Servo: E/S de control

 Dependiendo del tipo de servo del que se trata (controlado por pulsos, controlado por consigna analógica, controlado por protocolo de red,…) y por supuesto dependiendo del fabricante, un servo tendrá más o menos Entradas/Salidas de control.

 El siguiente esquema muestra un OMRON G5, pero la mayoría de lo aquí explicado será aplicable para servos de cualquier fabricante.

 

ENTRADAS DIGITALES

 

Entrada de Habilitado (Enable)

 

(Enable dependiendo del frabricante…), es una entrada que puede estar presente (o no…., p.e. en servos comandados via red) y sirve para habilitar la etapa de potencia del servo, si esa entrada no está cableada (o activa via red)), el servo no será habilitado (no tendrá potencia) y no podrá moverse.

 

Los límites de carrera (Overtravel)

 

(Positive and Negative overtravel…) son dos entradas, una para el límite de carrera positivo y otra para el límite de carrera negativo.

 

Se cablean a sensores externos al servo: p.e. un inductivo o fotocélula… que servirán para delimitar el area de trabajo del eje. El eje no podrá trabajar fuera del area definida entre los dos sensores cableados, pudiendo este por lo general… entrar en fallo, bloquearse o sólo admitir un sentido de funcionamiento inverso al movimiento que propició la detección del límite de carrera

 El uso de estos sensores tiene mucho sentido en ejes que realizan un desplazamiento ‘finito’, por ejemplo un husillo… Por lo general no tendrá sentido definir estas entradas en un eje ‘infinito’ (rotativo), por ejemplo una cizalla rotativa.

 

Nota.- Con frecuencia se pueden también habilitar límites de carrera por software (no son entradas físicas), por lo general se utilizarán como precaución adicional, o por comodidad (configuración via HMI, etc…).

 

Entradas de registro

 

Las entradas de registro (latch, touchpobe, etc… dependiendo del fabricante) son entradas rápidas, que se utilizan para desencadenar un evento en el drive.

 Por lo general, este evento será la captura (registro) de la posición del eje, (por ejemplo para utilizarla con posterioridad para una correción de marca, etc…)

 

Estas entradas son ultrarrápidas, ya que buscan capturar la posición del eje con la mayor precisión posible (¿y quién mejor que el propio eje para realizar esta tarea con la máxima precisión?… estamos hablando de microsegundos!).

Por tratarse de entradas ultra-rápidas acostumbran a no estar filtradas… por lo que no es recomendable cablear elementos como relés mecánicos, pues son demasiado lentos… y una potencial fuente de ruido eléctrico.

 Normalmente, un servo tendrá  más de una entrada de registro, para poder calcular diferencias de posición (por ejemplo para corregir rodillos de una impresora tipo Offset).

 

Entrada de proximidad de Origen y Origen (Home)

 La entrada de proximidad puede utilizarse opcionalmente en combinación con una ¡entrada de registro’ o la marca ‘Z’ del encoder para definir una secuencia de búsqueda de origen.

 

La búsqueda de origen acostumbra a realizarse en en dos Fases:

 Fase 1: En una primera etapa de aproximación a la entrada de proximidad, el eje se desplaza a una velocidad lenta hasta detectar la entrada de ‘proximidad de Origen’, una vez detectada esta el eje pasará a la Fase 2.

 

Fase 2: En este estado, el eje se moverá a una velocidad muy lenta esperando detectar una entrada rápida de registro o la marca ‘Z’ del encoder.

 La utilización de la entrada de origen, permite un acercamiento a una velocidad más alta hasta la Fase 2, que por lo general se realizará a muy poca velocidad paa garantizar precisión.

 Esta secuencia básica, se puede completar (si el controlador o servo lo permiten) incluyendo señales adicionales a la maniobra, p.e. cómo los límites de carrera ,etc..

 

Entradas de propósito general

 

Estas entradas acostumbran a ser parametrizables por el servo y, en ocasiones pueden utilizarse como E/S de propósito general para el controlador del servo, p.e. via EtherCAT.

 

SALIDAS DIGITALES

 

Alarma

 

Típicamente el servoamplificador tendrá una salida de alarma que podrá utilizarse para reportar el estado del mismo hacia su controlador (si no se dispone de red de datos), o por ejemplo para deshabilitar el servo en caso de alarma.

 

Salidas de propósito general

 

Estas salidas acostumbran a ser configurables (por ejemplo para indicar que el servo está a velocidad, o en posición, etc…) y en algunos casos pueden ser utilizasdas como salidas de propósito general del controlador.

 

ENTRADAS ANALÓGICAS

 

Consigna y límites

 

En caso de servos analógicos o de pulsos, se acostumbran a utilizar entradas analógicas, que en combinación nos darán la consigna de velocidad y el límite de par o la consigna de par y límite de velocidad, acostumbran a ser configurables

 

SALIDAS ANALÓGICAS

 

Monitores

 

Los monitores analógicos son salidas configurables que se utilizan para monitorizar, por ejemplo… velocidad, par, etc…

 Resumen

 Por norma general un servo tendrá las E/S anteriormente mencionadas, pudiendo diferir estas en función del fabricante…

 Estas E/S son propias del servo por lo que por lo general serán mucho más rápidas que otras señales de campo. (p.e. entrada de registro).

 Las funciones básicas del servo (excepto en buses de motion) se comandan via combinación de E/S discretas del mismo. (p.e. un servo con posicionamiento incluido o indexer podrá comandarse utilizando esas entradas).

¿E/S en el servo  o en el PLC?

Actualmente existen buses de máquina que permiten un refresco muy rápido y síncrono de una red, lo que da pie a  la utilización de E/S distribuidas del ‘PLC’ para control de ejes.

Pese a que estos buses de campo son cada vez más rápidos y precisos, con anchos de banda de 100 Mb o más, mecanismos de compensación del jitter (fluctuación del ciclo), y mecanismos de sincronización basados en relojes distribuidos , la mayoría de los servoaccionamientos  en red, tienen entradas locales, ya que estas pueden trabajar (sin necesidad de compensaciones) al ciclo del servoaccionador , siendo este generalmente de unos pocos microsegundos.

 

Un elemento imprescindible a la hora de controlar un servosistema es el la realimentación de posición y velocidad.

Cierto es que existen sistemas (variadores pricipalmente) que funcionan sin realimentación de posición (lazo abierto) , pero dichos variadores se utilizan básicamente para control de velocidad o par. Para un control preciso de velocidad y posición, la realimentación del motor o la carga hacia el dispositivo de control, es absolutamente necesaria.

¿Encoder o Resolver?

Generalmente utilizamos el término inglés ‘encoder’ para referirnos al sistema de realimentación.

Cabe decir, que existen gran variedad de encoders: rotativos, llineales, incrementales, absolutos, semi-absolutos, y… de hecho en muchas ocasiones hablamos de ‘encoder’ cuando en realidad lo que tenemos es un resolver.

La diferencia fundamental entre encoder y resolver estriba en que el primero es un sistema digital y el segundo un sistema analógico.

-El encoder rotativo normalmente consta de un disco fijado al eje del motor, con una serie de marcas (normalmente codificadas en gray para minimizar errores), y un dispositivo optico capaz de leer dichas marcas. La combinación binaria de la lectura de dichas marcas nos dará como resultado la posición del rotor respecto al estator. Posteriormente y según el tipo de encoger, esta información será codificada y transmitida al servoamplificador o controlador de movimiento.

