Accionamientos eléctricos na era da robótica

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

• Robotika

Actuadores pre-automatización

A automatización de máquinas está a experimentar un gran avance nas dúas últimas décadas. A electrónica e a informática son sempre o motor destes avances. E é que as innovacións que pode facer a mecánica son moito máis limitadas. Con todo, entre o "cerebro" que compón a electrónica e a microinformática e os órganos de apoio e movemento que ofrece a mecánica existen outros órganos que, sen grandes incertezas, están a realizar un gran avance: os accionamientos.

Paira poder modificar a velocidade dos órganos móbiles das máquinas antes de que chegase a automatización utilizábanse motores eléctricos de velocidade fixa e caixas de cambio. Neles atopábanse combinacións de engrenaxes que se cambiaban manualmente

Contribución e evolución dos motores de corrente continua

Os motores eléctricos son os de corrente continua os que ofrecen maior facilidade paira variar a velocidade. Nos avances das máquinas, estes motores permitiron eliminar as caixas de cambio.

Un motor de corrente continua convencional contén un bobinado que produce un fluxo magnético alimentándose por corrente continua na parte fixa denominada estator, chamado inductor.

A parte giratoria denominada rotor ten outro bobinado coñecido como inducido.

As características mecánicas do eixo do motor son o momento de xiro M (medido en Nm) e a velocidade de xiro n (medida en s -1).

As relacións destas magnitudes mecánicas coas electromagnéticas, facilmente comprensibles, son:

M = K 1 I

n = K 2 V - IR

onde:

• V = tensión aplicada ao inducido,
I = corrente inducida, K 1 e K 2 = constantes correspondentes á estrutura da máquina e R = resistencias eléctricas do circuíto inducido.

Partindo da corrente alterna da rede de distribución de enerxía (supoñamos 380 V - 50 Hz), a tensión variable en corrente continua obtense mediante rectificadores formados por tiristores. Ver figura 2.

Paira a súa fácil comprensión, o eixo require una corrente I paira dar un momento de xiro M (constante). Paira modificar a velocidade de xiro n nestas condicións é necesario modificar a tensión de inducido U.

Un avance importante nos motores de corrente continua foi a substitución do inductor alimentado por corrente continua por imáns permanentes.

As vantaxes son evidentes:

Non se necesita bobinado do inductor nin fonte de tensión nin circuíto paira alimentalo. Eliminación das perdas de potencia no inductor. Desta forma, ao quentarse o motor por igual se consegue un maior momento de xiro. A relación momento e velocidade de xiro convértese en lineal facilitando a regulación. Menor tamaño do motor.
• Pódense construír motores de máis polos, obtendo velocidades moi baixas sen vibracións.

Nos propios imáns permanentes producíronse grandes cambios. Inicialmente eran de aliaxes ALNICO (Aluminio/níquel/cobalto/titanio/ferro), logo cerámicas e posteriormente de terras raras (samario, cobalto, etc.). (con). Este avance permite obter grandes M en aceleracións e deceleración grazas á utilización de grandes I, xa que se realizan imáns cada vez máis difíciles de desmagnetizar.

Obviamente, nos robots actuais as características dinámicas son boas, tempos de resposta curtos, ou ben os momentos de inercia J e os grandes momentos de xiro M son imprescindibles. Lembrar aceleración

sendo = /J.

Motores sen carbón (Brushless motors) e controis electrónicos paira

Todos os motores de corrente continua mencionados até o momento requiren un colector no rotor e carbón en contacto con este. É o apartado que máis quebradizos de cabeza xera aos usuarios de motores de corrente continua: faíscas, desgaste de carbón e colector, escasas características dinámicas, ruído, etc.

Este conxunto é un conmutador mecánico. Se esta conmutación realízase electrónicamente fóra da máquina, non fai falta carbón nin escobillas.

En base a este principio creáronse os chamados brushless. As partes principais do motor investíronse respecto dos motores convencionais de corrente continua: o inducido está no estator e o inductor (realizado con imáns permanentes) é girable:

Ao non existir conmutación mecánica, o motor pódese alimentar coa tensión de rede, ao ser as potencias do ferro as únicas no estator pódense utilizar sistemas de refrixeración eficientes, o bobinado realízase con facilidade (mesmo de forma automática) e a protección de leste bobinado coa sonda de medición de temperatura é sinxela. Todas elas son grandes vantaxes. A sangría atópase na construción do rotor, especialmente na selección e montaxe de imáns. Os imáns de terras raras son moito máis caros que os cerámicos, pero cando se necesitan pequenas dimensións e boas características dinámicas, como os robots, son necesarios.

Outro problema é que estes imáns se peguen de forma fiable no rotor.

Poderiamos profundar un pouco máis na comparación entre os motores de corrente continua e os brushless. Algúns din que os motores brushless son motores de corrente continua con conmutación electrónica, pero desde o punto de vista construtivo sería máis correcto afirmar que poden ser motores síncronos de corrente alterna, que é a estrutura das máquinas síncronas

Estes accionamientos de motor sen carbón están formados por un motor síncrono e un regulador estático (electrónico) que o alimenta, estando a fase de alimentación asociada á posición do rotor.

Nos motores de corrente continua, o colector atópase unido mecanicamente ao inducido, conmutando a corrente desde o circuíto segundo a posición.

Regulación dos motores Bruhless

As características do motor e da electrónica básica conectada desde o exterior pódense ver no seguinte esquema de principios:

Motores de forza electromotriz senoidal paira accionar eixos

En máquinas de control numérico e sistemas de produción flexibles aliméntase un motor de forza electromotriz sinusoidal cun convertidor trifásico (xeralmente de transistor).

Na maioría dos casos, un sistema destas características ten dúas podas de regulación. Ver figura 6.

O interior é un abrandamento de corrente. A constante de tempo mecánica do sistema non afecta o tempo de resposta de leste fleje. Por iso é moi rápido e é un bigal de xiro. Isto permite manter o eixo sen variacións de velocidade a velocidades baixas.

Na maioría dos casos o sistema está formado por un bigal de posición.