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Automatización industrial. Control de velocidad de motores. Sensores de retroalimentación de servosistemas.

Sensores de retroalimentación de servosistemas

Un sensor de retroalimentación en un sistema de control de movimiento transforma una variable física en una señal eléctrica para su uso por el controlador de movimiento. Sensores de retroalimentación típicos son los codificadores, resolvers, y transformadores de variable diferencial (LVDTs) para retroalimentación de movimiento y posición, y tacómetros para retroalimentación de  velocidad. Menos comunes pero también en uso como dispositivos de retroalimentación están los potenciómetros, transductores lineales de velocidad (LVTs), transductores de desplazamiento angular (ADTs), interferómetros láser y potenciómetros. Hablando en forma general, cuanto mas cerca está el sensor de retroalimentación a la variable controlada, mas preciso será en asistir al sistema para corregir los errores de velocidad y posición.

Por ejemplo, la medición directa de la posición lineal del transporte de la carga o herramienta sobre una única guía lineal proveerá mejor señal de retroalimentación que la medición indirecta determinada desde la posición angular de la guía del tornillo de posicionamiento, y el conocimiento de la geometría de la transmisión entre el sensor y el transporte. Así, las mediciones directas de posición evitan errores de transmisión causados por juego mecánico, histéresis, y desgaste del tornillo posicionador que pueden afectar adversamente a la medición indirecta.

Codificadores rotativos

Los codificadores rotativos (rotary encoders) , también llamados codificadores de eje motriz rotativo o codificadores de ángulo rotativo de eje, son transductores electromecánicos que convierten rotación del eje en pulsos de salida, que pueden ser contados para medir las evoluciones del eje motriz o ángulo de dicho eje. Estos proporcionan información de régimen y posicionamiento en lazos cerrados. Un contador rotativo puede sensar un número de posiciones discretas por revolución. El número es llamado puntos por revolución de un motor por pasos. La velocidad de un codificador está en unidades de cuenta por segundo. Los codificadores rotativos pueden medir el ángulo del eje del motor y del tornillo de posicionamiento para informar de la posición indirectamente, pero estos también pueden medir  la respuesta de las máquinas rotativas directamente.

Los codificadores rotativos más populares son los codificadores ópticos incrementales de ángulo de rotación de eje y los codificadores ópticos absolutos de ángulo de rotación de eje. Existen además codificadores de contacto directo o tipo escobilla y codificadores rotativos magnéticos, pero no son usados tan ampliamente en los sistemas de control de movimiento.

Los codificadores rotativos comerciales están disponibles como unidades estándar o unidades de catálogo, o pueden ser hechos a medida para aplicaciones inusuales o supervivencia en ambientes extremos. Los codificadores rotativos estándar son encapsulados en gabinetes cilíndricos con diámetros que van desde 1,5 a 3,5 pulgadas. Los rangos de resolución van de 50 ciclos por revolución del eje a 2.304.000 cuentas por revolución. Una variación de la configuración convencional, el codificador de eje hueco, elimina los problemas asociados con la instalación y carrera de eje de los modelos convencionales. Los modelos con ejes huecos están disponibles para su montaje sobre ejes con diámetros de 0,04 a 1,6 pulgadas (1 a 40mm).

Codificadores incrementales.

Las partes básicas de un codificador incremental óptico de ángulo de rotación de eje son mostradas en la figura 1-34. Un vidrio o disco de código montado sobre el eje codificador rota entre una fuente de luz interna, típicamente un diodo emisor de luz (LED), en un lado y una máscara y un sistema fotodetector sobre el lado opuesto. El disco de código incremental contiene una plantilla de segmentos opacos y transparentes igualmente distanciados, o un esquema radial partiendo desde su centro como se muestra. Las señales electrónicas que son generadas por la plaqueta electrónica del codificador, son alimentadas en un controlador de movimiento que calcula la posición y velocidad para propósitos de retroalimentación. Una vista expandida de un codificador incremental de grado industrial es mostrada en la figura 1-35.

