Selección de encoders, tercera parte: Control de la velocidad

Un análisis general en profundidad muestra que para un control de alta precisión de la velocidad se requieren las máximas resoluciones de los encoders. La resolución de los encoders se incrementa con el cuadrado de la precisión requerida para la velocidad. Además, un bucle rápido de control de la velocidad y una alta inercia de la masa tienen un efecto beneficioso en la estabilidad de la velocidad.

• Recuerde: no solo la resolución del encoder influye en la precisión y el dinamismo del control de la velocidad. Es la reacción del sistema en su conjunto. El tiempo de respuesta puede verse restringido por limitaciones de la corriente y la tensión en la fuente de alimentación y el controlador, por la tasa de muestreo del bucle de control, por la inercia de la masa, la variación de la fricción y la holgura mecánica.

¿Cómo funciona la evaluación de la velocidad con encoders incrementales?

La velocidad se evalúa en el controlador contando el número de cambios dentro de un intervalo de tiempo determinado. Un EPOS2, por ejemplo, tiene una tasa de muestreo del controlador de velocidad de 1 kHz. Por ello, la velocidad interna se mide en números enteros de quadcounts por ms (qc/ms), lo que equivale a una resolución de velocidad de 30 rpm en un encoder de 500 cpr (2000 qc por revolución). Cuanto más baja es la resolución, más alta es la cuantificación de la velocidad.

Es necesario destacar que este es un problema de metrología debido a la adquisición digital. Lo que se mide no se corresponde con el comportamiento del sistema. La velocidad real del motor asumirá el valor ajustado y lo mantendrá debido a la inercia mecánica (efecto de volante de inercia). Solo los valores medidos fluctúan en torno a la velocidad media.

Señales de velocidad registradas en un motor con el encoder MR de maxon (captura de pantalla del EPOS2 Studio Data Recorder). La línea negra es la lectura de velocidad del sensor. Salta en pasos de 30 rpm, lo que equivale a una resolución de 1 qc/ms. De forma adicional, la señal muestra un periodo de 30 ms que se deriva del tiempo para una revolución del motor. La velocidad media verde muestra más claramente esta periodicidad. Esta señal de velocidad media está más cerca de la velocidad real del motor. Sin embargo, en este caso refleja más bien las imperfecciones del encoder. Por cierto, la precisión de velocidad de la señal media es una desviación de unas 3 rpm a una velocidad de 2000 rpm, ¡lo que no está nada mal!

Control de altas velocidades

Los componentes electrónicos del encoder limitan la frecuencia de pulso máxima que puede procesarse, lo que restringe la velocidad máxima del encoder. En algunos casos, esta restricción se debe a aspectos mecánicos como el desequilibrio y las tolerancias de montaje.

También deberían tenerse en cuenta las limitaciones de frecuencia en la entrada del encoder del lado del controlador. Si se requieren velocidades muy altas, debe seleccionarse un encoder con una resolución correspondientemente baja.

Una variación relativa de la velocidad en un porcentaje bajo a altas velocidades de varios miles de rpm equivale a una precisión absoluta de varias decenas de rpm, lo que es bastante fácil de lograr. 

Regla número 4: encoder para control de altas velocidades (>500 r/min)

Seleccione un encoder con un número moderado o bajo de estados y una tasa de velocidad máxima lo suficientemente alta. En muchos casos, el encoder EASY de maxon es la solución perfecta. Normalmente no se requiere un encoder óptico de alta precisión. La regla general es: (velocidad en rpm) x (resolución del encoder en cpr) > 100 000 rpm cpr es suficiente para la mayoría de las aplicaciones.

Control de bajas velocidades

Mientras que el tipo de conteo de estado de la evaluación de la velocidad tiene como resultado un buen control de las altas velocidades, esto no ocurre con las bajas velocidades. Imagínese una velocidad de 60 rpm, la cual requiere mantener una revolución por segundo con una precisión del 5 % o 3 rpm. Con el mismo encoder de 500 cpr y un tiempo de ciclo de control de 1 ms como en el ejemplo anterior, nunca se obtendrá una velocidad estable y controlada con suavidad.

Para reducir la variación de velocidad absoluta se requiere una mayor resolución del encoder y un controlador más rápido. Imagínese un encoder con 5000 cpr en la situación anteriormente descrita: se obtiene un feedback10 veces mayor. Sin embargo, a bajas velocidades, el bucle de control también debería ser capaz de reaccionar más rápidamente para mantener baja la desviación de velocidad absoluta. Ambos requisitos incrementan las exigencias del encoder. La resolución del encoder aumenta con el cuadrado de la estabilidad de velocidad absoluta: la mitad de la variación de velocidad permitida requiere una resolución del encoder 4 veces mayor. 

A velocidad muy bajas, algunos controladores permiten usar un método alternativo para evaluar la velocidad. Este mide el tiempo que transcurre entre dos estados. Los valores de feedback de velocidad serán más homogéneos, lo que hace que el control sea más firme y dinámico.

El controlador EPOS4 permite utilizar otro método a bajas velocidades, denominado observador de velocidad. El observador de velocidad es un elemento en el bucle de control. Calcula en dos pasos la velocidad observada. En primer lugar se predice la velocidad, la posición y el par externo partiendo de los parámetros que definen la función de transferencia mecánica del sistema. En un segundo paso se corrigen los valores a partir de la posición del rotor recién calculada.

Aun así, un encoder con una alta resolución y un controlador rápido ofrecen grandes ventajas.

Regla número 5: encoder para control de bajas velocidades (< 100 r/min)

Seleccione un encoder con un número alto o muy alto de estados en combinación con un controlador rápido.