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Servosistemas. Automatismo industrial. Lazos de control de procesos. Sistemas de control de movimiento. Robótica: Control de velocidad de motores. Tacómetros. Transformadores variables lineales diferenciales. Transductores de velocidad. Interferómetros láser.

Tacómetros

Un tacómetro es un generador de corriente continua que puede proporcionar señal de retroalimentación de velocidad para un servosistema. El voltaje de salida del tacómetro es directamente proporcional a la velocidad rotacional del eje de la armadura que lo mueve. En una aplicación típica de servosistema, el tacómetro está mecánicamente acoplado al motor de corriente continua y alimenta su voltaje de salida nuevamente al controlador y amplificador para controlar el movimiento de rotación del motor y velocidad de carga. Un gráfico de corte seccional de un tacómetro construido dentro del mismo armazón de un motor de corriente continua y un resolver es mostrado en la figura 1-42. Los codificadores o resolveres son parte de lazos separados que suministran retroalimentación de posición.

Fig. 1-42. Vista en corte de un resolver y tacómetro en el mismo bastidor que el servomotor.

A medida que las espiras de la armadura del tacómetro rotan a través del campo magnético del estator, las líneas de fuerza son cortadas de manera que una fuerza electromotriz es inducida en cada una de sus bobinas. Esta fuerza electromotriz es proporcional al régimen al cual las líneas magnéticas  de fuerza son cortadas, así como es directamente proporcional a la velocidad de giro del eje del motor. La dirección de la fuerza electromotriz está determinada por la regla de generación de Fleming.

La corriente alterna generada por las espiras de armadura es convertida a corriente continua por el conmutador del tacómetro, y su valor es directamente proporcional a la velocidad de rotación del eje motriz, mientras que su polaridad depende de la dirección de rotación del eje.

Existen dos tipos básicos de tacómetros de corriente continua (DC): de derivación bobinada y de imán permanente (PM), pero los tacómetros de imán permanente son mas ampliamente usados en servosistemas en la actualidad. Hay además tacómetros de bobina móvil los que, como los motores, no tienen hierro en sus armaduras. Los bobinados de la armadura son devanados de fino cable de cobre y pegados con fibra de vidrio y resinas de poliéster en una rígida copa, que a su vez está pegada a su eje axial compartido. Debido a que esta armadura no contiene hierro, la misma tiene menor inercia que las armaduras convencionales de cobre y hierro, y exhibe baja inductancia. Como resultado, el tacómetro de bobina móvil da mejor respuesta a los cambios de velocidad y proporciona una salida de corriente continua con un valor de ondulación muy bajo.

Los tacómetros están disponibles como  máquinas autónomas. Pueden ser rígidamente montadas a los gabinetes de los servomotores, y sus ejes pueden ser acoplados mecánicamente a los ejes del servomotor. Si el servomotor de corriente continua es del tipo a escobillas o de bobina móvil, el tacómetro autónomo será típicamente sin escobillas y, a pesar de estar ubicados separadamente, un eje de armadura común será compartido.

Fig. 1-43. Los rotores del motor de corriente continua y el tacómetro comparten un eje motriz común.

Fig. 1-44. Este motor de tipo de bobina de corriente continua obtiene la señal de retroalimentación de velocidad desde un tacómetro cuya bobina de rotor está montada sobre el eje común, y envía señal de retorno de posición desde un sistema codificador fotoeléctrico de dos canales cuyo disco de códigos está además ubicado sobre el mismo eje motriz.

Un motor de corriente continua del tipo a escobillas con retroalimentación provista por un tacómetro es mostrado en la figura 1-43. Tanto el tacómetro como las bobinas del rotor van montadas sobre un eje motriz común. Esta disposición permite una elevada frecuencia de resonancia. Más aún, la necesidad de los rodamientos del tacómetro separados es eliminada.

En aplicaciones donde un posicionamiento preciso sea requerido en forma adicional a la regulación de velocidad, un codificador incremental puede ser agregado sobre el mismo eje, como se ve en la figura 1-44.

Transformadores lineales variables diferenciales (Linear Variable Differential Transformers – LVDTs)

Un transformador variable diferencial (LVDT) es un transformador de sensado consistente en un bobinado primario, dos bobinados secundarios adyacentes, y un núcleo ferromagnético que puede ser movido axialmente dentro de los bobinados, como se ve en la vista en corte en la figura 1-45. Los LVDT son capaces de medir posición, aceleración, fuerza o presión, dependiendo de cómo sean instalados. En los sistemas de control de movimiento, los LVDT proporcionan retroalimentación de posición al medir las variaciones en la inductancia mutua entre sus bobinados primario y los secundarios causadas por el movimiento lineal del núcleo ferromagnético.

