Diseño de etapa, accionamiento 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 conjunto de la mejor manera posible. La Parte 1 trató sobre la base del sistema y los rodamientos. La Parte 2 trató sobre la medición de posición. Aquí, analizamos el diseño de la plataforma, 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 ubicados en el centro de masa de la corredera o lo más cerca posible de él.
• El accionamiento se encuentra en el centro de masa; el codificador se acopla a un lado.
• El accionamiento se encuentra en un lado; el codificador, en el otro.

El sistema ideal sitúa el accionamiento en el centro de la corredera junto con el codificador. Sin embargo, esto suele ser poco práctico. La solución habitual consiste en ubicar el accionamiento ligeramente desplazado hacia un lado y el codificador hacia el otro. Esto proporciona una buena aproximación a un accionamiento central con la retroalimentación de movimiento junto al sistema de accionamiento. Los accionamientos centrales son preferibles porque la fuerza motriz no introduce vectores de fuerza no deseados en la corredera que puedan provocar torsión o inclinación. Dado que el sistema de cojinetes restringe 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 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 accionamientos de pórtico.

amplificador de accionamiento
Los amplificadores de servocontrol reciben señales de control, generalmente de ±10 V CC, 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 pulsos (PWM).

Los amplificadores lineales son ineficientes y, por lo tanto, se utilizan principalmente en accionamientos 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 típicamente 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 consigna. 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 elegido el tipo de amplificador, el siguiente paso es asegurarse de que el amplificador 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 para motores lineales) de la aplicación.

En los motores lineales sin escobillas, se puede distinguir entre amplificadores. Generalmente se utilizan dos tipos de conmutación: trapezoidal y sinusoidal. La conmutación trapezoidal es digital, ya 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, activados por imanes externos. Sin embargo, la relación entre los sensores de efecto Hall, los devanados de la bobina y los imanes es crítica y siempre presenta una pequeña tolerancia de posición. Por lo tanto, la respuesta de los sensores siempre está ligeramente desfasada con respecto a la posición real de la bobina y los imanes. Esto provoca una ligera variación en la corriente aplicada a las bobinas, lo que genera 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 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 un encendido y apagado. En cambio, mediante conmutación electrónica, el desfase de 360° de la corriente de las tres fases se modula según un patrón sinusoidal. Esto da como resultado una fuerza suave y constante del motor. Por lo tanto, la conmutación sinusoidal es ideal para crear contornos de precisión y para aplicaciones que requieren una velocidad constante precisa, como el escaneo y la visión artificial.

Controladores
Existen más clases de controladores de las que podemos abordar adecuadamente 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 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 industrial, RS274D o una variante. Pueden realizar movimientos complejos, como formas esféricas y helicoidales, con control multieje.

Los sistemas no NC 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 mediante un puerto RS-232. El host puede ser un ordenador personal (PC), un terminal básico 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 velocidad se obtiene generalmente de la señal de posición del eje. Todos los parámetros del servo se ajustan mediante software, en lugar de ajustar manualmente los potenciómetros del amplificador, 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 contorneado 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 de la curva S de los perfiles de aceleración y desaceleración controla la sacudida que suele producirse al arrancar y detener 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 se puede modificar 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 se puede automatizar 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 considerablemente 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, debe considerar otros que pueden modificar las decisiones sobre los componentes, como el presupuesto, el entorno, la vida útil, 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 se analiza el sistema desde su base para garantizar la compatibilidad general de los componentes.