son los comandos de movimiento incrementales y absolutos. El concepto de movimientos absolutos e incrementales confunde a muchos usuarios, independientemente del método de control motor utilizado. Pero esta información se aplica tanto si el motor se controla con pulsos, una señal analógica o una red como Ethernet/IP o Ethercat.

Primero, si un motor tiene un codificador, sus tipos de movimientos no tienen nada que ver con el tipo de codificador. En segundo lugar, los movimientos absolutos e incrementales pueden hacerse tanto si hay un codificador absoluto o incremental como si no hay ningún codificador.

Cuando se utiliza un motor para mover un eje lineal, como un actuador de husillo de bolas, hay (obviamente) una distancia finita entre un extremo del actuador y el otro. En otras palabras, si el carro está en un extremo del actuador, el motor sólo puede girarse para moverse hasta que el carro llegue al extremo opuesto. Esta es la longitud de la carrera. Por ejemplo, en un actuador con 200 mm de recorrido, un extremo del actuador es normalmente la posición "cero" o posición inicial.

Un movimiento absoluto transporta el carro a la posición de mando, independientemente de su posición actual. Por ejemplo, si la posición actual es cero y el movimiento comandado es a 100 mm, el controlador envía suficientes pulsos para mover el actuador hacia adelante hasta la marca y parada de 100 mm.

Pero si la posición actual del actuador fuera de 150 mm, un movimiento absoluto de 100 mm haría que el controlador enviara pulsos en dirección negativa para mover el actuador hacia atrás 50 mm y detenerse en la posición de 100 mm.

Usos prácticos

El problema más común con el uso del control de pulso está en el cableado. Las señales a menudo se cablean accidentalmente en sentido contrario. En el modo 2P, esto significa que la salida de CCW está conectada a la entrada de CW y viceversa. En el modo 1P, significa que la salida de la señal de pulso está conectada a la entrada de dirección, y la salida de la señal de dirección está conectada a la entrada de pulso.

En el modo 2P, este error de cableado hace que el motor gire en CW cuando se le ordena ir en CW y en CW cuando se le ordena ir en CW. En el modo 1P, el problema es más difícil de diagnosticar. Si las señales se intercambian, el controlador envía un tren de pulsos a la entrada de dirección, que no hace nada. También enviaría un cambio de dirección (encender o apagar la señal dependiendo de la dirección) a la entrada de paso, lo que puede hacer que el motor gire un pulso. Un pulso de movimiento suele ser bastante difícil de ver.

El uso del modo 2P facilita la resolución de problemas, y suele ser más fácil de entender para aquellos que no tienen mucha experiencia en este tipo de control del movimiento.

Aquí hay un método para asegurar que se pase el menor tiempo posible en la resolución de problemas de pulso y ejes de dirección. Permite a los ingenieros centrarse en una cosa a la vez. Esto debería evitar que pasen días tratando de averiguar qué error de cableado está impidiendo el movimiento sólo para descubrir que la función de salida de pulso está incorrectamente configurada en el PLC y que nunca estuvo emitiendo pulsos.

1. Determine el modo de pulso que se utilizará y utilice el mismo modo para todos los ejes.

2. Ponga el controlador en el modo adecuado.

3. Ponga la unidad en el modo adecuado.

4. Cree el programa más simple en su controlador (normalmente una función de desplazamiento) para que se pueda ordenar al motor que gire en una dirección o en otra a una velocidad lenta.

5. Comanda un movimiento de CW y observa cualquier estado en el controlador para indicar que se están emitiendo pulsos.

--Podrían ser LEDs en las salidas del controlador o banderas de estado como la bandera de ocupado en el PLC. El contador de salida de pulsos en el controlador también puede ser monitoreado para ver si está cambiando de valor.

--El motor no necesita estar conectado a los pulsos de salida.

6. Repita la prueba en la dirección del CCW.

7. Si la emisión de pulsos en ambas direcciones tiene éxito, sigue adelante. Si no, la programación debe ser calculada primero.

8. Conecta el controlador al conductor.

9. Motor de jogging en una dirección. Si funciona, ve al paso 10. Si no funciona, comprueba el cableado.

10. Ponga en marcha el motor en la dirección opuesta. Si funciona, lo habrás logrado. Si no funciona, comprueba el cableado.

