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 maneira possível. A Parte 1 abordou a base do sistema e os rolamentos. A Parte 2 abordou a medição de posição. Aqui, discutiremos o projeto do estágio, do acionamento e do encoder; o amplificador de acionamento; e os controladores.

Os três métodos mais comuns de montagem de estágios lineares ao usar encoders lineares são:
• O acionador e o codificador são posicionados no centro de massa do cursor ou o mais próximo possível dele.
• O acionamento está localizado no centro de massa; o codificador é fixado em uma das laterais.
• O inversor de frequência está localizado de um lado; o codificador, do outro.

O sistema ideal possui o acionamento no centro da massa deslizante, juntamente com o codificador. No entanto, isso geralmente é impraticável. A solução usual é posicionar o acionamento ligeiramente deslocado para um dos lados e o codificador, ligeiramente para o outro. Isso proporciona uma boa aproximação de um acionamento central, com o feedback de movimento próximo ao sistema de acionamento. Os acionamentos centrais são preferíveis porque a força de acionamento não introduz vetores de força indesejados na massa deslizante, evitando torções ou desequilíbrios. Como o sistema de rolamentos restringe firmemente a massa deslizante, o desequilíbrio causaria aumento do atrito, desgaste e imprecisão na posição da carga.

Um método alternativo utiliza um sistema tipo pórtico com dois acionamentos, um de cada lado do trilho. A força de acionamento resultante simula um acionamento central. Com esse método, é possível posicionar o sensor de posição no centro. Caso isso não seja possível, podem-se posicionar encoders em cada lado e controlar a mesa com um software específico para acionamento de pórtico.

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

Amplificadores lineares são ineficientes e, portanto, usados ​​principalmente em acionamentos de baixa potência. As principais limitações na capacidade 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, em contraste, são eficientes e normalmente usados ​​para capacidades de potência acima de 100 W. Esses amplificadores chaveiam 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 de amplificador é que a tensão é ligada e desligada, resultando em uma capacidade de dissipação de potência muito maior.

Após escolher o tipo de amplificador, o próximo passo é garantir que ele possa fornecer a corrente contínua e a tensão de saída necessárias nos níveis exigidos para a velocidade máxima de rotação do motor (ou velocidade linear, no caso de motores lineares) da aplicação.

Para motores lineares sem escovas, é possível fazer outra distinção entre os amplificadores. Dois tipos de comutação de motor são geralmente utilizados: trapezoidal e senoidal. A comutação trapezoidal é um tipo de comutação digital na qual a corrente de cada uma das três fases é ligada ou desligada. Sensores de efeito Hall implantados no motor geralmente realizam essa comutação. 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 defasado em relação às posições reais da bobina e dos ímãs. Isso leva a uma pequena variação na aplicação de corrente às bobinas, resultando em vibração inevitável.

A comutação trapezoidal é menos adequada para varreduras de alta precisão e aplicações de velocidade constante. No entanto, é menos dispendiosa do que a comutação sinusoidal, sendo, portanto, 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 o chaveamento liga-desliga. Em vez disso, por meio de chaveamento eletrônico, a defasagem de 360° da corrente das três fases é modulada em um padrão senoidal. Isso resulta em uma força suave e constante do motor. A comutação com formato senoidal é, portanto, ideal para a criação de contornos precisos e para aplicações que exigem velocidade constante e precisa, como digitalização e sistemas de 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 de lógica "ladder". Eles são usados ​​principalmente para controlar múltiplas funções discretas de Entrada/Saída (E/S), embora alguns ofereçam capacidades limitadas 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 nos 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 do ajuste trabalhoso dos potenciômetros do amplificador de acionamento, que tendem a sofrer deriva após o uso e com as mudanças de temperatura. A maioria dos controladores modernos também oferece ajuste automático de todos os parâmetros do servo dos eixos.

Os controladores mais avançados também incluem processamento distribuído e controle de eixo por Processador de Sinal Digital (DSP). Um DSP é, essencialmente, 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 do servo na ordem de 125 ms. A vantagem é o controle preciso do eixo para controle de velocidade constante e contornos suaves.

Um algoritmo de filtro Proporcional-Integral-Derivativo (PID) e o controle antecipado de velocidade e aceleração aprimoram o servocontrole do eixo. Além disso, a programação em curva S dos perfis de aceleração e desaceleração controla o solavanco que normalmente acompanha o início e a parada do movimento da mesa. Isso proporciona uma operação mais suave e controlada, resultando em tempos de estabilização mais rápidos tanto para a posição quanto para a velocidade.

Os controladores também incluem amplas capacidades de entrada/saída digitais ou analógicas. O programa ou sub-rotina do usuário pode ser alterado dependendo da posição, do tempo ou das informações de status, dos valores das variáveis, das operações matemáticas, dos eventos de E/S externos ou internos ou das 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 de multiplicação eletrônica. Embora a multiplicação de 4× seja comum, alguns controladores avançados podem multiplicar por até 256×. Embora isso não proporcione melhoria na precisão, resulta em um aumento real na estabilidade da posição do eixo e — mais importante em muitas aplicações — na repetibilidade.

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