Accionaments elèctrics en l'era de la robòtica

1987/06/01 Sagarna, Andoni - Ingeniaria Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Robotika

Actuadors pre-automatització

L'automatització de màquines està experimentant un gran avanç en les dues últimes dècades. L'electrònica i la informàtica són sempre el motor d'aquests avanços. I és que les innovacions que pot fer la mecànica són molt més limitades. No obstant això, entre el "cervell" que compon l'electrònica i la microinformàtica i els òrgans de suport i moviment que ofereix la mecànica existeixen altres òrgans que, sense grans incerteses, estan realitzant un gran avanç: els accionaments.

Per a poder modificar la velocitat dels òrgans mòbils de les màquines abans que arribés l'automatització s'utilitzaven motors elèctrics de velocitat fixa i caixes de canvi. En ells es trobaven combinacions d'engranatges que es canviaven manualment

Contribució i evolució dels motors de corrent continu

Els motors elèctrics són els de corrent continu els que ofereixen major facilitat per a variar la velocitat. En els avanços de les màquines, aquests motors han permès eliminar les caixes de canvi.

Un motor de corrent continu convencional conté un bobinatge que produeix un flux magnètic alimentant-se per corrent continu en la part fixa denominada estator, anomenat inductor.

La part giratòria denominada rotor té un altre bobinatge conegut com induït.

Les característiques mecàniques de l'eix del motor són el moment de gir M (mesurat en Nm) i la velocitat de gir n (mesura en s -1).

Les relacions d'aquestes magnituds mecàniques amb les electromagnètiques, fàcilment comprensibles, són:

M = K 1 I

n = K 2 V - ANAR

on:

• V = tensió aplicada a l'induït,
I = corrent induït, K 1 i K 2 = constants corresponents a l'estructura de la màquina i R = resistències elèctriques del circuit induït.

Partint del corrent altern de la xarxa de distribució d'energia (suposem 380 V - 50 Hz), la tensió variable en corrent continu s'obté mitjançant rectificadors formats per tiristors. Veure figura 2.

Per a la seva fàcil comprensió, l'eix requereix una corrent I per a donar un moment de gir M (constant). Per a modificar la velocitat de gir n en aquestes condicions és necessari modificar la tensió d'induït O.

Un avanç important en els motors de corrent continu ha estat la substitució de l'inductor alimentat per corrent continu per imants permanents.

Els avantatges són evidents:

No es necessita bobinatge de l'inductor ni font de tensió ni circuit per a alimentar-ho. Eliminació de les pèrdues de potència en l'inductor. D'aquesta forma, en escalfar-se el motor per igual s'aconsegueix un major moment de gir. La relació moment i velocitat de gir es converteix en lineal facilitant la regulació. Menor grandària del motor.
• Es poden construir motors de més pols, obtenint velocitats molt baixes sense vibracions.

En els propis imants permanents s'han produït grans canvis. Inicialment eren d'aliatges ALNICO (Alumini/níquel/cobalt/titani/ferro), després ceràmiques i posteriorment de terres estranyes (samari, cobalt, etc.). (amb). Aquest avanç permet obtenir grans M en acceleracions i deceleración gràcies a la utilització de grans I, ja que es realitzen imants cada vegada més difícils de desmagnetizar.

Òbviament, en els robots actuals les característiques dinàmiques són bones, temps de resposta curts, o bé els moments d'inèrcia J i els grans moments de gir M són imprescindibles. Recordar acceleració

sent = /J.

Motors sense carbó (Brushless motors) i controls electrònics per a

Tots els motors de corrent continu esmentats fins al moment requereixen un col·lector en el rotor i carbó en contacte amb aquest. És l'apartat que més maldecaps genera als usuaris de motors de corrent continu: espurnes, desgast de carbó i col·lector, escasses característiques dinàmiques, soroll, etc.

Aquest conjunt és un commutador mecànic. Si aquesta commutació es realitza electrònicament fora de la màquina, no fa falta carbó ni escombretes.

Sobre la base d'aquest principi s'han creat els anomenats brushless. Les parts principals del motor s'han invertit respecte als motors convencionals de corrent continu: l'induït està en l'estator i l'inductor (realitzat amb imants permanents) és girable:

Al no existir commutació mecànica, el motor es pot alimentar amb la tensió de xarxa, a l'ésser les potències del ferro les úniques en l'estator es poden utilitzar sistemes de refrigeració eficients, el bobinatge es realitza amb facilitat (fins i tot de manera automàtica) i la protecció d'aquest bobinatge amb la sonda de mesurament de temperatura és senzilla. Totes elles són grans avantatges. La sagnia es troba en la construcció del rotor, especialment en la selecció i muntatge d'imants. Els imants de terres estranyes són molt més cars que els ceràmics, però quan es necessiten petites dimensions i bones característiques dinàmiques, com els robots, són necessaris.

Un altre problema és que aquests imants es peguin de manera fiable en el rotor.

Podríem aprofundir una mica més en la comparació entre els motors de corrent continu i els brushless. Alguns diuen que els motors brushless són motors de corrent continu amb commutació electrònica, però des del punt de vista constructiu seria més correcte afirmar que poden ser motors síncrons de corrent altern, que és l'estructura de les màquines síncrones

Aquests accionaments de motor sense carbó estan formats per un motor síncron i un regulador estàtic (electrònic) que l'alimenta, estant la fase d'alimentació associada a la posició del rotor.

En els motors de corrent continu, el col·lector es troba unit mecànicament a l'induït, commutant el corrent des del circuit segons la posició.

Regulació dels motors Bruhless

Les característiques del motor i de l'electrònica bàsica connectada des de l'exterior es poden veure en el següent esquema de principis:

Motors de força electromotriu senoidal per a accionar eixos

En màquines de control numèric i sistemes de producció flexibles s'alimenta un motor de força electromotriu sinusoidal amb un convertidor trifàsic (generalment de transistor).

En la majoria dels casos, un sistema d'aquestes característiques té dues podes de regulació. Veure figura 6.

L'interior és un estovament de corrent. La constant de temps mecànica del sistema no afecta al temps de resposta d'aquest fleix. Per això és molt ràpid i és un bigal de gir. Això permet mantenir l'eix sense variacions de velocitat a velocitats baixes.

En la majoria dels casos el sistema està format per un bigal de posició.