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

Utilizar salidas de pulsos de un PLC es una forma rentable de obtener movimientos simples. La mayoría de los fabricantes de PLC, si no todos, ofrecen la posibilidad de controlar servomotores y motores paso a paso mediante una señal de tren de pulsos. Por lo tanto, cuando se necesita automatizar una máquina simple en solo dos o tres ejes con actuadores eléctricos, las salidas de pulsos pueden ser mucho más fáciles de configurar, cablear y programar que las señales analógicas. Además, puede resultar más económico que utilizar sistemas de control de movimiento en red como Ethernet/IP.

Veamos entonces cómo controlar un motor paso a paso o servo con un controlador o amplificador entre el controlador y el motor, haciendo hincapié en las señales de pulso utilizadas desde el controlador o indexador.

Fundamentos del tren de pulso

Los motores paso a paso y los servomotores controlados por pulsos pueden girar en ambos sentidos. Esto significa que un controlador debe proporcionar, como mínimo, dos señales de control al variador. Existen dos maneras de proporcionar estas señales, y cada fabricante las denomina de forma diferente. Hay dos formas comunes de referirse a los dos esquemas de señales de control que se utilizan: «modo 1P», también conocido como «modo Paso/Dirección», y «modo 2P», que se denomina «modo CW/CCW» o modo horario/antihorario. Ambos modos requieren dos señales de control del controlador al variador.

En el modo 1P, una señal de control es un tren de pulsos o señal de paso. La otra señal es una entrada direccional. Si la entrada direccional está activada y hay una señal de pulso en la entrada de paso, el motor gira en sentido horario. Por el contrario, si la señal direccional está desactivada y hay una señal de pulso en la entrada de paso, el motor gira en sentido antihorario. El tren de pulsos siempre está en la misma entrada, independientemente de la dirección deseada.

En el modo 2P, ambas señales son un tren de pulsos. Solo una entrada a la vez tendrá frecuencia; por lo tanto, si está presente el tren de pulsos en sentido horario (CW), el motor gira en sentido horario. Si está presente el tren de pulsos en sentido antihorario (CCW), el motor gira en sentido antihorario. La entrada que recibe el tren de pulsos depende de la dirección deseada.

Los pulsos emitidos por el controlador hacen girar el motor. El motor gira una unidad incremental por cada pulso en la entrada del variador. Por ejemplo, si un motor paso a paso bifásico 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 completa.

Por supuesto, los distintos motores tienen resoluciones diferentes. Los motores paso a paso pueden ser de micropasos, lo que les permite generar miles de pulsos por revolución. Asimismo, los servomotores suelen tener una resolución mínima de miles de pulsos por revolución. Independientemente de la resolución del motor, un pulso del controlador o indexador lo hace girar solo una unidad incremental.

La velocidad de rotación de un motor depende de la frecuencia o velocidad de los pulsos. Cuanto más rápidos sean los pulsos, más rápido girará el motor. En el ejemplo anterior, con un motor de 200 pulsos por segundo (ppr), una frecuencia de 200 pulsos por segundo (pps) haría girar el motor a una rotación por segundo (rps) o 60 revoluciones por minuto (rpm). Cuantos más pulsos se necesiten para que el motor complete una revolución (ppr), mayor deberá ser la frecuencia de los pulsos para obtener la misma velocidad. Por ejemplo, un motor con 1000 ppr necesitaría una frecuencia de pulsos varias veces mayor que la de un motor con 200 ppr para alcanzar las mismas rpm. El cálculo es bastante sencillo:

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

rpm = rps(60)

Controlando los pulsos

La mayoría de los controladores cuentan con un método para determinar si el motor debe girar en sentido horario o antihorario y ajustan las señales en consecuencia. En otras palabras, normalmente no es necesario que el programador determine qué salidas activar. Por ejemplo, muchos PLC incluyen funciones para controlar el movimiento mediante una señal de pulso, y esta función controla automáticamente las salidas para obtener el sentido de giro correcto, independientemente de si el controlador está configurado en modo 1P o 2P.

