Perfiles de control de movimiento: Bueno, mejor y óptimo

El control de movimiento es la habilidad y el arte de controlar los parámetros de rendimiento de un motor y su carga para alcanzar de forma óptima un objetivo deseado. Detrás de esta sencilla oración hay muchas variables: ¿cuál o cuáles son los atributos de los parámetros que se pretenden controlar: posición, velocidad, aceleración o tirón (el cambio en la aceleración)? ¿El objetivo principal es conseguir una posición o una velocidad precisas? ¿La solución óptima implica alcanzar un objetivo lo más rápido posible, con la precisión requerida? ¿Qué hay de la sobrecresta? ¿Y de los cambios de carga? ¿Y de la eficiencia energética y del manejo de los fallos inevitables, como los calados?

Cumplir con todos estos objetivos —que a menudo entran en conflicto, en cierta medida— no es sencillo. Esto depende en gran parte del controlador de movimiento del motor. Este controlador actúa como el “cerebro” del sistema de control e implementa algoritmos que se han diseñado y ajustado a los objetivos de la aplicación. Estos algoritmos también deben tener en cuenta el tipo de motor, que puede ser de paso a paso, con escobillas, de corriente continua sin escobillas (BLDC) o de corriente alterna, entre otros. Los algoritmos también deben tener en cuenta la naturaleza de la carga (sólida, líquida, en polvo, engranajes, carriles), así como los acoplamientos y el contragolpe.

El controlador trabaja junto con un impulsor de motor que contiene los dispositivos de potencia, como los MOSFET, que modulan la corriente del motor según las indicaciones del controlador. Tenga en cuenta que hay cierto solapamiento funcional entre los dos roles, ya que algunos impulsores tienen capacidades básicas de un controlador y algunos controladores pueden incorporar MOSFET de baja potencia.

Empezar con un buen perfil

La forma más obvia de llevar el motor al punto en el que debe estar consiste simplemente en "activar" la potencia, acelerar el motor hasta la máxima velocidad posible, mantener esa velocidad y luego parar cuando el motor alcance la posición o la velocidad finales deseadas (Figura 1).

Figura 1: La táctica más sencilla para la gestión del movimiento del motor consiste en acelerar el motor a la máxima velocidad posible hasta alcanzar el punto final deseado y, a continuación, detenerse repentinamente. (Fuente de la imagen: Trinamic Motion Control GmbH).

Este enfoque, denominado perfil trapezoidal, funciona y se utiliza ampliamente, pero es inaceptable en muchas situaciones. Por ejemplo, el gran tirón que se produce cuando la aceleración pasa de cero a la máxima en las transiciones de arranque y parada puede alterar y agitar los líquidos; además, a menudo se produce una sobrecresta inaceptable, ya que los motores existentes en el mundo real y sus cargas no se detienen instantáneamente.

Obtener un mejor perfil

Una mejora estándar consiste en añadir transiciones leves entre las fases de arranque y marcha, y entre las fases de marcha y parada. Esto se conoce como el perfil de la curva S (Figura 2).

Figura 2: El perfil de la curva S añade un redondeo a los puntos de transición de la velocidad entre las fases de parada y marcha, y a la acción inversa. (Fuente de la imagen: Trinamic Motion Control GmbH).

El grado de agudeza o redondez de esa “S” y su duración dentro del perfil total depende de la aplicación, la carga y las prioridades del sistema en el equilibrio de compensaciones entre los diversos objetivos y limitaciones de rendimiento.

Además, hay una buena razón para minimizar el tirón: los valores altos de tirones tienden a inducir la oscilación de la carga, ya que introducen más frecuencias en el espectro del perfil de movimiento, por lo que puede haber una o más que coincidan con las resonancias naturales del sistema. El impacto en el mundo real de esta oscilación puede abarcar desde un ruido molesto hasta una vibración dañina y posiblemente destructiva.

Por lo tanto, cualquier oscilación de este tipo, que es distinta de una sobrecresta más simple y también indeseable, es generalmente inaceptable.

Optar por el “mejor” perfil

La curva S básica es eficaz, pero puede no proporcionar un perfil de movimiento óptimo en la aplicación. La razón es que la dinámica del motor, el acoplamiento a la carga y la propia carga complican enormemente el modelo de movimiento simple inicial.

Se complica aún más por el tipo de motor que se controla. Además, la adición de un sensor de retroalimentación para el control en bucle cerrado ofrece la posibilidad de una mayor precisión y una respuesta más rápida, pero esto requiere el uso de estrategias de control más avanzadas, como el algoritmo proporcional-integral-derivativo (PID).

Una opción para proporcionar una curva S y un control más avanzado es utilizar un microprocesador con capacidades de procesamiento numérico mejoradas para implementar las ecuaciones necesarias en tiempo real, con el apoyo de otras funciones integrales de hardware y características centradas en el control del movimiento. Estos procesadores optimizados para la aplicación pueden ejecutar el software de control de movimiento que suele proporcionar el proveedor del procesador.