Fig. 1-34. Elementos básicos de un codificador rotativo óptico incremental.

Discos de vidrio con códigos conteniendo las graduaciones mas finas capaces de una resolución de 11 a mas de 16 bits son usadas en codificadores de alta resolución, y discos plásticos (Mylar) capaces de una resolución de 8 a 10 bits son usados en los codificadores mas rústicos, que están sujetos a golpes y vibraciones.

Fig. 1-35. Vista expandida de un codificador óptico rotativo incremental mostrando la máscara estacionaria entre la rueda de código y el sistema fotodetector.

 

El codificador de cuadratura es el tipo más común de codificador incremental. La luz del LED que pasa a través del disco de código rotativo y la máscara es “recortada” antes de alcanzar el sistema fotodetector. Las señales de salida del conjunto son convertidas en pulsos cuadrados de dos canales (A y B), como se ve en la figura 1-36. El número de pulsos cuadrados en cada canal es igual al número de segmentos de disco de código que pasa los fotodetectores a medida que el disco rota, pero las formas de onda están 90° fuera de fase. Si, por ejemplo, los pulsos en el canal A adelantaron a los del canal B, el disco está rotando en dirección horaria, pero si los pulsos en el canal A se retrasan a aquellos del canal B, el disco está rotando en sentido antihorario. Al monitorear tanto el número de pulsos como las fases relativas de las señales A y B, tanto la posición como la dirección pueden ser determinadas.

Muchos codificadores incrementales de cuadratura incluyen además un tercer canal de salida Z para obtener una referencia cero p señal índice que ocurre una vez por revolución. Este canal puede ser sincronizado a los canales A y B de cuadratura y usado para disparar ciertos eventos dentro del sistema La señal puede además ser usada para alinear el eje codificador a una referencia mecánica.

Codificadores absolutos.

Todos los codificadores ópticos de desplazamiento angular del eje contienen múltiples fuentes de luz y fotodetectores, y un disco de código de hasta 20 pistas de sectores segmentados dispuestos en anillos, como se muestra en la figura 1-37. El disco de código proporciona una salida binaria que define unívocamente cada ángulo de giro del eje, proporcionando así una medición absoluta. Este tipo de codificador está organizado esencialmente en la misma forma que el codificador incremental mostrado en la figura 1-35, pero el disco de código rota entre arreglos lineales de LEDs y fotodetectores dispuestos radialmente, y un LED se opone a un fotodetector por cada pista del anillo.

Las longitudes de arco de los sectores transparentes y opacos disminuyen con respecto a la distancia radial desde el eje. Estos discos, también hechos de vidrio o plástico, producen ambos el código binario o Gray. La precisión de la posición del eje es proporcional al número de anillos o pistas sobre el disco. Cuando el disco de código rota, la luz que pasa  a través de cada pista o anillo genera una continua corriente de señales sobre el arreglo detector. La plaqueta electrónica convierte esa salida en una palabra binaria. El valor de la palabra de código de salida es leído radialmente desde el bit más significativo (MSB) en el anillo interno del disco al bit menos significativo (LSB) en el anillo exterior del disco.

La principal razón para seleccionar un codificador absoluto sobre un codificador incremental,  es que el disco de código retiene la última posición angular del eje del codificador en cualquier momento que se detenga, cuando el sistema es parado deliberadamente o como resultado de una falla de alimentación. Esto significa que la última lectura es reservada; un factor importante para muchas aplicaciones.

 

Fig. 1-36. Los canales A y B proveen detección de posición bidireccional. Si el canal A adelanta al canal B, la dirección es en sentido horario; si el canal B adelanta al canal A, la dirección es en sentido antihorario. El canal Z porporciona una referencia cero para la determinación de las rotaciones del disco.

Fig. 1-37. Disco de código binario para un codificador óptico rotativo absoluto. Los sectores opacos representan un valor binario de 1, y los sectores transparentes representan un número binario 0. Este disco binario de cuatro dígitos puede contar desde 1 al 15.

Codificadores lineales.