Consideremos dos movimientos como ejemplo sencillo. Ambos movimientos constan de 1000 pulsos. Uno es en sentido positivo y el otro en sentido negativo. El controlador activa las salidas correspondientes, ya sean monofásicas (1P) o bifásicas (2P), para que el motor gire en sentido positivo (normalmente horario) cuando el número de pulsos indicado es 1000. En cambio, si el programa indica -1000 pulsos, el controlador activa las salidas correspondientes para que el motor gire en sentido negativo (normalmente antihorario). Por lo tanto, no es necesario que el programador controle el sentido de giro del motor mediante código para seleccionar las salidas a utilizar. El controlador lo hace automáticamente.

Los controladores y drivers suelen permitir a los usuarios seleccionar el tipo de pulso, ya sea mediante un interruptor DIP o a través de la configuración del software. Es fundamental asegurarse de que el controlador y el driver estén configurados de la misma manera. De lo contrario, el funcionamiento podría ser errático o incluso inoperativo.

Movimientos absolutos e incrementales

Los dos comandos de movimiento más comunes en la programación de control de movimiento son los de movimiento incremental y absoluto. El concepto de movimientos absolutos e incrementales confunde a muchos usuarios, independientemente del método de control del motor que utilicen. Sin embargo, esta información es aplicable tanto si el motor se controla mediante pulsos, una señal analógica o una red como Ethernet/IP o EtherCAT.

En primer lugar, si un motor tiene un codificador, sus tipos de movimiento no dependen del tipo de codificador. En segundo lugar, se pueden realizar movimientos absolutos e incrementales independientemente de si hay un codificador absoluto, incremental o ninguno.

Al utilizar un motor para mover un eje lineal, como un actuador de husillo de bolas, existe (obviamente) una distancia finita entre un extremo del actuador y el otro. En otras palabras, si el carro se encuentra en un extremo del actuador, el motor solo puede girar hasta que el carro alcance el extremo opuesto. Esta es la longitud de la carrera. Por ejemplo, en un actuador con 200 mm de recorrido, un extremo del actuador suele ser la posición inicial o de reposo.

Un movimiento absoluto transporta el carro a la posición indicada, independientemente de su posición actual. Por ejemplo, si la posición actual es cero y el movimiento indicado es a 100 mm, el controlador envía los pulsos necesarios para que el actuador avance hasta la marca de 100 mm y se detenga.

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

Usos prácticos

El problema más común al usar el control por pulsos radica en el cableado. A menudo, las señales se conectan accidentalmente al revés. En el modo 2P, esto significa que la salida CCW está conectada a la entrada 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 modo 2P, este error de cableado provoca que el motor gire en sentido horario cuando se le ordena girar en sentido antihorario y viceversa. En modo 1P, el problema es más difícil de diagnosticar. Si las señales están invertidas, el controlador envía una secuencia de pulsos a la entrada de dirección, lo cual no tiene ningún efecto. También enviaría un cambio de dirección (activando o desactivando la señal según la dirección) a la entrada de paso, lo que podría provocar que el motor gire brevemente. Un solo pulso de movimiento suele ser bastante difícil de percibir.

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 de movimiento.

Aquí tienes un método para minimizar el tiempo dedicado a solucionar problemas con los ejes de pulsos y dirección. Permite a los ingenieros centrarse en una sola cosa a la vez. Esto debería evitar que pases días intentando averiguar qué error de cableado impide el movimiento, solo para descubrir que la función de salida de pulsos está mal configurada en el PLC y que nunca se estaban emitiendo pulsos.

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

2. Configure el controlador en el modo adecuado.

3. Configure el variador en el modo adecuado.

4. Cree el programa más sencillo en su controlador (normalmente una función de avance lento) para que se pueda ordenar al motor que gire en una dirección u otra a baja velocidad.

5. Ordene un movimiento CW y observe si hay algún estado en el controlador que indique que se están emitiendo pulsos.

Esto podría representarse mediante LEDs en las salidas del controlador o indicadores de estado como el indicador de ocupado en el PLC. También se puede monitorizar el contador de salida de pulsos del controlador para comprobar si su valor cambia.

–El motor no necesita estar conectado a pulsos de salida.

6. Repita la prueba en sentido antihorario.

7. Si se consigue generar pulsos en ambas direcciones, continúe. Si no, primero hay que resolver el problema de programación.

