Introducción
Un servoaccionamiento lineal-también conocido como "servoamplificador lineal"-es un dispositivo de conversión de voltaje-a-corriente que se utiliza para controlar servomotores. Su función es análoga a la de un amplificador de potencia de audio que acciona un altavoz; constituye una parte integral de un servosistema y se implementa principalmente en sistemas de posicionamiento de alta-precisión. Normalmente, controla el servomotor a través de tres modos-posición, velocidad y par-para lograr un posicionamiento de alta-precisión dentro de un sistema de transmisión; Actualmente, se destaca como un-producto de alta gama dentro del campo de la tecnología de transmisión.
Principios de funcionamiento de los servoaccionamientos lineales
El principio de funcionamiento de un servoaccionamiento lineal se basa en la amplificación lineal de circuitos analógicos combinados con un control de retroalimentación negativa de bucle cerrado-. Funciona convirtiendo señales de control débiles en corrientes de accionamiento de alta-potencia y ajustando la salida en tiempo-real para lograr un control de movimiento de alta-precisión del motor. El proceso específico es el siguiente:
Recepción de señal y procesamiento preliminar.
El servoaccionamiento lineal recibe señales de comando débiles-como señales de voltaje analógico (p. ej., ±10 V)-del sistema de control. Estas señales transportan los valores deseados para la velocidad, posición o par del motor. Internamente, el variador primero filtra y acondiciona estas señales para eliminar la interferencia de ruido, garantizando así la precisión y estabilidad de las señales. Por ejemplo, en las máquinas herramienta CNC, la señal de voltaje emitida por el controlador puede ser simplemente de unos pocos voltios; esta señal debe ser procesada por el variador antes de que pueda alimentar efectivamente el motor.
Cálculo de errores y ajuste de comentarios negativos
El variador compara la señal de comando recibida con-señales de retroalimentación en tiempo real obtenidas del dispositivo de retroalimentación del motor (como un codificador). Estas señales de retroalimentación reflejan con precisión el estado operativo real actual del motor, incluida su velocidad, posición y otros parámetros. Al calcular la diferencia entre la señal de comando y la señal de retroalimentación, el variador obtiene una "señal de error". Basado en los principios del control de retroalimentación negativa, el variador ajusta automáticamente su salida en respuesta a esta señal de error, esforzándose por conducir la señal de error hacia cero. Por ejemplo, si un comando requiere que el motor gire a un ángulo específico, pero existe una desviación en el ángulo real, el variador aumentará su corriente de salida para impulsar el motor y corregir esta discrepancia.
Amplificación de potencia y conversión de señal
La función principal de un servoaccionamiento lineal es la amplificación de potencia de las señales de control. Emplea un diseño de circuito analógico lineal, que utiliza componentes como amplificadores operacionales para convertir señales de control débiles en señales de voltaje o corriente de alta-potencia. Este proceso se ejecuta a través de dispositivos de potencia-como transistores de potencia-, lo que garantiza que la señal amplificada posea suficiente energía para impulsar el servomotor. Por ejemplo, para los motores conjuntos de robots industriales-que requieren un par significativo-el variador debe suministrar una cantidad suficiente de corriente para permitir que el motor genere el par correspondiente.
Conducción motora y respuesta dinámica
La señal de potencia amplificada pone directamente en funcionamiento el servomotor. Debido al gran ancho de banda de los accionamientos lineales (que normalmente alcanzan varios miles de hercios), son capaces de responder rápidamente a cambios en las señales de comando, permitiendo así la regulación precisa de la velocidad, la posición o el par del motor. En escenarios de control de movimiento de alta-velocidad-como aquellos que involucran equipos de procesamiento de obleas semiconductoras-las unidades de motor deben garantizar que el motor complete las transiciones de posición en períodos de tiempo extremadamente cortos y al mismo tiempo cumpla con los requisitos de precisión de posicionamiento a nivel nanométrico-. Esta capacidad de respuesta rápida se ve facilitada por las características de modulación continua inherentes a los circuitos analógicos, evitando así los retrasos y los efectos dominó que pueden surgir en los variadores de conmutación basados en PWM-.