En su versión más ‘simple’ el encoder nos enviará dos trenes de pulsos con un desfase conocido, contando los pulsos podremos saber la posición del motor y examinando qué fase es la primera, podremos saber la dirección, es el tipico encoder de cuadratura A,/A, B, /B. Normalmente una señal adicional Z,/Z nos informará de una marca única en el disco que servirá para definir el origen (Homing)

-El resolver (rotativo), es un sistema analógico, grosso modo lo que nos está enviando es el voltaje inducido de dos espiras, que por razones constructivas daran como resultado dos senoides (en lugar de pulsos digitales aquí tenemos una senoide), examinando la senoide podremos conocer la posición, y examinando el desfase la dirección.

Hoy en día se utilizan tanto resolvers como encoders. Tradicionalmente el resolver se ha considerado más robusto desde el punto de vista mecánico, pero al tratarse de una señal analógica es más sensible desde el punto de vista electromagnético. El encoder a su vez es más sensible desde el punto de vista mecánico: fuerzas excesivas perpendiculares al eje pueden dañar el disco lector, pero en sus versiones más avanzadas codifica los datos digitalmente por lo que la detección y corrección de errores de comunicación es posible a nivel de protocolo.

Creo que existe ifinidad de literatura respecto al ‘encoder’ de cuadratura y el resolver, por lo que no me extenderé más y os referencio a : http://es.wikipedia.org/wiki/Codificador_rotatorio para más información.

En este artículo mi intención es no tanto explicar qué es un encoder o un resolver (para eso está la Wiki), sinó hacer un pequeño repaso de los diferentes tipos de encoders y protocolos y su campo de aplicación.

¿Encoder incremental o absoluto?

La respuesta está clara: Absoluto ! Siempre que el presupuesto nos lo permita.

El encoder incremental nos informa de los incrementos de posición y a cada vuelta nos envía una marca especial “Z” que utilizaremos para referenciar o hacer el Homing de una máquina.

¿Qué es el Homing?

Lo razonable es dedicar uno o más artículos al Homing, aquí sólo mencionaré que el homing es una secuencia inicial para cualquier sistema de posicionado en el que el controlador necesita conocer la posición absoluta del motor respecto a la máquina.

Imaginemos una mesa rotativa, con posiciones de trabajo situadas a 90, y 180 grados respectivamente respecto al punto en el que depositamos la pieza que queremos manipular (Posición 0º)

Al poner en marcha la máquina, el controlador de movimiento necesita saber, cual es la posición actual del eje del motor, respecto de la posición 0º de la máquina, para ello, si no se dispone de un encoder absoluto el controlador comandará uno o varios movimientos al eje, hasta que pueda detectar la marca “Z”.

Posiblemente la marca “Z” no estará en la posición 0º de la máquina, pero una vez  detectada la señal “Z” del encoder motor solidario a la mesa (imaginemos que se ha pasado 37º del ‘cero’ de máquina) , podremos  podremos referenciar el sistema y decirle al motor, muévase 37º en sentido contratio, pues ese es el ‘cero’ de la máquina y donde debe colocarse usted para recibir la primera pieza a trabajar.

El ejemplo que he expuesto es muy simplificado (sería el caso de un direct-drive) sin transmisión alguna entre motor y mesa, por tanto una revolución de motor, correspondería con una revolución de la mesa. En la mayoría de los casos nos encontraremos con transmisiones intermedias, por lo que una revolución de motor no corresponderá con una revolución de mesa, en este caso, se utilizan señales adicionales (sensor de proximidad) para determinar la posición.

Ejemplo de mesa rotativa (lo he encontré en youtube al azar): http://www.youtube.com/watch?v=kUps8Hbbxfo

Encoder Absoluto, y Absoluto multi-vuelta

En un sistema con encoder absoluto, no es necesario realizar la secuencia de Homing, puesto que al poner en marcha la máquina y sin necesidad de movimiento alguno, el encoder del motor informará al controlador de su posición: “Estoy en la posición 37º”.

El encoder absoluto necesita de algún mecanismo mecánico o electrónico para memorizar su posición: dentro de una revolución del motor. Muy habitualmente cuando hablamos de un encoder absoluto, en realidad se trata de un encoder absoluto-multivuelta, pues en muchas aplicaciones necesitamos conocer no sólo la posición absoluta dentro de una vuelta, también en número de vueltas que ha dado el motor, para poder determinar la posición absoluta.

Tradicionalmente existen dos enfoques a la hora de implementar un encoder absoluto multivuelta:

-Un sistema mecánico de discos (algo así como un reloj suizo…)
-Una batería capaz de mantener la posición durante varios años

La ventaja está clara: con un encoder absoluto no es necesario ningún movimiento para determinar la posición del motor, por lo que se gana tiempo en el arranque de la máquina y se evitan movimientos inconvenientes para algunas máquinas.

Contrapartida: Un encoder incremental resulta más económico.

En el caso de encoders absolutos multivuelta con batería, debemos ser conscientes de que desconectar la batería implicará perder la posición absoluta…

Full-close loop encoder

El encoder en sí mismo, lo que nos da es una realimentación de posición.

El servoamplificador derivará la posición respecto al tiempo para calcular la velocidad.

Como ya se comentó en artículos anteriores, el amplificador necesita la realimentación del encoder para poder cerrar el lazo de velocidad y efectuar un buen control vectorial.

Normalmente la misma señal de encoder es retransmitida al controlador de posición para cerrar el lazo de posición y/o controlar la desviación (error).

En ocasiones será necesario utilizar un encoder adicional para cerrar el lazo de posición e ignorar el encoder del motor.

Típicamente esto ocurre cuando:

-La mecánica entre el motor y la carga es ‘mala’ o ‘complicada’ (resulta más sencillo utilizar un encoder adicional cerca de la carga, y evitar toda la cadena cinemática entre motor y carga
-Aplicaciones en las que positivamente sabemos que existen variaciones difícilmente controlables entre la posición del motor y la carga: p.e. cuando la carga desliza sobre rodillos, a veces es mejor leer la posición con una encoder en contacto directo con la carga.

La utilización de este tipo de encoder adicional, se conoce como full-close loop feedback, aunque dependiendo del fabricante puede tener nombres comerciales diferentes.

Encoder rotativo y encoder lineal

En gran numero de ocasiones el movimiento rotativo del motor se traduce en un movimiento lineal.

A raíz de que que los ciclos de trabajo se han vuelto más exigentes (mayor productividad) y la demanda de precisión (mayor calidad), cada vez són más las aplicaciones que integran motores lineales en lugar de utilizar motores rotativos que posteriormente pirden eficiencia y precisión al transformarse en un movimiento lineal, p.e. tornillo sin fin.

Cabe decir que hay dos grandes familias de motores lineales:

-Motores lineales montados sobre guías : El motor (o los imanes) se desliza sobre guías (sliders) a gran velocidad varios m/s, con aceleraciones de varios ‘g’ y con una precisión sub-micra. (No se trata de ciéncia ficción…, esta tecnología existe y ha evolucionado mucho en los últimos años: Si teneis alguna de TV pantalla plana 32” o más… en casa, con toda seguridad os digo que se han utilizado este tipo de motores tanto en su fabricación como en su control de calidad, demasiados píxels y demasiada precisión para un motor convencional), otro mercado habitual para este tipo de motor es el del semi-conductor y, en los últimos años está generalizando su uso en la fabricación de paneles fotovoltaicos. En los últimos tiempos se están empezando a utilizar este tipo de motores en otros sectores, como el embalage, la manipulación y conformación de objetos, etc…, el motivo es claro: calidad y velocidad!

