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

Usar las salidas de pulsos de un PLC es una forma rentable de obtener movimiento simple. La mayoría de los fabricantes de PLC, si no todos, ofrecen una forma de controlar servos 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 usar señales analógicas. Además, pueden ser más económicas que usar sistemas de movimiento en red como Ethernet/IP.

Ahora echemos un vistazo al control de un motor paso a paso o un servo con un controlador o amplificador entre el controlador y el motor, con 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 de servomotores controladas por pulsos pueden girar en ambas direcciones. Esto significa que un controlador debe proporcionar, como mínimo, dos señales de control al variador. Hay dos maneras de proporcionar estas señales, y cada fabricante las denomina de forma distinta. Hay dos maneras 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", también conocido como "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 pulsada en la entrada de paso, el motor gira en sentido horario. Por el contrario, si la señal de dirección está desactivada y hay una señal pulsada en la entrada de paso, el motor gira en sentido contrario, es decir, 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 el tren de pulsos está presente en sentido horario, el motor gira en sentido horario. Si el tren de pulsos está presente en sentido antihorario, 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 que el motor se mueva. El motor gira una unidad incremental por cada pulso 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 que el motor gire 1/200 de revolución o 1,8 grados, y 200 pulsos hacen que el motor gire una revolución.

Por supuesto, cada motor tiene una resolución diferente. Los motores paso a paso pueden ser micropasos, lo que les otorga miles de pulsos por revolución. Además, 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 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 pulsos se necesiten para girar el motor una revolución (ppr), más rápidos deberán enviarse para obtener la misma velocidad. Por ejemplo, un motor de 1000 ppr necesitaría una frecuencia de pulsos varias veces mayor que la de un motor de 200 ppr para alcanzar las mismas rpm. El cálculo es bastante simple:

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 controlarán las señales adecuadamente. En otras palabras, normalmente no es necesario que el programador determine qué salidas activar. Por ejemplo, muchos PLC tienen funciones para controlar el movimiento mediante una señal de pulso, y esa función controla automáticamente las salidas para obtener la dirección de rotación correcta, independientemente de si el controlador está configurado en modo 1P o 2P.

Consideremos dos movimientos como ejemplo simple. Ambos movimientos son de 1000 pulsos. Uno es positivo y el otro 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 el número de pulsos comandado es 1000. Por otro lado, si un programa comanda -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 rotación del motor mediante código en el programa para seleccionar las salidas. El controlador lo hace automáticamente.

Los controladores y controladores generalmente permiten a los usuarios 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 controlador estén configurados de la misma manera. De lo contrario, el funcionamiento podría ser errático o incluso inoperante.

Movimientos absolutos e incrementales

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

En primer lugar, si un motor tiene un encoder, sus tipos de movimientos no tienen nada que ver con el tipo de encoder. En segundo lugar, los movimientos absolutos e incrementales pueden realizarse independientemente de si hay un encoder absoluto o 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 está 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 200 mm de recorrido, un extremo del actuador suele ser la posición "cero" o inicial.

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

Pero si la posición actual del actuador era 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 al usar el control de pulsos radica en el cableado. Las señales suelen conectarse invertidas accidentalmente. En el modo 2P, esto significa que la salida CCW se conecta a la entrada CW y viceversa. En el modo 1P, esto significa que la salida de la señal de pulso se conecta a la entrada de dirección, y esta a la entrada de pulso.

En el modo 2P, este error de cableado hace que el motor gire en sentido horario cuando se le ordena ir en sentido antihorario y en sentido antihorario cuando se le ordena ir en sentido horario. En el modo 1P, el problema es más difícil de diagnosticar. Si se intercambian las señales, el controlador envía un tren de pulsos a la entrada de dirección, que 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 puede provocar que el motor gire un pulso. Un pulso de movimiento suele ser bastante difícil de detectar.

El uso del modo 2P facilita la resolución de problemas y, por lo general, es más fácil de entender para aquellos sin 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 pulsos y dirección. Esto permite a los ingenieros centrarse en una sola tarea 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 configurada incorrectamente en el PLC y que nunca se emitían 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 la unidad en el modo adecuado.

