La principal ventaja de un servomotor, sobre los motores tradicionales de corriente continua o alterna, es la incorporación en los mismos, de un sistema de retroalimentación. Esta información puede ser utilizada para detectar un movimiento no deseado, o para garantizar la exactitud del movimiento ordenado. Un sistema de control de motor que responde a este diseño, es conocido como sistema de “Lazo Cerrado” (Closed Loop). La retroalimentación es generalmente provista por un codificador de algún tipo.
Además, los motores servo, tienen un ciclo de vida más prolongado, que los típicos motores síncronos o asíncronos, a la hora de soportar el constante cambio de velocidad. Los servomotores también pueden actuar como un freno, por derivación de la electricidad generada, a partir del propio motor.
Un Servomotor podría definirse genéricamente, como un motor utilizado para obtener una salida precisa y exacta en función del tiempo. Dicha salida esta expresada habitualmente en términos de posición, velocidad y/o torque.
Es así que los motores servo están ganando un lugar de privilegio en muy diversos ámbitos de la industria, en los cuales se valora sus extraordinarios desempeños, cuando se busca implementar soluciones de automación de gran confiabilidad. Se emplean en la potenciación de máquinas herramientas CNC, así como también en la automatización de plantas industriales y robótica en general.
Servomotores brushless de iman permanente
Si bien existen diferentes tecnologías de motores, que pueden ser utilizadas como servomotor, este artículo tratara sobre los servomotores brushless a imán permanente. Estos incorporan los más avanzados y eficientes adelantos en esta tecnología y son la base de apoyo de todo buen sistema de control CNC profesional.
La aplicación industrial de dichos motores está desarrollándose significativamente por múltiples razones, entre las que podemos mencionar: nuevos y más potentes componentes magnéticos para los motores como los imanes de tierras raras, reducción de costo de los motores y los equipos electrónicos necesarios para el control de los mismos, incorporación en dichos equipos electrónicos de nuevas funciones, para un control preciso y confiable del movimiento, que permiten utilizarlos eficientemente e incorporar nuevas áreas a su dominio de aplicación.Esencialmente un motor brushless a imán permanente es una maquina sincrónica con la frecuencia de alimentación, capaz de desarrollar altos torques (hasta 3 o 4 veces su torque nominal), en forma transitoria, para oponerse a todo esfuerzo que trate de sacarla de sincronismo. La denominación brushless deviene del hecho de que no posee escobillas y es una forma de diferenciarlo de sus predecesores, los servomotores a imán permanente alimentados con corriente continua. Estos motores está alimentados con corriente alterna y en comparación con los motores asíncronos, a “jaula de ardillas” (que erogan el mismo torque / velocidad en su eje), la inercia de un servomotor brushless es sustancialmente menor. Ambas características: sobre-torques de importancia e inercias reducidas son características apreciadas y útiles para el control del movimiento, pues permiten rápidas aceleraciones y desaceleraciones, así como control preciso de posición en altas velocidades.
Constructivamente el servomotor brushless posee un estator parecido al de un motor de jaula con un núcleo laminado y un bobinado trifásico uniformemente distribuido. El rotor está constituido por un grupo de imanes permanentes fijados en el eje de rotación. La forma de los rotores a imanes varía de acuerdo al diseño y puede clasificarse en cilíndricos o de polos salientes. La fijación de los imanes al rotor ha sido uno de los puntos críticos en la construcción de estos motores debido a las altas fuerzas centrifugas a las que se encuentran sometidos durante los procesos de aceleración y frenado. Actualmente se combinan fijaciones mecánicas de diferentes tipos, con sus elementos pegados utilizando adhesivos especiales (atadura con fibra de vidrio, chavetado con diferentes materiales, etc.).
Haciendo circular corriente alterna en las fases del bobinado del estator producimos un campo magnético rotante en el entrehierro del motor. Si en cada instante, el campo magnético generado en el estator, intersecta con el ángulo correcto al campo magnético producido por los imanes del rotor, generamos torque para lograr el movimiento del motor y la carga acoplada a él.
La utilización de un dispositivo electrónico denominado servodrive, para alimentar al estator con la tensión y frecuencia correcta, permite en cada instante generar un campo magnético estatórico de magnitud y posición correctamente alineada, con el campo magnético de rotor. De esta forma obtenemos el torque necesario para mantener la velocidad y posición deseada del eje del motor. El proceso implica conocer en todo instante la posición del rotor, para lo cual se equipan los servomotores con dispositivos tales como resolvers, encoders u otros. Los mismos rotan solidariamente con el eje del servomotor e informan al servodrive la posición del rotor. Dichos dispositivos de realimentación de posición se diferencian en la robustez, resolución, capacidad de retener la información de posición ante cortes de alimentación y número de conexiones necesarias entre otras.
Por ejemplo en una servo-máquina de tracción directa, que rota normalmente a una velocidad nominal de algunas centenas de rpm, deberemos seleccionar dispositivos con un alto número de pulsos por revolución, a fin de tener control de torque, durante la partida y parada.
