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Consejos para elegir sistemas de posicionamiento lineal de alta precisión: Parte 3
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Diseño de etapas, accionamientos y codificadores.
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Los componentes que conforman su sistema de posicionamiento de alta precisión -rodamientos, sistema de medición de posición, sistema de motor y accionamiento, y controlador- deben funcionar juntos lo mejor posible. La parte 1 trata de la base del sistema y los rodamientos. La parte 2 trató sobre la medición de la posición. En esta parte, tratamos el diseño de la etapa, el accionamiento y el codificador, el amplificador de accionamiento y los controladores.
Los tres métodos más utilizados para montar etapas lineales cuando se utilizan encoders lineales:
- El accionamiento y el codificador se sitúan en el centro de masa del carro o lo más cerca posible de él.
- El accionamiento se sitúa en el centro de masa; el codificador se acopla a un lado.
- El accionamiento se sitúa en un lado; el codificador, en el otro.
El sistema ideal tiene el accionamiento en el centro de la masa del carro con el codificador. Sin embargo, esto no suele ser práctico. El compromiso habitual consiste en situar el accionamiento ligeramente a un lado; el codificador, ligeramente al otro. Esto proporciona una buena aproximación a un accionamiento central con la retroalimentación de movimiento junto al sistema de accionamiento. Los accionamientos centrales son preferibles porque la fuerza de accionamiento no introduce vectores de fuerza no deseados en la corredera que provoquen torsión o amartillamiento. Debido a que el sistema de cojinetes restringe fuertemente la corredera, el amartillamiento produciría un aumento de la fricción, el desgaste y la inexactitud de la posición de la carga.
Un método alternativo utiliza un sistema tipo pórtico con dos accionamientos, uno a cada lado de la corredera. La fuerza de accionamiento resultante emula un accionamiento central. Con este método, se puede ubicar la retroalimentación de posición en el centro. Si esto es imposible, puede ubicar codificadores en cada lado y controlar la mesa con un software especial de accionamiento de pórtico.
Amplificador de accionamiento
Los amplificadores de accionamiento del servo reciben las señales de control, normalmente ±10 Vdc, del controlador y proporcionan la tensión de funcionamiento y la salida de corriente al motor. En general, hay dos tipos de amplificadores de potencia: el amplificador lineal y el amplificador de ancho de pulso modulado (PWM).
Los amplificadores lineales son ineficientes y, por tanto, se utilizan principalmente en accionamientos de baja potencia. Las principales limitaciones en la capacidad de manejo de la potencia de salida de un amplificador lineal son las características térmicas de la etapa de salida y las características de ruptura de los transistores de salida. La disipación de potencia de la etapa de salida es el producto de la corriente y la tensión en los transistores de salida. Los amplificadores PWM, por el contrario, son eficientes y suelen utilizarse para potencias superiores a 100 W. Estos amplificadores conmutan la tensión de salida a frecuencias de hasta 50 MHz. El valor medio de la tensión de salida es proporcional a la tensión de mando. La ventaja de este tipo es que la tensión se enciende y se apaga, lo que aumenta considerablemente la capacidad de disipación de energía.
Una vez elegido el tipo de amplificador, el siguiente paso es asegurarse de que el amplificador puede proporcionar la corriente continua y la tensión de salida en los niveles requeridos para la velocidad máxima de rotación del motor (o la velocidad lineal para los motores lineales) de la aplicación.
En el caso de los motores lineales sin escobillas, se puede hacer otra distinción entre amplificadores. En general, se utilizan dos tipos de conmutación del motor: trapezoidal y sinusoidal. La conmutación trapezoidal es un tipo de conmutación digital en la que la corriente de cada una de las tres fases se conecta o desconecta. Los sensores de efecto Hall implantados en el motor suelen hacerlo. Los imanes externos activan los sensores. Sin embargo, la relación entre los sensores de efecto Hall, los devanados de la bobina y los imanes es crítica y siempre implica una pequeña tolerancia de posición. Por lo tanto, el tiempo de respuesta de los sensores siempre se produce ligeramente fuera de fase con las verdaderas posiciones de la bobina y del imán. Esto conduce a una ligera variación en la aplicación de la corriente a las bobinas, lo que provoca una vibración inevitable.
La conmutación trapezoidal es menos adecuada para aplicaciones de exploración muy precisas y de velocidad constante. Sin embargo, es menos costosa que la conmutación sinusoidal, por lo que se utiliza mucho en sistemas de alta velocidad, punto a punto o en sistemas en los que la suavidad del movimiento no afecta al procesamiento.