Fig. 1-45. Vista en corte de un transformador lineal variable de desplazamiento (LVDT).

El núcleo está fijado a un eje de medición de posición cargado a resorte. Al ser presionado, el eje mueve el núcleo axialmente dentro de los bobinados, acoplando el voltaje de excitación en el bobinado P1 primario (medio) a los bobinados secundarios adyacentes.

La figura 1-46 es un diagrama esquemático de un LVDT. Cuando el núcleo está centrado entre S1 y S2, los voltajes inducidos en S1 y S2 tienen amplitudes iguales y están 180° fuera de fase. Con una conexión serie opuesta como se muestra, el voltaje neto a lo largo de los secundarios es cero debido a que ambos voltajes se cancelan. Esta es llamada la posición nula del núcleo.

Fig. 1-46. Diagrama esquemático de un transformador variable diferencia lineal (LVDT) mostrando cómo el núcleo móvil interactúa con los bobinados primario y secundarios.

Sin embargo, si el núcleo es movido hacia la izquierda, el bobinado secundario S1 es acoplado más fuertemente al bobinado primario P1 que el secundario S2, y una salida de onda sinusoidal en fase con el voltaje del primario es inducida. Similarmente, si el núcleo es movido hacia la derecha y el bobinado S2 es acoplado más fuertemente con el bobinado primario P1, una salida de onda sinusoidal que está 180° fuera de fase con el voltaje primario es inducida. Las amplitudes de las ondas sinusoidales de los LVDT varían simétricamente con el desplazamiento del núcleo, tanto para la derecha como para la izquierda de la posición nula.

Los transformadores variables diferenciales lineales requieren circuitos de acondicionamiento de señal que incluya un oscilador estable de onda sinusoidal (senoidal) para excitar el bobinado primario P1, un demodulador para convertir las señales de voltaje de corriente alterna del secundario a corriente continua, un filtro pasa bajos, y un amplificador para dar intensidad a la señal de salida de corriente continua.  La amplitud del voltaje de salida de corriente continua resultante es proporcional a la magnitud del desplazamiento del núcleo, tanto a la izquierda como hacia la derecha de la posición nula. La fase del voltaje de corriente continua indica la posición del núcleo en relación con la posición nula (derecha o izquierda). Un LVDT conteniendo un oscilador integral/demodulador es un LVDT tipo corriente continua a corriente continua, también conocido como DCDT.

Los transformadores variables diferenciales puede llevar a cabo mediciones de desplazamientos lineales (posición) tan precisos como 0,005 pulgadas ( 0,127 mm). 

La linealidad del voltaje de salida es una importante característica del LVDT, y puede ser graficado como una línea recta dentro de un rango especificado. La linealidad es la característica que determina en gran medida la precisión absoluta de los LVDT.

Transductores de velocidad lineal (LVTs).

Un transductor de velocidad lineal (LVT) consiste en un imán posicionado axialmente dentro de dos espiras de alambre . Cuando el imán es movido a través de las bobinas, el mismo induce un voltaje dentro de las espiras de acuerdo con las leyes de Faraday y Lenz. El voltaje de salida de las bobinas es directamente proporcional al campo magnético del imán y la velocidad axial a lo largo de su rango de trabajo.

Cuando el magneto (imán) funciona como transductor, ambos extremos del mismo están dentro de las dos bobinas adyacentes, y cuando es movido axialmente, su polo norte inducirá un voltaje en una bobina y su polo sur inducirá un voltaje en la otra bobina. Las dos bobinas pueden ser conectadas en serie o en paralelo, dependiendo de la aplicación. En ambas configuraciones el voltaje de corriente continua de salida es proporcional a la velocidad del magneto. (Una sola bobina produciría sólo un voltaje cero debido a que el voltaje generado por el polo norte sería cancelado por el voltaje generado por el polo sur.)

Las características del LVT dependen de cómo son conectadas las bobinas. Si las mismas son conectadas en serie y opuestas, la tensión de salida será sumada y se obtendrá una sensibilidad máxima. Además, el ruido generado en una bobina será cancelado por el ruido generado en la otra bobina. Sin embargo, si las bobinas son conectadas en paralelo, tanto la sensibilidad como la fuente de impedancia serán reducidas. Una sensibilidad reducida mejora la respuesta a alta frecuencia para la medición de altas velocidades, y una impedancia de salida baja mejora la  compatibilidad del LVT con su electrónica de condicionamiento de señal.