8. Conecte el controlador al controlador.

9. Haga girar el motor en una dirección. Si funciona, pase al paso 10. Si no funciona, revise el cableado.

10. Haga girar el motor en la dirección opuesta. Si funciona, lo ha conseguido. Si no funciona, revise el cableado.

Se han perdido muchas horas en esta primera fase porque la frecuencia de pulsos es tan baja que el motor gira extremadamente despacio, a unas 1/100 rps. Si la única forma de saber si está funcionando es observando el eje del motor, puede que no parezca que se mueve a baja velocidad, lo que podría llevar a pensar que no está generando pulsos. Lo mejor es calcular una velocidad segura en función de la resolución del motor y los parámetros de la aplicación antes de configurarla para la prueba. Algunos creen que pueden establecer una velocidad útil simplemente adivinando. Pero si el motor necesita 10 000 pulsos para completar una revolución y la frecuencia de pulsos está configurada en 1000 pps, el motor tardará 10 segundos en completar una revolución. Por el contrario, si el motor necesita 1000 pulsos para completar una revolución y la frecuencia de pulsos está configurada en 1000, el motor girará una revolución por segundo, o 60 rpm. Esto puede ser demasiado rápido para la prueba si el motor está conectado a una carga, como un actuador de husillo de bolas con un recorrido limitado. Es fundamental vigilar los indicadores que revelan que se están emitiendo pulsos (LED o contador de pulsos).

Cálculos para su aplicación práctica

Los usuarios suelen terminar con interfaces hombre-máquina (HMI) que muestran la distancia y la velocidad de la máquina en pulsos en lugar de unidades de ingeniería como milímetros. A menudo, el programador tiene prisa por poner la máquina en funcionamiento y no se detiene a determinar las unidades de la máquina ni a convertirlas a unidades de ingeniería. Aquí hay algunos consejos para solucionar esto.

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

La constante puede ayudar a determinar cuántos pulsos son necesarios para recorrer una distancia específica:

Posición actual (o distancia) = recuento de pulsos/pulsos de comando constante.

Para convertir unidades de ingeniería a pulsos, primero se determina la constante que define el número de pulsos necesarios para un movimiento dado. Supongamos que, en el ejemplo anterior, el motor requiere 500 pulsos para completar una revolución y que una revolución equivale a 10 mm. La constante se calcula dividiendo 500 (pulsos por revolución) entre 10 (mm por revolución). Por lo tanto, la constante es 500 pulsos/10 mm, o 50 pulsos/mm.

Esta constante se puede utilizar 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 la lectura de un contador de pulsos a unidades de ingeniería, simplemente divida el valor del contador por la constante de pulsos de comando. Por lo tanto, si el contador de pulsos marca 6000, al dividirlo por la constante de pulsos de comando calculada en el ejemplo anterior, la posición del actuador sería 6000 pulsos / 50 ppm = 120 mm.

Para programar una velocidad en mm y que el controlador calcule la frecuencia adecuada en Hz (pulsos por segundo), primero se debe determinar la constante de velocidad. Esto se logra hallando la constante de pulsos de control (como se muestra arriba), pero con las unidades cambiadas. En otras palabras, si el motor genera 500 pulsos por revolución (ppr) y el actuador se mueve 10 mm por revolución, entonces, si se programan 500 pulsos por segundo, el actuador se moverá 10 mm por segundo. Dividiendo 500 pulsos por segundo entre 10 mm por segundo se obtiene 50 pulsos por segundo por mm. Por lo tanto, al multiplicar la velocidad objetivo por 50 se obtiene la frecuencia de pulsos adecuada.

Las fórmulas son las mismas, pero las unidades cambian:

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

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

Utilizar un sistema que emplea señales de tren de pulsos para controlar el movimiento puede parecer complejo al principio; sin embargo, prestar atención a los tipos de señal y a la configuración del controlador y los variadores desde el inicio puede reducir el tiempo necesario para su puesta en marcha. Además, si se realizan algunos cálculos básicos desde el principio, programar las velocidades y las distancias será más sencillo y los operarios de la máquina dispondrán de información más intuitiva en sus interfaces hombre-máquina (HMI).