Actualmente los servodrives operan por técnicas de modulación de ancho de pulso o Pulse Width Modulation (PWM) con configuraciones de hardware (básicamente en la parte de potencia) parecidas a los inversores para el control de motores asincrónicos. De hecho existen en el mercado drives que permiten controlar ambos tipos de motores. Debe puntualizarse, que para la operación normal de un servomotor necesitamos un servodrive. El motor no puede ser operado directamente de la red de suministro.
El análisis del circuito equivalente simple de un servomotor brushless a iman, nos permite obtener las ecuaciones básicas de su comportamiento:
Torque en el eje:= Kt * Corriente, o sea que el torque en el eje es proporcional a la corriente del estator del servomotor. “Kt” es una constante para cada motor, expresada en unidades de torque dividido por la corriente (por ejemplo: NM / AMP). Conociendo el torque que deben erogar el motor, esta ecuación permite seleccionar el servodrive necesario en función de la corriente nominal y pico del mismo.
Tension de alimentación = Ke * Velocidad del motor, válida para resistencias de estator bajas. Expresa que la tensión de alimentación del estator es función de la velocidad de rotación. “Ke” es una constante para cada motor, expresada en unidades de tensión eléctrica, dividido la velocidad (por ejemplo: VOLT / RPM).
La selección de un servomotor para una determinada aplicación requiere conocer el torque de pico necesario para acelerar y frenar la carga impulsada por el motor, así como el torque eficaz requerido por la aplicación. Básicamente, el conjunto servodrive-servomotor deben estar en condiciones de satisfacer los requerimientos de torque pico solicitados por el sistema y el motor debe soportar sin deterioro, el régimen térmico impuesto, por manejar el torque eficaz requerido por la aplicación.
La unidad Servo Drive
Un unidad de servo es un tipo especial de amplificador electrónico, utilizado para suministrar energía eléctrica a un servomotor conectado al mismo. Este dispositivo efectúa un seguimiento de las señales de retorno del motor y ajusta continuamente para corregir las eventuales desviaciones respecto del comportamiento esperado.
Función
La unidad de servo recibe la señal de comando de un sistema de control, amplifica la señal y transmite corriente eléctrica al servo motor, con el fin de producir el movimiento proporcional a la señal de mando. Normalmente, la señal de mando representa una velocidad deseada, pero también puede representar un torque deseado o posición. Un sensor de velocidad conectado al motor servo informa la velocidad real del motor a la unidad de servo. La unidad de servo a continuación, compara la velocidad real del motor con la velocidad esperada del motor al mando. A continuación, altera la frecuencia de voltaje enviada al motor, con el fin de corregir cualquier error en la velocidad.
En un sistema bien configurado, el servo motor gira a una velocidad, muy proxima a la señal de velocidad recibida desde la unidad de servo y del sistema de control. Varios parámetros, como la rigidez (también conocido como ganancia proporcional), la amortiguación (también conocido como ganancia derivada), y la ganancia de retroalimentación, se pueden ajustar para lograr este rendimiento deseado. El proceso de ajuste de estos parámetros se llama Tuning o Puesta a Punto.
Elementos de un Servo Drive
En la imagen que se muestra a continuación se pueden individualizar los elementos básicos, presentes en cualquier servodrive. Hasta aquí se ha comentado aspectos relativos a su principio de funcionamiento y particularidades de su estado de desarrollo presente, pero resulta también interesante ver como se hallan materializados muchos de estos conceptos en el producto real.
OMRON Accurax G5 EtherCAT
Display
Muchos servos incluyen una pantalla LCD o Display, para informar del estado del servo así como posibles anomalías.
Entrada de potencia:
La entrada de potencia (desde la red eléctrica, previo paso por filtros si fuera necesario para cumplir con EMC), aporta la energía necesaria al Drive, para que posteriormente rectificada y troceada, sea entregada al motor. Normalmente existen versiones del servo para suministro monofásico y trifásico. La frontera entre sistemas monofásicos y trifásicos acostumbra a situarse alrededor de 1KW-1.5 KW. Este aspecto dependerá del fabricante.
La mayoría de los servosistemas tendrán a su vez una entrada adicional de control, que alimentará la lógica del servodrive. Esta entrada acostumbra a ser de 230 VAC (para sistemas monofásicos) ó 24 V (para sistemas trifásicos).
La segregación entre la alimentación del DC BUS y el Control, permite por ejemplo deshabilitar toda la potencia del DC BUS, manteniendo el control (por ejemplo, para que el servo no pierda la realimentación de posición del encoder).
Salida de Potencia
La salida de potencia es la que alimenta al motor, es por donde la onda PWM de alta potencia, será conducida para hacer girar el motor según velocidad y par comandados.
Por tratarse la señal PWM de una señal de alta frecuencia y alta potencia, existe la posibilidad de que ondas radiadas afecten a otros equipos adyacentes. Para evitar este problema deben seguirse las instrucciones de montaje e instalación del fabricante del equipo. Un mal apantallamiento o aislamiento de estos cables (por ejemplo. si se los fabrica uno mismo, o se realizan empalmes) es la causa de numerosos problemas de ruido, de difícil diagnosis y en ocasiones de difícil solución.