Los codificadores lineales pueden hacer mediciones directas precisas de movimientos unidireccionales y movimientos recíprocos de mecanismos con elevada resolución y repetibilidad. La figura 1-38 ilustra las partes básicas de un codificador lineal óptico. Una unidad móvil de escaneo contiene la fuente de luz, lente, retícula de escaneo de vidrio graduada, y un conjunto de fotocélulas. La escala, típicamente diseñada como una banda de vidrio con graduaciones opacas, está pegada a una estructura de soporte sobre la máquina de contención.

Un  haz de luz de la fuente lumínica pasa a través de la lente, cuatro aberturas de la retícula de escaneo, y la escala de vidrio al arreglo de fotocélulas. Cuando la unidad de escaneo se mueve, la escala modula el haz de luz de manera que las fotocélulas generan señales sinusoidales.

Las cuatro aberturas en la retícula de escaneo están separadas 90° en fase. El codificador combina la señal de fase cambiada para producir dos salidas sinusoidales simétricas que están separadas 90° en fase. Un quinto diseño sobre la retícula de escaneo tiene una graduación aleatoria que, al estar alineada con una marca de referencia idéntica, genera una señal de referencia.

Fig. 1-38. Los codificadores lineales ópticos dirigen la luz a través de una escala de vidrio móvil con graduaciones grabadas hacia las fotocélulas sobre el lado opuesto para conversión a un valor de distancia .

Un fino alineado de escala proporciona alta resolución. El espaciado entre la retícula de escaneo y la escala fija debe ser angosto y constante para eliminar efectos de difracción indeseables de la rejilla de la escala. La unidad de escaneo completa está montada sobre un transporte que se desplaza sobre rodamientos a bolillas a lo largo de la escala de vidrio. La unidad de escaneo está conectada al elemento de deslizamiento de la máquina de contención mediante un acoplamiento que compensa cualquier error de alineamiento entre la escala y las guías de la máquina.

Circuitos electrónicos externos interpolan las señales sinusoidales del cabezal del codificador, para subdividir el espaciado de línea sobre la escala de manera que pueda medir incrementos de movimiento aún menores. La longitud práctica máxima de las escalas de codificadores lineales es de aproximadamente 10 pies (3m), pero los modelos de catálogos comerciales están típicamente limitados a aproximadamente 6 pies (2m). Si mayores distancias van a ser medidas, la escala del codificador está hecha de cinta de acero con graduaciones reflectivas que son sensadas por una unidad de escaneo fotoeléctrico apropiada.

Los codificadores lineales pueden hacer mediciones directas que superen las diferencias inherentes a las etapas mecánicas debido al juego mecánico, histéresis y errores del tornillo de desplazamiento. Sin embargo, la susceptibilidad de la escala a daños por esquirlas metálicas, aceite de hollín, y otros contaminantes, junto con sus requerimientos relativamente grandes de espacio, limitan la aplicación de estos codificadores.

Los codificadores lineales están disponibles como modelos de catálogo estándar, o pueden ser hechos a medida para aplicaciones específicas o condiciones extremas ambientales. Existen en los tipos de codificadores lineales completamente encapsulados o abiertos, con distancias de carrera desde 2 pulgadas a 6 pies (50mm a 1,8m). Algunos modelos comerciales están disponibles con resoluciones menores a 0,07µm, y otros pueden operar a velocidades de hasta 16,7 pies/segundo (5 m/s).

Codificadores magnéticos.

Los codificadores magnéticos pueden ser hechos ubicando un imán permanente polarizado transversalmente en cercana proximidad a un dispositivo de efecto Hall ( HED o Hall-effect device) . La figura 1-39 muestra un imán colocado sobre un eje de motor muy cercano a un conjunto HED de dos canales el cual detecta cambios en la densidad de flujo magnético a medida que el imán rota. Las señales de salida de los sensores son transmitidas a los controladores de movimiento. La salida del codificador, como o onda cuadrada o como onda casi sinusoidal (dependiendo del tipo de dispositivo magnético de sensado) puede ser usada para contar las revoluciones por minuto (rpm) o determinar la precisión del eje del motor. El cambio de fase entre los canales A y B les permite ser comparados por el controlador de movimiento a fin de determinar la dirección de rotación del eje del motor.