En configuraciones más avanzada estos motores pueden trabajar cooperando sobre la misma guía, o en tandem paralelo p.e. puentes grua, o en conformaciones cartesianas XY, XYZ, XYZ+R (R=motor rotativo)

-Motores lineales con eje cilíndico (motores lineales de fuerza): Existen varios nombres comerciales para este tipo de motor, pero en mi opinión la característica común a todos estos motores es que reemplazan la función de un cilíndro pneumático. Este tipo de motor acostumbra a tener un eje cilíndico en su interior, se trata efectivamente de un motor lineal, y su característica principal no es tanto la precisión como la fuerza que pueden desarrollar. Este tipo de motores tiene un recorrido (strocke) limitado comparado con el primer tipo de motores que pueden alcanzar varios metros de longitud.

Los encoders lineales son la evolución de las escalas lineales, ahora ya no hablamos de milímetros sinó de sub-micras de precisión, este tipo de encoders són utilizados en motores con guías, (los motores lineales cilíndicos acostumbran a tener su propio encoder integrado).

Estos encoders tienen una serie de marcas equidistantes que un sensor óptico o magnético puede leer.

Resulta interesante el caso de los encoders lineales semi-absolutos o de marcas codificadas. Este tipo de encoder es muy ingenioso, ya que utiliza marcas no equidistantes, estas están separadas siguiendo un patron numérico (generalmente dos series numéricas superpuestas), de manera que la distancia entre dos marcas es única, por tanto leyendo dos marcas consecutivas podemos saber la posición absoluta. Su utilización resulta muy interesante en guías lineales de varios metros, o p.e, cuando varios motores colaboran en una misma guía lineal.

Mi intención era hablar de protocolos de encoder, pero creo que será mejor hacerlo en otro artículo.

En pocas palabras, tenemos sistemas de realimentación de posición (velocidad) que en función de :

Su principio físico de funcionamiento serán:
-Resolvers (analógicos)
-Encoders (digitales)

Su capacidad de reverenciarse:
-Incrementales
-Absolutos (Absolutos multi-vuelta) ya sea mediante mecánica o electrónica con batería.

La naturaleza del motor a utilizar:
-Rotativos
-Incrementales

Según el protocolo:
-(Por su extensión lo trataremos en otro artículo).

El propósito de este post es el de mostrar los elementos básicos presentes en cualquier servodrive. Hasta ahora nos hemos limitado a la teoría pero resultará interesante ver como se plasma dicha teoría en un producto real.

 

OMRON Accurax G5 EtherCAT

Display

Muchos servos incluyen una pantallita o Display para informar del estado del servo así como posibles anomalías.

Entrada potencia:

La entrada de potencia (desde la red eléctrica, previo paso por filtros si fuera necesario para cumplir EMC), aporta la energía necesaria al Drive para que posteriormente rectificada y troceada sea entregada al motor.

Normalmente existen versiones del servo para monofásico y trifásico. La frontera entre sistemas monofásicos y trifásicos acostumbra a situarse alrededor de 1KW-1.5 KW. 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 V (para sistemas monofásicos)  ó 24 V (para sistemas trifásicos).

La segregación entre la alimentación del DC BUS y Control, permite por ejemplo deshabilitar toda la potencia del DC BUS manteniendo el control (p.e. para que el servo no pierda la realimentación de posición del encoder).

Salida 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 (p.e. si se los fabrica uno mismo, o se realizan empalmes) es la causa de numerosos problemas de ruido eléctrico (que son los ‘Poltergeist’ de nuestro mundillo…), de difícil diagnosis y en ocasiones dificil 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 energia al regenerar) o mediante regeneración a la red eléctrica (acostumbra a utilizarse en sistemas de muy alta potencia debido al incremento en los costes).

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, p.e. en una impresión offset con muchos ejes, lo habitual es que los ejes que realmente consumen o generan mucha potencia, aceleren todos a la vez o deceleren todos a la vez…

Pero ciertamente, existen aplicaciones en las que podría ser rentable aprovechar dicha regeneración, es por eso que muchos fabricantes presentan modelos de servosistemas en Rack, de modo que la etapa de rectificación se sitúa en la cabecera  del servo y los ejes, son módulos onduladores PWM individuales. Esta configuracióntiene sus ventajas y desventajas, y será adecuada o no en función de la inversión inicial en hardware y naturaleza de la aplicación (regeneración)

Ejemplo de este tipo de configuración es el Kinetix 6000 de Allen-Bradley

 

 

 

 

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 multiejesen los que se requiere acceso a parámetros de muchos ejes y funciones de control de eje en las que varios ejes funcionan sincronizados o coordinados, acostumbran a utilizarse 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 ‘justito’ para controlar muchos ejes 10-20 Megas, a  protocolos basados en medio fisico 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. La misma máquina embolsadora se puede solucionar con 4 o con 14 ejes, la diferencia está en los ejes auxiliares que permiten funciones adicionales como la automatización de cambios de formato o producto. Son estas funciones adicionales y los beneficios para el usuario final, las que justificarán el pagar ‘más’ por una máquina hecha en Europa o escoger una máquina fabricada en China.

Señores… es un hecho ! no podemos competir en precio… pero sí en tecnología! y está es la estrategia adoptada por muchos fabricantes de maquinaria , p.e. alemanes, que de este modo pueden seguir ‘vivos’ en el mercado frente a máquinas ‘más primitivas’ fabricadas en p.e. China.

Seguridad Integrada

La normativa de seguridad europea es muy estricta y cada vez lo va a ser más.

Ciertamente las móviles de una máquina son un punto 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 (la seguridad está integrada en la electrónica del drive, reduciéndose así el tiempo re reacción), y facilitan el proceso de certificación de la seguridad de la máquina.

Este es un tema muy interesante que se merece uno o varios posts…

Entradas y salidas I/O

Todos los servos necesitan interactuar con su entorno, en función de la naturaleza del servo y p.e. de la disponibilidad de un bus de control de motion, los servos vendrán provistos de más o menos entradas.

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 (p.e. 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.

-TouchProbe (o captura de registro): Se trata de una entrada ultrarápida 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 va 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: p.e. salidas configurables en función del estado del servo: a velocidad, en 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

La realimentación del lazo de velocidad nos vendrá dada por el encoder del motor, pero en ocasiones resulta útil poder cerrar el lazo de posición con otro encoder adicional: p.e. cuando la mecánica de la máquina es francamente mala… pueden existir notables holguras entre la posición del eje del motor y la posición de la carga que queremos controlar. También se da el caso de sistemas que tengan un ‘deslizamiento’ inherente, p.e. una cinta transportadora de papel en la que exista un cierto deslizamiento del papel respecto al eje.

¿Cuántos caballos necesito para mi aplicación?

Pues…  sin dudarlo.. cuantos menos mejor!   sobre todo teniendo en cuenta cómo está evolucionando el precio de la electricidad… (no hay más que comparar la factura de estos últimos meses con p.e. la que teníamos hace un par de años….)

Para colmo, normalmente se cumplirá que cuanto más potente sea el sevomotor, más caro nos resultará…

Por tanto… el objetivo será elegir un servo con la mínima potencia necesaria para solucionar nuestra aplicación.

