Guía de sistemas de control para actuadores lineales eléctricos

Para aprovechar al máximo el potencial de los actuadores lineales eléctricos, es esencial comprender e implementar los sistemas de control adecuados. Al elegir los sistemas de control correctos para actuadores lineales eléctricos, las aplicaciones pueden beneficiarse con mayor precisión, facilidad de uso y optimización del rendimiento.

Esta página está dedicada a comprender los diferentes tipos de sistemas de control para actuadores lineales eléctricos, cómo funcionan, los beneficios que ofrecen y cómo elegir el mejor para las necesidades específicas de su aplicación.  

Introducción al funcionamiento de los actuadores

Actuadores son componentes fundamentales en diversos sistemas mecánicos, y desempeñan un papel crucial al convertir la energía en movimiento. En esencia, un actuador toma una fuente de energía y la convierte en un movimiento físico. Esta capacidad es clave en innumerables aplicaciones, desde maquinaria industrial hasta electrónica de consumo, e incluso en robótica avanzada. El concepto básico detrás de los actuadores implica la conversión de energía, típicamente eléctrica, hidráulica o neumática, en movimiento mecánico. Esto se logra mediante diferentes componentes y mecanismos según el tipo de actuador. Por ejemplo, los actuadores eléctricos pueden usar motores de CC con escobillas, mientras que los actuadores hidráulicos utilizan pistones llenos de fluido para generar movimiento.

En actuadores lineales eléctricos, la corriente eléctrica se usa para producir movimiento rotativo en un motor eléctrico que está conectado mecánicamente a una caja de engranajes y utiliza un tornillo de avance para ciclar el vástago del actuador unido a una tuerca ACME para movimiento lineal. Los sistemas de control para actuadores han evolucionado significativamente con los años, aumentando la versatilidad y funcionalidad de estos dispositivos. Los actuadores lineales pueden operarse mediante diversos medios y mecanismos de control, incluyendo:

• Controladores con cable - proporcionan una conexión directa y confiable, a menudo usados en entornos industriales donde se requiere un control robusto.
• Controladores inalámbricos - ofrecen a los usuarios la comodidad de operar a distancia sin necesidad de cables físicos.
• Controladores compatibles con Wi-Fi y Bluetooth - permiten la integración en sistemas inteligentes y el acceso a través de dispositivos móviles, proporcionando interfaces fáciles de usar y la posibilidad de ajustar la configuración de forma remota y precisa.

Estos avances en la tecnología de actuadores y en los sistemas de control han ampliado el alcance de sus aplicaciones, haciéndolos indispensables en los sistemas automatizados modernos. Ya sea para ajustar ventanas en vehículos, operar equipos de agricultura de trabajo pesado o automatizar electrodomésticos, los actuadores siguen siendo clave para traducir señales eléctricas en acción física.

 

Comprender los sistemas de control para actuadores

Los sistemas de control son componentes fundamentales en la operación de actuadores lineales eléctricos, diseñados para gestionar el funcionamiento y dirigir el movimiento de estos dispositivos. Soluciones populares como las cajas de control son un tipo de sistema de control para actuadores lineales que agrupa 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 objetivo principal de estos sistemas es asegurar que los actuadores funcionen con precisión, eficiencia y confiabilidad según parámetros predefinidos.

 

La importancia de los sistemas de control en el funcionamiento de los 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 cirugía robótica o 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 general 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 posicional de 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 se ve respaldada por los avances en conectividad y programación. En algunos sistemas de control, sus transformadores integrados también pueden servir para una integración perfecta al funcionar como convertidores de voltaje cuando, por ejemplo, se necesita una fuente de entrada de 120 VAC para alimentar un actuador de 12 VDC.
5. Funciones de seguridad: Las funciones de seguridad programadas, como la protección contra sobrecargas, ayudan a prevenir daños en un actuador o en la aplicación al detener la operación después de que la caja de control ha detectado un consumo de corriente eléctrica excesivo. Otra función de seguridad que se encuentra en cajas de control incluye la protección contra sobrecalentamiento para detener la operación después de cierta cantidad de tiempo de ciclado, a fin de garantizar que la operación se mantenga dentro de las calificaciones del ciclo de trabajo de un actuador, evitando así quemar el motor.

Los sistemas de control son fundamentales para la funcionalidad de los actuadores, ya que proporcionan la inteligencia y la adaptabilidad necesarias para garantizar precisión, eficiencia, seguridad y un control de movimiento eficaz. Su papel es clave en el creciente ámbito de la tecnología de automatización, donde la precisión del movimiento suele ser la piedra angular del éxito operativo.

