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

Utilizar saídas de pulso de um CLP é uma maneira econômica de obter movimento simples. A maioria, senão todos, os fabricantes de CLP oferecem uma maneira de controlar servos e motores de passo usando um sinal de trem de pulsos. Assim, 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 custar menos do que usar movimento em rede, como Ethernet/IP.

Então, vamos dar uma olhada no controle de um motor de passo ou servo com um driver ou amplificador entre o controlador e o motor, com ênfase nos sinais de pulso usados ​​pelo controlador ou indexador.

Noções básicas sobre o trem de pulso

Motores de passo e versões de servomotores controladas por pulso podem girar em ambas as direções. Isso significa que um controlador precisa fornecer, no mínimo, dois sinais de controle para o inversor. Há duas maneiras de fornecer esses sinais, e diferentes fabricantes os chamam de maneiras diferentes. Há duas maneiras comuns de se referir aos dois esquemas de sinais 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 "degrau". O outro sinal é uma entrada direcional. Se a entrada direcional estiver ligada e houver um sinal pulsado na entrada degrau, o motor gira no sentido horário. Por outro lado, se o sinal de direção estiver desligado e houver um sinal pulsado na entrada degrau, o motor gira na outra direção, ou no sentido anti-horário. O trem de pulsos está sempre 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 se mover. O motor gira uma unidade incremental para cada pulso na entrada de pulso do inversor. Por exemplo, se um motor de passo bifásico tem 200 pulsos por revolução (ppr), então um pulso faz o motor girar 1/200 de uma revolução ou 1,8 grau, e 200 pulsos farão o motor girar uma revolução.

É claro que motores diferentes têm resoluções diferentes. Motores de passo podem ser micropassados, o que lhes dá milhares de pulsos por rotação. Além disso, servomotores geralmente têm milhares de pulsos por rotação como resolução mínima. Independentemente da resolução do motor, um pulso do controlador ou indexador o faz girar apenas uma unidade incremental.

A velocidade de rotação de um motor depende da frequência dos pulsos, ou seja, da velocidade. Quanto mais rápidos os pulsos, mais rápido o motor gira. No exemplo acima, com um motor de 200 ppr, uma frequência de 200 pulsos por segundo (pps) giraria o motor a uma rotação por segundo (rps) ou 60 rotações por minuto (rpm). Quanto mais pulsos forem necessários para girar o motor uma volta (ppr), mais rápido os pulsos devem ser enviados para obter a mesma velocidade. Por exemplo, um motor com 1.000 ppr precisaria ter uma frequência de pulso vezes maior que a de um motor com 200 ppr para atingir a mesma rotação por minuto (rpm). A matemática é bem 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 são de 1.000 pulsos. Um é na direção positiva, o outro na direção negativa. O controlador liga as saídas apropriadas, seja 1P ou 2P, para fazer o motor girar na direção positiva (geralmente no sentido horário) quando o número de pulsos comandados é 1.000. Por outro lado, se um programa comanda -1.000 pulsos, o controlador liga as saídas apropriadas para mover na direção negativa (geralmente no sentido anti-horário). Portanto, não é necessário que o programador controle a direção de rotação do motor usando código no programa para selecionar quais saídas usar. O controlador faz isso automaticamente.

Controladores e drivers geralmente permitem que os usuários selecionem o tipo de pulso, seja por meio de um interruptor DIP ou de uma configuração de seleção de software. É importante garantir que o controlador e o driver estejam configurados da mesma forma. Caso contrário, a operação pode ser irregular ou até mesmo 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 essa informação se aplica independentemente de o motor ser controlado por pulsos, um sinal analógico ou uma rede como Ethernet/IP ou Ethercat.

Primeiro, se um motor possui um encoder, seus tipos de movimentos não têm nada a ver com o tipo de encoder. Segundo, movimentos absolutos e incrementais podem ser realizados independentemente de haver um encoder absoluto ou incremental ou mesmo nenhum.

Ao usar um motor para mover um eixo linear, como um atuador de fuso de esferas, há (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 ser girado para se mover até que o carro atinja a extremidade oposta. Este é o comprimento do curso. Por exemplo, em um atuador com 200 mm de curso, uma extremidade do atuador normalmente é 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 de 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 150 mm, um movimento absoluto de 100 mm faria o controlador enviar pulsos na direção negativa para mover o atuador para trás 50 mm e parar na posição de 100 mm.

Usos práticos

O problema mais comum com o uso do controle de pulso está na fiação. Os sinais frequentemente são conectados invertidamente. No modo 2P, isso significa que a saída CCW está conectada à entrada CW e vice-versa. No modo 1P, significa que a saída do sinal de pulso está conectada à entrada direcional, e a saída do sinal direcional está conectada à entrada de pulso.

