Diseño de escenario, drive y codificador.

Los componentes que componen su sistema de posicionamiento de alta precisión (cojinetes, sistema de medición de posición, sistema de motor y accionamiento y controlador) deben funcionar juntos lo mejor posible. La parte 1 cubrió la base del sistema y los cojinetes. La parte 2 cubrió la medición de la posición. Aquí analizamos el diseño de etapa, variador y codificador; el amplificador de accionamiento; y controladores.

Los tres métodos comúnmente utilizados para ensamblar etapas lineales cuando se utilizan codificadores lineales:
• El accionamiento y el codificador están colocados en el centro de masa del carro o lo más cerca posible de él.
• El accionamiento está situado en el centro de masa; el codificador se fija a un lado.
• El variador está situado en un lado; el codificador, por el otro.

El sistema ideal tiene el accionamiento en el centro de la masa del carro con el codificador. Sin embargo, esto suele resultar poco práctico. El compromiso habitual sitúa la unidad ligeramente hacia un lado; el codificador, ligeramente hacia el otro. Esto proporciona una buena aproximación a un accionamiento central con la retroalimentación de movimiento al lado del sistema de accionamiento. Se prefieren los accionamientos centrales porque la fuerza motriz no introduce vectores de fuerza no deseados en la corredera que provoquen torsión o amartillado. Debido a que el sistema de cojinetes restringe fuertemente la corredera, el armado produciría mayor fricción, desgaste e inexactitud en la posición de la carga.

Un método alternativo utiliza un sistema estilo pórtico con dos unidades, una a cada lado del tobogán. La fuerza motriz resultante emula un accionamiento central. Con este método, 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 de accionamiento de pórtico especial.

amplificador de accionamiento
Los amplificadores de servoaccionamiento reciben señales de control, generalmente ±10 VCC, desde el controlador y proporcionan voltaje de operación y salida de corriente al motor. En general, existen dos tipos de amplificadores de potencia: el amplificador lineal y el amplificador modulado por ancho de pulso (PWM).

Los amplificadores lineales son ineficientes y, por lo tanto, se utilizan principalmente en variadores de baja potencia. Las principales limitaciones de la capacidad de manejo de 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 el voltaje a través de los transistores de salida. Los amplificadores PWM, por el contrario, son eficientes y normalmente se utilizan para capacidades de potencia superiores a 100 W. Estos amplificadores conmutan el voltaje de salida a frecuencias de hasta 50 MHz. El valor promedio del voltaje de salida es proporcional al voltaje de comando. La ventaja de este tipo es que el voltaje se enciende y apaga, lo que aumenta considerablemente la capacidad de disipación de energía.

Una vez que haya elegido el tipo de amplificador, el siguiente paso es garantizar que el amplificador pueda proporcionar la corriente continua y el voltaje de salida requeridos en los niveles requeridos para la velocidad máxima de rotación del motor (o velocidad lineal para motores lineales) de la aplicación.

Para los motores lineales sin escobillas, se puede hacer otra distinción entre amplificadores. Generalmente se utilizan dos tipos de conmutación de motores: trapezoidal y sinusoidal. La conmutación trapezoidal es un tipo digital de conmutación en el que la corriente para cada una de las tres fases se activa o desactiva. Los sensores de efecto Hall implantados en el motor suelen hacer esto. 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, la sincronización de respuesta de los sensores siempre ocurre ligeramente desfasada con respecto a las posiciones reales de la bobina y el imán. Esto provoca una ligera variación en la aplicación de corriente a las bobinas, lo que provoca una vibración inevitable.

La conmutación trapezoidal es menos adecuada para aplicaciones de escaneo muy preciso y de velocidad constante. Sin embargo, es menos costosa que la conmutación sinusoidal, por lo que se usa ampliamente para sistemas punto a punto de alta velocidad o en sistemas donde la suavidad del movimiento no afectará el procesamiento.

En la conmutación sinusoidal no se produce la conmutación On-Off. Más bien, mediante conmutación electrónica, el cambio de fase de corriente de 360 ​​grados de las tres fases se modula en un patrón sinusoidal. Esto da como resultado una fuerza suave y constante del motor. Por lo tanto, la conmutación de forma sinusoidal es muy adecuada para crear contornos de precisión y para aplicaciones que requieren una velocidad constante precisa, como escaneo y usos de visión.

Controladores
Hay más clases de controladores de las que podemos analizar adecuadamente aquí. Básicamente, los controladores se pueden dividir en varias categorías según el lenguaje de programación y la lógica de control.

Los controladores lógicos programables (PLC) utilizan un esquema lógico en "escalera". Se utilizan principalmente para controlar múltiples funciones de entrada/salida (E/S) discretas, aunque algunas ofrecen capacidades limitadas de control de movimiento.

Los sistemas de control numérico (NC) se programan mediante un lenguaje estándar de la industria, RS274D o una variante. Pueden realizar movimientos complejos, como formas esféricas y helicoidales, con control de múltiples ejes.

Los sistemas que no son NC utilizan una variedad de sistemas operativos propietarios que incluyen programas de interfaz fáciles de usar para perfiles de movimiento básicos. La mayoría de estos controladores constan de un módulo de controlador básico sin monitor ni teclado. El controlador se comunica con un host a través de un puerto RS-232. El host puede ser una computadora personal (PC), una terminal tonta o una unidad de comunicaciones portátil.

Casi todos los controladores modernos son controladores digitales. Proporcionan un nivel de confiabilidad y facilidad de uso inaudito en los controladores analógicos. La información de retroalimentación de velocidad generalmente se deriva de la señal de posición del eje. Todos los parámetros de los servos se ajustan mediante software en lugar de ajustar laboriosamente los “potenciómetros” del amplificador de potencia, que tienden a desviarse después del uso y con los cambios de temperatura. La mayoría de los controladores modernos también ofrecen ajuste automático de todos los parámetros de los servoejes.

Los controladores más avanzados también incluyen procesamiento distribuido y control de ejes con procesador de señal digital (DSP). Un DSP es en esencia un procesador especialmente diseñado para realizar cálculos matemáticos muy rápidamente (al menos diez veces más rápido que un microprocesador). Esto puede proporcionar tiempos de muestreo de servo del orden de 125 ms. La ventaja es el control preciso del eje para un control de velocidad constante y un contorno suave.

Un algoritmo de filtro Proporcional-Integral-Derivado (PID) y una alimentación anticipada de velocidad y aceleración mejoran el servocontrol del eje. Además, la programación de la curva S de los perfiles de aceleración y desaceleración controla la sacudida que generalmente ocurre al iniciar y detener el movimiento de la mesa. Esto proporciona una operación más suave y controlada, lo que lleva a tiempos de estabilización más rápidos tanto para la posición como para la velocidad.

Los controladores también incluyen amplias capacidades de entrada/salida digitales o analógicas. El programa de usuario o subrutina se puede modificar dependiendo de la posición, el tiempo o la información de estado, los valores de variables, operaciones matemáticas, eventos de E/S externos o internos o interrupciones de error. El proceso del usuario se puede automatizar fácilmente.

Además, la mayoría de los controladores pueden aumentar la resolución de la retroalimentación de posición mediante multiplicación electrónica. Aunque la multiplicación por 4× es común, algunos controladores avanzados pueden multiplicar hasta 256×. Aunque esto no proporciona ninguna mejora en la precisión, sí tiene 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 el ensamblaje del sistema a partir de componentes estándar y fácilmente disponibles que cumplirán incluso con los requisitos de aplicación más exigentes si un sistema se analiza desde la base hacia arriba para determinar la compatibilidad general de los componentes.