Elementos de medición (Posición Velocidad)

La medición de la posición angular es importante en muchas aplicaciones mecánicas y la velocidad puede derivarse de las mediciones de la posición en el tiempo.
¿Qué es la medición de la posición y velocidad?
El control del movimiento de las articulaciones de los robots o manipuladores, de los ejes de las máquinas de herramientas o, más generalmente, de los sistemas de accionamiento, requiere un control preciso de la posición, la velocidad y, posiblemente, la aceleración.
Hoy en día, estos controles se realizan casi siempre mediante controladores digitales. Por lo tanto, la información digital de posición, velocidad y aceleración debe ser precisa y exacta.
Para minimizar el número de sensores y el cableado, la información sobre la velocidad y la aceleración suele calcularse numéricamente a partir de la posición.
Se pueden utilizar diferentes algoritmos: diferencia simple, interpolación polinómica, interpolación ex-cuadrado, extrapolador, observador.
El tipo de sensor, su precisión y su ubicación, así como el tiempo de muestreo y el algoritmo utilizado, afectan en gran medida a la calidad de las magnitudes calculadas (velocidad y/o aceleración) y, por tanto, al rendimiento del control.
Existen varias posibilidades entre utilizar tres sensores diferentes y utilizar sólo el sensor de posición junto con algún algoritmo numérico.
La adición de sensores adicionales aumenta considerablemente la complejidad y los costes y disminuye la fiabilidad.
Por lo tanto, la minimización del número de sensores es siempre un problema. Esto es particularmente cierto en algunas aplicaciones por razones de cableado.
Por lo tanto, la información sobre la velocidad y la aceleración suele calcularse numéricamente a partir de la posición.
A veces, por diferentes razones, se utilizan sensores de posición y velocidad, por lo que la aceleración se calcula a partir de la velocidad.
Se pueden utilizar diferentes algoritmos: diferencia simple, interpolación polinómica, interpolación ex-cuadrado, extrapolador, observador.
El tipo de sensor y su precisión, así como el tiempo de muestreo y el algoritmo utilizado, afectan en gran medida a la calidad de la cantidad calculada (velocidad y/o aceleración) y, por tanto, al rendimiento del control.
Asimismo, la ubicación del sensor afecta al rango dinámico de la variable medida y, por tanto, a la resolución de la cantidad calculada.
¿Cómo se determina la posición?
En la actualidad existe un gran número de sensores de posición. A continuación, examinaremos los encoders de posición, por ser los sensores de posición angular más utilizados en el ámbito de los sistemas de accionamiento controlados.
Los encoders angulares miden la posición rotacional de una carga en relación con un eje o punto.
El encoder angular proporciona una salida que corresponde al desplazamiento y el dispositivo de lectura (PLC, contador, etc.) procesa esos datos en lecturas angulares. Hay tres enfoques para medir un ángulo con un codificador:
Medición directa del ángulo con un encoder montado en el punto de pivote de la carga
Para medir directamente el desplazamiento angular de la carga, el encoder debe montarse en el punto de giro central de la carga. Cuando la carga gira, el codificador transmite la señal al dispositivo receptor.
Estos datos consisten únicamente en impulsos de desplazamiento (encoder incremental) o en posiciones absolutas iniciales y finales (encoder absoluto).
El dispositivo de lectura, ya sea un accionamiento, un controlador o algún tipo de contador/display, necesita procesar los datos brutos para convertirlos en información útil.
Medición indirecta de ángulos con un encoder montado en el giro del motor
También es posible medir el desplazamiento angular de una carga controlando el eje del motor o una corona dentada.
En este caso, los mejores resultados se obtienen girando el eje del motor un número determinado de veces y correlacionándolo con el desplazamiento de la carga para obtener un factor de conversión.
Este es el caso de uso tradicional de un encoder rotativo. Tiene la ventaja de mejorar el rendimiento del motor a través de la retroalimentación directa.
El inconveniente es que puede no seguir con precisión el movimiento de la carga.
La conformidad mecánica introducida por los acoplamientos, las cajas de engranajes, etc., puede introducir errores como la holgura y la histéresis. En teoría, el factor de conversión lo tiene en cuenta, pero los efectos mecánicos pueden variar con el tiempo.
Medición indirecta de ángulos con un encoder multivuelta montado a lo largo de la circunferencia de la carga
Algunas cargas son incompatibles con el montaje de encoders de pivote central. Las antenas parabólicas, por ejemplo, deben girar para apuntar en la dirección de la señal de interés con un alto grado de control.
Tanto el diseño mecánico como la presencia de cableado eléctrico que pasa por el eje central hacen imposible instalar un encoder en el punto de pivote para controlar la posición directamente.
Dependiendo del grado de control, también puede ser necesario un codificador de muy alta resolución. La solución es el seguimiento de estos dispositivos a lo largo de su circunferencia.
En el método circunferencial indirecto, una rueda dentada unida a un encoder absoluto multivuelta se acopla a la circunferencia de la carga para seguir su desplazamiento angular.
¿Cómo se determina la velocidad?
La información sobre la velocidad puede medirse directamente utilizando un tacogenerador de corriente continua o alterna que suministre una tensión proporcional a la velocidad.
En este caso, se puede obtener una alta resolución y ancho de banda. Cuando se utiliza un resolver, la salida de velocidad del convertidor RID da una información de velocidad cuya calidad depende del convertidor utilizado.
Se pueden utilizar diferentes algoritmos para calcular la velocidad a partir de la información de posición. Estos algoritmos son más o menos complejos de aplicar e implementar e incluso considerando una medida de posición ideal, conducen a diferentes rendimientos estáticos y dinámicos para la medida de velocidad.
Además, difieren por su sensibilidad a la cuantificación (posición y cálculos) y al ruido de la medición.