Monitoreo continuo y optimización de circuito cerrado-
Durante el funcionamiento del motor, el variador recibe continuamente señales de retroalimentación y las compara en tiempo real-con las señales de comando. Al ajustar constantemente las señales de salida, se establece un-sistema de control de circuito cerrado que garantiza que el motor siga consistentemente su trayectoria prevista. Por ejemplo, en una línea de montaje automatizada, si un cambio repentino en la carga causa fluctuaciones en la velocidad de rotación del motor, el variador detectará inmediatamente el error y ajustará la corriente de salida, permitiendo que el motor regrese rápidamente a una velocidad estable. Este mecanismo de ajuste dinámico mejora significativamente las capacidades de rechazo de perturbaciones y la estabilidad general del sistema.
Características de los servoaccionamientos lineales
Las características de los servoaccionamientos lineales se manifiestan principalmente en los siguientes aspectos:
Control de par
El modo de control de par implica configurar la magnitud del par de salida externo del eje del motor a través de una señal de entrada analógica externa. Específicamente, si 10 V corresponden a 5 Nm, cuando la entrada analógica externa se configura en 5 V, el eje del motor genera 2,5 Nm. Si la carga sobre el eje del motor es inferior a 2,5 Nm, el motor gira hacia adelante; si la carga externa es de 2,5 Nm, el motor permanece parado; y si la carga supera los 2,5 Nm, el motor gira en sentido inverso (un escenario que suele ocurrir bajo cargas gravitacionales).
Control de corriente de bucle cerrado-
El control de corriente de bucle cerrado-se define en contraste con el control de corriente de bucle abierto-.
Primero, comprendamos el control de corriente de bucle cerrado-: utiliza un dispositivo de detección de corriente para proporcionar información sobre la magnitud de la corriente de salida. Esta señal de retroalimentación interactúa con la señal de control para modular la corriente de salida, estableciendo así un sistema de control de corriente de bucle cerrado-.
Disipación de energía frente a potencia de salida
Durante el funcionamiento, los transistores dentro de un controlador lineal funcionan dentro de su región lineal, lo que resulta en una pérdida de potencia significativa. Suponiendo una potencia de salida constante, cuanto mayor sea el voltaje aplicado al variador, mayor será la disipación de potencia que debe manejar el variador.Protección de servomotores
Los servovariadores lineales cuentan con un conjunto completo de funciones de protección-que incluyen protecciones contra sobrecorriente, sobrecarga y sobretensión. Dejando de lado el impacto potencial de los armónicos generados en el lado del inversor del variador lineal, estas características permiten una protección total-para el servomotor.
Soluciones para suprimir interferencias armónicas en servoaccionamientos lineales
Durante el funcionamiento y la puesta en marcha de servosistemas, de vez en cuando pueden surgir diversas formas inesperadas de interferencia,-particularmente en aplicaciones que involucran servomotores-impulsados por pulsos. La siguiente sección analiza los tipos y mecanismos de dicha interferencia desde varias perspectivas, con el objetivo de facilitar estrategias específicas de supresión de interferencias.
Interferencia de la fuente de alimentación
Las condiciones de operación en el campo a menudo están sujetas a diversas limitaciones, lo que lleva a encuentros frecuentes con escenarios complejos. Es fundamental adoptar un enfoque proactivo y habitual para evitar estos problemas, evitando así que surjan problemas siempre que sea posible. En muchos casos incorporamos filtros en los módulos de alimentación de codificadores rotativos y controladores de movimiento; Además, equipamos servoaccionamientos lineales con dispositivos como reguladores de voltaje y transformadores de aislamiento. Además, ajustamos parámetros-como el-tiempo de filtrado de paso bajo para la retroalimentación de posición y la frecuencia portadora-para mitigar la interferencia introducida a través de la fuente de alimentación y evitar fallas dentro del sistema de servocontrol.
Los cables de alimentación del servosistema deben tenderse por separado para minimizar la proximidad entre el variador y las líneas de alimentación del motor, evitando así interferencias con las señales de control que podrían provocar fallos de funcionamiento del variador.
