Projeto de estágio, acionamento e codificador.

Os componentes que compõem seu sistema de posicionamento de alta precisão — rolamentos, sistema de medição de posição, sistema de motor e acionamento e controlador — devem funcionar em conjunto da melhor forma possível. A Parte 1 abordou a base do sistema e os rolamentos. A Parte 2 abordou a medição de posição. Aqui, discutimos o projeto do estágio, do acionamento e do encoder; o amplificador de acionamento; e os controladores.

Os três métodos comumente usados ​​para montagem de estágios lineares ao usar codificadores lineares:
• O acionamento e o codificador são posicionados no centro de massa do slide ou o mais próximo possível dele.
• O acionamento está localizado no centro de massa; o codificador é fixado em um dos lados.
• O drive está localizado de um lado; o encoder, do outro.

O sistema ideal tem o acionamento no centro da massa do cursor com o encoder. No entanto, isso geralmente é impraticável. O meio-termo usual é posicionar o acionamento ligeiramente para um lado e o encoder, ligeiramente para o outro. Isso proporciona uma boa aproximação de um acionamento central com o feedback de movimento próximo ao sistema de acionamento. Acionamentos centrais são preferíveis porque a força de acionamento não introduz vetores de força indesejados no cursor que possam causar torção ou engate. Como o sistema de mancais restringe o cursor firmemente, o engate produziria maior atrito, desgaste e imprecisão na posição da carga.

Um método alternativo utiliza um sistema tipo pórtico com dois acionamentos, um em cada lado do cursor. A força motriz resultante emula um acionamento central. Com este método, você pode localizar o feedback de posição no centro. Se isso não for possível, você pode localizar codificadores em cada lado e controlar a mesa com um software especial de acionamento do pórtico.

Amplificador de acionamento
Os amplificadores de servoacionamento recebem sinais de controle, geralmente ±10 VCC, do controlador e fornecem tensão de operação e corrente de saída para o motor. Em geral, existem dois tipos de amplificadores de potência: o amplificador linear e o amplificador modulado por largura de pulso (PWM).

Amplificadores lineares são ineficientes e, portanto, são usados ​​principalmente em acionamentos de baixa potência. As principais limitações na capacidade de processamento de potência de saída de um amplificador linear são as características térmicas do estágio de saída e as características de ruptura dos transistores de saída. A dissipação de potência do estágio de saída é o produto da corrente e da tensão nos transistores de saída. Amplificadores PWM, por outro lado, são eficientes e normalmente usados ​​para capacidades de potência acima de 100 W. Esses amplificadores comutam a tensão de saída em frequências de até 50 MHz. O valor médio da tensão de saída é proporcional à tensão de comando. A vantagem desse tipo é que a tensão é ligada e desligada, resultando em uma capacidade de dissipação de potência significativamente maior.

Depois de escolher o tipo de amplificador, o próximo passo é garantir que o amplificador possa fornecer a corrente contínua e a tensão de saída necessárias nos níveis necessários para a velocidade máxima de rotação do motor (ou velocidade linear para motores lineares) da aplicação.

Para motores lineares sem escovas, você pode fazer outra distinção entre amplificadores. Dois tipos de comutação de motor são geralmente usados: trapezoidal e senoidal. A comutação trapezoidal é um tipo digital de comutação em que a corrente para cada uma das três fases é ligada ou desligada. Sensores de efeito Hall implantados no motor geralmente fazem isso. Ímãs externos acionam os sensores. No entanto, a relação entre os sensores de efeito Hall, os enrolamentos da bobina e os ímãs é crítica e sempre envolve uma pequena tolerância de posição. O tempo de resposta dos sensores, portanto, sempre ocorre ligeiramente fora de fase com as posições reais da bobina e do ímã. Isso leva a uma ligeira variação na aplicação de corrente às bobinas, levando a uma vibração inevitável.

A comutação trapezoidal é menos adequada para varreduras muito precisas e aplicações de velocidade constante. No entanto, é mais barata que a comutação senoidal, sendo amplamente utilizada em sistemas ponto a ponto de alta velocidade ou em sistemas onde a suavidade do movimento não afeta o processamento.