Fig. 1-39. Partes básicas de un codificador magnético

Resolvers

Un resolver es esencialmente un transformador de rotación que puede proporcionar retroalimentación de posición en un servosistema como alternativa a un codificador. Los resolver se asemejan a pequeños motores de corriente alterna, como se muestra en la figura 1-40, y generan una señal eléctrica para cada revolución de su eje, Los resolvers que pueden determinar la posición en aplicaciones de control de lazo cerrado tienen un bobinado sobre el rotor y un par de bobinados en el estator, orientados a 90°. El estator está hecho bobinando alambre de cobre sobre un paquete de láminas de hierro ajustadas al gabinete, y el rotor está hecho sobre un paquete de laminaciones montadas sobre el eje del resolver.

Fig. 1-40. Vista expandida del bloque de un resolver sin escobillas (a), y el rotor y los rodamientos (b). La bobina sobre el rotor se acopla inductivamente con el estator para enviar datos de la velocidad para su procesamiento.

Fig. 1-41. Esquema de un resolver que muestra cómo la posición del rotor es transformada en salidas senoidales y cosenoidales que miden la posición del rotor.

La figura 1-41 es un esquema eléctrico de un resolver sin escobillas mostrando el bobinado único de rotor y dos bobinados de estator separados en 90°. En un servosistema, el rotor del resolver está mecánicamente acoplado al motor impulsor y la carga. Cuando un bobinado de rotor es excitado por una señal de referencia de corriente alterna, el mismo produce una salida de voltaje de corriente alterna que varía en amplitud de acuerdo con el seno y coseno de la posición del eje. Si el cambio de fase entre la señal aplicada al rotor y la señal inducida que aparece sobre la espira del  estator es medido, el ángulo es análogo a la posición del rotor. La posición absoluta de la carga movida puede ser determinada por la relación de la amplitud senoidal a la amplitud de la salida cosenoidal a medida que el eje del resolver gira en una revolución. (Un resolver de velocidad única produce una onda senoidal y una cosenoidal como salida por cada revolución).

Las conexiones al rotor de algunos resolvers puede ser hecha por escobillas y anillos deslizables, pero los resolvers para aplicaciones de control de movimiento son típicamente sin escobillas. Un transformador rotativo sobre el rotor acopla la señal al rotor inductivamente. Debido a que los resolvers sin escobillas no tienen anillos deslizables o escobillas, éstos son más resistentes que los codificadores y tienen vidas operativas que son hasta diez veces aquellas de los resolvers de tipo a escobillas. La falla del rodamiento es la causa más probable de una falla de resolver. La ausencia de escobillas en estos resolvers los hace sensibles a vibraciones y contaminantes. Los resolvers sin escobillas típicos tienen diámetros de 0,8 a 3,7 pulgadas. Los ejes de rotores son típicamente roscados y acanalados.

La mayoría de los resolvers sin escobillas puede operar a lo largo de una rango de 2 a 40 voltios, y sus bobinados son excitados por un voltaje de referencia de corriente alterna a frecuencias de 400 a 10.000 Hz. La magnitud del voltaje inducido en cualquier bobinado de estator es proporcional al coseno del ángulo, α, entre el eje de la bobina de rotor y el eje de la bobina de estator. El voltaje inducido entre cualquier par de terminales de estator será la suma de vectores de los voltajes entre las dos bobinas conectadas. Precisiones de ±1 minuto de arco pueden ser alcanzadas.

En aplicaciones de lazo cerrado de retroalimentación, las señales de salida sinusoidales del estator son transmitidas hacia el conversor resolver-digital (RDC), que es un conversor especializado analógico-digital (ADC) que convierte las señales a una representación digital del ángulo real requerido como entrada al controlador de movimiento.

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