3 formas de controlar motores para movimientos de precisión en transportadores de posicionamiento

Eric arroz | 15 de noviembre de 2018

Los motores sirven como componentes integrales de los sistemas de control de movimiento para transportadores industriales. Normalmente, las aplicaciones de transportadores funcionan a velocidad constante o variable y solo requieren control de velocidad desde un motor de accionamiento principal. Los transportadores de posicionamiento, como los utilizados para las controladoras de peso automatizadas, requieren un control más preciso. En estas aplicaciones, el accionamiento principal debe iniciar y detener el transportador de posicionamiento con una precisión de moderada a alta.

Si bien los motores de CC y CA se utilizan popularmente para mantener el control de velocidad para aplicaciones de transportadores de velocidad fija o constante, los motores paso a paso y servomotores ofrecen capacidades de posicionamiento más precisas para transportadores que requieren un movimiento de precisión más exacto. Los motores paso a paso suelen ser el motor elegido, mientras que los servomotores ofrecen numerosos beneficios para movimientos más exigentes.

Los motores paso a paso normalmente funcionan con control de bucle abierto y ofrecen las ventajas de simplicidad, excelente posicionamiento y economía. Pero cuando se configuran con un mecanismo de retroalimentación, como un codificador integrado de alta resolución, los motores paso a paso de circuito cerrado proporcionan información de velocidad y posición al variador/controlador. El alto par y la rápida respuesta dinámica de los sistemas de circuito cerrado abordan las demandas de los transportadores de posicionamiento de alto rendimiento.

La velocidad, el par, la precisión y el tamaño son parámetros importantes a considerar al elegir el motor adecuado para una aplicación de transportador. Los proveedores de motores pueden brindarle la experiencia y las herramientas para ayudarlo a seleccionar el diseño adecuado para su aplicación.

Después de especificar el motor correcto, lo siguiente es elegir un método de control del motor adecuado. A continuación se presentan tres de los métodos más populares para controlar motores paso a paso y servomotores utilizados en el posicionamiento de transportadores.

1. Control de pulso

El control de pulso digital, también conocido como control de pasos y dirección, es un método común para controlar cualquier motor paso a paso o servo. El control de pulso digital es una buena opción si el PLC o controlador principal de la máquina contiene una o más salidas de alta frecuencia, como 20 kilohercios (kHz) o más.

Se requiere una frecuencia de salida de pulso mínima de 20 kHz para el control de paso y dirección. Si bien es posible que muchos usuarios quieran utilizar 100 kHz o más (muchos controladores ofrecen frecuencias de hasta 2 o 3 megahercios o MHz), estas salidas de alta frecuencia aumentan los costos del sistema. Utilice salidas de frecuencia más baja implementando un controlador paso a paso o un motor paso a paso integrado con emulación Microstep. Este poderoso avance en la tecnología de motores paso a paso permite un funcionamiento suave en micropasos incluso cuando los motores utilizan salidas de pulsos de baja frecuencia.

Figura 1: Este diagrama de control de pulsos muestra cómo el controlador primario envía señales de PASO y DIRECCIÓN al eje del motor.

La configuración de este esquema de control (consulte la Figura 1 arriba) incluye conectar la salida de pulso del PLC a la entrada de paso del variador de velocidad del motor o del motor integrado. Una segunda salida que no es de pulso está vinculada a la entrada de dirección. El número y la frecuencia de los pulsos transmitidos a la entrada escalonada determinan la longitud del recorrido y la velocidad del transportador, respectivamente. La señal (alta o baja) en la entrada de dirección determina la dirección de viaje: hacia adelante o hacia atrás. Para un arranque y parada suaves del transportador, el PLC/controlador debe aumentar y disminuir la frecuencia de los pulsos para crear aceleraciones y desaceleraciones suaves. Sin esta capacidad, el transportador se sacudirá al arrancar y al detenerse.

2. Control de velocidad con entrada analógica

El uso de una variación de señales de entrada/salida (E/S) discretas con una o dos entradas digitales más una entrada analógica es otro esquema popular para controlar motores paso a paso y servomotores con transportadores de posicionamiento.

En esta configuración, Ejecutar/Parar es la primera entrada digital. Cuando se configura Run/Stop, el motor alcanza y funciona automáticamente a la velocidad objetivo. Cuando se restablece la entrada Run/Stop, el motor desacelera hasta detenerse. Como la aceleración y desaceleración del motor se configuran en el software durante la puesta en servicio del eje, el eje las controla automáticamente. Una segunda entrada digital puede controlar la dirección (avance/retroceso).

Si bien la velocidad objetivo del motor se puede configurar en el software a un valor fijo, muchos usuarios optan por controlar la velocidad con una señal analógica (consulte la Figura 2 a continuación).

Figura 2: Este diagrama de control de velocidad muestra cómo el controlador principal proporciona señales digitales de MARCHA/PARADA y DIRECCIÓN, así como una señal ANALÓGICA para referencia de velocidad al eje del motor.

