Para automatizar máquinas que requerem apenas dois ou três eixos de atuadores elétricos, as saídas de pulso podem ser a opção mais simples.

Utilizar saídas de pulso de um CLP (Controlador Lógico Programável) é uma maneira econômica de obter movimentos simples. A maioria dos fabricantes de CLPs, senão todos, oferece uma forma de controlar servomotores e motores de passo usando um trem de pulsos. Portanto, quando uma máquina simples precisa ser automatizada em apenas dois ou três eixos com atuadores elétricos, as saídas de pulso podem ser muito mais fáceis de configurar, conectar e programar do que usar sinais analógicos. Também pode ser mais econômico do que usar redes de movimento, como Ethernet/IP.

Vamos então analisar o controle de um motor de passo ou servo motor com um driver ou amplificador entre o controlador e o motor, com ênfase nos sinais de pulso usados ​​pelo controlador ou indexador.

Noções básicas de trem de pulso

Os motores de passo e as versões de servomotores controladas por pulsos podem girar em ambas as direções. Isso significa que um controlador precisa fornecer, no mínimo, dois sinais de controle para o inversor. Existem duas maneiras de fornecer esses sinais, e diferentes fabricantes os denominam de maneiras diferentes. Há duas formas comuns de se referir aos dois esquemas de sinal de controle que você está usando: “modo 1P”, também conhecido como “modo Passo/Direção”, e “modo 2P”, que é chamado de “modo CW/CCW” ou modo horário/anti-horário. Ambos os modos requerem dois sinais de controle do controlador para o inversor.

No modo 1P, um sinal de controle é um trem de pulsos ou sinal de "passo". O outro sinal é uma entrada direcional. Se a entrada direcional estiver ativa e houver um sinal pulsado na entrada de passo, o motor gira no sentido horário. Por outro lado, se o sinal direcional estiver desativado e houver um sinal pulsado na entrada de passo, o motor gira no sentido anti-horário. O trem de pulsos está sempre presente na mesma entrada, independentemente da direção desejada.

No modo 2P, ambos os sinais são um trem de pulsos. Apenas uma entrada por vez terá uma frequência; portanto, se o trem de pulsos CW estiver presente, o motor gira no sentido horário. Se o trem de pulsos CCW estiver presente, o motor gira no sentido anti-horário. A entrada que recebe o trem de pulsos depende da direção desejada.

Os pulsos emitidos pelo controlador fazem o motor girar. O motor gira uma unidade incremental para cada pulso na entrada de pulsos do inversor. Por exemplo, se um motor de passo bifásico tiver 200 pulsos por revolução (ppr), então um pulso faz o motor girar 1/200 de uma revolução ou 1,8 graus, e 200 pulsos farão o motor girar uma revolução completa.

É claro que diferentes motores têm resoluções diferentes. Os motores de passo podem ser micropassados, o que lhes confere milhares de pulsos por revolução. Além disso, os servomotores geralmente têm milhares de pulsos por revolução como sua resolução mínima. Independentemente da resolução do motor, um pulso do controlador ou indexador faz com que ele gire apenas uma unidade incremental.

A velocidade de rotação de um motor depende da frequência, ou velocidade, dos pulsos. Quanto mais rápidos os pulsos, mais rápido o motor gira. No exemplo acima, com um motor que possui 200 pulsos por rotação (ppr), uma frequência de 200 pulsos por segundo (pps) faria o motor girar a uma rotação por segundo (rps) ou 60 rotações por minuto (rpm). Quanto mais pulsos forem necessários para girar o motor uma revolução (ppr), mais rápidos os pulsos devem ser enviados para obter a mesma velocidade. Por exemplo, um motor com 1.000 ppr precisaria ter uma frequência de pulsos muito maior do que a de um motor com 200 ppr para atingir a mesma rotação por minuto (rpm). O cálculo é bastante simples:

rps = pps/ppr (rotações por segundo = pulsos por segundo/pulsos por rotação)

rpm = rps(60)

Controlando os pulsos

A maioria dos controladores possui um método para determinar se o motor deve girar no sentido horário ou anti-horário e controlará os sinais adequadamente. Em outras palavras, normalmente não é necessário que o programador descubra quais saídas ativar. Por exemplo, muitos CLPs possuem funções para controlar o movimento usando um sinal de pulso, e essa função controla automaticamente as saídas para obter a direção correta de rotação, independentemente de o controlador estar configurado para o modo 1P ou 2P.