¿Y qué potencia es la mínima requerida para mi aplicación?

Para responder a esta pregunta lo primero que temos que hacer es recitar el ‘mantra’ : “Lo que mueve al mundo es el Par” y de este modo… podremos reformular la pregunta:

¿A qué velocidad y qué par motor se requieren para mi aplicación?

Esta pregunta ya me hace sentir mejor…, de otro modo… parece que estemos hablando con un vendedor de coches de segunda mano,  nos os parece…?

1) Cálculo del perfil de velocidades

 Lo primero que nos hemos de plantear es qué perfil de velocidades vamos a necesitar, es decir…, ¿cuánto tiempo he de acelerar?, ¿hasta que velocidad he de acelerar? ¿durante cuánto tiempo he de mantener la velocidad? ¿cuánto tiempo va a durar la deceleración? ¿tendré algún tiempo para descansar?

Para responder a estas preguntas… lo más sencillo es hacer una tabla en la que se indiquen las posiciones en función del tiempo, el cálculo de las velocidades y aceleraciones es inmediato:

Imaginemos que el ciclo de trabajo continuo (heavy duty) dura 1 segundo, y que el 25% del tiempo aceleramos de 0 a 60º, y mantenemos la velocidad constante durante el 50%  del ciclo y, al legar a 300º desaceleramos hasta 0 rpm

Si ponemos esta información en una tabla y calculamos la velocidad de cada tramo obtendremos un perfil de velocidades trapezoidal con una velocidad máxima de 80 rpm (un valor ridículo para un servo… pero se trata de hacer un ejemplo sencillo).

 

Por tanto.. la respuesta a la primera pregunta es, que el motor que escojamos necesita ser capaz de trabajar como mínimo a 80 rpm

2) Cálculo del par motor

No volveré a repetir el ‘mantra’ pero sì que recordaré una de las leyes de la dinámica de Newton:

F=m · a

Pero a no ser que estemos trabajando con un motor lineal, en la mayoría de los casos enunciaremos la fórmula anterior para un sólido en rotación:

Par=Inercia · Aceleración angular

De la tabla anterior se desprende que la máxima aceleración angular la podemos calcular dividiendo para cada tramo la variación de velocidad entre el tiempo requerido.

En nuestro caso tenemos que el motor debe acelerar (o decelerar) 80 rpm en 0.25 segudos, por tanto:

80 rpm/0.25 s= 320 rpm/s^2

Que pasadas a radianes/s^2 son:  33.51radianes/s^2

Para calcular el Par necesitamos un dato adicional, la Inercia !

El cáculo de la inercia Total del sistema será la suma de las inercias de cada uno de los componentes rotativos del sistema.

Por ejemplo, si el motor ha de mover un plato giratorio y entre el plato y el eje del motor hay un reductor, tendremos que calcular la inercia del plato (incluida la carga) y del reductor (nos lo facilitará el fabricante del reductor). Si existiera alguna fuerza exterior a favor o en contra del par motor, ésta también debería de ser sumada o restada para el cálculo del par.

Un sistema de motor + reductor + Plato giratorio, puede modelizarse con la siguiente cadena cinemática:

El cáculo del momento de inercia de cada elemento, por ejemplo del plato, es sencillo, una vez conocida la geometría y la densidad del material, será suficiente con aplicar la fórumula del sólido rígido correspondiente (momentos de inercia), para ello podemos desempolvar el libro de mecánica del sólido rígido y buscar en las tablas…o podemos hacer uso de google, o…en la mayoría de los casos… el fabricante del motor nos facilitará un software para dimensionar el servo que, por supuesto será también capaz de ayudarnos a calcular momentos de inercia de mecanismos habituales.

Una vez obtenemos el momento de Inercia  imaginemos que el total de las inercias suma :

1.061 Kg·m^2

calcular el par máximo necesario para el motor es inmediato:

Pmáximo =Inercia · Aceleración angular máxima

Pmáximo= 1.061  ·  33.51 =  35.55 N·m

Por tanto… de (1) y (2)  se obtiene que en principio necesitamos un motor capaz de :

Obtener una velocidad de 80 rpm

Con un par máximo de 35.55 N·m

Pero… podemos ajustar un poco más nuestra elección si consideramos el par efectivo, o par RMS.

El valor del par que hemos obtenido anteriormente se corresponde con el valor de pico de par del motor (peak torque), normalmente este valor se corresponde con valores del 300% o más del par nominal del motor.

El fabricante del motor siempre nos dará dos datos referidos al par:

-Par nominal (Es el par para trabajo contínuo del motor (heavy dutty)

-Peark Torque (Es el par que instantáneamente (unos pocos segundos) el servo es capaz de suminstrar… pasados estos segundos… y para evitar quemar el motor… el servoamplificador generará una alarma (típicamente… overload, o overcurrent…) y entará en fallo.

Si nuestro ciclo de trabajo no es severo, es decir… si existe por ejemplo un tiempo en el que el motor no está acelerando ni decelerando, mejor aún! si existiera un intervalo de tiempo en el que el motor estuviera parado…  veríamos que el par efectivo (o RMS) disminuye notablemente.

El par RMS se obtiene de la raíz cuadrada del producto ponderado por el tiempo del par necesario para cada tramo dividido por el total del tiempo de ciclo.

                 (T_RMS)²=(T₁²t₁₊ T₂²t₂₊ T₃²t₃₊ T₄²t₄)/(t₁+t₂+t₃+t₄)

En nuestro ejemplo, al tratarse de un  prefil trapezoidal obtendríamos los siguientes resultados:

Es decir… necesitaríamos un motor con un par nominal que exceda los 25.14 N·m  y con un pico de par de 35.54 N·m.

Conclusión

Dimensionar un servo es relativamente sencillo…, pero en ocasiones resulta tedioso, por tanto recomiendo utilizar el software que el fabricante de cada servo nos facilite (acostumbra a ser gratuito….).

Para este ejemplo he utilizado el software “Motor Selection” de OMRON

 

Lo que mueve el mundo es el  PAR!

Esta afirmación, así de contundente…, la vi por primera vez hace unos cuantos años…, y… en aquel momento, en el que conocía más los PLC’s que el control de movimiento… la interpreté como una reivindicaciónde la importancia del ‘par’ frente a otra magnitud física, la ‘potencia’ a la hora de seleccionar un motor.

Incluso en la actualidad…, los anuncios de automóviles insisten… en convencernos de la compra de tal o cual coche por los caballos que tiene, pero… para nada nos hablan del par ni de las RPM del motor…, y es que sin las curvas de ‘gancho’…  nunca sabremos si ese motor es el de un ‘vólido’ o el de un ‘tractor’.

Por suerte… en nuestro ‘mundillo’ de la automatización  industrial, todo el mundo tiene ya claro… que hablar de un motor…es hablar de ‘par’ y ‘RPM’, y los KW… no son más que una consecuencia :

Potencia_mecanica = Par x velocidad_angular.

Hoy… desde la distancia… la frase ‘lo que mueve el mundo es el par’… tiene, para mí… una segunda lectura… y es que… en última instancia… lo que un servocontrolador regula es el ‘PAR’  y regular bien el par es la base… de toda regulación.

Tuning…

 Lo que esperamos obtener después del ‘tuning’ (afinamiento) o ajuste es la mejor reacción del servo frente a un cambio en la consigna.

