Guía de sistemas de control para actuadores lineales eléctricos

Los sistemas de control son componentes integrales en la operación de los actuadores lineales eléctricos, diseñados para gestionar el funcionamiento y dirigir el comportamiento del movimiento de estos dispositivos. Soluciones populares como las cajas de control son un tipo de sistema de control para actuadores lineales que integra todos los componentes electrónicos dentro de una carcasa, a menudo con forma de caja. En esencia, un sistema de control interpreta comandos de entrada, ya sean manuales o automatizados, y los traduce en señales que ajustan el movimiento del actuador.

El propósito principal de estos sistemas es garantizar que los actuadores funcionen con precisión, eficiencia y fiabilidad según parámetros predefinidos. La importancia de los sistemas de control en la operación de actuadores no puede subestimarse, especialmente cuando se trata de lograr un control de movimiento preciso y eficiente. Estos sistemas son cruciales por varias razones:
1. Precisión: Los sistemas de control permiten ajustar finamente los movimientos del actuador para alcanzar altos niveles de repetibilidad y precisión. Esto es esencial en aplicaciones donde el posicionamiento exacto es crítico, como en la cirugía robótica o la ingeniería aeroespacial.
2. Eficiencia: Al optimizar la forma en que los actuadores responden a los comandos, los sistemas de control reducen el consumo de energía y minimizan el desgaste. Esto no solo prolonga la vida útil del actuador, sino que también mejora la eficiencia global del sistema en el que opera.
3. Adaptabilidad: Los mecanismos de retroalimentación pueden ajustar el comportamiento de los actuadores compatibles en tiempo real analizando la retroalimentación de posición de los actuadores compatibles. Esta adaptabilidad es vital en entornos dinámicos donde las condiciones cambian rápidamente, como en procesos de fabricación automatizados o cuando varios actuadores experimentan una distribución desigual del peso.

4. Integración: Los sistemas de control a menudo permiten que los actuadores trabajen en conjunto con otros sistemas preexistentes, facilitando operaciones complejas a partir de entradas simples que se envían al sistema de control. Esta integración está respaldada por avances en conectividad y programación. En algunos sistemas de control, sus transformadores integrados también pueden servir como una integración perfecta al funcionar a la vez como convertidores de voltaje, por ejemplo cuando se necesita una fuente de entrada de 120 VAC para alimentar un actuador de 12 V CC.

5. Funciones de seguridad: Las funciones de seguridad programadas, como la protección contra sobrecarga, ayudan a prevenir daños a un actuador o a la aplicación deteniendo la operación después de que la caja de control detecta un consumo de corriente eléctrica excesivamente alto. Otra característica de seguridad que se encuentra en las cajas de control incluye la protección contra sobrecalentamiento para detener la operación después de un cierto tiempo de ciclos, asegurando que la operación se mantenga dentro de los valores de ciclo de trabajo del actuador y así evitar que el motor se queme. Los sistemas de control son fundamentales para la funcionalidad de los actuadores, proporcionando la inteligencia y la adaptabilidad necesarias para garantizar precisión, eficiencia, seguridad y un control de movimiento efectivo. Su papel es crucial en el creciente ámbito de la tecnología de automatización, donde la precisión del movimiento suele ser la piedra angular del éxito operativo.

Los sistemas de control para actuadores lineales eléctricos constan de varios componentes clave que facilitan un funcionamiento preciso y eficiente. Comprender estos componentes y los principios que los sustentan es crucial para optimizar el rendimiento de los actuadores lineales.

Componentes clave de una caja de control básica

En una caja de control básica diseñada para actuadores lineales eléctricos, cada componente desempeña un papel crucial para garantizar un funcionamiento eficiente. A continuación, se muestra un desglose de estos componentes principales, sus funciones y los propósitos que cumplen:

1. Relés: Relés actúan como interruptores que controlan el circuito eléctrico de alta potencia utilizando una señal de baja potencia. Para cajas de control diseñadas para gestionar actuadores de 2 cables, dos relés son esenciales para invertir la polaridad del voltaje aplicado a los dos cables del actuador, lo que a su vez cambia la dirección del movimiento. Esto permite un control bidireccional en una configuración sencilla para extender y retraer el actuador.

2. Canales de entrada: Los canales de entrada son interfaces a través de las cuales el sistema de control recibe señales eléctricas de fuentes externas como fuentes de alimentación o señales de mandos cableados. Las cajas de control que operan con retroalimentación de posición también pueden recibir entrada de los sensores de un actuador. Estos canales procesan las entradas del usuario y/o de los sensores para determinar cómo debe operar el actuador, siendo fundamentales para iniciar y controlar los movimientos del actuador según requisitos específicos.