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

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

Estos pueden ser LED en las salidas del controlador o indicadores de estado, como el indicador de ocupado del PLC. El contador de salida de pulsos del controlador también se puede monitorear para ver si su valor cambia.

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

6. Repita la prueba en dirección antihorario.

7. Si la salida de pulsos en ambas direcciones funciona correctamente, continúe. De lo contrario, primero debe definir la programación.

8. Conecte el controlador al controlador.

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

10. Gire el motor en sentido contrario. Si funciona, lo ha logrado. Si no funciona, revise el cableado.

Se han desperdiciado muchas horas en esta primera fase porque la frecuencia de pulso es lo suficientemente baja como para que el motor gire extremadamente lento, como 1/100 rps. Si la única forma de saber si está funcionando es observando el eje del motor, podría parecer que no se mueve a baja velocidad, lo que llevaría a pensar que no está generando pulsos. Es mejor calcular una velocidad segura basándose en la resolución del motor y los parámetros de la aplicación antes de establecer la velocidad para la prueba. Algunos creen que pueden establecer una velocidad utilizable simplemente con una estimación. Pero si el motor necesita 10,000 pulsos para girar una revolución y la frecuencia de pulso está establecida en 1,000 pps, el motor tardará 10 segundos en completar una revolución. Por el contrario, si el motor necesita 1,000 pulsos para girar una revolución y la frecuencia de pulso está establecida en 1,000, el motor se moverá a una revolución por segundo o 60 rpm. Esto podría ser demasiado rápido para la prueba si el motor está conectado a una carga, como un actuador de tornillo de bolas con una distancia de movimiento limitada. Es fundamental observar los indicadores que revelan que se están emitiendo pulsos (LED o contador de pulsos).

Cálculos para aplicación práctica

Los usuarios suelen utilizar HMI que muestran la distancia y la velocidad de la máquina en pulsos, en lugar de unidades de ingeniería como milímetros. Con frecuencia, el programador tiene prisa para poner la máquina en funcionamiento y no se toma el tiempo de determinar las unidades de la máquina y convertirlas a unidades de ingeniería. Aquí hay algunos consejos para ayudarle con esto.

Si 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 encontrar cuántos pulsos se necesitan para mover una distancia específica:

Posición actual (o distancia) = conteo de pulsos/pulsos de comando constantes.

Para convertir unidades de ingeniería a pulsos, primero determine la constante que determina el número de pulsos necesarios para un movimiento dado. Supongamos, en el ejemplo anterior, que el motor requiere 500 pulsos para girar una revolución, y una revolución equivale a 10 mm. La constante se calcula dividiendo 500 (ppr) entre 10 (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 un desplazamiento de una distancia determinada. Por ejemplo, para un desplazamiento de 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 de pulsos entre la constante de pulso de comando. Por lo tanto, si el contador de pulsos marca 6000, al dividirlo entre la constante de pulso de comando calculada a partir del ejemplo anterior, la posición del actuador sería 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 hallando la constante de pulso de comando (como se muestra arriba), pero se cambian las unidades. En otras palabras, si el motor genera 500 ppr y el actuador se mueve 10 mm por revolución, si se controlan 500 pulsos por segundo, el actuador se moverá 10 mm por segundo. Dividir 500 pulsos por segundo entre 10 mm por segundo da como resultado 50 pulsos por segundo por mm. Por lo tanto, multiplicar la velocidad objetivo por 50 da como resultado 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 utiliza señales de tren de pulsos para controlar el movimiento puede parecer intimidante al principio. Sin embargo, prestar atención a los tipos de señales y la configuración del controlador y los variadores desde el principio puede reducir el tiempo de configuración. Además, si se dedica tiempo a realizar algunos cálculos básicos de inmediato, programar las velocidades y las distancias será más fácil y los operadores de la máquina verán información más intuitiva en sus HMI.