Esta opción proporciona mucha más flexibilidad al diseñador de la máquina. Al configurar el eje del motor para relacionar su velocidad objetivo según el nivel de voltaje en la entrada analógica del eje del motor, el diseñador de la máquina puede controlar con precisión la velocidad objetivo del transportador para diferentes condiciones de proceso. Algunas condiciones pueden requerir que el transportador funcione más rápido que otras. Muchos variadores y motores integrados tienen al menos una entrada analógica que acepta de 0 a 5 voltios o hasta +/- 10 voltios. El control de velocidad analógico es un método eficaz para controlar tanto la posición como la velocidad del transportador utilizando una cantidad mínima de puntos de E/S. Este esquema de control es fácil de programar en el controlador primario.

3. Control de Red (Control Distribuido)

El control de red ofrece la mayor flexibilidad al usuario, especialmente para aquellos que prefieren descargar algunas de las funciones de control. El control de red (consulte la Figura 3 a continuación) implica una conexión permanente en serie o de bus de campo entre el controlador primario y el variador de frecuencia o el motor integrado. Esta conexión reemplaza todas o la mayoría de las señales de E/S discretas utilizadas en los dos métodos anteriores.

Figura 3: Este diagrama de control de red muestra la conexión de red entre el controlador primario y el eje del motor. La conexión de red puede ser una interfaz serie como RS-232, RS-485 o Ethernet, o un protocolo estándar de la industria como EtherNet/IP, Modbus o CANopen.

Muchos variadores y motores integrados disponibles actualmente en el mercado admiten interfaces de red para RS-232, RS-485, Ethernet TCP y Ethernet UDP, así como EtherNet/IP, Modbus y CANopen. Cualquiera de estas interfaces serie funciona para aplicaciones de un solo eje donde el controlador principal debe controlar solo un eje. Sin embargo, RS-232 no funciona para aplicaciones multieje cuando se controla más de un eje.

Una vez realizada una conexión de red, todos los comandos desde el controlador primario al eje del motor se envían a través de la conexión de red. Los detalles exactos de los comandos varían según el método de conexión. Para fines de discusión, este artículo se centrará en el envío de comandos SCL (Si Command Language) a través de una conexión RS-232 o RS-485.

Sencillos y fáciles de usar, los comandos SCL se definen con dos letras y siguen una sintaxis sencilla que los programadores adoptan fácilmente. La sintaxis para transmitir un comando SCL a través de una conexión RS-232 o RS-485 se puede mostrar como:

FL20000

En este ejemplo, el comando es FL, que significa Alimentación a longitud y representa un comando de movimiento incremental o relativo. El número 20000 es el parámetro de distancia para este comando e indica 20.000 incrementos de movimiento. Para un motor paso a paso, cada incremento es un paso, mientras que para un servomotor, cada incremento es un conteo del codificador. Al final de la cadena simboliza un retorno de carro (ASCII 13), que designa el final de la cadena de comando. Al recibir esta cadena de comandos, el eje del motor indexa el transportador hacia adelante una distancia de 20.000 incrementos.

El conjunto de comandos SCL contiene comandos adicionales para velocidad, aceleración y desaceleración, así como para movimiento tanto en dirección hacia adelante (positiva) como hacia atrás (negativa). Más de 100 comandos están disponibles en SCL, incluidos aquellos para movimientos absolutos, movimientos de referencia y movimientos de registro. Para obtener un diccionario de comandos SCL, consulte Referencia de comandos del host.

Para elegir cuál de los esquemas de control es el adecuado para su aplicación de transportador de posicionamiento, considere los requisitos de posición y velocidad, así como el tipo y las capacidades existentes del controlador principal o PLC que ya está en su máquina. Agregar un módulo de control paso a paso a su PLC o controlador es fácil. Si la función ya existe y está disponible, el método de control de pulso es una buena opción. El control de pulso proporciona un posicionamiento preciso.

Si solo se necesita control simple de marcha/parada y dirección, considere el esquema de control analógico. Como se explicó, este esquema se puede actualizar en cualquier momento con una señal analógica para variar la velocidad del transportador. Tenga en cuenta que la precisión del esquema de control de velocidad para posicionar el transportador (arranque y parada) se basa en el tiempo de configuración y reinicio de la entrada de marcha/parada.

Finalmente, si su PLC o controlador tiene una conexión de red disponible, el control de red proporciona un posicionamiento altamente preciso, así como la oportunidad de consultar el estado del eje del motor. Tener la capacidad de consultar el eje del motor para obtener información, como fallas del motor y estado de alarma, puede ser beneficioso para mantener la confiabilidad del funcionamiento de la máquina.

Eric Rice, ingeniero de aplicaciones, es director de marketing de Applied Motion Products. Fundada en 1978, la empresa se especializa en productos de control de movimiento rentables y de alta precisión. Comuníquese con Rice en [correo electrónico protegido].

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