3. Canales de salida: Los canales de salida entregan señales de control desde el controlador al actuador u otros componentes como relés. Las cajas de control que operan con retroalimentación de posición también pueden suministrar corriente eléctrica para que los sensores de un actuador tengan la energía necesaria para funcionar. Estos canales son cruciales para ejecutar los comandos determinados por el sistema de control, influyendo directamente en el comportamiento del actuador.

4. Botón de sincronización remota: Este botón se usa para sincronizar el sistema de control con un dispositivo de control remoto. Garantiza que las entradas del mando se reconozcan y procesen por el sistema de control, facilitando una operación conveniente y flexible a distancia.

5. Indicador luminoso: Los indicadores luminosos brindan retroalimentación visual sobre el estado del sistema. Pueden indicar encendido/apagado, modos de operación, estados de error o recepción de señal, lo que ayuda a monitorear y solucionar problemas del sistema sin necesidad de herramientas de diagnóstico complejas.

6. Selección de modo: Esta función permite al usuario alternar entre diferentes modos de operación de la caja de control, como controles momentáneos o no momentáneos. En el modo momentáneo, el botón de un mando debe mantenerse presionado de forma continua en la posición activa para que el dispositivo funcione. Una vez que se suelta el interruptor, el dispositivo deja de funcionar. El modo no momentáneo funciona como un interruptor que permanece en su última posición establecida hasta que se cambia nuevamente, independientemente de si se está presionando. Esto significa que, una vez activado, el dispositivo continúa operando hasta que el interruptor se apaga manualmente.

7. Antena: La antena forma parte de las cajas de control que tienen una configuración de comunicación inalámbrica. Las antenas se utilizan para mejorar el alcance y la calidad de la señal entre el sistema de control y los mandos remotos o entre sistemas interconectados. Es crucial para mantener una comunicación robusta en entornos donde el cableado directo es impráctico o indeseable.

8. Módulo receptor RF: Este módulo recibe señales de radiofrecuencia enviadas por mandos remotos inalámbricos. Decodifica estas señales en comandos accionables que el sistema de control puede entender y ejecutar. El módulo receptor RF es esencial para configuraciones de control inalámbrico, permitiendo la operación remota del actuador sin contacto físico.

En conjunto, estos componentes forman un sistema de control integral para actuadores de 2 cables, cada uno cumpliendo una función específica que contribuye a la eficacia y eficiencia general del funcionamiento del actuador. Este sistema no solo permite un control preciso de los movimientos del actuador, sino que también mejora la interfaz e interacción con el usuario, haciéndolo adaptable a una amplia variedad de aplicaciones.

La retroalimentación de posición es esencial para mejorar la precisión y exactitud del control del actuador. Tres tipos comunes de mecanismos de retroalimentación incluyen sensores de efecto Hall, potenciómetros y retroalimentación de finales de carrera.

Sensores de efecto Hall

La teoría del efecto Hall, de Edwin Hall (quien descubrió el efecto Hall), establece que siempre que se aplica un campo magnético en una dirección perpendicular al flujo de corriente eléctrica en un conductor, se induce una diferencia de voltaje. Este voltaje puede utilizarse para detectar si un sensor de efecto Hall está en proximidad de un imán.

Al fijar un imán al eje giratorio de un motor, los sensores de efecto Hall pueden detectar cuándo el eje está paralelo a ellos. Mediante una pequeña placa de circuito, esta información puede salir en forma de onda cuadrada similar a los codificadores ópticos. Es común que las placas de sensores de efecto Hall tengan 2 sensores, lo que da como resultado una salida en cuadratura donde dos señales suben y bajan a medida que el motor eléctrico gira con una diferencia de fase de 90° entre ellas. Contando estos pulsos y viendo cuál llega primero, los sistemas de control pueden determinar en qué dirección está girando el motor.

Potenciómetros

Un potenciómetro proporciona una resistencia variable que es proporcional a la posición del actuador. A menudo hay engranajes vinculados entre la perilla del potenciómetro y el motor giratorio del actuador. A medida que el actuador se mueve, el valor de la resistencia cambia, lo que puede medirse y convertirse en datos de posición. Esta información luego la utiliza un sistema de control para realizar ajustes finos en la posición del actuador, mejorando la precisión.

Retroalimentación de finales de carrera

El propósito de las señales de retroalimentación de finales de carrera es permitir que un sistema determine si el actuador ha accionado físicamente los finales de carrera internos. Este tipo de retroalimentación es simple y útil para aplicaciones que principalmente solo requieren información sobre si el actuador ha alcanzado las posiciones totalmente extendida o totalmente retraída.