 La consigna puede ser:

•  Un comando de par (lo que mueve el mundo…)
• Un comando de velocidad (este a su vez generará un comando para el lazo de par.
• Un comando de posición (este a su vez generará un comando para el lazo de  velocidad)

 Imaginemos que hacemos un doble nudo en un zapato… el primer nudo debe de estar bien apretado, si no es así… por mucho que apretemos el segundo nudo…el zapato no quedará bien ajustado…

En el caso de un servo… pasa lo mismo… el lazo de par  debe quedar perfectamente ajustado, para que un buen ajuste del lazo de velocidad tenga efecto. Análogamente el lazo de velocidad debe de estar bien ajustado para que un buen ajuste en el lazo de posición tenga efecto.

Para poder ajustar el lazo de par, es imprescindible que el servoamplificador tenga modelizado el motor que va a utilizar, esto es, que conozca  sus parámetros eléctricos y mecánicos.

 Normalmente esto no supondrá un problema, puesto que el fabricante del amplificadorserá el mismo que el del motor, por lo que de algún modo u otro el amplificadortendrá toda la información que necesita del motor. En servosistemas de gama media y alta suele existir un protocolo de datos entre motor y amplificador, este protocolo no sólo suministra información sobre la posición del motor sinó que al iniciar la comunicación transmite toda la información necesaria para el control al servoamplificador.

Fantástico! Esto de ajustar un motor es pan comido…

Sería pan comido… si no fuera… porque fijada al eje del motor siempre tendremos una carga (load), de otro modo… ¿para que queremos el motor?…

En definitiva… nuestro objetivo será acelerar y decelerar la carga del motor (suministrar más o menos amperios)  para de este modo poder regular su velocidad y en última instancia su posición.

 ¿Cómo regular la aceleración de una carga?

 F= m · a

 Pero en caso de cargas rotativas… (siendo los motores rotativos los más habituales) tenemos que:

Fuerza	Par
Masa	Momento de Inercia
Aceleración	Aceleración Angular

Y la relación entre par (T), momento de inercia(J) y aceleración angular (a):

T= J · a

En la anterior ecuación,  lo que a priori se desconoce  es… el Momento de inercia “J”.

El momento de inercia   depende de la geometría y la distribución de la masa: Típico es el ejemplo de la patinadora girando sobre se misma y que regula su velocidad en función de lo separados que tenga sus brazos del cuerpo (está variando el momento de inercia!)

Si el servoamplificador no utiliza el valor correcto para  el momento de inercia en sus cálculos… le será imposible entregar el par adecuado para la aceleración demandada… porlo que el control del motor será malo.

El momento de inercia es por tanto un parámetro crítico para el ajuste de un sistema servomotor rotativo.

 ¿Cómo saber  momento de inercia?

El momento de inercia de la carga es un dato que se ha tenido en cuenta a la hora del dimensionamiento y elección del motor, (en algún momento tendré que hacer un ‘post’ sobre dimensionamiento de motores) ,por lo que en principio… es un dato conocido.

¿Y si por algún motivo se desconoce el  dato… o su cálculo no es ‘trivial’ (muchas aplicaciones tienen momentos de inercia variables: ejemplo un desbobinador, a medida que el rollo se hace más pequeño tanto su radio como su masa disminuyen).

La mayoría de los servos tienen la posibilidad de estimar la inercia durante el proceso de autotuning, o en tiempo real durante todo el tiempo de operación.

En ocasiones , lo que se acostumbra a utilizar no directamente el valorde la inercia sino la relación  de inercias entre motor y carga. Se trata de un valor porcentual que refleja la diferencia en momentos de inercia entra motor sin carga y motor con carga.

La relación de inercias es un valortan importante para la regulación del motor que en el caso de algunos servos (japoneses generalmente) , acostumbra a ser el parámetro más importante de todos ya que si este está bien calculado, se pueden llegar a determinar las ganancias de los lazos de par, velocidad y posición en función de tablas de rigidez (stiffness or rigidity) del sistema.

Ganancias y Rigidez del sistema.

Una vez conocida la relación de inercias del sistema (en todo momento), el servo sistema podrá determinar el par necesario (corriente de par), para acelerar o decelerar el motor en función de las consignas de velocidad necesarias para completar su perfil de posición.

Esta regulación se realiza con tres lazos: par, velocidad y posición, en cascada y, cada lazo tendrá su sistema de ganancias y filtros, en función de cada servo.

Cuanto mayor sea el ancho de banda del sistema, mayores serán las ganancias (armonizadas y normalizadas) que se podrán aplicar.

El ancho de banda del sistema depende de la ‘rigidez’ del sistema. Un sistema rígido se podrá regular  correctamente en un rango de frecuencias mayor que un sistema poco rígido.

Ejemplo:

En un sistema con sus componentes rígidamente unidos, un desplazamiento “X” se traducirá en un desplazamiento “Y” en su otro extremo,  siendo Y=X para cualquier frecuencia de excitación de “X”
En un sistema poco rígido, un desplazamiento“X” se traducirá en un desplazamiento “Y” siendo Y un valor variable en función de la frecuencia de excitación

En el caso de un servo sistema, algunos fabricantes han sido capaces de definir tablas ‘harmonizadas y normalizadas’ de ganancias de los lazos de regulación del servo en función de la rigidez del sistema.

 Esta es la filosofía de la mayoría de fabricantes japoneses, para los que el ‘tuning’ de un servosistema, se basa en modelizar el sistema en función de las características del motor, la relación de momentos de inercia y, la rigidez del sistema.

 Los resultados de este tipo de ‘tuning’ son excepcionalmente buenos.

 Cabe decir que en paralelo existen un montón de algoritmos de modelización, control de vibraciones de la carga , control de resonancias, control de perturbaciones, control de la variación de inercia, feedforwards, etc…  

 Pero todos estos algoritmos, que marcan la diferencia,  forman parte del ‘knowhow’ de cada fabricante.

 Si no se ha  trabajado con servosde este tipo, tal vez  resultará curioso… que en definitiva el ‘tuning’ se limite a calcular el valor de relación de inercias y rigidez del sistema.

 Cierto es que siempre es posible modificar ligeramente manualmente los valores de ganancias para acabar de ‘afinar’ el sistema al gusto de cada uno.

 Los primeros controles de posición que utilizé, hace ya algunos años… (y muchos de los que hay hoy en día en el mercado) no utilizan tablas de rigidez en  el proceso de autotuning, se basan en cambio  en una serie de interaciones obteniendo como resultado de cada iteración una mejor aproximación de los valores ideales de ganancia de los distintos lazos

 ¿Qué método es mejor?

 Creo que no hay una respuesta  clara para esa pregunta.

 Ambos métodos deberían concluir en un control fino del motor  y, esto dependerá mucho de la calidad del servo y lo ‘bueno’ que sea la persona encargada de hacer el ajuste del servo.

 ¿Cómo valorar un tuning?

 Para saber si un servo está bien ajustado o no… hemos de fijarnos en la ‘bondad’ del mismo a la hora de seguir una consigna, cuanto más se ajuste la respuesta del mismo a la consigna, mejor ajustado estará. Para ello… podemos graficar el perfil comandado vs. La respuesta del motor, o.. directamente el error de seguimiento.