Por ejemplo, la familia C2000 de Texas Instruments está orientada a esta aplicación e incluye el F28M35H52C1RFPS, un microcontrolador de la serie C28x/ARM Cortex-M3 con un procesador de doble núcleo de 32 bits que funciona a 100 megahercios (MHz), respaldado por 512 kilobytes de memoria Flash, 2 kilobytes de RAM y una matriz de puertos de comunicación.

El procesador es solo una parte de la solución para adaptar el algoritmo a la aplicación, ya que Texas Instruments ofrece dos vías diferentes para el control de motores con la C2000. Su biblioteca de control digital de motores (DMC) constituye un amplio conjunto de componentes de software para el control de motores creado a lo largo de los años, que parte de la base de que los usuarios desarrollarán por sí mismos el ajuste óptimo del bucle de control. La biblioteca incluye ejemplos de sistemas de referencia disponibles en módulos de evaluación de hardware que pueden utilizarse como puntos de partida para ingenieros de control de motores con experiencia.

Por el contrario, para los diseñadores con poca experiencia en control de movimiento, la solución de control de motores InstaSPIN de TI brinda acceso a algoritmos de alto rendimiento y, a la vez, simplifica muchos de los retos del mundo real que supone el desarrollo de soluciones avanzadas. Incluye un autoajuste automatizado que quizá no sea tan bueno como el optimizado por el usuario, pero que puede ser más que adecuado para la aplicación.

Otros proveedores ofrecen circuitos integrados independientes y módulos de placa de PC completos, a menudo con impulsadores de motor asociados que están totalmente preprogramados con algoritmos sofisticados de control de movimiento, pero que aún así permiten al usuario establecer parámetros clave y proporcionar perfiles personalizados. Un buen ejemplo es la placa de evaluación TMC5041-EVAL de Trinamic Motion Control GmbH para su controlador/impulsador dual TMC5041-LA-T, que permite gestionar la potencia de los motores paso a paso (Figura 3).

Figura 3: El controlador/impulsador dual TMC5041 para la gestión de la potencia de los motores paso a paso, visto aquí en la placa de evaluación TMC5041-EVAL, incluye sofisticados algoritmos y funciones de control de movimiento integrados y permite que el usuario programe los principales parámetros de funcionamiento. (Fuente de la imagen: Trinamic Motion Control GmbH).

El TMC5041 incluye funciones como las de los generadores de rampa flexibles, que permiten el posicionamiento objetivo automático para impulsadores de motor paso a paso avanzados, y garantiza un funcionamiento sin ruidos en combinación con la máxima eficiencia y el mejor par de torsión del motor. Entre sus otras características preprogramadas, se encuentra la adaptación a las variaciones de la fuerza electromotriz trasera del motor (BEMF) causadas por la aceleración y la desaceleración, que pueden requerir una regulación más rápida. Esto permite al usuario ajustar y optimizar la configuración asociada (designada PWM_GRAD) para la rampa de aceleración y desaceleración más rápida posible (Figura 4).

Figura 4: El nivel de sofisticación del TMC5041 se pone de manifiesto en la posibilidad de que el usuario pueda ajustar los valores de la generación de corriente para garantizar una aceleración y desaceleración más rápidas, en consonancia con un rendimiento preciso y una sobrecresta mínima. (Fuente de la imagen: Trinamic Motion Control GmbH).

Conclusión

La eficacia del control de movimiento y de la gestión de perfiles requiere un cuidadoso equilibrio entre la posición, la velocidad y la aceleración, al tiempo que se proporciona precisión y un rendimiento impecable. Mediante el uso de un sofisticado controlador de movimiento para establecer los parámetros clave de la corriente y el voltaje que impulsan el motor, es posible lograr una exactitud y precisión excepcionales, junto con una respuesta rápida.

Los controladores de movimiento pueden implementarse a través de algoritmos ejecutados en microprocesadores de alto rendimiento, o mediante dispositivos dedicados que están preprogramados con firmware integrado, lo que permite a los usuarios ajustar y optimizar los puntos de funcionamiento para obtener un rendimiento avanzado.

Lectura recomendada

1. Metodología de control digital de motores para microcontroladores de control en tiempo real C2000™

https://www.digikey.com/en/articles/digital-motor-control-methodology-for-c2000-real-time-control-microcontrollers

2. Utilice el control vectorial sin sensores con los motores BLDC y PMS para ofrecer un control de movimiento preciso.

https://www.digikey.com/es/articles/use-sensorless-vector-control-with-bldc-and-pms-motors

3. Utilice MCU especializados para simplificar el diseño de control de movimiento

https://www.digikey.com/en/articles/use-specialized-mcus-to-simplify-motion-control-design

4. Control para el movimiento avanzado

https://www.digikey.com/en/articles/control-for-advanced-motion