Projeto de estágio, drive 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 juntos da melhor forma possível. A Parte 1 cobriu a base e os rolamentos do sistema. A Parte 2 cobriu a medição de posição. Aqui, discutimos o design do estágio, do drive e do codificador; o amplificador de acionamento; e controladores.

Os três métodos comumente usados ​​de montagem de estágios lineares ao usar codificadores lineares:
• O acionamento e o codificador estão posicionados no centro de massa da corrediça ou o mais próximo possível dele.
• O drive está localizado no centro de massa; o codificador é conectado a um lado.
• O drive está localizado em um lado; o codificador, por outro.

O sistema ideal tem o acionamento no centro da massa deslizante com o codificador. No entanto, isso geralmente é impraticável. O compromisso usual localiza a unidade ligeiramente para o lado; o codificador, ligeiramente afastado para o outro. Isto dá uma boa aproximação de um acionamento central com o feedback de movimento próximo ao sistema de acionamento. Os acionamentos centrais são preferidos porque a força de acionamento não introduz vetores de força indesejados na corrediça para causar torção ou armar. Como o sistema de rolamento restringe firmemente o deslizamento, armar produziria maior atrito, desgaste e imprecisão da posição de carga.

Um método alternativo usa um sistema estilo pórtico com dois acionamentos, um em cada lado do slide. A força motriz resultante emula uma unidade central. Com este método, você pode localizar o feedback de posição no centro. Se isso for impossível, 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 operacional e saída de corrente ao 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 drives de baixa potência. As principais limitações na capacidade de manipulação 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. Os 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 deste tipo é que a tensão é ligada e desligada, causando um grande aumento na capacidade de dissipação de energia.

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

Para motores lineares sem escovas, outra distinção entre amplificadores pode ser feita. Dois tipos de comutação do motor são de uso geral: trapezoidal e sinusoidal. 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. Contudo, 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 um pouco fora de fase com as posições verdadeiras da bobina e do ímã. Isto 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 barato que a comutação senoidal, por isso é amplamente utilizado em sistemas ponto a ponto de alta velocidade ou em sistemas onde a suavidade do movimento não afetará o processamento.

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

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

Os Controladores Lógicos Programáveis ​​(CLPs) usam um esquema lógico “ladder”. Eles são usados ​​principalmente para controlar múltiplas funções de entrada/saída (E/S) discretas, embora alguns ofereçam recursos limitados de controle de movimento.

Os sistemas de controle numérico (NC) são programados através de uma linguagem padrão da indústria, RS274D ou uma variante. Eles podem realizar 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 através 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 atualizados são controladores digitais. Eles fornecem 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 meio de software, em vez de ajustar laboriosamente os “potes” 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 eixo.

Os controladores mais avançados também incluem processamento distribuído e controle de eixo do Processador de Sinal Digital (DSP). Um DSP é essencialmente um processador especialmente projetado para fazer cálculos matemáticos muito rapidamente (pelo menos dez vezes mais rápido que um microprocessador). Isto pode fornecer tempos de amostragem servo na 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 avanço de velocidade e aceleração melhoram o servocontrole do eixo. Além disso, a programação em curva S dos perfis de aceleração e desaceleração controla os solavancos que geralmente ocorrem com o início e a parada do movimento da mesa. Isto proporciona uma operação mais suave e controlada, levando a tempos de acomodação mais rápidos tanto para posição quanto para velocidade.

Os controladores também incluem amplos recursos de entrada/saída digital ou analógica. O programa do usuário ou sub-rotina pode ser alterado dependendo da posição, tempo ou 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 através da multiplicação eletrônica. Embora a multiplicação 4× seja comum, alguns controladores avançados podem multiplicar até 256×. Embora isso não proporcione nenhuma melhoria na precisão, ele apresenta um aumento real na estabilidade da posição do eixo e - mais importante em muitos usos - na repetibilidade.

Na sua abordagem geral, além dos fatores mencionados acima, você deve considerar outros fatores que podem modificar as decisões sobre componentes, como orçamento, meio ambiente, expectativa de vida, 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 se um sistema for analisado desde a base até a compatibilidade geral dos componentes.