Accionamientos eléctricos en la era de la robótica

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

• Robotika

Actuadores pre-automatización

La automatización de máquinas está experimentando un gran avance en las dos últimas décadas. La electrónica y la informática son siempre el motor de estos avances. Y es que las innovaciones que puede hacer la mecánica son mucho más limitadas. Sin embargo, entre el "cerebro" que compone la electrónica y la microinformática y los órganos de apoyo y movimiento que ofrece la mecánica existen otros órganos que, sin grandes incertidumbres, están realizando un gran avance: los accionamientos.

Para poder modificar la velocidad de los órganos móviles de las máquinas antes de que llegara la automatización se utilizaban motores eléctricos de velocidad fija y cajas de cambio. En ellos se encontraban combinaciones de engranajes que se cambiaban manualmente

Contribución y evolución de los motores de corriente continua

Los motores eléctricos son los de corriente continua los que ofrecen mayor facilidad para variar la velocidad. En los avances de las máquinas, estos motores han permitido eliminar las cajas de cambio.

Un motor de corriente continua convencional contiene un bobinado que produce un flujo magnético alimentándose por corriente continua en la parte fija denominada estator, llamado inductor.

La parte giratoria denominada rotor tiene otro bobinado conocido como inducido.

Las características mecánicas del eje del motor son el momento de giro M (medido en Nm) y la velocidad de giro n (medida en s -1).

Las relaciones de estas magnitudes mecánicas con las electromagnéticas, fácilmente comprensibles, son:

M = K 1 I

n = K 2 V - IR

donde:

• V = tensión aplicada al inducido,
I = corriente inducida, K 1 y K 2 = constantes correspondientes a la estructura de la máquina y R = resistencias eléctricas del circuito inducido.

Partiendo de la corriente alterna de la red de distribución de energía (supongamos 380 V - 50 Hz), la tensión variable en corriente continua se obtiene mediante rectificadores formados por tiristores. Ver figura 2.

Para su fácil comprensión, el eje requiere una corriente I para dar un momento de giro M (constante). Para modificar la velocidad de giro n en estas condiciones es necesario modificar la tensión de inducido U.

Un avance importante en los motores de corriente continua ha sido la sustitución del inductor alimentado por corriente continua por imanes permanentes.

Las ventajas son evidentes:

No se necesita bobinado del inductor ni fuente de tensión ni circuito para alimentarlo. Eliminación de las pérdidas de potencia en el inductor. De esta forma, al calentarse el motor por igual se consigue un mayor momento de giro. La relación momento y velocidad de giro se convierte en lineal facilitando la regulación. Menor tamaño del motor.
• Se pueden construir motores de más polos, obteniendo velocidades muy bajas sin vibraciones.

En los propios imanes permanentes se han producido grandes cambios. Inicialmente eran de aleaciones ALNICO (Aluminio/níquel/cobalto/titanio/hierro), luego cerámicas y posteriormente de tierras raras (samario, cobalto, etc.). (con). Este avance permite obtener grandes M en aceleraciones y deceleración gracias a la utilización de grandes I, ya que se realizan imanes cada vez más difíciles de desmagnetizar.

Obviamente, en los robots actuales las características dinámicas son buenas, tiempos de respuesta cortos, o bien los momentos de inercia J y los grandes momentos de giro M son imprescindibles. Recordar aceleración

siendo = /J.

Motores sin carbón (Brushless motors) y controles electrónicos para

Todos los motores de corriente continua mencionados hasta el momento requieren un colector en el rotor y carbón en contacto con éste. Es el apartado que más quebraderos de cabeza genera a los usuarios de motores de corriente continua: chispas, desgaste de carbón y colector, escasas características dinámicas, ruido, etc.

Este conjunto es un conmutador mecánico. Si esta conmutación se realiza electrónicamente fuera de la máquina, no hace falta carbón ni escobillas.

En base a este principio se han creado los llamados brushless. Las partes principales del motor se han invertido respecto a los motores convencionales de corriente continua: el inducido está en el estator y el inductor (realizado con imanes permanentes) es girable:

Al no existir conmutación mecánica, el motor se puede alimentar con la tensión de red, al ser las potencias del hierro las únicas en el estator se pueden utilizar sistemas de refrigeración eficientes, el bobinado se realiza con facilidad (incluso de forma automática) y la protección de este bobinado con la sonda de medición de temperatura es sencilla. Todas ellas son grandes ventajas. La sangría se encuentra en la construcción del rotor, especialmente en la selección y montaje de imanes. Los imanes de tierras raras son mucho más caros que los cerámicos, pero cuando se necesitan pequeñas dimensiones y buenas características dinámicas, como los robots, son necesarios.

Otro problema es que estos imanes se peguen de forma fiable en el rotor.

Podríamos profundizar un poco más en la comparación entre los motores de corriente continua y los brushless. Algunos dicen que los motores brushless son motores de corriente continua con conmutación electrónica, pero desde el punto de vista constructivo sería más correcto afirmar que pueden ser motores síncronos de corriente alterna, que es la estructura de las máquinas síncronas

Estos accionamientos de motor sin carbón están formados por un motor síncrono y un regulador estático (electrónico) que lo alimenta, estando la fase de alimentación asociada a la posición del rotor.

En los motores de corriente continua, el colector se encuentra unido mecánicamente al inducido, conmutando la corriente desde el circuito según la posición.

Regulación de los motores Bruhless

Las características del motor y de la electrónica básica conectada desde el exterior se pueden ver en el siguiente esquema de principios:

Motores de fuerza electromotriz senoidal para accionar ejes

En máquinas de control numérico y sistemas de producción flexibles se alimenta un motor de fuerza electromotriz sinusoidal con un convertidor trifásico (generalmente de transistor).

En la mayoría de los casos, un sistema de estas características tiene dos podas de regulación. Ver figura 6.

El interior es un ablandamiento de corriente. La constante de tiempo mecánica del sistema no afecta al tiempo de respuesta de este fleje. Por eso es muy rápido y es un bigal de giro. Esto permite mantener el eje sin variaciones de velocidad a velocidades bajas.

En la mayoría de los casos el sistema está formado por un bigal de posición.