Es habitual en la mayoría de los servos, que se permita el acceso al DC BUS mediante bornas. De este modo se puede controlar el nivel del DC BUS, ya sea con resistencias de frenado (quemamos el exceso de energía al regenerar) o mediante regeneración a la red eléctrica (se acostumbra a utilizar en sistemas de muy alta potencia, debido al incremento en los costos).
El servo de la imagen anterior, permite al acceso a dichas bornas del DC BUS, pero para aplicaciones donde existan muchos ejes y en los que se produzca regeneración y consumo simultáneo por varios ejes. Existe la posibilidad de cablear los DC BUS de varios servos, de este modo en teoría la energía regenerada de un eje puede ser aprovechada por otro. La teoría es muy bonita, pero en la práctica no son tantas las aplicaciones en las que los ejes trabajen de un modo en la que el aprovechamiento de la regeneración sea rentable.
Comunicaciones Serie
Pese a que hoy en día la mayoría de los servos presentan versiones con Buses de Motion Control Digitales, lo cierto es que existen muchas aplicaciones que se siguen solucionando con consignas analógicas o de pulsos. Para poder configurar dichos servos se acostumbra a dotar al servo de un puerto de comunicaciones serie. En el pasado estos solían ser RS-232 o 422, pero en la actualidad muchos servos de nueva generación vienen provistos de puertos serie USB, que permiten una comunicación mucho más rápida con el equipo.
Incluso los servos provistos de protocolo de comunicaciones para Motion, acostumbran a conservar el puerto serie/USB, es siempre una puerta de acceso adicional cuando por algún motivo es necesario.
Motion BUS
Para sistemas multi-ejes, en los que se requiere acceso a parámetros de control de función de muchos ejes, en las que varios ejes funcionan sincronizados o coordinados, se acostumbra a utilizar sistemas de Motion BUS digitales.
Existen muchos buses, ya sean propietarios del fabricante o abiertos mediante organizaciones. Cada fabricante intentará convencernos de las bondades de su BUS, lo cierto es que en la actualidad nos encontramos en un momento de transición entre buses, con un ancho de banda “ajustado”, para controlar muchos ejes (10-20 Mbps), a protocolos basados en el medio físico Ethernet. En la actualidad el número de ejes por máquina está aumentando, así como el número de ejes, que es capaz de controlar un Motion Controller.
Son estas funciones adicionales, como la automatización de cambios y los beneficios para el usuario final, que estas generan, las razones que justificarán pagar un precio mayor por una máquina.
Seguridad Integrada
La normativa de seguridad europea es muy estricta y cada vez lo va a ser más. Ciertamente las partes móviles de una máquina son un factor de peligro, es por esto que desde hace algunos años están apareciendo servosistemas con funciones de seguridad integrada. El motivo es claro: aumentan la seguridad, ya que el dispositivo a cargo de la gestión de las medidas de seguridad está integrada en la electrónica del drive, reduciéndose así el tiempo de reacción. Por otro lado, facilitan el proceso de certificación de seguridad de la máquina.
Entradas y salidas I/O
Todos los servos necesitan interactuar con su entorno, en función de la naturaleza del servo y de la disponibilidad de un bus de control de movimiento, los servos vendrán provistos de más o menos entradas.
Entradas / Salidas (I/O’s) típicas en un servo son:
-Enable / Run: Habilitación de la etapa de salida del DC BUS.
-Alarm Reset: En caso de fallo, se requerirá de una entrada para borrar la alarma.
-Positive Over Travel (POT): Los límites de carrera positivos indican al servo (por ejemplo mediante un sensor inductivo), que ha alcanzado una posición física, que no debe de ser superada.
-Negative Over Travel (NOT): Análogamente al POT, existen posiciones en sentido negativo de movimiento, que no deben de ser superadas.
-Touch Probe (o captura de registro): Se trata de una entrada ultra rápida que permite al servo memorizar la posición del eje, cuando dicha entrada es activada.
Adicionalmente el servo acostumbrará a tener como mínimo las siguientes salidas:
-Alarma: indicará que el servo se encuentra en estado de fallo.
-Ready: todo marcha bien.
-Brake: El servo está operando un motor con freno eléctrico.
Existen muchas más otras I/O’s configurables, que estarán presentes o no en función del servo y fabricante: por ejemplo salidas configurables en función del estado del servo: velocidad, posición, etc., entradas adicionales de registro, cambios de ganancias, etc.
Realimentación del encoder del motor
Esta entrada es necesaria para un control preciso del motor, es imprescindible para poder cerrar el lazo de velocidad y en la mayoría de las aplicaciones también se utilizará para cerrar el lazo de posición.
Realimentación Encoder Auxiliar
Robaq Automación. Buenos Aires. Argentina.
E-Mail: info.robaq@gmail.com
Fuentes: http://www.infoplc.net/blog4/2010/08/04/elementos-de-un-servo-drive/
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