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#Libros blancos
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Cómo elegir entre codificadores independientes y retroalimentación de motor integrada
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Los diseñadores de sistemas de control de movimiento para robots, equipos de fabricación y maquinaria móvil tienen opciones para proporcionar señales de retroalimentación digital. A continuación, se presentan las alternativas. Este artículo se publicó originalmente en la revista Automation 2021: Control Systems Ebook.
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Codificadores rotativos: la clave del control de movimiento
Los codificadores rotatorios han sido componentes clave en los sistemas de control de movimiento y posición desde los primeros días de los controles digitales, traduciendo el movimiento rotatorio en señales de retroalimentación digital para los sistemas de control.
Los codificadores independientes son dispositivos autónomos con sus propias carcasas y ejes, rodamientos y juntas. Están disponibles en una amplia gama de configuraciones mecánicas y pueden instalarse prácticamente en cualquier lugar de una máquina en el que sea necesario supervisar los movimientos rotativos.
Un enfoque alternativo es utilizar servomotores o motores paso a paso controlados por retroalimentación que combinan la propulsión y la retroalimentación de posición en una sola unidad. En este caso, la retroalimentación integrada del motor la proporciona un "kit" o codificador modular montado en el interior o inmediatamente adyacente a la carcasa del motor, con movimientos rotativos medidos directamente desde el eje de transmisión. Esta puede ser una solución eficaz para los sistemas industriales de control de movimiento accionados por motores eléctricos, ya que reduce la necesidad de transductores de posición independientes.
Hablemos de las ventajas relativas de estos dos tipos de encoders.
Versatilidad de los encoders autónomos
Los encoders autónomos son una solución excelente para las máquinas que utilizan motores primarios no eléctricos, como los neumáticos o los hidráulicos. Dado que los dispositivos autónomos pueden instalarse cerca del extremo operativo de la máquina -no sólo en un motor-, pueden evitar la pérdida de precisión posicional que puede producirse cuando la potencia de un motor se transmite a través de largos trenes de engranajes, correas u otros mecanismos. Los encoders independientes también pueden utilizarse con un conjunto de cables de tracción o una rueda de medición para proporcionar mediciones de movimiento lineal.
Gracias a las numerosas configuraciones mecánicas e interfaces de comunicación disponibles, los diseñadores pueden encontrar con casi total seguridad dispositivos que satisfagan sus necesidades. Por ejemplo, para entornos difíciles, hay codificadores autónomos con carcasas y juntas de alta resistencia que ofrecen grados de protección contra la entrada de hasta IP69k. Estas unidades están protegidas contra el polvo, el agua e incluso las soluciones de limpieza agresivas y los chorros de alta presión que se utilizan en los sistemas de lavado a presión de los equipos de procesamiento de alimentos o productos farmacéuticos.
Simplicidad del encóder de realimentación del motor A diferencia de los encóderes independientes, que se presentan como unidades autónomas, los encóderes "en kit" o modulares están diseñados para incorporarse a la carcasa del motor, o fijarse a ella, y medir el movimiento de rotación directamente desde el eje de transmisión del motor. La integración del codificador de realimentación de posición con el motor elimina la necesidad de un eje de codificador, un rodamiento y una junta independientes, de modo que los codificadores en kit para la realimentación integrada del motor pueden ser más compactos y menos costosos que sus homólogos independientes. Esta disposición también reduce el número de componentes separados en la máquina.
Un servomotor suele ser un motor de corriente continua sin escobillas (BLDC) que lleva incorporado un codificador para la retroalimentación de posición. En este caso, la retroalimentación tiene dos propósitos: supervisar la posición giratoria del eje del motor y proporcionar una señal de conmutación para controlar la corriente que fluye a los devanados del estator del motor.
Los codificadores en kit también pueden utilizarse con motores paso a paso, proporcionando retroalimentación de posición en bucle cerrado. Esto mejora la precisión al eliminar los errores de posicionamiento debidos a los pasos omitidos. (Esto puede convertirse en un problema importante a velocidades más altas, cuando la salida de par de los motores de pasos se reduce y aumenta la probabilidad de que se omitan pasos) Un gran atractivo de los motores paso a paso es su coste relativamente bajo, especialmente si se compara con los servomotores de gama alta. Los económicos encoders incrementales ópticos pueden mejorar la precisión del posicionamiento al verificar que se ha completado un movimiento de paso. Para aplicaciones de control de posición más exigentes, los económicos encoders absolutos magnéticos de varias vueltas pueden ser una mejor opción, ya que proporcionan al controlador una imagen completa de la posición rotativa del eje del motor, incluyendo el número de rotaciones que se han completado.
Tecnologías de medición
Se utilizan varias tecnologías de medición diferentes para los encoders, tanto independientes como en kit. (A veces, los fabricantes ofrecen los mismos componentes de medición tanto en sus codificadores autónomos como en los de kit. En este caso, los productos en kit o modulares son, de hecho, versiones desagregadas de los diseños independientes)
Codificadores ópticos: están disponibles en una gama de configuraciones y niveles de rendimiento. En el extremo superior, los sistemas de medición óptica absoluta de precisión pueden tener precisiones de +/- 0,02 grados y una excelente respuesta dinámica. Son adecuados para servomotores avanzados y aplicaciones de control de posición de precisión
En el otro extremo de la escala de precio/rendimiento, existen codificadores incrementales de bajo coste basados en tecnología de medición óptica. Aunque su precisión es menor, pueden proporcionar información a motores paso a paso de bajo coste.
