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

Utilizar señales de impulsos de un PLC es una forma rentable de lograr movimientos sencillos. 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 impulsos. Por lo tanto, cuando se necesita automatizar una máquina simple en solo dos o tres ejes con actuadores eléctricos, las señales de impulsos son mucho más fáciles de configurar, cablear y programar que las señales analógicas. Además, pueden resultar más económicas que el uso de control de movimiento en red, como Ethernet/IP.

Así pues, vamos a analizar cómo controlar un motor paso a paso o un servomotor con un controlador o amplificador entre el controlador y el motor, haciendo hincapié en las señales de pulso utilizadas desde el controlador o indexador.

Conceptos básicos del tren pulsado

Los motores paso a paso y los servomotores controlados por impulsos pueden girar en ambas direcciones. Esto significa que un controlador debe proporcionar, como mínimo, dos señales de control al variador. Existen dos maneras de proporcionar estas señales, y los distintos fabricantes las denominan de forma diferente. Hay dos formas comunes de referirse a los dos esquemas de señales de control que se utilizan: el modo "1P", también conocido como "modo paso/dirección", y el modo "2P", denominado "modo CW/CCW" o modo en sentido 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 se aplica a la misma entrada, independientemente de la dirección de giro deseada.

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

Los pulsos que emite el controlador hacen girar el motor. El motor gira una unidad incremental por cada pulso que recibe en la entrada de pulsos del variador. Por ejemplo, si un motor paso a paso bifásico tiene 200 pulsos por revolución (ppr), un pulso hace girar el motor 1/200 de revolución, es decir, 1,8 grados, y 200 pulsos harán girar el motor una revolución completa.

Por supuesto, los distintos motores tienen resoluciones diferentes. Los motores paso a paso pueden funcionar con micropasos, lo que les proporciona miles de pulsos por revolución. Además, los servomotores generalmente tienen miles de pulsos por revolución como resolución mínima. Independientemente de la resolución del motor, un pulso del controlador o del indexador hace que gire 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 revolución (ppr), una frecuencia de 200 pulsos por segundo (pps) haría girar el motor a una revolución por segundo (rps) o 60 revoluciones por minuto (rpm). Cuantos más pulsos se necesiten para que el motor gire una revolución (ppr), más rápido deberán enviarse los pulsos para obtener la misma velocidad. Por ejemplo, un motor de 1000 ppr necesitaría una frecuencia de pulsos mucho mayor que la de un motor de 200 ppr para alcanzar las mismas rpm. La fórmula es bastante sencilla:

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

rpm = rps(60)

Controlar los pulsos

La mayoría de los controladores disponen de un método para determinar si el motor debe girar en sentido horario o antihorario, y controlan las señales adecuadamente. En otras palabras, normalmente no es necesario que el programador determine qué salidas activar. Por ejemplo, muchos PLC cuentan con funciones para controlar el movimiento mediante una señal de pulso, y dicha función controla automáticamente las salidas para obtener la dirección de rotación correcta, independientemente de si el controlador está configurado en modo monofásico (1P) o bifásico (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 sea 1P o 2P, para que el motor gire en sentido positivo (normalmente en sentido horario) cuando se ordenan 1000 pulsos. Por otro lado, si un programa ordena -1000 pulsos, el controlador activa las salidas correspondientes para que el motor gire en sentido negativo (normalmente en sentido 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 generalmente permiten al usuario seleccionar el tipo de pulso, ya sea mediante un interruptor DIP o una configuración de software. Es importante asegurarse de que el controlador y el driver estén configurados de la misma manera. De lo contrario, el funcionamiento podría ser errático o directamente no funcionar.

Movimientos absolutos e incrementales

En la programación de control de movimiento, los dos comandos de movimiento más comunes son el movimiento incremental y el absoluto. El concepto de movimiento absoluto e incremental suele confundir a muchos usuarios, independientemente del método de control del motor utilizado. Sin embargo, esta información se aplica 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 movimientos 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 si no hay 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 carrera. Por ejemplo, en un actuador con un recorrido de 200 mm, un extremo del actuador suele ser la posición inicial o de reposo.

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

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 detenerse en la posición de 100 mm.

