Accionamiento por servomotor
Un servomotor forma parte de un grupo especial de aplicaciones de motores. A diferencia de las aplicaciones de motor simples como encender, apagar o mantener una velocidad constante, las aplicaciones de servo control cubren tareas más complicadas. Controlan con precisión una máquina y le permiten seguir un movimiento calculado en los dominios del tiempo y el espacio. Los brazos robóticos de múltiples ejes incluso requieren varios motores controlados sincronizados para mover el brazo en un espacio tridimensional.
Los parámetros de control del motor suelen estar relacionados con sus posiciones o ángulos del eje, que también pueden incluir el número de giros completos de 360 grados para cubrir los efectos de los engranajes. Otros parámetros específicos de cada caso de uso cubren condiciones de carga dinámica como par, aceleración y momento de inercia.
Para seguir una ruta calculada con la mayor precisión posible, los servos controladores siempre necesitan conocer el estado real del sistema de todos los motores y ejes. Cuando un controlador detecta una diferencia de posición o velocidad, los algoritmos de control deben corregir las condiciones reales del motor para reducir y compensar la diferencia medida lo más rápido posible.
Para relaciones simples entre el algoritmo y el movimiento resultante, todos los elementos de la máquina se comunican en intervalos de tiempo equidistantes. Estas ranuras representan la base de tiempo general del sistema, también conocida como tiempo de ciclo. También permiten valores de sensor sincronizados para el cálculo preciso de los parámetros del accionamiento del motor de las corrientes, el par, la velocidad y la posición de la bobina.
Un servo accionamiento es el componente electrónico que acciona el servomotor de acuerdo con los parámetros calculados mencionados anteriormente. El importante parámetro de par depende de la intensidad del campo magnético y se deriva de las corrientes de la bobina del motor. Los servo accionamientos cubren condiciones altamente dinámicas. Con bucles de control anidados para la posición objetivo, la velocidad y el par, accionan con precisión los ejes del motor y, al mismo tiempo, evitan situaciones de sobrecarga.
Figura 1: Servo accionamiento con bucles de control de posición, velocidad y par
Modulación de ancho de pulso trifásica
En su salida, un servo accionamiento suele contener el circuito amplificador electrónico para motores síncronos trifásicos. Esto requiere circuitos amplificadores con 6 transistores para un puente H trifásico como se muestra en la Figura 2.
Figura 2: Amplificador de puente H trifásico
Para generar un campo magnético a una determinada velocidad de rotación con un par definido dependiente de la carga dentro del motor, los 6 transistores deben controlarse con precisión mediante un circuito PWM (modulación de ancho de pulso). Debido al movimiento de alta velocidad, la fluctuación y los requisitos de energía, el software no puede crear estos patrones PWM. Debe implementarse en hardware y controlarse y configurarse continuamente mediante el algoritmo de control. Estos patrones PWM impulsan los devanados del motor a través de los transistores y permiten que el eje siga el campo magnético trifásico giratorio dentro del motor.
Codificador de motor
A diferencia de las corrientes de las bobinas de los motores accionados, la posición del eje se observa leyendo los valores de un codificador. Este componente electromecánico se fija al eje y proporciona un valor de alta resolución de la posición real. Esta información es la base de las aplicaciones avanzadas de control de servomotores.
Se pueden seleccionar dos tipos de codificadores principales según el caso de uso en cuestión. Los codificadores absolutos directos dan la posición exacta, mientras que los codificadores relativos sólo entregan la diferencia respecto a un valor anterior. Esto tiene la desventaja de perder la posición real en cada reinicio del sistema. Requieren un seguimiento constante y son más sensibles a los errores de posición, ya que no se autocorrigen con el uso de un valor absoluto siguiente.
Los codificadores absolutos se comunican con el controlador a través de un protocolo en serie con algunas señales eléctricas. En el lado del controlador, dichas interfaces de codificador se implementan en hardware para un proceso de lectura autónomo, completamente sincronizado con los ciclos del sistema.
Las interfaces de codificador basadas en hardware en variadores de servomotor son un requisito previo para rotaciones de motor precisas y de alta velocidad en tiempos de ciclo cortos.
Comunicación industrial EtherCAT
En los sistemas de automatización industrial distribuidos, los componentes mecánicos y electrónicos para el control de servomotores a veces se encuentran distribuidos en un área grande. Un PLC (controlador lógico programable) maestro aloja la aplicación para ejecutar y sincronizar todas las entidades conectadas. Cada entidad ejecuta uno o más motores locales u otras tareas de E/S. La comunicación entre estos componentes generalmente se basa en el estándar Ethernet IEEE 802.3 y debe admitir ciclos de comunicación cortos con baja fluctuación para tareas de control de servomotores de alta velocidad en tiempo real, como se describió anteriormente.
EtherCAT (Ethernet for Control of Automation Technology) es una tecnología Ethernet de Beckhoff Automation promovida a través del ETG (EtherCAT Technology Group). Junto con varios otros protocolos de comunicación, EtherCAT utiliza el hardware llamado EtherCAT Slave Controller (ESC) en todos los nodos de red esclavos. Utiliza un esquema de comunicación simple pero extremadamente efectivo para acceder a datos en Ethernet. Los datos se pueden leer y escribir sobre la marcha dentro de cada nodo EtherCAT mientras la trama pasa a través de él, lo que permite direccionar todos los nodos de la red desde el PLC con cada trama EtherCAT. Este enfoque la convierte en una tecnología ideal para aplicaciones de control de servomotores para requisitos de alta precisión y alto rendimiento con tiempos de ciclo cortos y baja fluctuación.