Componentes y tipos de sistemas de control

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 detrás de ellos es crucial para la optimización del 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 cumple un papel crucial para asegurar un funcionamiento eficiente. A continuación, un desglose de estos componentes principales, sus funciones y los propósitos que cumplen:

1. Relés: Los relés actúan como interruptores que controlan el circuito eléctrico de alta potencia usando una señal de baja potencia. Para cajas de control diseñadas para manejar actuadores de 2 cables, se requieren dos relés 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 simple 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 controles con cable. Las cajas de control que operan con retroalimentación posicional también pueden recibir entrada de los sensores de un actuador. Estos canales procesan las entradas del usuario y/o sensores para determinar cómo debe operar el actuador, haciéndolos 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 los relés. Las cajas de control que operan con retroalimentación posicional también pueden suministrar corriente eléctrica para que los sensores de un actuador tengan la energía para operar. 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 del control remoto: Este botón se utiliza para sincronizar el sistema de control con un dispositivo de control remoto. Garantiza que las entradas del remoto sean reconocidas y procesadas por el sistema de control, facilitando una operación cómoda y flexible a distancia.
5. Indicador luminoso: Los indicadores luminosos proporcionan retroalimentación visual sobre el estado del sistema. Pueden indicar encendido/apagado, modos de operación, estados de error o recepción de señales, lo que ayuda a monitorizar y solucionar el sistema sin necesidad de herramientas de diagnóstico complejas.
6. Selector 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, se debe mantener presionado continuamente el botón de un control para que el dispositivo opere. 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 cambie nuevamente, independientemente de si se está presionando. Esto significa que, una vez activado, el dispositivo continúa operando hasta que el interruptor se apague manualmente.
7. Antena: La antena forma parte de las cajas de control que tienen una configuración de comunicación inalámbrica. Las antenas se usan para mejorar el alcance y la calidad de la señal entre el sistema de control y los dispositivos de control remoto o entre sistemas interconectados. Es crucial para mantener una comunicación robusta en entornos donde el cableado directo es poco práctico o no deseable.
8. Módulo receptor RF: Este módulo recibe señales de radiofrecuencia enviadas por controles 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 inalámbricas, 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 con una función específica que contribuye a la eficacia y eficiencia generales de la operación del actuador. Este sistema no solo permite un control preciso sobre los movimientos del actuador, sino que también mejora la interfaz y la interacción con el usuario, haciéndolo adaptable a una amplia gama de aplicaciones.

 

Mecanismos de retroalimentación de posición

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 por interruptores de fin 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 usarse para detectar si un sensor de efecto Hall está en la proximidad de un imán.

Al fijar un imán al eje giratorio de un motor, los sensores de efecto Hall pueden detectar cuando el eje está paralelo a ellos. Usando una pequeña placa de circuito, esta información puede salir como una onda cuadrada similar a los codificadores ópticos. Es común que las placas de efecto Hall tengan 2 sensores, resultando en una salida en cuadratura donde dos señales subirán y bajarán a medida que el motor eléctrico gira con una diferencia de fase de 90° entre ellas. Al contar estos pulsos y ver cuál llega primero, los sistemas de control pueden determinar la dirección en la que está girando el motor.

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

 

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

Tipos de sistemas de control para actuadores

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

Sistemas de control de lazo abierto: En estos sistemas, el actuador se controla únicamente con base en los comandos de entrada sin ninguna retroalimentación sobre la posición real. Si bien son más simples y menos costosos, los sistemas de lazo abierto carecen de la capacidad de corregir errores de posicionamiento, por lo que son menos precisos que sus contrapartes.

Un ejemplo de sistema simple de lazo abierto 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 final del recorrido resultará en que el actuador detenga el movimiento a mitad de camino.

Sistemas de control de lazo cerrado: Estos sistemas incorporan mecanismos de retroalimentación, como sensores de efecto Hall o potenciómetros, para ajustar continuamente las señales de control según la posición real del actuador. Este bucle de retroalimentación permite un control preciso y la corrección de errores, por lo que los sistemas de lazo cerrado son ideales para aplicaciones donde la precisión es crítica. Los sistemas de control de lazo cerrado se encuentran comúnmente en aplicaciones que utilizan microcontroladores, cajas de control y PLCs programados para actuadores para realizar funciones específicas.

La elección del sistema de control y de 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 precisión como confiabilidad en su operación.

 

Retroalimentación y corrección de errores

En un escenario ideal, los actuadores lineales siempre se comportarían de forma predecible; sin embargo, las perturbaciones pueden presentarse en forma de vientos fuertes, distribuciones desiguales de peso, obstrucciones físicas y desgaste mecánico. Algunas de estas perturbaciones pueden considerarse mediante sistemas de control programados para trabajar con actuadores lineales que cuenten con retroalimentación compatible, para leer errores y luego ejecutar estrategias de corrección de errores a fin de 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 al comparar la posición del usuario con la lectura real de los sensores de retroalimentación posicional. Ejemplos incluyen cuando los usuarios de un escritorio de altura regulable presionan el botón de un controlador para que los actuadores viajen a una posición de memoria específica y ajusten su espacio de trabajo de la altura de sentado a la de pie.
2. Velocidad: Leer la retroalimentación posicional y dividir la distancia recorrida por el tiempo transcurrido dará como resultado la velocidad de desplazamiento. Algunos sistemas de control permiten ajustes de velocidad a través de PWM (Modulación por Ancho de Pulso), habilitando 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 para actuadores que impulsan el movimiento de simuladores de vuelo.
3. Fuerza: Ciertos sistemas de control pueden regular la fuerza ejercida por los actuadores, asegurando que opere dentro de límites seguros y previniendo daños al sistema o a los componentes circundantes. Al medir la corriente eléctrica consumida, 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, para cortar la energía y detener la aplicación de fuerza en caso de que la mano de una persona u obstáculo bloquee la trayectoria de desplazamiento.

