Diseño de la etapa, el accionamiento y el codificador.

Los componentes que conforman su sistema de posicionamiento de alta precisión —rodamientos, sistema de medición de posición, sistema de motor y accionamiento, y controlador— deben funcionar en perfecta sincronía. La primera parte trató sobre la base del sistema y los rodamientos. La segunda parte abordó la medición de posición. En esta sección, analizaremos el diseño de la etapa, el accionamiento y el codificador; el amplificador de accionamiento; y los controladores.

Los tres métodos más comunes para ensamblar etapas lineales al usar codificadores lineales:
• El accionamiento y el codificador están situados en el centro de masa de la corredera o lo más cerca posible de él.
• El accionamiento está ubicado en el centro de masas; el codificador se acopla a un lado.
• El variador está situado en un lado; el codificador, en el otro.

El sistema ideal sitúa el accionamiento en el centro de la masa deslizante junto con el codificador. Sin embargo, esto suele ser poco práctico. La solución de compromiso habitual consiste en ubicar el accionamiento ligeramente desplazado hacia un lado y el codificador, ligeramente hacia el otro. Esto proporciona una buena aproximación a un accionamiento central con la retroalimentación de movimiento junto al sistema de accionamiento. Se prefieren los accionamientos centrales porque la fuerza de accionamiento no introduce vectores de fuerza no deseados en la corredera que puedan causar torsión o inclinación. Dado que el sistema de rodamientos sujeta firmemente la corredera, la inclinación produciría mayor fricción, desgaste e imprecisión en la posición de la carga.

Un método alternativo utiliza un sistema de pórtico con dos accionamientos, uno a cada lado de la corredera. La fuerza de accionamiento resultante simula un accionamiento central. Con este método, se puede ubicar la retroalimentación de posición en el centro. Si esto no es posible, se pueden colocar codificadores a cada lado y controlar la mesa con un software específico para el accionamiento del pórtico.

Amplificador de potencia
Los amplificadores de servocontrol reciben señales de control, generalmente de ±10 Vcc, del controlador y proporcionan la tensión y la corriente de funcionamiento al motor. En general, existen dos tipos de amplificadores de potencia: el amplificador lineal y el amplificador de modulación por ancho de pulso (PWM).

Los amplificadores lineales son ineficientes y, por lo tanto, se utilizan principalmente en sistemas de baja potencia. Las principales limitaciones en 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 la tensión en los transistores de salida. Los amplificadores PWM, en cambio, son eficientes y se utilizan normalmente para potencias superiores a 100 W. Estos amplificadores conmutan la tensión de salida a frecuencias de hasta 50 MHz. El valor promedio de la tensión de salida es proporcional a la tensión de control. La ventaja de este tipo es que la tensión se conmuta, lo que provoca una mayor capacidad de disipación de potencia.

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

Para los motores lineales sin escobillas, se puede establecer otra distinción entre los amplificadores. Generalmente se utilizan dos tipos de conmutación de motor: trapezoidal y sinusoidal. La conmutación trapezoidal es un tipo de conmutación digital en la que la corriente de cada una de las tres fases se activa o desactiva. Esto se logra mediante sensores de efecto Hall integrados en el motor. 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 respuesta de los sensores siempre se produce ligeramente desfasada con respecto a la posición real de la bobina y los imanes. Esto genera una ligera variación en la aplicación de corriente a las bobinas, lo que produce vibraciones inevitables.

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

Con la conmutación sinusoidal, no se produce un interruptor de encendido/apagado. En cambio, mediante conmutación electrónica, el desfase de 360° de la corriente de las tres fases se modula en un patrón sinusoidal. Esto da como resultado una fuerza constante y uniforme del motor. Por lo tanto, la conmutación sinusoidal es ideal para crear contornos de precisión y para aplicaciones que requieren una velocidad constante y precisa, como el escaneo y los sistemas de visión artificial.

Controladores
Existen más clases de controladores de las que podemos abarcar aquí. Básicamente, los controladores se pueden clasificar en varias categorías según el lenguaje de programación y la lógica de control.

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

Los sistemas de control numérico (CN) se programan mediante el lenguaje estándar de la industria RS274D o alguna de sus variantes. Pueden realizar movimientos complejos, como deformaciones esféricas y helicoidales, con control multieje.

Los sistemas que no son de control numérico utilizan diversos sistemas operativos propietarios, incluyendo programas de interfaz fáciles de usar para perfiles de movimiento básicos. La mayoría de estos controladores constan de un módulo 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), un terminal tonto o una unidad de comunicaciones portátil.

Casi todos los controladores modernos son digitales. Ofrecen un nivel de fiabilidad y facilidad de uso impensable en los controladores analógicos. La información de retroalimentación de velocidad se obtiene generalmente de la señal de posición del eje. Todos los parámetros del servo se ajustan mediante software, en lugar de tener que ajustar manualmente los potenciómetros del amplificador de control, que tienden a descalibrarse con el uso y los cambios de temperatura. La mayoría de los controladores modernos también ofrecen autoajuste de todos los parámetros del servo de los ejes.

Los controladores más avanzados también incluyen procesamiento distribuido y control de ejes mediante procesador de señal digital (DSP). Un DSP es, en esencia, un procesador diseñado específicamente para realizar cálculos matemáticos con gran rapidez (al menos diez veces más rápido que un microprocesador). Esto permite tiempos de muestreo del servo del orden de 125 ms. La ventaja reside en un control preciso del eje para lograr una velocidad constante y un contorno suave.

Un algoritmo de filtro proporcional-integral-derivativo (PID) y la prealimentación de velocidad y aceleración mejoran el control servo del eje. Además, la programación en curva S de los perfiles de aceleración y desaceleración controla la sacudida que suele producirse al arrancar y detener el movimiento de la mesa. Esto proporciona un funcionamiento más suave y controlado, lo que se traduce en 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 o subrutina del usuario puede modificarse en función de la posición, el tiempo o la información de estado, los valores de las variables, las operaciones matemáticas, los eventos de E/S externos o internos, o las interrupciones por error. El proceso del usuario puede automatizarse fácilmente.

Además, la mayoría de los controladores pueden aumentar la resolución de la retroalimentación de posición mediante la multiplicación electrónica. Si bien la multiplicación por 4 es común, algunos controladores avanzados pueden multiplicar hasta por 256. Aunque esto no mejora la precisión, sí aumenta significativamente la estabilidad de la posición del eje y, lo que es más importante en muchos casos, 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 vida útil, la facilidad de mantenimiento, el tiempo medio entre fallos (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 el sistema se analiza desde cero para garantizar la compatibilidad general de los componentes.