Diseño de escenario, variador y 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 armonía. La Parte 1 abordó la base del sistema y los rodamientos. La Parte 2, la medición de posición. Aquí, analizamos el diseño de la etapa, el accionamiento y el codificador; el amplificador de accionamiento; y los controladores.

Los tres métodos comúnmente utilizados para ensamblar etapas lineales cuando se utilizan codificadores lineales:
• La unidad y el codificador se colocan en el centro de masa de la corredera o lo más cerca posible de él.
• La unidad está ubicada en el centro de masa; el codificador está fijado a un lado.
• En un lado se encuentra la unidad y en el otro el codificador.

El sistema ideal tiene el accionamiento en el centro de la masa de la corredera con el codificador. Sin embargo, esto suele ser poco práctico. La solución habitual es ubicar el accionamiento ligeramente a un lado y el codificador, ligeramente al 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 indeseados en la corredera que provoquen torsión o amartillado. Dado que el sistema de cojinetes constriñe fuertemente la corredera, el amartillado produciría mayor fricción, desgaste e imprecisión en la posición de la carga.

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

amplificador de accionamiento
Los amplificadores de servoaccionamiento reciben señales de control, generalmente de ±10 V CC, del controlador y proporcionan tensión y 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 pulsos (PWM).

Los amplificadores lineales son ineficientes y, por lo tanto, se utilizan principalmente en variadores de baja potencia. Las principales limitaciones en la capacidad de gestión 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 a través de los transistores de salida. Los amplificadores PWM, en cambio, son eficientes y se utilizan típicamente para potencias superiores a 100 W. Estos amplificadores conmutan la tensión de salida a frecuencias de hasta 50 MHz. El valor medio de la tensión de salida es proporcional a la tensión de comando. La ventaja de este tipo es que la tensión se activa y desactiva, lo que aumenta considerablemente la capacidad de disipación de potencia.

Una vez que haya elegido el tipo de amplificador, el siguiente paso es asegurarse de 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.

En los motores lineales sin escobillas, se puede distinguir entre amplificadores. Generalmente, se utilizan dos tipos de conmutación en el motor: trapezoidal y sinusoidal. La conmutación trapezoidal es un tipo de conmutación digital en el que la corriente de cada una de las tres fases se activa o desactiva. Los sensores de efecto Hall integrados en el motor suelen ser los responsables de 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 crucial y siempre implica una pequeña tolerancia de posición. Por lo tanto, la respuesta de los sensores siempre presenta un ligero desfase con respecto a las posiciones reales de la bobina y el imán. Esto produce una ligera variación en la aplicación de corriente a las bobinas, lo que provoca vibraciones inevitables.

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

Con la conmutación sinusoidal, no se produce la conmutación de encendido y apagado. En su lugar, mediante conmutación electrónica, el desfase de corriente de 360 ​​grados de las tres fases se modula en un patrón sinusoidal. Esto genera una fuerza suave y constante en el 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 en el escaneo y la visión.

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

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

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

Los sistemas sin control numérico utilizan diversos sistemas operativos propietarios, incluyendo programas de interfaz fáciles de usar para perfiles de movimiento básicos. La mayoría de estos controladores consisten en un módulo 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), un terminal simple o un dispositivo de comunicación portátil.

Casi todos los controladores modernos son digitales. Ofrecen una fiabilidad y facilidad de uso sin precedentes en los controladores analógicos. La información de retroalimentación de velocidad suele derivarse de la señal de posición del eje. Todos los parámetros de los servos se ajustan mediante software, en lugar de tener que ajustar laboriosamente los potenciómetros del amplificador de accionamiento, que tienden a desviarse con el uso y con los cambios de temperatura. La mayoría de los controladores modernos también ofrecen autoajuste de todos los parámetros de los servos de los ejes.

Los controladores más avanzados también incluyen procesamiento distribuido y control de ejes mediante un procesador digital de señales (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 puede proporcionar tiempos de muestreo de servo del orden de 125 ms. La ventaja reside en un control preciso del eje para lograr una velocidad constante y un trazado de contornos uniforme.

Un algoritmo de filtro Proporcional-Integral-Derivativo (PID) y la prealimentación 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 suele acompañar el arranque y la detención del 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 de 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 4x es común, algunos controladores avanzados pueden multiplicarla hasta por 256x. Si bien esto no mejora la precisión, sí aumenta significativamente la estabilidad de la posición del eje y, lo que es más importante en muchos usos, la repetibilidad.

En su enfoque general, además de los factores mencionados anteriormente, debe considerar otros 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 satisfarán incluso los requisitos de aplicación más exigentes si se analiza el sistema desde cero para garantizar la compatibilidad general de los componentes.