Tipos de estrategias de control

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

1. Control encendido/apagado: Esta es la forma más simple de control utilizada con actuadores lineales eléctricos, común en sistemas de lazo abierto. Implica encender o apagar la corriente eléctrica suministrada al actuador sin estados intermedios. Este método es sencillo y se usa en aplicaciones donde no es necesario un control preciso sobre la posición. El actuador opera a plena potencia hasta que alcanza un interruptor de fin de carrera establecido o completa su tarea, momento en el cual 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 este error, lo que significa que cuanto mayor sea el error, más intensa será la respuesta del actuador. Este método permite una operación 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 al añadir un término integral, que aborda el problema del error en estado estacionario. El componente integral suma los errores pasados en el tiempo, proporcionando una acción correctiva acumulativa que lleva el error a cero. Esto permite que el actuador no solo alcance, sino 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 donde la precisión es crítica. 

 

Cómo elegir el sistema de control adecuado

 

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

• Protección IP
• Compatibilidad
• Presupuesto

1. Protección IP: Evalúe los requisitos ambientales específicos de su aplicación para determinar el tipo de sistemas de control necesarios. La caja de control PA-33 por ejemplo tiene un grado de protección IP de IP65 contra el polvo y el 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: Asegúrese de que el sistema de control sea compatible con los actuadores lineales eléctricos que ha elegido o que está utilizando actualmente para garantizar una integración sin problemas. Verifique si su actuador tiene protocolos de comunicación/retroalimentación posicional que coincidan con los controladores que estaba considerando. Por ejemplo, el PA-12-T (TTL/PWM) y el PA-12-R (RS-485) Micro Precision Servo Actuator proporcionan control de posición preciso con exactitud posicional de hasta 100 um y requieren protocolos de comunicación avanzados para tal rendimiento. Otra cosa a considerar es si el tipo de motor que tiene su 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 de pedido personalizado, 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, consulte nuestra comparación y tablas de compatibilidad enlazadas 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: Considere si hubiera restricciones presupuestarias para el proyecto y elija un sistema de control que ofrezca el mejor valor por su inversión cumpliendo sus requisitos de rendimiento. Por ejemplo, proyectos simples en interiores que no requieren alta precisión funcionarían sin inconvenientes cableando un interruptor basculante básico sin alta protección IP para controlar un mini actuador lineal de 2 cables a un precio asequible.

 

Cajas de control tipo efecto Hall

Cajas de control como nuestra serie FLTCON permiten contar con funciones programadas, características de seguridad y otros ajustes de usuario que pueden accederse a través del control remoto conectado. Cuando múltiples actuadores de tipo efecto Hall están conectados a una caja de control FLTCON, la caja garantiza la sincronización de los motores para que se muevan juntos a la misma velocidad.

Lea nuestro blog sobre aplicaciones para las cajas de control FLTCON para obtener más información.

 

Caja de control	Tensión de entrada	Número de canales
FLTCON-1	110 VAC	1
FLTCON-2	110 VAC	2
FLTCON-2-24VDC	24VDC	2
FLTCON-3	110 VAC	3
FLTCON-4	110 VAC	4

 

Al elegir una configuración con 2x actuadores de efecto Hall, nuestra FLTCON-2 acepta tensión de entrada de 110 VAC; sin embargo, también ofrecemos la FLTCON-2-24VDC que acepta 24 VDC de entrada. Ofrecemos una amplia gama de opciones de control remoto para elegir, de modo que pueda disfrutar de todas las funciones únicas de nuestros diferentes controles con cable programables; también pueden usarse junto con nuestros controles inalámbricos RT-14 para mayor comodidad.

 

En resumen

Los sistemas de control desempeñan un papel crucial en maximizar el rendimiento, la eficiencia y la capacidad de los actuadores lineales eléctricos. Al comprender los diferentes tipos de sistemas de control, sus funciones y cómo elegir el adecuado para su aplicación, puede garantizar una operación óptima y lograr los resultados deseados. Ya sea que se encuentre en la industria manufacturera, la robótica o la automotriz, implementar el sistema de control correcto puede ayudarle a llevar el rendimiento de sus actuadores lineales eléctricos al siguiente nivel.

Esperamos que le haya resultado tan informativo e interesante como a nosotros, especialmente si buscaba orientación para elegir sistemas de control adecuados para sus actuadores lineales eléctricos. Si tiene alguna consulta sobre nuestros productos o dificultades para escoger los sistemas de control y actuadores lineales eléctricos adecuados para sus necesidades, ¡no dude en comunicarse con nosotros! Somos expertos en lo que hacemos y estaremos encantados de ayudar con cualquier pregunta que pueda tener.

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