Transductores de desplazamiento angular (Angular Displacement Transducers (ATDs))

Un transductor de desplazamiento angular es un capacitor diferencial variable con núcleo de aire que puede medir desplazamiento angular. Según se ve en la vista expandida en la figura 1-47, el mismo tiene un rotor de metal móvil intercalado entre una placa única de estator y placas de estator segmentadas.  Cuando una señal de corriente alterna de alta frecuencia proveniente de un oscilador es colocada sobre las placas, la misma es modulada por el cambio del valor de capacidad debido a la posición del rotor con respecto a las placas segmentadas del estator. El desplazamiento angular del rotor puede ser determinado con precisión desde la señal de corriente alterna demodulada.

Fig. 1-47. Vista expandida de partes de un transductor de desplazamiento angular (ADT) basado en un capacitor variable.

La base es la plataforma de montaje para el conjunto transductor. El mismo contiene el rodamiento de bolas axial que soporta el eje sobre el cual el rotor está fijado. La base además soporta la plaqueta de transmisión, que contiene una superficie de metal que forma la placa inferior del capacitor diferencial. El rotor de metal semicircular montado sobre el eje es la placa variable o rotor del capacitor. Posicionada sobre el rotor está la plaqueta receptora, que contiene dos sectores metálicos semicirculares sobre su superficie inferior. La plaqueta actúa como el receptor para la señal de corriente alterna que ha sido modulada por diferencia de capacidad entre las placas del movimiento del rotor.

Una plaqueta de circuito electrónico colocada en la parte superior del conjunto contiene el oscilador, demodulador, y circuito de filtrado. El ADT está alimentado por corriente continua, y su salida es una señal de corriente continua que es proporcional al desplazamiento angular. El gabinete con forma de copa encierra el conjunto completo, y la base forma una tapa segura.

Un voltaje de corriente continua es aplicado a los terminales de entrada del ADT para alimentar al oscilador, que genera un voltaje de 400 a 500 kHz que es aplicado sobre las placas transmisora y receptora. Las placas receptoras son una tierra virtual, y el rotor es una tierra real. El valor de capacidad entre la placa transmisora y las receptoras permanece constante, pero la capacitancia entre las placas receptoras separadas varía con la posición del rotor.

Un punto nulo se obtiene cuando el rotor es posicionado bajo áreas iguales de las placas receptoras del estator. En dicha posición, la capacitancia entre  la placa transmisora del estator y las placas receptoras del estator serán iguales, y no habrá voltaje de salida. Sin embargo, a medida que el rotor se mueve en sentido horario o antihorario, la capacitancia entre la placa transmisora y una de las placas receptoras será mayor que al estar entre otras placas receptoras. Como resultado, luego de la demodulación, el voltaje diferencial de salida de corriente continua será proporcional a la distancia angular que el rotor se movió desde la posición nula.

Inductosyns

El Inductosyn es un sensor de corriente alterna de marca registrada que genera señales de retroalimentación que son similares a aquellas de un resolver. Hay Inductosyns rotativos y lineales. Mucho mas chico que un resolver, un Inductosyn rotativo es un conjunto formado por una escala y un cursor sobre substratos aislados en un lazo. Cuando la escala es energizada con corriente alterna, el voltaje se acopla a los dos bobinados deslizantes e induce voltajes proporcionales al seno y coseno del espaciado del cursor dentro del paso de ciclo.

Un conversor Inductosyn a digital (I/D), similar a un conversor resolver a digital (R/D), es necesario para convertir estas señales en un formato digital. Un Inductosyn rotativo típico con 360 pasos cíclicos por rotación puede resolver un total de 1.474.560 sectores por cada revolución. Esto corresponde a una rotación angular de menos de 0,9 arc-s. Esta información angular en un formato digital es enviada al controlador de movimiento.

Interferómetros Láser.

Los interferómetros láser proporcionan la información de posición mas precisa para servosistemas. Estos ofrecen resolución muy elevada ( hasta 1,24 nm), medición sin contacto, un alto régimen de actualización, y precisiones intrínsecas de hasta 0,02 ppm. Puede ser usado en servosistemas, tanto como lectores pasivos de posición o como sensores de retroalimentación activos en un lazo cerrado de posición. El recorrido del haz láser puede ser precisamente alineado para que coincida con la carga o un punto específico que está siendo medido, eliminando o reduciendo en gran medida el error de Abbe.

Un sistema de eje único basado en el interferómetro de Michelson es ilustrado en la figura 1-48. El mismo consiste en un láser helio-neón, un divisor polarizante de haz con un retrorreflector estacionario, un retrorreflector que puede ser montado sobre el objeto cuya posición vaya a ser medida, y un fotodetector, típicamente un fotodiodo.