Figura 3: Acceso a datos sobre la marcha en sistemas de comunicación EtherCAT distribuidos
Familia de dispositivos de control de motores RZ/T2 para automatización industrial
La clave del éxito de un enfoque de diseño basado en plataformas es la escalabilidad para simplificar la reutilización de componentes de hardware y software para diferentes productos. La escalabilidad se logra a través de la misma arquitectura de familia de dispositivos al compartir funciones periféricas para Ethernet, memorias, temporizadores y otras interfaces. Renesas implementó este concepto en sus series de MPU industriales RZ/T y RZ/N. Estos incluyen soporte Ethernet multiprotocolo y procesamiento de alta gama en tiempo real para aplicaciones exigentes como el control de servomotores. Los últimos dispositivos lanzados son RZ/T2M, RZ/T2L y RZ/N2L.
Figura 4: Relación entre RZ/T2M, RZ/T2L y RZ/N2L
La Figura 4 muestra la arquitectura común y las características compartidas de la familia RZx2. Con esta familia, Renesas pretende sustituir las soluciones multichip existentes en aplicaciones de servocontrol industrial con capacidades de comunicación de red en tiempo real utilizando un SoC (System on a Chip) de bajo consumo. El RZ/T2M es un dispositivo para el control de motores de alta gama y al mismo tiempo cubre capacidades multiprotocolo en sus interfaces Ethernet industriales.
Características del RZT2
La familia RZ/T2 combina dos núcleos Arm Cortex-R52 de 800MHz en un solo chip para dominios de comunicación y aplicaciones separados. Para mejorar el rendimiento del control del motor en tiempo real, el RZ/T2M incluye memoria estrechamente acoplada de 512 kB/16 kB, caché de CPU de 16 kB/32 kB que incluye ECC y un bus de puerto periférico de baja latencia (LLPP) dedicado a sus interfaces de motor.
Además de la comunicación Ethernet flexible en tiempo real, SRAM interna de 2 Mbytes, memoria externa e interfaces flash, así como periféricos estándar como UART, SPI, I2C, CAN y USB, el RZ/T2M incluye un conjunto de controladores especiales para control de motores y servos:
- 35 unidades de temporizador para formas de onda PWM trifásicas, incluida la generación de tiempo muerto
- Interfaz de entrada de codificador de 2 canales para EnDat, BiSS-C, FA-CODER, formato A y otros
- Interfaz Delta-Sigma de 2 canales
- Entrada analógica de 24 canales y 12 bits para diferentes esquemas de disparo y exploración sincrónica
- Acelerador de la Unidad de Función Trigonométrica
- Bus LLPP con latencias de acceso bajas
Como el control del motor debe cubrir aspectos de seguridad funcional en muchos casos de uso, el RZ/T2M incluye características de seguridad para separar de forma segura los dominios de seguridad de los que no lo son.
RZ/T2L como solución de motor independiente con EtherCAT
La arquitectura del miembro más pequeño de la familia RZ/T2L incluye el procesamiento de aplicaciones de alta gama para el servo control de motores del RZ/T2M, pero limita las funciones de comunicación industrial al protocolo EtherCAT. Este dispositivo apunta a nodos esclavos EtherCAT de costo optimizado, mientras que el software de aplicación servo puede simplemente reutilizarse o transferirse entre RZ/T2M y RZ/T2L.
La siguiente lista muestra las principales diferencias de un caso de uso optimizado y menos complejo con un software EtherCAT de tamaño reducido:
- Arm Cortex-R52 único de 32 bits con 800 MHz en lugar de arquitectura de doble núcleo
- 1 MB de SRAM en chip en lugar de 2 MB
- Controlador esclavo EtherCAT de 3 puertos más una MAC para un puerto Ethernet sin conmutador Ethernet
- RZ/T2L solo está disponible en un paquete pequeño BGA196 con un número reducido de periféricos
Con este conjunto de funciones, el RZ/T2L es la mejor opción para una aplicación de control de motor de un solo chip de baja complejidad con comunicación EtherCAT.
Figura 5: Casos de uso principales de RZ/T2L
RZ/T2L como reemplazo de dispositivo que mejora el rendimiento del sistema
Como es una buena alternativa para productos EtherCAT puros implementados con otros dispositivos multiprotocolo, como R-IN32M3-EC, RZ/T1 y RZ/N1L, el nuevo RZ/T2L es el reemplazo ideal y más potente para el EC basado en Cortex-R4. -1 también. El RZ/T2L mejora el rendimiento de sistemas diseñados anteriormente debido a una CPU más potente y otras características nuevas. Algunos ejemplos son el controlador de enlace de eventos (ELC) para reacciones directas basadas en hardware sobre eventos del sistema y el bus de puerto periférico de baja latencia (LLPP) para acceso de alta velocidad a las unidades de control del motor.
Otro valor agregado de RZ/T2L puede ser una arquitectura de comunicación modular EtherCAT. A menudo se utiliza un enfoque modular para agregar una nueva tecnología de comunicación a un sistema existente. Esto se puede hacer a través de una interfaz estándar sencilla como SPI sin modificaciones importantes en el diseño de hardware o software del producto existente.
Con sus características de seguridad, el RZ/T2L también es una buena opción como segunda MCU de seguridad para aplicaciones de control de motores de seguridad en combinación con una MPU principal RZ/T2M.
Más detalles sobre el nuevo dispositivo RZ/T2L, la placa de evaluación disponible, las herramientas IDE con controladores de software y aplicaciones de muestra relacionadas están disponibles en los sitios web de Renesas:
- MPU Serie RZ/T | Renesas
- Dispositivo RZ/T2L
