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).