Fig. 1-48. Diagrama de un interferómetro láser para medición de posición que combina alta resolución con sensado sin contacto, elevado régimen de actualización y precisiones de hasta 0,02 ppm.

La luz del láser es dirigida hacia el divisor polarizante de haz, que contiene un espejo parcialmente reflectivo. Parte del haz láser atraviesa el divisor polarizante de haz, y parte del haz láser es reflejado. La parte que atraviesa el divisor polarizante alcanza al retrorreflector móvil, el que refleja nuevamente el haz, retornándolo hacia el retrorreflector que lo deriva hacia el fotodetector. La otra parte del haz que es reflejada por el divisor de haz incide sobre el retrorreflector estacionario, separado a una distancia fija. El retrorreflector lo vuelve a reflejar al divisor de haz antes de que sea reflejado también hacia el fotodetector.

Como resultado, los dos haces de rayo láser inciden sobre el fotodetector, el que convierte la combinación de los dos haces en una señal eléctrica. Debido a la manera en que los rayos láser interactúan, la salida del detector depende de una diferencia en las distancias recorridas por los dos haces de rayo láser. Dado que ambos rayos de luz viajan a la misma distancia desde el emisor láser al divisor láser, y desde el divisor láser al fotodetector, estas distancias no están involucradas en la medición de posición. El interferómetro láser depende sólo de la diferencia de distancias entre el recorrido cerrado del haz láser desde el divisor de haz hacia el retrorreflector móvil y la distancia del recorrido cerrado fijo del haz láser desde el divisor de haz hasta el retrorreflector estacionario.

Si estas dos distancias son exactamente iguales, los dos haces de luz se recombinarán en fase en el fotodetector, lo que producirá una elevada salida eléctrica. Este evento puede ser visto sobre una pantalla de vídeo como una franja clara de luz. Sin embargo, si la diferencia entre las distancias es tan corta como un cuarto de la longitud de onda del láser, los haces de luz se combinaran fuera de fase, interfiriéndose uno al otro, de manera que no habrá salida eléctrica del fotodetector y ninguna salida de vídeo sobre la pantalla, un condición llamada franja oscura.

En la medida que el retrorreflector móvil colocado sobre la carga se aleja del divisor de haz, el paso de haz láser se incrementará y un esquema de franjas claras y oscuras se repetirá uniformemente. Esto resultará en señales eléctricas que pueden ser contadas y convertidas a una medición de distancia para obtener una medición de posición precisa de la carga. El espaciado entre las franjas claras y oscuras, y el régimen de pulsos eléctricos está determinado por la longitud de onda de la luz láser. Por ejemplo, la longitud de onda de haz de luz emitido por un láser helio-neón (He-Ne), ampliamente usado en interferómetros láser, es de 0,63µm, o aproximadamente 0,000025 pulgadas.

Así, la precisión de la medición de posición de la carga depende primariamente de la longitud de onda estabilizada conocida del haz láser. Sin embargo, esa precisión puede ser degradada por cambios en la humedad y temperatura, así como contaminantes suspendidos tales como polvo o humo existentes en el aire entre el divisor de haz y el retrorreflector móvil.

Potenciómetros multivueltas de precisión

El potenciómetro rotativo mutivueltas mostrado en la figura 1-49 es un instrumento de generación de señal de retroalimentación simple y de bajo costo. Originalmente desarrollado para su uso en computadoras analógicas, los potenciómetros de precisión pueden proporcionar información de posición absoluta en forma analógica como valor de resistencia o voltaje. Los voltajes precisos y reponibles (reset) corresponden a cada punto de ajuste del eje de control rotativo. Si un potenciómetro es usado en un servosistema, los datos analógicos serán usualmente convertidos a datos digitales por un circuito integrado conversor analógico a digital (ADC). Precisiones del 0,05% pueden ser obtenidas de instrumentos de calidad  con potenciómetros multivueltas de precisión, y las resoluciones pueden exceder los 0,005° si la salida de señal es convertida con un circuito integrado conversor analógico a digital de 16 bits.

Fig. 1-49. Un potenciómetro de precisión es un sensor de retroalimentación de bajo costo y confiable para servosistemas.
Los potenciómetros multivueltas de precisión están provistos con elementos resistivos híbridos o devanados con alambre. Los elementos híbridos son elementos devanados con alambre recubierto con plástico resistivo para mejorar su resolución. Para obtener una señal de salida de un potenciómetro, un cursor conductivo debe estar en contacto con el elemento resistivo. Durante su vida de servicio, el desgaste causado por el cursor sobre el elemento resistivo puede causar una degradación de la precisión de potenciómetro.

 

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