Los sistemas de control para actuadores pueden clasificarse, en términos generales, en dos tipos:

Sistemas de control en lazo abierto: En estos sistemas, el actuador se controla únicamente en función de los comandos de entrada, sin retroalimentación sobre la posición real. Aunque son más simples y menos costosos, los sistemas de lazo abierto carecen de la capacidad de corregir errores de posicionamiento, lo que los hace menos precisos que sus contrapartes.
Un ejemplo de un sistema de lazo abierto simple incluye un interruptor basculante momentáneo cableado a un actuador lineal. Esto requiere que un operador presione y mantenga físicamente el interruptor para que el actuador continúe ciclando; soltar el interruptor antes de que el actuador haya alcanzado el fin del recorrido hará que el actuador detenga el movimiento a mitad de camino.

Sistemas de control en lazo cerrado: Estos sistemas incorporan mecanismos de retroalimentación, como sensores de efecto Hall o potenciómetros, para ajustar continuamente las señales de control basándose en la posición real del actuador. Este bucle de retroalimentación permite un control preciso y la corrección de errores, lo que hace que los sistemas de lazo cerrado sean ideales para aplicaciones en las que la precisión es fundamental. Los sistemas de control en lazo cerrado se encuentran comúnmente en aplicaciones que utilizan microcontroladores, cajas de control y PLC programados para que los actuadores realicen funciones específicas.
La elección del sistema de control y sus componentes impacta significativamente en la funcionalidad y la optimización del rendimiento de los actuadores. Al integrar mecanismos de retroalimentación efectivos y seleccionar el tipo de sistema de control adecuado, los actuadores pueden optimizarse para una amplia gama de aplicaciones, garantizando tanto la precisión como la fiabilidad en su operación.

En un entorno ideal, los actuadores lineales siempre se comportarían de forma predecible; sin embargo, pueden presentarse perturbaciones en forma de vientos fuertes, distribuciones desiguales de peso, obstrucciones físicas y desgaste mecánico. Algunas de estas perturbaciones pueden considerarse mediante sistemas de control que han sido programados para trabajar con actuadores lineales que tienen retroalimentación compatible para leer errores y luego ejecutar estrategias de corrección de errores para alcanzar los resultados deseados.

Variables que corrigen los sistemas de control

1. Posición: Los sistemas de control ayudan a garantizar que un actuador alcance y mantenga con precisión la posición deseada comparando la posición seleccionada por el usuario con la lectura real de posición de los sensores de retroalimentación. Ejemplos de ello incluyen cuando los usuarios de escritorios de pie presionan un botón del controlador para que los actuadores se desplacen a una posición de memoria preestablecida específica y así ajustar su espacio de trabajo de la altura sentada a la altura de pie.

2. Velocidad: Leer la retroalimentación de posición y dividir la distancia recorrida por el tiempo transcurrido dará como resultado la velocidad de recorrido. Algunos sistemas de control permiten ajustar la velocidad mediante PWM (modulación por ancho de pulso), lo que habilita que el actuador se mueva a diferentes velocidades según los requisitos de la aplicación. Esto es útil en aplicaciones donde se necesitan velocidades variables, como en actuadores que impulsan el movimiento de simuladores de vuelo.

3. Fuerza: Ciertos sistemas de control pueden regular la cantidad de fuerza ejercida por los actuadores, asegurando que operen dentro de límites seguros y evitando daños al sistema o a los componentes circundantes. Midiendo el consumo de corriente eléctrica, los sistemas de control pueden estimar aproximadamente cuánta fuerza están ejerciendo los actuadores lineales. Esta función es útil para actuadores lineales que abren y cierran ventanas, permitiendo cortar la alimentación y dejar de aplicar fuerza en caso de que la mano de una persona u otro obstáculo esté bloqueando el camino del recorrido.

En la industria se utilizan diferentes estrategias de control para lograr un nivel razonable de precisión en el control del movimiento. Cada una de estas estrategias de control ofrece distintos beneficios y es adecuada para diversas aplicaciones, dependiendo del nivel de control y precisión que requiera el sistema. Algunas de las estrategias de control más utilizadas para actuadores lineales eléctricos incluyen:

1. Control encendido/apagado: Esta es la forma más simple de control usada con actuadores lineales eléctricos y se encuentra comúnmente en sistemas de control en lazo abierto. Consiste en encender o apagar la corriente eléctrica suministrada al actuador sin un estado intermedio. Este método es sencillo y se emplea en aplicaciones donde no es necesario un control preciso de la posición. El actuador opera a plena potencia hasta que alcanza un final de carrera establecido o completa su tarea, momento en el que se apaga.

2. P (Control proporcional): El control proporcional ajusta la potencia de entrada del actuador en función del error, que es la diferencia entre la posición/fuerza real medida y el valor deseado por el usuario. La señal de control es proporcional a ese error; es decir, cuanto mayor es el error, más fuerte es la respuesta del actuador. Este método permite un funcionamiento más suave que el control encendido/apagado, pero aún puede resultar en un error en estado estacionario si no se combina con otros tipos de control.

