Servo controles

Los sistemas de control de posición son un componente importante de muchos productos industriales. Ejemplos son encontrados en robótica, procesos de control y muchos otros. El manual de Sistemas de Servo Control 1 describió algunas de esas aplicaciones y las bases del servo control. El primer manual fue para mecanismos de corriente directa, de cualquier forma, muchos de los mecanismos de servo control son implementados digitalmente usando sensores digitales. El objetivo de este manual es describir, en términos simples, cómo son implementados los mecanismos digitales, usando sensores digitales e implementaciones de sistemas de control digital directos. Todas las ilustraciones fueron hechas usando el simulador lógico CE300.

En todos los servomecanismos, uno de los más importantes componentes es el sensor de posición. Este mide la posición del servomotor y la convierte en una señal eléctrica que el sistema de control puede interpretar y usar. Los sensores digitales ópticos de posición son particularmente importantes porque ellos no contactan y por consiguiente no está sujeto al ruido de los controladores de posición análogos.

Una gran ventaja de los sensores ópticos es que ellos pueden ser usados en ambientes severos donde existan fuertes campos magnéticos y RFI. sensores digitales ópticos de posición usan un disco especial codificado para medir la posición del eje. Muchos tipos diferentes de ejes rotatorios usados para medir relativa o absoluta posición, de cualquier forma, una forma común de codificación de posición angular están basados en el código Gray. En este manual mostraremos una forma común codificación angular usando código Gray. Asumimos que usted ha leído el primer manual de Servo Control, por lo que hay muy poca teoría de control en este manual. En su lugar, nos concentramos en las bases de la implementación servo-digital.

Control de posición.

Un sistema de control de posición básico consta de un servomotor, sensor de posición y controles como los mostrados en la Figura 1. Este diagrama de bloques está redibujado en la Figura 2 para mostrar cómo el sistema de control de posición es implementado sobre el CE300. Todas las señales en la Figura 2 son señales digitales con sólo dos niveles, alto y bajo. El eje codificador entrega la posición del eje en código Gray. Este es convertido a binario usando un decodificador. Un sumador de cuatro bits es usado para comparar la medición de la posición del eje con la posición de referencia. La entrada al sumador son números de cuatro bits en binario. El sumador está localizado en modo restador. Por lo tanto, la salida del sumador es un número d 4 bits representando la posición de error. Algo lógico es usado para decidir cuándo el motor debe ser encendido y en qué dirección debe ir. Cuando el error es cero, el motor se apaga. Por lo tanto, la señal de control del motor es también apagada. Esto es llamado control bang-bang en la literatura de control porque el tamaño de la señal de control es independiente de la magnitud del error.

El codificador de eje óptico.

Los codificadores son discos transparentes con la posición angular digitalmente codificada (de negro), por lo que para ser leído el código un sensor óptico puede determinar la posición angular del eje. En la práctica, se usarán codificadores de 12 o 16 bits, dando altos grados de precisión de aproximadamente 0.1 y 0,05 deg de resolución respectivamente. En nuestros ejemplos usaremos un codificador óptico de 4 bits como el mostrado en la figura 3. Esto tiene mucha menor precisión que el que será usado en un servo digital industrial, pero es mucho más fácil de explicar la operación con sólo 4 bits. El disco mostrado en la figura 3 es el tipo suministrado con el CE300. Está hecho de plástico transparente con el código Gray mostrado en negro. El código Gray es usado porque es en el que hay un solo bit de cambio entre una y otra posición adyacente del codificador. Esto reduce la posibilidad de un error siendo introducido como el codificador está rotando. Con el codificador binario alternativo todos los bits pueden cambiar simultáneamente entre dos posiciones adyacentes del codificador. Esto introduce la posibilidad de la ocurrencia de errores esperados para ruido y diferencias de tiempo en la lógica. Por ejemplo, como lo muestra la Tabla 1 ir del decimal 7 al decimal 8 cambian los 4 bits en binario mientras sólo uno cambia en código Gray. Desde luego que el ruido y error de tiempo están presentes cuando se usa código Gray, sin embargo, debido a que cambia un solo bit por tiempo, la oportunidad de ocurrencia de un error se reduce significativamente. El codificador óptico CE300 usa 4 bits para codificar la posición del eje. Con sólo estos 4 bits podemos solamente codificar 16 posiciones, por lo que la resolución del codificador es 369/16 = 22.5 deg.

Para usar en un controlador digital la salida del codificador se tiene que convertir a binario. Esto permite el cálculo del error para ser hecho en binario. Afortunadamente, como se muestra en la Siguiente sección, la conversión de una posición codificada en Gray a una en Binario es simple.

Decodificador de Gray a Binario.

La conversión del código Gray a binario es desarrollada con un simple decodificador lógico. El decodificador usa compuertas XOR conectadas como se muestra en la figura 4. El diagrama bloques mostrado en la figura 4 fue tomado de la librería del CE300.

El diagrama bloques expresa gráficamente la ecuación lógica para convertir de código Gray a binario, Donde ⊕ es el símbolo lógico para el XOR. Las ecuaciones para esta conversión para 4 bits son mostrados en la ecuación 1. Esta ecuación puede ser extendida por cualquier número de bits.

El decodificador binario de posición es alimentado directamente por un sumador para ser comparado con la posición de referencia. La señal de referencia es también codificada como un binario de 4 bits dando 16 diferentes posiciones posibles. Para propósitos de referencia, el símbolo tradicional para un sumador es comparado con el símbolo lógico usado para un sumador de 4 bits en el CE300 de la figura 5.

Decisión lógica.

En esta forma de servomecanismo digital, la señal de control es computada

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