Considere dois movimentos como um exemplo simples. Ambos os movimentos envolvem 1.000 pulsos. Um é no sentido positivo e o outro no sentido negativo. O controlador ativa as saídas apropriadas, seja 1P ou 2P, para fazer o motor girar no sentido positivo (geralmente horário) quando o número de pulsos comandado for 1.000. Por outro lado, se um programa comandar -1.000 pulsos, o controlador ativa as saídas apropriadas para girar no sentido negativo (geralmente anti-horário). Portanto, não é necessário que o programador controle o sentido de rotação do motor usando código no programa para selecionar quais saídas usar. O controlador faz isso automaticamente.

Controladores e drivers geralmente oferecem aos usuários uma maneira de selecionar o tipo de pulso, seja por meio de uma chave DIP ou por configuração de software. É importante garantir que o controlador e o driver estejam configurados da mesma forma. Caso contrário, a operação pode ser instável ou simplesmente não funcionar.

Movimentos absolutos e incrementais

Os dois comandos de movimento mais comuns na programação de controle de movimento são os comandos de movimento incremental e absoluto. O conceito de movimentos absolutos e incrementais confunde muitos usuários, independentemente do método de controle do motor utilizado. Mas esta informação se aplica tanto a motores controlados por pulsos, sinais analógicos ou redes como Ethernet/IP ou EtherCAT.

Primeiro, se um motor possui um encoder, seus tipos de movimento não têm relação com o tipo de encoder. Segundo, movimentos absolutos e incrementais podem ser realizados independentemente da presença de um encoder absoluto ou incremental, ou mesmo na ausência total de um encoder.

Ao usar um motor para mover um eixo linear, como um atuador de fuso de esferas, existe (obviamente) uma distância finita entre uma extremidade do atuador e a outra. Em outras palavras, se o carro estiver em uma extremidade do atuador, o motor só poderá girar até que o carro alcance a extremidade oposta. Esse é o comprimento do curso. Por exemplo, em um atuador com 200 mm de curso, uma extremidade do atuador normalmente representa a posição "zero" ou inicial.

Um movimento absoluto transporta o carro para a posição comandada, independentemente de sua posição atual. Por exemplo, se a posição atual for zero e o movimento comandado for para 100 mm, o controlador envia pulsos suficientes para mover o atuador para a frente até a marca de 100 mm e parar.

Mas se a posição atual do atuador fosse de 150 mm, um movimento absoluto de 100 mm faria com que o controlador enviasse pulsos na direção negativa para mover o atuador 50 mm para trás e parar na posição de 100 mm.

Usos práticos

O problema mais comum ao usar o controle por pulsos está na fiação. Os sinais frequentemente são conectados acidentalmente de forma invertida. No modo 2P, isso significa que a saída CCW é conectada à entrada CW e vice-versa. No modo 1P, significa que a saída do sinal de pulso é conectada à entrada de direção e a saída do sinal de direção é conectada à entrada de pulso.

No modo 2P, esse erro de fiação faz com que o motor gire no sentido horário quando comandado para girar no sentido anti-horário e vice-versa. No modo 1P, o problema é mais difícil de diagnosticar. Se os sinais estiverem invertidos, o controlador envia um trem de pulsos para a entrada de direção, o que não faz nada. Ele também enviaria uma mudança de direção (ligando ou desligando o sinal dependendo da direção) para a entrada de passo, o que pode fazer com que o motor gire um pulso. Um único pulso de movimento geralmente é muito difícil de perceber.

O uso do modo 2P facilita a resolução de problemas e geralmente é mais fácil de entender para quem não tem muita experiência nesse tipo de controle de movimento.

Aqui está um método para garantir que o mínimo de tempo possível seja gasto na resolução de problemas relacionados a pulsos e eixos de direção. Ele permite que os engenheiros se concentrem em uma coisa de cada vez. Isso deve evitar que você passe dias tentando descobrir qual erro de fiação está impedindo o movimento, apenas para descobrir que a função de saída de pulso está configurada incorretamente no CLP e que você nunca estava emitindo pulsos.

1. Determine o modo de pulso a ser usado e utilize o mesmo modo para todos os eixos.

2. Configure o controlador para o modo adequado.

3. Configure a unidade para o modo adequado.

4. Crie o programa mais simples possível em seu controlador (geralmente uma função de movimento lento) para que o motor possa ser comandado a girar em uma direção ou outra em baixa velocidade.

5. Comande um movimento no sentido horário e observe se há alguma indicação no controlador que mostre que os pulsos estão sendo emitidos.

–Isso pode ser feito por meio de LEDs nas saídas do controlador ou indicadores de status, como o indicador de ocupado no CLP. O contador de pulsos de saída no controlador também pode ser monitorado para verificar se seu valor está mudando.

–O motor não precisa ser conectado aos pulsos de saída.

6. Repita o teste no sentido anti-horário.

7. Se a emissão de pulsos em ambas as direções for bem-sucedida, prossiga. Caso contrário, será necessário descobrir como programar o sistema primeiro.

