04 octubre 2009

Componentes y arquitectura del sistema de control del movimiento

El propósito de este artículo es ilustrar como los diseñadores de máquinas pueden beneficiarse de los diferentes tipos de componentes de control del movimiento disponibles hoy en día.

Introducción

Diseñar máquinas que incorporen elementos de movimiento es un desafío que requiere conocimiento tanto de disciplinas de energía mecánica como eléctrica. Debido a su papel es una función central de las máquinas, y el sistema de control de movimiento influye en muchos aspectos importantes de las máquinas, especialmente desde el punto de vista de la arquitectura.

Identificando requerimientos

Los requerimientos externos que debe determinar el departamento de ingeniería son costes (producción y desarrollo), tamaño del sistema (dimensión), rendimiento del sistema, tiempo de puesta en el mercado, usabilidad (factor humano), dificultades de fabricación y mantenimiento. Los requerimientos técnicos a valorar son: a) las funciones de la máquina, b) los pasos del proceso que implican movimiento, c) los espacios y dimensiones de cada paso del proceso (por ejemplo los tamaños en una máquina de corte), d) los pasos que son necesarios para llevar a cabo el proceso (por ejemplo, en máquinas de corte movimiento del papel, corte, ajuste, mantenimiento vertical, etc), movimientos que son necesarios para cada paso del proceso (lineal, rotacional, par y control de la velocidad, punto a punto, etc.).

Seguidamente se determinarán los ejes necesarios, las necesidades de sincronización, los eventos de disparo, etc. Finalmente se determinan los requerimientos de la arquitectura del sistema que son necesarios para la aplicación.

Componentes del movimiento

Una vez que se han determinado los requerimientos, necesitamos decidir cómo realizar las diferentes funciones de movimiento en el sistema. Dependiendo y las características que requiere, un motor (rotacional o lineal), componentes neumáticos o solenoides, etc., pueden realizarse diferentes movimientos. Nos centraremos por ejemplo en los motores.

Definición de componentes del movimiento

Seguidamente es necesario definir los componentes de integración, cada uno de los cuales requiere un cierto nivel de integración, dependiendo del diseño y ensamblaje.

Cuando usemos una solución basada en chips, tenemos varias opciones: Podemos usar productos estandarizados como MCUs (microcontroladores) o DSPs (procesadores de señales digitales), y desarrollar nuestros propios algoritmos de control del movimiento. La segunda opción es control del movimiento preprogramado ICs o elegir soluciones dedicadas ASIC (circuitos integrados específicos de aplicación). Con los ICs pueden ahorrarse tiempo de desarrollo. En este caso hay que cesarrollar un circuito impreso para el chip y código para hacerlo funcionar.
El número de ejes por chip dependerá de la complejidad de las señales necesarias dependerá de las señales necesarias o soportadas por eje. Algunas soluciones de chip de cuatro ejes vienen en soluciones de chip de dos ejes y soportan varios factores, como conmutación de motores DC o por pasos. Hay algunos límites para transmitir señales y pulsos de salida para cada eje, lo cual hace factible usar un paquete de 144 pin, por ejemplo.

Tarjetas de control del movimiento

Las tarjetas de control del movimiento dedicadas vienen en diferentes factores de forma, pero usualmente están basadas en PC-bus, ej., PCI/104, etc. Dependiendo del fabricante, las tarjetas normalmente tienen 4 u 8 ejes por tarjeta.

Las tarjetas pueden integrarse más fácilmente en un sistema cuando se comparan con los chips. Las tarjetas de control del movimiento son una solución más general y standarizada usando arquitectura PC-bus. Están diseñadas para proporcionar soluciones mucho más completas, flexibles y escalables.
Las tarjetas de control del movimiento están también disponibles con funcionalidad stand-alone. Estas tarjetas son similares a las PC-bus, pero en vez de un PC-bus, tienen usualmente un bus serie de alta velocidad, como Ethernet, CAN-bus, RS232/485 o una variación de ellas. Las tarjetas stand-alone son siempre programables, lo que les permite hacer algunas tareas autónomamente. Esta característica es importante ya que estas tarjetas tienen una interface de comunicación más lenta con el procesador host, comparando el bus paralelo disponible con las tarjetas de tipo bus PC.

Motor drives

El drive es un componente del control del movimiento integrado que requiere una pericia mínima para su configuración e instalación. Los drives usualmente vienen con unas instrucciones simples de configuración o guía para hacerlas funcionar en plataformas basadas en PC. Si no incluyen funcionalidad stand-alone, al menos vienen con comandos que pueden trabajar sobre el bus serie para controlar su función y leer los datos.

Su rating de energía puede ir desde de 50 w hasta decenas de kW, aunque la mayoría de las aplicaciones de movimiento se encuentran en un rango inferior a 10 kW. El drive del motor permite la instalación simple de motores en un sistema basado en PLC, ya que casi siempre se basan en fieldbus. De esta forma la comunicación fieldbus permite arquitectura en tiempo real de control distribuido.

Arquitectura de sistemas de movimiento

Los sistemas de movimiento se diseñan con dos arquitecturas comunes:

  • Procesador host/sistema principal y el IC del control del movimiento son entidades separadas, con una posible unidad de procesado I/O como unidad separada. Esta es la arquitectura más común.
  • El procesador host/sistema principal también gestiona el control del movimiento, pero el procesado I/O es separado.

Examinemos ahora cada uno de los componentes de control del movimiento para ver cómo afectan a la arquitectura y optimización.

Arquitectura basada en chips

Las dos principales aproximaciones a la arquitectura basada en chips siguen las dos arquitecturas principales mencionadas arriba.

La solución basada en un solo chip utiliza un chip poderoso que gestione todas las tareas que estén implicadas en un sistema multiejes. A menudo el procesador chip es un standard MCU o DSP para los sistemas más pequeños. Si el sistema es complicado, como con cuatro ejees, puede ser necesario un MPU. En este caso un FPGA es probablemente necesario para manejar periféricos adicionales (contadores, PWMs, etc) y requerimientos I/O.

La solución multichips requiere chips separados. Esta opción permite librarse del procesador host, lo que permite enfocarse en el control del sistema completo, incluyendo procesado de la información.

Opciones de arquitectura: FPGAs & CPLDs

Los chips IC o ASICs de control del movimiento preprogramados proporcionan procesado del movimiento y de periféricos adicionales necesarios para diseños multiejes que evitan un excesivo trabajo de diseño y ahorran tiempo. FPGAs es la forma de aumentar el control del movimiento IC. Otra opción de diseño es la arquitectura FPGAs, que proporciona pre/post procesado de señales en el procesador y es el camino fácil de añadir periféricos tales como contadores, PWMs y expansión I/O. Añadiendo un FPGA o un CPLD a un diseño puede disminuir el tiempo de diseño necesario y ayudar con rediseño y depuración.

Arquitectura basada en tarjetas

Las tarjetas de control del movimiento están normalmente basadas en PCI, ISA o PC/104. Algunos fabricantes soportan bus-PC industriales como VME o PXI. También son comunes las tarjetas stand-alone que son efectivas en diseños que no requieren un PC-bus.

Bibliografía: Moton control components and system architecture. OEM Design Choices for Chps, Cards and Drives. PMD

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