Con la conmutación sinusoidal, no se produce la conmutación On-Off. Más bien, mediante la conmutación electrónica, el desplazamiento de fase de la corriente de 360 grados de las tres fases se modula en un patrón sinusoidal. El resultado es una fuerza suave y constante del motor. La conmutación sinusoidal es, por tanto, muy adecuada para realizar contornos de precisión y para aplicaciones que requieren una velocidad constante y precisa, como los usos de escaneo y visión.
Controladores
Hay más clases de controladores de las que podemos hablar aquí adecuadamente. Básicamente, los controladores pueden dividirse en varias categorías según el lenguaje de programación y la lógica de control.
Los controladores lógicos programables (PLC) utilizan un esquema de lógica de "escalera". Se utilizan principalmente para controlar múltiples funciones discretas de entrada/salida (E/S), aunque algunos ofrecen capacidades limitadas de control de movimiento.
Los sistemas de control numérico (CN) se programan mediante un lenguaje estándar de la industria, el RS274D o una variante. Pueden realizar movimientos complejos, como formas esféricas y helicoidales, con control de múltiples ejes.
Los sistemas que no son de control numérico utilizan una variedad de sistemas operativos propios que incluyen programas de interfaz fáciles de usar para los perfiles de movimiento básicos. La mayoría de estos controladores consisten en un módulo controlador básico sin monitor ni teclado. El controlador se comunica con un anfitrión a través de un puerto RS- 232. El anfitrión puede ser un ordenador personal (PC). El host puede ser un ordenador personal (PC), un terminal tonto o una unidad de comunicaciones portátil.
Casi todos los controladores actuales son digitales. Proporcionan un nivel de fiabilidad y facilidad de uso que era inaudito en los controladores analógicos. La información de realimentación de la velocidad suele derivarse de la señal de posición del eje. Todos los parámetros del servo se ajustan a través del software en lugar de ajustar laboriosamente los "potenciómetros" del amplificador de accionamiento, que tienden a desviarse después del uso y con los cambios de temperatura. La mayoría de los controladores modernos también ofrecen un ajuste automático de todos los parámetros del servo del eje.
Los controladores más avanzados también incluyen procesamiento distribuido y control de ejes por procesador de señales digitales (DSP). Un DSP es, en esencia, un procesador especialmente diseñado para realizar cálculos matemáticos con gran rapidez (al menos diez veces más rápido que un microprocesador). Esto puede proporcionar tiempos de muestreo del servo del orden de 125 mseg. La ventaja es un control preciso del eje para un control de velocidad constante y un contorno suave.
Un algoritmo de filtro Proporcional-Integral-Derivativo (PID) y la alimentación de velocidad y aceleración mejoran el servocontrol del eje. Además, la programación de la curva S de los perfiles de aceleración y desaceleración controla las sacudidas que suelen producirse al iniciar y detener el movimiento de la mesa. De este modo, se consigue un funcionamiento más suave y controlado, lo que conlleva tiempos de estabilización más rápidos tanto para la posición como para la velocidad.
Los controladores también incluyen amplias capacidades de entrada/salida digital o analógica. El programa de usuario o la subrutina pueden modificarse en función de la información de posición, tiempo o estado, los valores de las variables, las operaciones matemáticas, los eventos de E/S externos o internos, o las interrupciones por error. El proceso del usuario puede ser fácilmente automatizado.
Además, la mayoría de los controladores pueden aumentar la resolución de la retroalimentación de posición mediante la multiplicación electrónica. Aunque la multiplicación de 4× es común, algunos controladores avanzados pueden multiplicar hasta 256×. Aunque esto no proporciona ninguna mejora en la precisión, sí supone un aumento real en la estabilidad de la posición del eje y, lo que es más importante en muchos usos, en la repetibilidad.
En su enfoque general, además de los factores mencionados anteriormente, debe considerar otros factores que pueden modificar las decisiones sobre los componentes, como el presupuesto, el entorno, la esperanza de vida, la facilidad de mantenimiento, el MTBF y las preferencias del usuario final. El enfoque modular permite ensamblar el sistema a partir de componentes estándar, fácilmente disponibles, que cumplirán incluso los requisitos de las aplicaciones más exigentes si se analiza un sistema desde la base para la compatibilidad general de los componentes.