Interferencia de sistemas de puesta a tierra desorganizados
La conexión a tierra es un método eficaz para mejorar la inmunidad al ruido de los equipos electrónicos; Sirve para suprimir interferencias externas y proteger el sistema de sus efectos adversos. Sin embargo, una conexión a tierra inadecuada puede introducir señales de interferencia severas, haciendo que el sistema no pueda funcionar correctamente. La infraestructura de puesta a tierra de un sistema de control generalmente comprende varias categorías, incluida la tierra del sistema, la tierra de blindaje, la tierra de CA y la tierra de protección.
Si el sistema de puesta a tierra está desorganizado, las interferencias resultantes dentro del servosistema se deben principalmente a una distribución desigual del potencial entre los distintos puntos de puesta a tierra. Surgen diferencias de potencial entre diferentes puntos de conexión a tierra-como aquellos en los dos extremos de una sección de cable blindado, a lo largo de cables de tierra o en las conexiones a tierra del chasis del equipo-lo que crea corrientes de bucle de tierra que interrumpen el funcionamiento normal del sistema.
La clave para resolver este tipo de interferencias reside en distinguir claramente entre los diferentes esquemas de puesta a tierra y garantizar que el sistema cuente con una infraestructura de puesta a tierra robusta y eficaz.
Se debe prestar especial atención a la compatibilidad electromagnética (EMC) ambiental, incluido el blindaje de ondas electromagnéticas de alta-frecuencia y componentes de radio-frecuencia (RF). Se deben suprimir y eliminar las fuentes de ruido e interferencias en el suministro de energía. Por ejemplo, las unidades inversoras y de rectificación de potencia de alta-frecuencia-o media-frecuencia no deben compartir el mismo transformador de potencia o barra colectora de distribución de energía con otros equipos sensibles.
También presentamos un enfoque poco convencional para la conexión a tierra: dada la inevitable presencia de fuentes de interferencia significativas dentro de los circuitos de distribución de energía, puede resultar ventajoso instalar el servovariador en un gabinete dedicado. En esta configuración, se utiliza una placa de montaje no-metálica y las conexiones a tierra asociadas con el servoaccionamiento lineal se dejan "flotantes" (sin conexión a tierra), mientras que los sistemas restantes de medición y control están conectados a tierra de manera confiable.
Interferencia del sistema interno
- Esto se debe principalmente a la radiación electromagnética mutua entre componentes y circuitos dentro del sistema-por ejemplo, la radiación mutua entre circuitos lógicos, la influencia mutua entre conexiones a tierra analógicas y digitales o el uso de componentes que no coinciden.
- Se deben seleccionar cables blindados para líneas de señal o control para ayudar a prevenir interferencias.
- Cuando los tramos de cable son largos-por ejemplo, superando los 100 metros-se debe aumentar el área de sección transversal-de los conductores.
- Las líneas de señal o control deben pasar a través de conductos para evitar interferencias mutuas con las líneas de suministro de energía.
- Lo ideal es que las señales primarias transmitidas sean señales de corriente, ya que presentan características de atenuación e inmunidad al ruido superiores. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, las salidas de los sensores son predominantemente señales de voltaje; éstas se pueden convertir en señales de corriente mediante convertidores adecuados.
- Para filtrar la fuente de alimentación de CC para circuitos analógicos sensibles, se pueden agregar dos condensadores de 0,01 µF (630 V): conecte un terminal de cada condensador a los terminales positivo y negativo de la fuente de alimentación, respectivamente, y conecte el otro terminal de cada condensador a la tierra del chasis. Este método es muy eficaz.
- La capa protectora del cable de control lateral del terminal- debe conectarse a la referencia de 0 V en la placa de circuito; en el extremo del conductor, sin embargo, el blindaje *no* debe estar conectado-simplemente retire una sección de la trenza del blindaje, gírela hasta formar un hilo y déjela expuesta.
- Emplear filtros de interferencia electromagnética (EMI); Como alternativa, suelde resistencias anti-interferencias en las líneas de control o instale anillos de ferrita en las líneas de alimentación del motor.