Motion Control TIP : Característica más importante de un resolver

¿ Cuál es la característica más importante de un resolver y que fue el motivo por el que tanto se extendió su uso ?

Porque es un transductor de posición absoluto de una vuelta, así el servo drive conoce en todo momento la posición angular del rotor del motor y ello permite la conmutación senoidal (se explicará más adelante).

Estamos hablando de su empleo como transductor de feedback de posición para servo motores síncronos (brushless). Podríamos hacer un símil con un motor DC, que también es síncrono. Es síncrono porque el cambio de la polaridad del
inducido (rotor) se tiene que producir en una posición determinada del rotor, esto se consigue de forma electromecánica con el colector y las escobillas. Si el cambio de la polaridad no se produce en la posición exacta, el motor no giraría de manera uniforme, o se pararía y no suministraría el valor de par.

En un motor brushless la conmutación de fases la realiza el servo drive electrónicamente y para determinar la posición exacta necesita un transductor que le indique la posición angular del rotor. Seguidamente veremos cómo se determinaba la posición del rotor sin disponer de un sensor de posición absoluto y lo que es la conmutación trapezoidal y la conmutación senoidal. También se explica el funcionamiento del resolver.

Conmutación trapezoidal:

Puesto que se trata de motores trifásicos se necesitan saber tres puntos de la posición del rotor para hacer la conmutación de fases, al no disponer de un encoder absoluto, se empleaban tres simples sensores de efecto hall desfasados 120º, con lo que se obtenían las señales como las que se ven en la siguiente imagen.

Sería como un sistema de conmutación electromecánico de un motor DC, pero con tres fases y la conmutación, en este caso, realizada electrónicamente. La corriente por las fases del motor se vería como se muestra en la sigueinte imagen,  y se observa que su forma es trapezoidal. Esta es la razón por la que se llama conmutación trapezoidal.

El esquema muestra lo que sería el símil de la conmutación con escobillas y colector, pero realizada de forma electrónica. Los sensores de efecto hall proporcionan la información a la electrónica de control que gestiona las señales de disparo de las puertas de los IGBTs de potencia.

Se disponía de encoders incrementales que ya incorporaban los sensores hall, llamados encoders de conmutación, no se empleaban encoders absolutos por el elevado coste que ello supondría y con la conmutación trapezoidal las prestaciones eran más que suficientes para la mayoría de las aplicaciones.

Funcionamiento del resolver : Lo podemos ver como algo tan sencillo como un transformador con dos secundarios, en el que el núcleo gira solidario al eje del motor, por lo que en función de su posición se inducirá más o menos tensión en cada uno de los segundarios, que están desfasados 90º.

El primario (R1-R2) se suele excitar a una frecuencia de 50 KHz y al girar el rotor, en los secundarios se obtiene una señal con una envolvente senoidal (SIN) y otra con una envolvente cosenoidal (COS). Como se decodifican las señales: Ya se dispone de circuitos integrados que hacen todas las funciones y dan directamente el valor de θ , pero Veamos el principio de funcionamiento: Un conversor A/D convierte la señal analógica de cada canal a digital (puntos negros de la imagen).

La frecuencia de muestreo y la resolución en número de bits dependerán del conversor empleado, un valor típico suele ser 12 bits, lo que da 4096 puntos por revolución, o dicho de otra forma, una resolución de 0,087 grados de giro. Lo que suele ser suficiente para la gran mayoría de aplicaciones “estándar”

Ahora que disponemos de los valores del seno y del coseno, solo falta refrescar un poco la trigonometría para ver como obtenemos el ángulo de giro que da esos valores de seno y coseno. Resulta que es el arco tangente, por lo tanto, aplicando esta sencilla formula ya tenemos el valor de la posición angular. Y de forma absoluta

Resumen de las características del resolver :

1. Es un transductor de posición absoluto, de una vuelta

2. Está formado solo por hierro dulce y cobre, por lo que es muy robusto

3. Sus señales de salida son analógicas, por lo que es muy importante el empleo de pares trenzados y apantallados para su interconexión, además de respetar las mejores prácticas a efectos de EMC.

4. La electrónica para su lectura es “compleja”

5. El servo drive lo emplea para la conmutación senoidal (se explica más adelante), para obtener la posición (como si fuese un encoder incremental) y también la velocidad real.

6. Es muy adecuado para hacer la conmutación de fases, pero no tanto para obtener el valor de posición con gran precisión.

Conmutación senoidal:

Al disponer del valor de posición angular del rotor en todo momento, el servo drive puede hacer la conmutación de fases para conseguir que la corriente sea lo más parecido a una senoide que a una forma trapezoidal, como ocurría con los sensores de efecto hall.

Con la conmutación senoidal:

1. Se mejora la eficiencia del servo motor

2. El control de la velocidad y la posición es más suave y preciso

3. Mejora de los armónicos, lo que minimiza la ”contaminación” de la red

4. Menor ruido y vibración

5. Optimiza el tiempo de vida del motor por reducir el estrés del devanado del estator (menos picos de corriente)

Resumen / Conclusiones:

1. Es un transductor de posición absoluto que habilita la conmutación senoidal.

2. Es muy robusto y aguanta las altas temperaturas del interior del motor.

3. Requiere un ajuste o enfasado, que suele realizar el propio servo drive.

4. Ofrece una resolución baja, muy inferior a un encoder incremental.

5. En la actualidad se están desestimando, por falta de resolución y porque hay otros sistemas de feedback que ofrecen mucho más en todos los aspectos.

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