No modo 2P, esse erro de fiação faz o motor girar no sentido horário quando comandado para ir no sentido anti-horário e no sentido anti-horário quando comandado para ir no sentido horário. No modo 1P, o problema é mais difícil de diagnosticar. Se os sinais forem trocados, o controlador envia um trem de pulsos para a entrada de direção, que não faz nada. Ele também enviaria uma mudança de direção (liga ou desliga o sinal dependendo da direção) para a entrada de passo, o que pode fazer o motor girar um pulso. Um pulso de movimento geralmente é bem difícil de ver.

Usar o modo 2P facilita a solução de problemas e geralmente é mais fácil de entender para quem não tem muita experiência nesse tipo de controle de movimento.

Este é um método para garantir que o mínimo de tempo possível seja gasto na solução de problemas de eixos de pulso e 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 use o mesmo modo para todos os eixos.

2. Ajuste o controlador para o modo adequado.

3. Configure a unidade para o modo adequado.

4. Crie o programa mais simples no seu controlador (geralmente uma função de comando manual) para que o motor possa ser comandado para girar em uma direção ou outra em baixa velocidade.

5. Comande um movimento CW e observe quaisquer status no controlador para indicar que os pulsos estão sendo emitidos.

– Podem ser LEDs nas saídas do controlador ou sinalizadores de status, como o sinalizador de ocupado no CLP. O contador de saída de pulsos no controlador também pode ser monitorado para verificar se está alterando seu valor.

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

6. Repita o teste na direção CCW.

7. Se a saída de pulsos em ambas as direções for bem-sucedida, prossiga. Caso contrário, a programação deve ser resolvida primeiro.

8. Conecte o controlador ao driver.

9. Gire o motor em uma direção. Se funcionar, vá para a etapa 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 pulso é baixa o suficiente para fazer o motor girar extremamente lentamente, como 1/100 rps. Se a única maneira de saber se ele está funcionando é observando o eixo do motor, pode não parecer que ele está se movendo em baixa velocidade, levando a crer que não está emitindo pulsos. É melhor 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 chute. Mas se o motor precisar de 10.000 pulsos para girar uma revolução e a frequência de pulso for definida em 1.000 pps, o motor levará 10 segundos para se mover uma revolução. Por outro lado, se o motor precisar de 1.000 pulsos para se mover uma revolução e a frequência de pulso for definida como 1.000, o motor se moverá 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 parafuso de esferas com distância de movimento limitada. É fundamental observar indicadores que revelem que pulsos estão sendo emitidos (LEDs ou contadores de pulsos).

Cálculos para Aplicação Prática

Os usuários frequentemente acabam com IHMs mostrando a distância e a velocidade da máquina em unidades de pulsos, em vez de unidades de engenharia, como milímetros. Muitas vezes, o programador tem pressa para colocar a máquina em funcionamento e não se dá ao trabalho de determinar as unidades da máquina e convertê-las para unidades de engenharia. Aqui estão algumas dicas para ajudar com isso.

Se você conhece a resolução do passo do motor (pulsos por revolução) e o movimento feito 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 descobrir quantos pulsos são necessários para percorrer uma distância específica:

Posição atual (ou distância) = contagem de pulsos/pulsos de comando constantes.

Para converter unidades de engenharia em pulsos, primeiro determine a constante que determina o número de pulsos necessários para um determinado movimento. Suponha que, no exemplo acima, o motor precise de 500 pulsos para dar uma volta e que uma volta tenha 10 mm. O cálculo da constante pode ser feito dividindo 500 (ppr) por 10 (mm p/r). 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 movimento de uma determinada distância. Por exemplo, para mover 15 mm, 15 mm × 50 ppm = 750 pulsos.

Para converter a leitura do 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, dividido pela constante de pulso de comando calculada a partir do exemplo acima, a posição do atuador seria 6.000 pulsos/50 ppm = 120 mm.

Para comandar uma velocidade em mm e fazer com que o controlador calcule a frequência adequada em Hz (pulsos por segundo), a constante de velocidade deve ser determinada primeiro. Isso é feito encontrando a constante de pulso de comando (como mostrado acima), mas as unidades são alteradas. Em outras palavras, se o motor produz 500 ppr 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. Dividir 500 pulsos por segundo por 10 mm por segundo resulta em 50 pulsos por segundo por mm. Portanto, multiplicar a velocidade alvo por 50 resulta na frequência de pulso adequada.

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

Usar uma configuração que utiliza sinais de trem de pulsos para controlar o movimento pode parecer intimidador no início. No entanto, prestar muita atenção aos tipos de sinal e às configurações no controlador e nos acionamentos desde o início pode reduzir o tempo gasto para fazê-la funcionar. Além disso, se você dedicar um tempo para fazer alguns cálculos básicos imediatamente, programar as velocidades e distâncias será mais fácil e os operadores da máquina terão informações mais intuitivas exibidas em suas IHMs.