Com a comutação senoidal, não ocorre a comutação liga-desliga. Em vez disso, por meio de comutação eletrônica, a defasagem de 360 ​​graus da corrente das três fases é modulada em um padrão senoidal. Isso resulta em uma força suave e constante do motor. A comutação em formato senoidal é, portanto, adequada para a criação de contornos de precisão e para aplicações que exigem velocidade constante precisa, como varredura e visão.

Controladores
Existem mais classes de controladores do que podemos discutir adequadamente aqui. Basicamente, os controladores podem ser divididos em várias categorias, dependendo da linguagem de programação e da lógica de controle.

Controladores Lógicos Programáveis ​​(CLPs) utilizam um esquema lógico de "escada". São utilizados principalmente para controlar múltiplas funções discretas de Entrada/Saída (E/S), embora alguns ofereçam recursos limitados de controle de movimento.

Os sistemas de controle numérico (NC) são programados por meio de uma linguagem padrão da indústria, RS274D ou uma variante. Eles podem executar movimentos complexos, como formas esféricas e helicoidais, com controle de múltiplos eixos.

Os sistemas não-NC utilizam uma variedade de sistemas operacionais proprietários, incluindo programas de interface fáceis de usar para perfis de movimento básicos. A maioria desses controladores consiste em um módulo controlador básico sem monitor ou teclado. O controlador se comunica com um host por meio de uma porta RS-232. O host pode ser um computador pessoal (PC), um terminal burro ou uma unidade de comunicação portátil.

Quase todos os controladores modernos são digitais. Eles oferecem um nível de confiabilidade e facilidade de uso inédito em controladores analógicos. As informações de feedback de velocidade geralmente são derivadas do sinal de posição do eixo. Todos os parâmetros do servo são ajustados por software, em vez de ajustes trabalhosos nos "potenciômetros" do amplificador de acionamento, que tendem a oscilar após o uso e com mudanças de temperatura. A maioria dos controladores modernos também oferece ajuste automático de todos os parâmetros do servo do eixo.

Os controladores mais avançados também incluem processamento distribuído e controle de eixo por Processador Digital de Sinais (DSP). Um DSP é, em essência, um processador especialmente projetado para realizar cálculos matemáticos muito rapidamente (pelo menos dez vezes mais rápido que um microprocessador). Isso pode fornecer tempos de amostragem servo da ordem de 125 ms. A vantagem é o controle preciso do eixo para controle de velocidade constante e contorno suave.

Um algoritmo de filtro Proporcional-Integral-Derivativo (PID) e o avanço de velocidade e aceleração aprimoram o servocontrole do eixo. Além disso, a programação em curva S dos perfis de aceleração e desaceleração controla os solavancos que geralmente ocorrem ao iniciar e parar o movimento da mesa. Isso proporciona uma operação mais suave e controlada, resultando em tempos de estabilização mais rápidos tanto para posição quanto para velocidade.

Os controladores também incluem amplos recursos de entrada/saída digitais ou analógicas. O programa ou sub-rotina do usuário pode ser alterado dependendo da posição, tempo ou informações de status, valores de variáveis, operações matemáticas, eventos de E/S externos ou internos ou interrupções de erro. O processo do usuário pode ser facilmente automatizado.

Além disso, a maioria dos controladores pode aumentar a resolução do feedback de posição por meio da multiplicação eletrônica. Embora a multiplicação 4x seja comum, alguns controladores avançados podem multiplicar por até 256x. Embora isso não melhore a precisão, proporciona um aumento real na estabilidade da posição do eixo e — mais importante em muitos usos — na repetibilidade.

Em sua abordagem geral, além dos fatores mencionados acima, você deve considerar outros fatores que podem modificar as decisões sobre componentes, como orçamento, ambiente, expectativa de vida útil, facilidade de manutenção, MTBF e preferências do usuário final. A abordagem modular permite a montagem do sistema a partir de componentes padrão e prontamente disponíveis, que atenderão até mesmo aos requisitos de aplicação mais exigentes, desde que o sistema seja analisado desde a base quanto à compatibilidade geral dos componentes.