Aunque los encoders ópticos pueden ofrecer una excelente precisión, sus componentes internos son vulnerables a la contaminación por polvo, aceite y condensación. Además, para lograr la máxima precisión, los discos de codificación y los conjuntos de fotorreceptores deben alinearse con gran precisión, lo que hace que estas unidades sean vulnerables a los golpes y las vibraciones.
Codificadores magnéticos: cuentan con un pequeño imán permanente unido al eje giratorio. El campo magnético de éste se mide mediante un conjunto de sensores de efecto Hall cuya salida es procesada y filtrada por un software que se ejecuta en un diminuto microprocesador integrado en el dispositivo. El resultado es una buena resolución y respuesta dinámica en unidades robustas y compactas (de hasta 22 mm de diámetro).
Los encoders magnéticos pueden instalarse en condiciones normales de fábrica, ya que toleran desalineaciones moderadas entre el eje y el módulo de medición. Además, los codificadores magnéticos están disponibles con capacidad de medición multivuelta, con contadores de rotación alimentados por la tecnología de recolección de energía Wiegand. Esta elegante solución elimina la necesidad de baterías de reserva o el complejo sistema de discos de código que suelen utilizar los codificadores ópticos multivuelta.
Codificadores en kit de eje hueco: Los codificadores en kit descritos anteriormente suelen montarse en el extremo posterior o no motriz del motor (véanse las figuras 2 y 3). En algunos casos, puede ser útil colocar los elementos de medición de la rotación en el extremo de accionamiento de un motor. Los codificadores de eje hueco, que presentan una gran abertura central, pueden instalarse alrededor del eje de transmisión o en otras posiciones del tren de transmisión. Esto puede ser ventajoso cuando el sistema de accionamiento incluye engranajes reductores que amplifican el par. El montaje de un codificador de eje hueco en el extremo de salida de un conjunto de transmisión evitará los errores de posicionamiento causados por la holgura en el tren de engranajes.
Codificadores sin rodamientos: son un concepto relativamente nuevo. Conservan la robusta carcasa de los encoders autónomos, pero con la parte giratoria del sistema de medición (por ejemplo, un imán permanente para los encoders magnéticos) fijada directamente al eje de la máquina anfitriona. Esta disposición elimina los rodamientos y los sellos del eje de los codificadores autónomos convencionales, lo que permite ahorrar espacio y reducir los costes. La carcasa exterior protege los elementos de medición de los daños físicos.
Interfaces de comunicación
Los encoders autónomos están disponibles con una amplia gama de opciones de interfaz de comunicaciones, que van desde conexiones analógicas y digitales punto a punto, pasando por soluciones de bus de campo, hasta sistemas de Ethernet industrial. Esto permite integrar estos dispositivos en una amplia variedad de sistemas de control, desde simples controles de movimiento de un eje hasta complejos sistemas de automatización de fabricación multiparamétricos. Los codificadores con interfaces de comunicación avanzadas también pueden presentar capacidades de autodiagnóstico que simplifican el mantenimiento y la resolución de problemas.
Los sistemas de control de motores integrados (servomotores, motores paso a paso controlados por realimentación) suelen requerir controles en tiempo real. Por este motivo, estos sistemas suelen utilizar diseños de cableado punto a punto (motor a controlador) que evitan los retrasos de latencia que pueden producirse en los sistemas de bus de campo o Ethernet, donde los canales de comunicación son compartidos por varios dispositivos. Existen varios protocolos de comunicación patentados, pero para muchos usuarios, los conjuntos de protocolos de código abierto SSI y BiSS ofrecen una solución fiable y rentable.
SSI (Serial Synchronous Interface) y BiSS (Bidirectional Serial Synchronous) son interfaces digitales que permiten la comunicación directa entre motores y PLCs u otros controladores. Las conexiones SSI ofrecen buena velocidad (velocidades de reloj de hasta 2 MHz), alta resolución, cableado flexible y comunicación fiable hasta unos cientos de metros (aunque las velocidades de transmisión se reducen para distancias mayores). Los protocolos SSI ofrecen detección básica de errores (rotura de cable, cortocircuito, consistencia de datos). BiSS es una versión avanzada de SSI que admite comunicaciones en tiempo real entre dispositivos de control y sensores/actuadores en servomotores, robots y otros sistemas de automatización. La interfaz también permite al controlador establecer parámetros operativos en los dispositivos esclavos. Existen varias variantes de BiSS, entre ellas BiSS C (comunicaciones continuas) y BiSS Line (diseñada para configuraciones que combinan el suministro de energía y la transmisión de datos en un solo cable). Los estándares de interfaz SSI y BiSS, de código abierto, no están sujetos a derechos de propiedad intelectual, y las licencias son gratuitas.
Las comunicaciones SSI y BiSS utilizan conexiones punto a punto, normalmente RS-422. Se pueden conectar varios dispositivos en cadena para conseguir un tendido de cables más eficiente.
Este artículo se publicó originalmente en la revista Automation 2021: Ebook de Sistemas de Control.
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