 Una buena herramienta es un análisis frecuencia del mismo (Diagrama de Bode), ‘idealmente’ deberíamos ver una linea de ganancias horizontal, que nos indicaría que la ganancia no varía para ninguna frecuencia, esto es… imposible…, al aumentar la frecuencia el control del motor resulta más difícil…, hasta llegar a un punto (frecuencia de corte, (coincide con una perdida en ganancia de -3 dB) en la se considera que el servo ya no responderá de una forma deseable a la consigna demandada.

 En todo caso, no debemos perder de vista que el mejor ‘tuning’ no es siempre lo mejor para nuestra aplicación, por ejemplo aplicar una rigidez elevada (ganancias altas) a un sistema mecánico que no alcanza dicha rigidez, pese a que eventualmente pueda obtener un error de seguimiento mínimo tendrá como consecuencia una sobreactuación del servo, vibraciones no deseadas, esfuerzos mecánicos y en definitiva podría derivar en inestabilidad en el sistema.

 Sentido común… hay que ‘apretar’… pero no ‘ahogar’…

 Un sistema con poca rigidez es por ejemplo un sistema con transmisiones elásticas (p.e. servos rotativos en una cinta transportadora de goma).

 Un sistema con alta rigidez es porejemplo, un sistema de motor lineal (no todos los motores son rotativos!) que por su naturaleza y rigidez tiene unas prestaciones dinámicas imposibles para un motor rotativo.

 

Para poder controlar la posición de un servoactuador, se acostumbra a realizar una regulación de tres lazos en cascada (tipo PI)  (existen otros algoritmos más complejos, pero en la práctica no son necesariamente mejores).

Los controles tipo PI se basan en una reacción del controlador proporcional al error (diferencia entre consigna y valor real del motor).

En infoplc.net hay un blog dedicado a regulación, por lo que me imagino que allí estará mejor detallado como funciona un control PID, por lo que voy a ser conciso… resumiendo:

PI+D (Control basado en Feedback) y FeedForward:

El termino P (proporcional) está relacionado con una acción proporcional al error y tiene un efecto inmediato en la respuesta, al aumentar este término, el sistema se vuelve más ‘vivo’, si nos pasamos con la ganancia… el sistema oscilará… (demasiado ‘vivo’).  Una analogía mecánica sería la constante ‘K’ de un muelle, cuanto más fuerte sea el muelle (K más alta), más brusca será su respuesta. A su vez.. cuanto mayor sea el ‘error’ (cuanto más lejos esté de su posición de reposo) mayor será la fuerza que hará el muelle.

Todos hemos tenido la experiencia con un muelle, de que para posiciones muy cercanas a su posición de reposo el muelle ‘no recupera’, esto se debe a que la fuerza es proporcional a la elongación del muelle y, podría darse el caso de que para posiciones muy cercanas a la de reposo no fuera suficiente para vencer el rozamiento que p.e. pueda tener la carga

Esta es una característica común a todos los controles proporcionales, acostumbran a estabilizarse ‘cerca’ de la posición comandada pero tienen un pequeño error residual que no consiguen recuperar (ya que al hacerse pequeño el error… el efecto de la constante de proporcionalidad Kp, es despreciable.

El termino I (integral), es una constante proporcional al error acumulado, y tiene como objetivo eliminar el error residual de un control proporcional. Un control P+I (proporcional + Integral) teóricamente logrará el objetivo de que el error sea nulo, el problema… en ocasiones es que el efecto integral es demasiado lento.

Para aumentar el ritmo de ‘correción’ del error es posible añadir un término proporcional a la variación del error ( D), de este modo tenemos un control PID. El efecto ‘Derivativo’ intenta anticiparse al error,  operando en función de su derivada temporal.

Complementando los algoritmos PI+D (que se basan en un valor de realimentación (FeedBack)), existen otras estrategias, que no necesitan Feedback, y que son compatibles con el hecho de utilizar un control con realimentación.

FeedForward (Pro-alimentación (vaya nombre más feo…, aunque ahora lo haya puesto de moda una serie de televisión…), se basa en sumar a la consigna una ‘pro-alimentación’ proporcional a la consigna…  si queremos que la locomotora corra más… pues… quememos ‘más madera!’. En el caso de los servos… lo que se hace es sumar al resultado del PI un ‘empuje’ extra proporcional a la consigna. Este tipo de ‘control’ es más ‘rápido’ que el PI puesto que no necesita esperar una realimentación (reacción del motor), y actua desde el primer momento. Cabe decir que al utilizar feedforwards el motor se vuelve más ‘vivo’.

Casi todos los servos tienen la posibilidad de utilizar un feedforward de velocidad.

Algunos ,como el Accurax G5 de OMRON tienen también la posibilidad de un feedforward de aceleración.

El uso del Feedforward de velocidad nos permitirá reducir al mínimo el error de seguimiento a velocidad constante, pero tendrá un efecto moderado cuando se produzcan variaciones de velocidad.

El uso del Feedforward de aceleración nos permitirá reducir al mínimo el error de seguimiento durante los procesos de aceleración y deceleración.

La siguientes gráficas muestran el efecto de los feedforwards sobre un servomotor:

Sistema con un Máximo FeedForward de velocidad

Lazos y… más lazos…

Tanto las ganancias como los feedforwards se aplican sobre unos bloques de control encargados de los lazos de corriente, velocidad y posición.

El primer lazo es el de corriente (o par) y es el encargado de garantizar que el comando de par (corriente) entregado al motor se traduzca en el par efectivo necesario, para ello es necesario tener una realimentación (o estimación) de la corriente que consume el motor.

El segundo lazo es el lazo de velocidad, y se encarga de dar al regulador de par la consigna adecuada en ‘par’ para que la velocidad del motor coincida con la comandada.

El tercer lazo es el lazo de posición, este lazo sólo existe (obviamente) cuando se realiza un control de posición, es  decir… variadores de frecuencia que no tengan control de posición… no tendrán este lazo. El resultado de este lazo es la consigna de velocidad que nos garantice que el motor se posiciona correctamente.

Este lazo no es ‘obligatorio’ tenerlo en cualquier servo (puesto que este lazo puede ‘cerrarse’ en un controlador de posición y enviar una consigna de velocidad (tradicionalmente analógica): esta estrategia ha sido la utilizada durante muchos años en occidente, pero hoy  está prácticamente olvidada para servos de una cierta ‘entidad’  debido a la existencia de buses digitales (‘motion bus’). Curiosamente los variadores japoneses, desde un principio adoptaron la estrategia de cerrar el lazo de posición en el servo  y utilizar el controlador de posición como generador de perfiles, en el pasado… la interconexión se realizaba mediante un tren de pulsos, hoy en día.. son buses digitales.

Un dato importante es el tiempo de respuesta de los lazos. Cuanto más rápidos sean estos… más fino será el control. En la actualidad  existen en el mercado servos capaces de cerrar el lazo de par en menos de 0.05 ms y lazos de velocidad/posición del orden de los 0.08 ms

El siguiente esquema muestra la disposición de los lazos de corriente, velocidad y posición, así como el generador de perfiles (motion  controller).

En este post se ha obviado deliberadamente hablar sobre ajuste ‘tuning’. Este tema se abordará en detalle en un siguiente post.

En post anterior nos centramos en el control escalar, o lo que es lo mismo en un sistema de control basado en mantener la relación tensión frecuencia constante.
Una de las limitaciones del control escalar es el poco control de flujo que ofrece, podríamos decir que es un método de control ‘poco fino’, si lo comparamos con el control orientado al flujo.