Se han desperdiciado muchas horas en esta primera fase porque la frecuencia del pulso es lo suficientemente baja como para hacer que el motor gire extremadamente despacio, como 1/100 rps. Si la única forma de saber si está funcionando es observando el eje del motor, podría no parecer que se está moviendo a baja velocidad, haciendo creer que no está emitiendo pulsos. Es mejor calcular una velocidad segura basada en la resolución del motor y los parámetros de la aplicación antes de fijar la velocidad para la prueba. Algunos creen que pueden establecer una velocidad utilizable sólo con adivinar. Pero si el motor necesita 10.000 pulsos para girar una revolución, y la frecuencia de los pulsos se fija en 1.000 pps, el motor tardará 10 segundos en mover una revolución. Por el contrario, si el motor necesita 1.000 pulsos para mover una revolución, y la frecuencia de pulso se establece en 1.000, el motor se moverá una revolución por segundo o 60 rpm. Eso puede ser demasiado rápido para la prueba si el motor está unido a una carga como un accionador de husillo de bolas con una distancia de movimiento limitada. Es fundamental observar los indicadores que revelan que se están emitiendo pulsos (LEDs, o contador de pulsos).

Cálculos para la aplicación práctica

Los usuarios a menudo terminan con HMIs que muestran la distancia y la velocidad de la máquina en unidades de pulsos en lugar de unidades de ingeniería como los milímetros. A menudo el programador se apresura a hacer que la máquina funcione y no se toma el tiempo de determinar las unidades de la máquina y convertirlas en unidades de ingeniería. Aquí hay algunos consejos para ayudar con esto.

Si conoces la resolución de paso del motor (pulsos por revolución) y el movimiento realizado por cada revolución del motor (mm), la constante de pulso de mando se calcula como resolución/distancia por revolución, o pulsos por revolución/distancia por revolución.

La constante puede ayudar a encontrar cuántos pulsos se necesitan para mover una distancia específica:

Posición actual (o distancia) = constante del recuento de pulsos/impulsos de mando.

Para convertir las unidades de ingeniería en pulsos, primero hay que determinar la constante que determina el número de pulsos necesarios para un movimiento determinado. Supongamos que en el ejemplo anterior el motor requiere 500 pulsos para girar una revolución y una revolución es de 10 mm. El cálculo de la constante puede hacerse dividiendo 500 (ppr) por 10 (mm p/r). Así que la constante es 500 pulsos/10 mm o 50 pulsos/mm.

Esta constante puede ser utilizada para calcular el número de pulsos necesarios para un movimiento de una distancia determinada. Por ejemplo, para moverse 15 mm, 15 mm × 50 ppm = 750 pulsos.

Para convertir una lectura de contador de pulsos en unidades de ingeniería, simplemente divide el valor del contador de pulsos por la constante de pulsos de comando. Así, si el contador de pulsos lee 6.000, dividido por la constante de pulsos de comando calculada a partir del ejemplo anterior, la posición del actuador sería 6.000 pulsos/50 ppm = 120 mm.

Para ordenar una velocidad en mm y hacer que el controlador calcule la frecuencia adecuada en Hz (pulsos por segundo), primero debe determinarse la constante de velocidad. Esto se hace encontrando la constante de pulso de comando (como se muestra arriba), pero las unidades se cambian. En otras palabras, si el motor emite 500 ppr y el actuador se mueve 10 mm por revolución, entonces si se ordenan 500 pulsos por segundo, el actuador se moverá 10 mm por segundo. Dividiendo 500 pulsos por segundo entre 10 mm por segundo se obtienen 50 pulsos por segundo por mm. Por lo tanto, multiplicando la velocidad del objetivo por 50 resulta la frecuencia de pulso adecuada.

Las fórmulas son las mismas, pero las unidades cambian:

Constante de velocidad en pps = pulsos por revolución/distancia por revolución

Velocidad del pulso (pps) = (constante de velocidad) × velocidad en mm

Usar una configuración que utilice señales de tren de pulsos para controlar el movimiento puede parecer desalentador al principio, sin embargo, prestar mucha atención a los tipos de señales y a los ajustes del controlador y de las unidades al principio puede reducir el tiempo que se dedica a hacer que funcione. Además, si uno se toma el tiempo de hacer algunos cálculos básicos de inmediato, la programación de las velocidades y distancias será más fácil y los operadores de las máquinas tendrán una información más intuitiva en sus HMI.