8. Conecte o controlador ao driver.

9. Mova o motor em uma direção. Se funcionar, vá para o passo 10. Se não funcionar, verifique a fiação.

10. Gire o motor na direção oposta. Se funcionar, você conseguiu. Se não funcionar, verifique a fiação.

Muitas horas foram desperdiçadas nesta primeira fase porque a frequência de pulsos é baixa o suficiente para fazer o motor girar extremamente devagar, como 1/100 rpm. Se a única maneira de verificar se o motor está funcionando é observando o eixo, pode parecer que ele não está se movendo em baixa velocidade, levando à falsa impressão de que não está emitindo pulsos. O ideal é calcular uma velocidade segura com base na resolução do motor e nos parâmetros da aplicação antes de definir a velocidade para o teste. Alguns acreditam que podem definir uma velocidade utilizável apenas por tentativa e erro. Mas se o motor precisar de 10.000 pulsos para completar uma revolução e a frequência de pulsos for definida em 1.000 pulsos por segundo (pps), o motor levará 10 segundos para completar uma revolução. Por outro lado, se o motor precisar de 1.000 pulsos para completar uma revolução e a frequência de pulsos for definida em 1.000, o motor girará uma revolução por segundo, ou 60 rpm. Isso pode ser muito rápido para o teste se o motor estiver conectado a uma carga, como um atuador de fuso de esferas com distância de movimento limitada. É fundamental observar os indicadores que mostram a emissão de pulsos (LEDs ou contador de pulsos).

Cálculos para aplicação prática

Frequentemente, os usuários acabam com IHMs que exibem a distância e a velocidade da máquina em unidades de pulsos, em vez de unidades de engenharia, como milímetros. Muitas vezes, o programador está com pressa para colocar a máquina em funcionamento e não dedica tempo suficiente para determinar as unidades da máquina e convertê-las para unidades de engenharia. Aqui estão algumas dicas para ajudar com isso.

Se você souber a resolução de passos do motor (pulsos por revolução) e o movimento realizado por revolução do motor (mm), a constante de pulso de comando é calculada como resolução/distância por revolução, ou pulsos por revolução/distância por revolução.

A constante pode ajudar a determinar quantos pulsos são necessários para percorrer uma distância específica:

Posição atual (ou distância) = constante entre a contagem de pulsos e os pulsos de comando.

Para converter unidades de engenharia em pulsos, primeiro determine a constante que define o número de pulsos necessários para um determinado movimento. Suponha que, no exemplo acima, o motor necessite de 500 pulsos para completar uma volta e que uma volta corresponda a 10 mm. O cálculo da constante pode ser feito dividindo 500 (pulsos por volta) por 10 (mm por volta). Portanto, a constante é 500 pulsos/10 mm ou 50 pulsos/mm.

Essa constante pode então ser usada para calcular o número de pulsos necessários para um deslocamento de determinada distância. Por exemplo, para deslocar 15 mm, 15 mm × 50 ppm = 750 pulsos.

Para converter a leitura de um contador de pulsos em unidades de engenharia, basta dividir o valor do contador de pulsos pela constante de pulso de comando. Assim, se o contador de pulsos indicar 6.000, dividindo-o pela constante de pulso de comando calculada a partir do exemplo acima, a posição do atuador seria de 6.000 pulsos/50 ppm = 120 mm.

Para comandar uma velocidade em mm e fazer com que o controlador calcule a frequência correta em Hz (pulsos por segundo), a constante de velocidade deve ser determinada primeiro. Isso é feito encontrando a constante do pulso de comando (como mostrado acima), mas as unidades são alteradas. Em outras palavras, se o motor produz 500 pulsos por revolução e o atuador se move 10 mm por revolução, então, se 500 pulsos por segundo forem comandados, o atuador se moverá 10 mm por segundo. Dividindo 500 pulsos por segundo por 10 mm por segundo, obtemos 50 pulsos por segundo por mm. Portanto, multiplicando a velocidade desejada por 50, obtemos a frequência de pulso correta.

As fórmulas são as mesmas, mas as unidades mudam:

Constante de velocidade em pps = pulsos por revolução/distância por revolução

Velocidade do pulso (pps) = (constante de velocidade) × velocidade em mm

Utilizar um sistema que usa sinais de trem de pulsos para controlar o movimento pode parecer complexo à primeira vista. No entanto, prestar atenção aos tipos de sinal e às configurações do controlador e dos inversores de frequência desde o início pode reduzir o tempo necessário para o seu funcionamento. Além disso, dedicar um tempo para realizar alguns cálculos básicos logo de início facilitará a programação das velocidades e distâncias, e os operadores da máquina terão informações mais intuitivas exibidas em suas IHMs (Interfaces Homem-Máquina).