3. PI (Control proporcional‑integral): Esta estrategia mejora el control proporcional añadiendo un término integral, que aborda el problema del error en estado estacionario. El componente integral suma los errores pasados a lo largo del tiempo, proporcionando una acción correctiva acumulativa que lleva el error a cero. Esto permite que el actuador no solo alcance, sino que también mantenga con mayor precisión la posición/fuerza deseada por el usuario.

4. Control PID (proporcional–integral–derivativo): El control PID es un método más avanzado que combina tres tipos de estrategias de control —proporcional, integral y derivativa— para proporcionar un control preciso y estable del actuador. El componente proporcional depende del error actual, el componente integral suma los errores pasados y el componente derivativo predice errores futuros en función de la tasa de cambio. Este enfoque integral permite un control altamente preciso sobre la posición, la fuerza y la velocidad del actuador, lo que lo hace ideal para sistemas complejos y dinámicos en los que la precisión es crítica.

Al seleccionar sistemas de control para tus actuadores lineales eléctricos, es importante considerar los siguientes factores:

• Grado de protección IP
• Compatibilidad
• Presupuesto

1. Grado de protección IP: Evalúa los requisitos ambientales específicos de tu aplicación para determinar el tipo de sistemas de control necesarios. La caja de control PA-33, por ejemplo, tiene un grado de protección IP65 para resistencia al polvo y al agua. Se recomienda un grado de protección IP65 o superior para sistemas de control expuestos a elementos exteriores como lluvia, polvo y residuos.

2. Compatibilidad: Asegúrate de que el sistema de control sea compatible con los actuadores lineales eléctricos que has elegido o estás utilizando actualmente para garantizar una integración sin problemas. Verifica si tu actuador tiene los protocolos de comunicación/retroalimentación de posición que coinciden con los controladores que estás considerando. Por ejemplo, los Micro Precision Servo Actuator PA-12-T (TTL/PWM) y PA-12-R (RS-485) proporcionan un control de posición preciso con una exactitud de posición de hasta 100 um y requieren protocolos de comunicación avanzados para tal rendimiento. Otra cosa a considerar es si el tipo de motor de tu actuador será compatible con un sistema de control. Los motores sin escobillas de funcionamiento continuo, como los que se encuentran en nuestros actuadores PA-14 por pedido, requerirían cajas de control compatibles con su operación, como la caja de control LC-241.

Para ver cuáles de nuestras cajas de control y actuadores son compatibles entre sí, consulta nuestras tablas de comparación y compatibilidad de cajas de control a continuación:

https://7717445.fs1.hubspotusercontent-na1.net/hubfs/7717445/PDF%20Manuals/Desk%20Accessories/Control%20Boxes%20Compatibility%20Chart%202023.pdf

https://7717445.fs1.hubspotusercontent-na1.net/hubfs/7717445/PDF%20Manuals/Desk%20Accessories/Control%20Boxes%20Comparison%20Chart-1.pdf

3. Presupuesto: Considera si hay restricciones de presupuesto para el proyecto y elige un sistema de control que ofrezca el mejor valor para tu inversión cumpliendo a la vez con tus requisitos de rendimiento. Por ejemplo, proyectos sencillos en interiores que no requieren alta precisión funcionarían sin problemas cableando un interruptor basculante básico sin alto grado de protección IP para controlar un mini actuador lineal de 2 cables a un precio asequible.

Cajas de control como nuestra serie FLTCON permiten contar con funciones programadas, características de seguridad y otros ajustes del usuario que pueden accederse mediante el mando remoto conectado. Cuando varios actuadores de tipo efecto Hall se conectan a una caja de control FLTCON, la caja de control garantiza la sincronización de los motores para que se muevan juntos a la misma velocidad.
Lee nuestro blog sobre aplicaciones de las cajas de control FLTCON para más información.

Al elegir una configuración con 2 actuadores de efecto Hall, nuestra FLTCON-2 acepta una tensión de entrada de 110 VAC; sin embargo, también ofrecemos la FLTCON-2-24VDC, que acepta entrada de 24 V CC. Al combinarse con nuestro PA-BT1-24-2200 Portable FLT Battery Pack (salidas de 24 V CC), la combinación FLTCON-2-24VDC y PA-BT1-24-2200 permite plena portabilidad. Ofrecemos una amplia gama de opciones de mandos remotos para que disfrutes de todas las funciones únicas de nuestros diferentes mandos cableados programables; también pueden utilizarse junto con nuestros mandos inalámbricos RT-14 para mayor comodidad.