Problemas habituales durante el uso de servomotores

Los servosistemas son un componente fundamental de los productos electromecánicos y ofrecen los mayores niveles de respuesta dinámica y densidad de par. Por ello, la tendencia en el desarrollo de los sistemas de accionamiento es sustituir los accionamientos hidráulicos, de corriente continua, paso a paso y de frecuencia variable de corriente alterna tradicionales por serv accionamientos de corriente alterna. Así se alcanza un nuevo nivel de rendimiento del sistema, con ciclos más cortos, mayor productividad, más fiabilidad y una vida útil más larga. Para sacar el máximo partido a los servomotores, es esencial conocer sus características de uso.

Problemas habituales durante el uso de servomotores

Problema 1: ruido e inestabilidad

Al utilizar servomotores en maquinaria, los clientes suelen experimentar un ruido excesivo y un funcionamiento inestable. La primera reacción de muchos usuarios es pensar que el servomotor es de mala calidad, ya que a veces al sustituirlo por un motor paso a paso o uno de frecuencia variable se reducen notablemente el ruido y la inestabilidad. A primera vista, podría parecer que el servomotor es el culpable, pero un análisis minucioso de su principio de funcionamiento demuestra que esa conclusión es completamente errónea.

Un servosistema de corriente alterna consta de un servoaccionamiento, un servomotor y un sensor de realimentación (por lo general, los servomotores llevan un encoder óptico integrado). Todos estos componentes funcionan en un sistema de control de bucle cerrado: el accionamiento recibe información de parámetros del exterior y suministra una corriente determinada al motor, que la convierte en par para mover la carga. La carga se mueve o acelera y desacelera según sus propias características. Los sensores miden la posición de la carga y el accionamiento compara el valor de consigna con la posición real. A continuación, ajusta la corriente del motor para que la posición real coincida con el valor de consigna. Si un cambio repentino en la carga modifica la velocidad, el encoder detecta el cambio y responde de inmediato al servoaccionamiento. Este ajusta la corriente suministrada al servomotor para adaptarse al cambio de carga y restablecer la velocidad establecida. Un servosistema de corriente alterna es un sistema de bucle cerrado con una respuesta muy rápida. El desfase entre las fluctuaciones de carga y la corrección de velocidad es mínimo. Por tanto, el principal factor limitante de la respuesta del sistema es el tiempo de transmisión de los elementos mecánicos de conexión.

Problema 2: adaptación de la inercia

Los problemas de inercia son frecuentes al seleccionar y ajustar servosistemas.

En concreto, se manifiestan de las siguientes formas:

1. Al seleccionar un servosistema, además de tener en cuenta factores como el par y la velocidad nominales del motor, también hay que calcular la inercia del sistema mecánico referida al eje del motor. Después, según los requisitos reales de movimiento mecánico y de calidad de las piezas mecanizadas, se elige un motor con un valor de inercia adecuado.

2. Durante la puesta en marcha (en modo manual), configurar correctamente el parámetro de relación de inercias es un requisito previo para aprovechar al máximo el rendimiento del sistema mecánico y del servosistema. Esto es especialmente importante en sistemas que requieren alta velocidad y precisión (en los servos Delta, el parámetro de relación de inercias es de 1 a 37, JL/JM).

Efectos: la inercia de transmisión afecta a la precisión, la estabilidad y la respuesta dinámica del servosistema. Una inercia elevada aumenta la constante de tiempo mecánica y ralentiza la respuesta; además, reduce la frecuencia natural del sistema y aumenta el riesgo de resonancia. Esto limita el ancho de banda del servo y perjudica su precisión y velocidad de respuesta. Aumentar la inercia de forma moderada solo resulta beneficioso para mejorar el avance lento. Por tanto, en el diseño mecánico, la inercia debe reducirse al mínimo posible sin comprometer la rigidez del sistema.

Cómo determinar las características dinámicas de un sistema mecánico: al evaluar sus características dinámicas, cuanto menor sea la inercia, mejor será la respuesta dinámica del sistema; cuanto mayor sea, mayor será la carga del motor y más difícil resultará controlarlo. Sin embargo, la inercia del sistema mecánico debe adaptarse a la del motor. Los distintos mecanismos requieren criterios diferentes de adaptación de inercias, y cada elección produce efectos distintos.

Por ejemplo, cuando un centro de mecanizado CNC realiza operaciones de corte a alta velocidad con un servomotor, el aumento de la inercia de la carga provoca lo siguiente:

1. Cuando cambian las órdenes de control, el motor tarda más en alcanzar la velocidad requerida por la nueva orden;

2. Cuando la máquina herramienta realiza un corte rápido en arco a lo largo de dos ejes, se producen errores considerables. Por lo general, en condiciones normales, si JL≦JM, no se producirán los problemas anteriores;

3. Cuando JL≧3×JM, la controlabilidad del motor disminuye notablemente, especialmente durante el corte de curvas a alta velocidad.

Los distintos movimientos mecánicos y requisitos de calidad de mecanizado determinan diferentes relaciones entre JL y JM. La adaptación de inercias debe establecerse en función de las características del proceso mecánico y de los requisitos de calidad del mecanizado.

Problema 3: selección del servomotor

Una vez elegido el esquema de transmisión mecánica, hay que seleccionar y confirmar el modelo y el tamaño del servomotor.

(1) Criterios de selección

Por lo general, al seleccionar un servomotor deben cumplirse los siguientes requisitos:

1. Velocidad máxima del motor > velocidad máxima requerida por el sistema.

2. La inercia del rotor del motor debe adaptarse a la inercia de la carga.

3. Par de trabajo continuo de la carga≤ par nominal del motor.

4. Par máximo de salida del motor > par máximo requerido por el sistema (par durante la aceleración).

(2) Cálculos para la selección

1. Cálculo de la adaptación de inercias (JL/JM)

2. Cálculo de la velocidad de giro (velocidad en el extremo de la carga y en el extremo del motor)

3. Cálculo del par de carga (par de trabajo continuo de la carga y par durante la aceleración)