Usos prácticos

El problema más común al usar el control por pulsos radica en el cableado. Las señales a menudo se conectan accidentalmente al revés. En el modo 2P, esto significa que la salida en sentido antihorario (CCW) se conecta a la entrada en sentido horario (CW) y viceversa. En el modo 1P, significa que la salida de la señal de pulso se conecta a la entrada de dirección, y la salida de la señal de dirección se conecta a la entrada de pulso.

En el modo 2P, este error de cableado provoca que el motor gire en sentido horario cuando se le ordena girar en sentido antihorario y en sentido antihorario cuando se le ordena girar en sentido horario. En el modo 1P, el problema es más difícil de diagnosticar. Si las señales están invertidas, el controlador envía un tren de pulsos a la entrada de dirección, lo cual no tiene 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 un pulso. Un solo pulso de movimiento suele ser bastante difícil de detectar.

El uso del modo 2P facilita la resolución de problemas y, por lo general, resulta 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 la resolución de problemas de los ejes de pulso y dirección. Permite a los ingenieros centrarse en una sola cosa a la vez. Esto evitará que pases días intentando averiguar qué error de cableado impide el movimiento, solo para descubrir que la función de salida de pulso está mal configurada en el PLC y que nunca se estaban emitiendo pulsos.

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

2. Configure el controlador en el modo adecuado.

3. Configure la unidad en el modo adecuado.

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

5. Ordene un movimiento en sentido horario y observe si el controlador muestra algún estado que indique que se están emitiendo pulsos.

Esto podría incluir indicadores LED en las salidas del controlador o indicadores de estado como el indicador de ocupado en el PLC. También se puede monitorear el contador de salida de pulsos del controlador para observar si su valor cambia.

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

6. Repita la prueba en sentido antihorario.

7. Si la emisión de pulsos en ambas direcciones es exitosa, continúe. De lo contrario, primero deberá resolver el problema de programación.

8. Conecte el controlador al driver.

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

10. Mueva el motor en sentido contrario. 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 demasiado baja para que el motor gire extremadamente lento, a una velocidad de aproximadamente 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 lleva a creer 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 ajustar la velocidad para la prueba. Algunos creen que pueden establecer una velocidad útil simplemente adivinando. Pero si el motor necesita 10 000 pulsos para girar una revolución y la frecuencia de pulsos se establece en 1000 pps, el motor tardará 10 segundos en girar una revolución. Por el contrario, si el motor necesita 1000 pulsos para girar una revolución y la frecuencia de pulsos se establece 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 observar los indicadores que muestran que se están emitiendo pulsos (LEDs o contador de pulsos).

Cálculos para aplicación práctica

Los usuarios suelen encontrarse 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, con prisas por poner en marcha la máquina, no se toma el tiempo necesario para determinar las unidades de la máquina y convertirlas a unidades de ingeniería. A continuación, se ofrecen algunos consejos para solucionar este problema.

Si se conoce la resolución de paso del motor (pulsos por revolución) y el desplazamiento 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 se necesitan para recorrer una distancia específica:

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

Para convertir unidades de ingeniería a pulsos, primero determine la constante que define la cantidad de pulsos necesarios para un movimiento determinado. Supongamos que, en el ejemplo anterior, el motor requiere 500 pulsos para girar una revolución, y que una revolución equivale a 10 mm. La constante se calcula dividiendo 500 pulsos por revolución (ppr) entre 10 mm por revolución (mm p/r). 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 recorrer una distancia determinada. Por ejemplo, para recorrer 15 mm, se necesitan 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 de pulsos entre la constante de pulsos de comando. Por lo tanto, si el contador de pulsos marca 6000, al dividirlo entre la constante de pulsos de comando calculada en el ejemplo anterior, la posición del actuador sería de 6000 pulsos / 50 ppm = 120 mm.

Para controlar 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 calculando la constante de pulso de comando (como se muestra arriba), pero con las unidades cambiadas. En otras palabras, si el motor genera 500 pulsos por revolución 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 obtiene 50 pulsos por segundo por mm. Por lo tanto, multiplicando la velocidad objetivo por 50 se obtiene 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 de pulso (pps) = (velocidad constante) × 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 principio puede reducir el tiempo necesario para su correcto funcionamiento. Además, si se realizan algunos cálculos básicos de inmediato, programar las velocidades y distancias será más sencillo y los operarios de la máquina dispondrán de información más intuitiva en sus interfaces hombre-máquina (HMI).