El control vectorial es un control centrado en el flujo (Flux Oriented Control).
En este post se explicarán los fundamentos de este tipo de control. Cabe decir… que en la práctica no es necesario conocer la teoría de control del flujo, pero tal vez resulte interesante…, y nos podrá servir para entender cuándo no  utilziar variadores ‘escalares’ y porqué estos últimos són más ‘economicos’ que los primeros.

En una cierta ‘referencia vectorial privilegiada’ se cumple que el par motor es directamente proporcional a la corriente. El control vectorial… se basa en  una serie de transformaciones algebraicas que permiten trabajar sobre esa referencia ‘especial’ en la que podemos ‘ver’ directamente con  la corriente  de par.

En esa referencia ‘privilegiada’ podemos ‘asemejar’ el motor de inducción a un motor de continua.  Par= K*Iq   (siendo Iq la corriente de par)
Vamos por pasos…

La suma vectorial de las corrientes del sistema trifásico del estator da como resultado un vector corriente que se utilizará para :

• Generar Par
• Generar corriente inducida en el rotor. (y a su vez flujo en el rotor)

Es decir… tenemos tres vectores de corriente (que varían con el tiempo) … uno por fase… I_U(t), I_V(t), I_W(t), que sumados… nos daran una corriente resultante I_Stator(t) (que varía con el tiempo) .

La corriente I_Stator a su vez se puede proyectar adecuadamente sobre el eje U (el de la fase I_U(t)) y un nuevo eje ‘imaginario’  ortogonal a U.Este es un simple artilugio matemático para pasar de tres vectores de corriente a dos vectores:

• El primero I_a(t) sobre el eje U
• El segundo I_b(t) sobre el eje ortogonal

Esta transformación (llamada de Clarke) no es la más importante… se trata de  un paso intermedio.

Si se tratara de un juego de magia, un juego de cartas… ahora… damas y caballeros es cuando se les pediría que prestaran más atención, pues ahora llega el truco final…

¿Porqué gira un motor de inducción?…  porque el flujo del rotor intenta ‘alcanzar’ al flujo del estator, existe pues un desfase (deslizamiento) entre stator y rotor.

El truco final es la transformación a los vectores d-q , (llamada de Park) consite en proyectar las corrientes I_a(t), I_b(t)  sobre una nueva base, solidaria al vector flujo del rotor … y… no es un truco cualquiera… puesto que… de este modo.. hemos conseguido pasar de tres corrientes trifásicas a dos:

• Una siempre alineada con el flujo del rotor,la corriente de flujo (Id)
• Otra ortogonal a la misma, dedicada a generar par. (Iq).

De este modo, ahora el convertidor es capaz de controlar de una forma eficiente la corriente destinada a par, por tanto es posible reaccionar de una forma muy fina ante una variacion en la demanda de par o, directamente aplicar par prácticamente constante durante todo el rango de operación (recordemos que en el control escalar… el par a bajas vueltas… nos cae por los suelos…)

Esto está muy bien… pero… queda álgo pendiente…

¿Cómo calculamos el ángulo de deslizamiento?

El cálculo del deslizamiento es fundamental para poder alinear el vector ‘I_d’ con el flujo del rotor y así hacer cierto que la corriente de par se corresponda con el vector ortogonal ‘I_q’.

Existen varios métodos para poder calcular o estimar este ángulo.

• Los variadores vectoriales llamados de lazo abierto, sensorless vector,.., ‘estiman’ el valor del ángulo sin utilizar sistemas de realimentación adicionales (como un encoder…).
• Los variadores vectoriales con lazo cerrado, precisan de un sistema de realimentación (generalmente encoder o resolver) para determinar (que no estimar..) el desplazamiento entre estator y rotor.

En un varidor sin realimentación… nos ahorramos el coste del encoder… pero… el resultado… dependará de la ‘bondad’ del algoritmo utilizado por el fabricante del equipo.

¿Control escalar tensión frecuencia? ¿Control Vectorial en lazo abierto? ¿Control Vectorial en lazo cerrado?

Los términos anteriores son utilizados por los fabricantes de variadores para referirse a los diferentes tipos de control que permite hacer un variador.

En realidad, lo que nos están indicando es el grado de sofistificación del algoritmo de control del flujo del motor que puede realizar el variador, siendo éste, un factor que acostumbra a ser utilizado para definir las familias de variadores, en sus aplicaciones, prestaciones y… precio…

¿Por qué es importante el control del flujo del motor?

El control del flujo del motor tiene una relación directa con el control del par motor. Cuanto mejor sea el método de control del flujo mejor se podrá controlar el par que da el motor.

Control Escalar V/f

El Control Escalar, también llamado Tensión-Frecuencia: (V/f)  es el más sencillo y se basa en el hecho de que para mantener el flujo magnético constante (y en consecuencia el par), es necesario aumentar el voltaje a medida que se aumenta la frecuencia (recordemos que la frecuencia es la que dicta la velocidad de un motor de inducción).

Se cumple entonces una relación de proporcionalidad directa en la que : V/f = Cte. 

Es la ‘famosa’ curva  Tensión-Frecuencia, que el variador intenta seguir en todo momento.

¿Y cómo calcula el variador la  V/f    adecuada?  

La V/f dependerá de cada motor, y el variador tiene un método infalible para calcularla: Preguntar al usuario !

En todos los variadores escalares hay un grupo de parámetros en el que se deberán entrar  valores característicos del motor, entre ellos …la tensión y frecuencia nominales. el variador utilizara  V_nominal y f_nominal para calcular la curva constante de proporcionalidad entre tensión y frecuencia: V/f.

Finalmente  resulta que con el algoritmo V/f podré controlar fácilmente la velocidad y el par motor… –> FALSO!

El algoritmo V/f  es válido sólo para aplicaciones donde la variación de par sea poca y, falla estrepitosamente en los valores extremales de frecuencia: A bajas vueltas (cerca de  cero Hz) el par caerá prácticamente a cero…, y por encima de la frecuencia nominal, (proporcionalmente también por encima de la tensión nominal del motor…) el variador empezará a vigilar el voltaje máximo permitido, con lo cual la relación V/f  se hará más pequeña, y con ella el flujo magnético del motor, para más inri.. a altas frecuencias el motor… ya no trabaja como una carga inductiva… pasando a ser resistiva! por lo que lo razonable es trabajar dentro del rango nominal del motor: y a eso nos ‘invitará’ el variador… limitando la tensión de salida…

Con todo…, existen pequeños trucos (creo que cualquier variador comercial lo permite…), como el realizar una curva V/f a tramos, con lo cual podemos falsear la pendiente, por ejemplo para reforzar el voltaje a cero Hz (que teóricamente debería ser cero Volts).

Sinembargo, por muchos ‘trucos’ que se hagan, el algoritmo V/f tiene serias limitaciones cuando se requiere una buena regulación de par en todo el recorrido del motor.

El problema del control ‘tensión’ frecuencia es que no es capaz de determinar eficientemente qué parte de la corriente entregada al motor se utiliza para inducir el flujo y que parte se transforma en par motor.La solución ‘definitiva’ pasa por un mejor control del flujo… y eso.. no se consigue con un simple control V/f.

Los llamados variadores de control vectorial, son capaces de controlar de una forma mucho más eficiente ambas corrientes. Mi siguiente post y espero.., último de esta serie, comentará los fundamentos de control vectorial.

Controlar la velocidad de un motor trifásico (ya sea un motor de inducción o un ‘servo’), se basa en alterar la frecuencia de la corriente trifásica que alimenta al motor.

Existen diversas tecnologías y métodos para poder controlar el voltaje, corriente y frecuencia suministrados al motor, pero el más popular es el de la modulación de la amplitud del pulso (Pulse Width Modulation (PWM)). La mayoría de los convertidores comerciales que nos vamos a encontrar utilizan  este método.

¿Qué hace un convertidor de frecuencia?

La mayoría de los convertidores de frecuencia, buscan ‘transformar’ la corriente alterna en una corriente ‘no alterna’ (es decir… prácticamente continua) y una vez transformada en continua, esta será troceada según las necesidades del motor.

El convertidor de frecuencia hace lo siguiente:

1. Rectificar la corriente alterna suministrada por la red eléctrica: L1,L2,L3.
2. “Almacenar”  la corriente continua en el Bus de Continua (DC BUS)
3. Dosificar la energía “almacenada” en el Bus de continua al motor

El siguiente esquema es el circuito  de potencia (simplificado) de un variador trifásico de alterna:

El Circuito Rectificador

Este circuito  acostumbra a ser un puente de diodos y se limita a convertir las corriente trifásica en continua.

L1,L2, L3 son las bornas del variador en las que conectamos la alimentación de potencia.

PREGUNTA:  ¿Puedo conectar un variador trifásico a una linea monofásica?  Viendo el esquema anterior… desde el punto de vista teórico parece ser que sí… Evidentemente la  potencia que le llegará al motor será inferior…  En un equipo real… sinembargo… nos encontraremos con que en ocasiones no es posible…, o nos da una alarma de pérdida de ‘fase’, o… es parametrizable.

El Bus de Continua

El Bus de continua es el ‘depósito’ de energía del variador…  y es normalmente accesible en las bornas del  convertidor (DC +, DC -).

El esquema anterior está muy simplificado, sólo aparece un condensador para mininimizar el rizado de corriente, en realidad tenemos muchos más elementos…

El DC BUS es una parte fundamental del convertidor. Al igual que los seres humanos tenemos un máximo y un mínimo de presión arterial (ese tema… lo ‘dominan’ las abuelitas…), el convertidor, en su DC BUS ha de trabajar entre un máximo y un mínimo de voltaje.

• Por debajo del voltaje mímimo, el convertidor no es capaz de suministrar la energía necesaria al motor y normalmente debería aparecernos algun tipo de alarma de bajo voltaje.
• Por encima del voltaje máximo, el convertidor estaría suministrando demasiada energía al motor, aunque… esta no acostumbra a ser la causa de este fenómeno ya que… el variador, tiene sus propios  sistemas de protección en el circuito rectificador y, la propia instalación . En la inmensa mayoría de ocasiones, un elevado voltaje en el DC Bus nos estará indiando que el motor esta regenerando energía hacia el variador, es decir…, el motor no trabaja como motor, sino como generador elétrico (transforma la energía mecánica del eje en energía eléctrica!) Por suerte… existen métodos y sistemas para ‘deshacernos’ del exceso de voltaje del DC BUS.

El Circuito Inversor

Hasta ahora, lo que hemos visto podría ser perfectamente aplicable a una fuente de alimentación AC/DC, como la que tienen nuestros ordenadores, bueno…  conectada a una corriente trifásica, pero la esencia es la misma.

El circuito Inversor, es la pieza clave del convertidor de frecuencia, pues  es el encargado de dosificar la energía almacenada en el DC BUS, de hecho… en la literatura anglosajona se acostumbra a designar al convertidor de frecuencia como ‘inverter’.

¿Cómo dosifica la energía el circuito inversor?

El circuito se compone de módulos transistores (con diodos en antiparalelo para permitir la regeneración). Estos transistores trabajan como conmutadores de alta frecuencia y potencia,  los transistores tipo IGBT‘s encajan perfectamente en esta función.

El objetivo de este circuito inversor es crear una onda de voltaje  PWM.

De un modo tosco…, podríamos decir que el inversor se dedica a trocear el voltaje del DC BUS , de modo que durante un tiempo dejará que el BUS alimente una de las fases de salida y, un tiempo después conmutará a otra fase de salida y así sucesivamente.

Podemos hacer el símil  un deposito de agua con tres grifos y repartieramos el agua abriendo y cerrando totalmente cada uno de los grifos en un orden y tiempo establecidos, de este modo puedo modular la salida del deposito haciendo un control ‘todo/nada’ de cada uno de los grifos.

Si en lugar de un deposito de agua hablamos del DC BUS, y los tiempos de conmutación vienen dados por un microprocesador con un patrón ordenado , trabajando a frecuencias de conmutación de  de KHz … entonces… ya tenemos la ‘base’ de un convertidor de frecuencia.

El convertidor da siempre el mismo voltaje (el del DC BUS), con lo que ‘juega’ es con el tiempo, dentro de un periodo de la frecuencia deseada de alimentación del motor , en que  se alimenta cada fase.  La modulación PWM  puede tener más o menos finura, habitualmente se utilizan modulaciones fijadas por un patron triangular o preferentemente sinusoidal  para el conseguir un resultado final más suave.

¿Qué implicaciones tiene el uso de tecnlogía  PWM?

El uso de variadores de frecuencia, es en realidad… una pequeña trampa… que hacemos para alimentar a un motor que en realidad (a no ser que esté diseñado para PWM) espera una señal sinusoidal de entre 50 y 60 Hz

¿Es PWM una señal sinusoidal?  -No!

El voltaje PWM es una señal digital, y utilizando un osciloscopio no veremos una senoide, sino una señal bastante sucia… eso sí, con el periodo de la frecuencia sinusoidal deseada.

La onda de corriente, en cambio, debido al bobinado del motor sí que se muestra en una forma bastante parecida a una senoide.

Ruido

Los convertidores de frecuencia son una fuente de ruido electromagnético.

Se trata de de ondas conducidas de gran potencia y, por su frecuencia (en la salida del variador) son una fuente de ondas radiadas, lo que nos obligará a tener un cuidado especial a la hora de cablear y apantallar el cableado de salida de potencia de un variador.

Quizás en este post he querido explicar demasiadas cosas… , tal vez no demasiado bien, sin profundizar demasiado y con muy pocas palabras.

En la práctica (vida real) , no nos importa demasiado cómo funciona internamente un variador ni que tipo de modulación tiene, (aunque siempre es bueno saberlo) , pero…basta con que nos queden claras algunas.

CONCLUSIONES:

• El variador de frecuencia convierte la alimentación de la red a otra frecuencia basándose en la rectificación y posterior conmutación a alta frecuencia.
• El variador de frecuencia (a no ser que sea un MATRIX) tiene una etapa intermedia donde almacena energía llamada DC BUS, el voltaje del DC BUS es un parámetro muy importante para el funcionamiento del variador, como veremos en otros posts más adelante…
• El voltaje de salida de un variador no es senoidal sinó PWM  (no así la corriente).
• Un variador de frecuencia es una potencial fuente de ruido electromagnético por lo que debermos ser muy cuidadosos en lo referente a filtros, reactancias, apantallamientos,…

En futuros posts, profundizaremos en algunos aspectos particulares del variador y los modos de regulación de un motor eléctrico.