O atuador linear elétrico PA-12 é um excelente exemplo de princípios de design enxuto e representa o futuro do movimento linear. Se você procura um dispositivo que ofereça o melhor desempenho da categoria em um formato compacto, sua busca acabou. O PA-12 reúne soluções modernas para problemas recorrentes, e este artigo mostrará os principais recursos do design deste atuador. Este atuador linear foi projetado para fornecer o movimento mais preciso possível, com alta resolução, sem exigir que o usuário determine parâmetros de controle ou compense leituras de posição para diferentes condições de carga. Para isso, o atuador conta com um potenciômetro de altíssima precisão com filtro integrado para reduzir o ruído elétrico, além de um motor muito leve para reduzir o impacto da inércia. Também vendemos atuadores PA-12 com motores sem núcleo, que podem oferecer desempenho significativamente melhor do que motores com núcleo, contribuindo ainda mais para o aumento da precisão.
Este atuador elétrico vem equipado com um computador de bordo que realiza todos os cálculos necessários. Ele apenas requer que o usuário forneça os comandos nos formatos TTL ou RS-485. Alternativamente, o PA-12 pode ser conectado ao controlador de interface para PC LC-12, permitindo enviar comandos por meio de uma interface no seu computador. Com tudo isso em mente, vamos mergulhar no PA-12 e em tudo o que ele tem a oferecer!
Precisão do movimento
Realizamos um teste independente em nossos atuadores PA-12 para calcular a precisão de movimento. O teste consistiu em executar com precisão duas contagens do servo por comando de movimento, o que equivale a 0,001074” por movimento. As medições foram obtidas usando um indicador de posição a laser de precisão, e o atuador também tinha uma carga de 15 lb acoplada para extensão e retração. Os resultados podem ser vistos nos gráficos abaixo.
A maioria dos instrumentos comuns não consegue perceber com precisão uma mudança de posição tão pequena. Se o atuador estivesse se movendo em incrementos maiores, os resultados teriam sido ainda mais precisos. Esse movimento se baseia em dois fatores – a alta precisão do potenciômetro integrado e um controlador PID devidamente calibrado. Os parâmetros do controle PID podem, opcionalmente, ser alterados por meio de comandos digitais, mas isso não é recomendado.
Motor com núcleo vs. sem núcleo
O PA-12 pode vir equipado com um motor CC com núcleo ou sem núcleo. Vamos apresentar as vantagens e desvantagens de ambos.
Motor com núcleo
Em um motor CC típico, uma bobina é enrolada ao redor do núcleo de ferro do rotor. Quando uma corrente é aplicada à bobina, cria-se um campo magnético que, juntamente com o estator, provoca a rotação do motor. O motor CC com escovas e núcleo de ferro é uma opção testada, confiável e de baixo custo. Um motor CC com núcleo e escovas consegue funcionar com tensão CC contínua e suportar alto torque devido ao núcleo de ferro manter tudo rígido. O núcleo também ajuda o motor a atingir maiores correntes, pois atua como um dissipador de calor e permite a dissipação térmica. Esse tipo de motor é muito simples e eficiente, mas apresenta algumas desvantagens.
Um motor CC com núcleo e escovas tende a ter menor aceleração e desaceleração devido ao peso adicional do núcleo de ferro. Esse motor também tende a ter maior indutância, o que significa que há mais arcos elétricos acidentais entre o comutador e as escovas. Esse efeito aumentaria o desgaste das escovas ao longo do tempo.
Motor sem núcleo
Um motor CC com escovas e sem núcleo é a solução para muitos desses problemas. Um motor sem núcleo é construído usando uma malha de enrolamento autoportante que dispensa o núcleo para manter a forma correta. Isso torna o rotor muito leve, permitindo acelerar e parar muito mais rápido. É mais eficiente, exigindo menos corrente para alcançar o mesmo torque que o motor com núcleo de ferro. Esses tipos de enrolamentos sofisticados também têm menor indutância, o que significa que o arco entre o comutador e as escovas ocorre com menor potência e em frequência reduzida.
As desvantagens dos motores sem núcleo são o tamanho limitado, o custo mais alto e a necessidade de um dissipador de calor. Em um motor com núcleo, o núcleo cuida de conduzir o calor para longe das bobinas, mas seriam necessários métodos alternativos de gestão térmica para que o motor CC sem núcleo funcione de forma consistente por longos períodos.
O motor com núcleo do PA-12 já é uma construção muito leve, com tamanho compacto e carga inercial reduzida. Para necessidades específicas de microposicionamento, provavelmente é uma boa ideia optar pela versão com motor sem núcleo, pois ela permitirá que sua aplicação alcance os melhores resultados.
Filtragem e ruído
A característica definidora do PA-12 é a capacidade de realizar medições de posição usando o potenciômetro com precisão e consistência. Para isso, o PA-12 vem com um conversor analógico-digital (ADC) destinado a se comunicar com o potenciômetro. O controlador de bordo executa a função de filtragem dos sinais provenientes do potenciômetro, convertendo os dados analógicos em respostas digitais que podem ser enviadas por meio de pacotes de comunicação TTL ou RS-485. Para que as leituras sejam possíveis em condições normais, a frequência recomendada de leitura de dados é de 100 vezes por segundo. Isso significa que as informações de posição podem ser atualizadas a uma taxa de 100 Hz.
Dito isso, os atuadores PA-12 são capazes de atingir uma frequência máxima de leitura de dados de 500 vezes por segundo. As unidades precisariam ser configuradas sob medida na fábrica para alcançar esse resultado, mas é possível obter uma alta taxa de atualização sem sacrificar a precisão.
Comunicação
O ponto mais importante a ter em mente sobre esses atuadores é que eles não podem ser controlados por meios convencionais. Para alcançar o desempenho, a estabilidade e a precisão posicional dos atuadores PA-12, o usuário deve interagir com o microcontrolador interno por meio do protocolo RS-485 ou TTL. Para unidades com TTL, é possível se comunicar via pulsos de servo.
TTL e RS-485 representam padrões de comunicação serial. Eles fornecem uma base para desenvolver um conjunto de comandos e respostas em formato de 8 bits que podem ser usados para interagir com o microcontrolador de bordo do PA-12.
Os parâmetros de comunicação para a conexão de dados seriais, tanto para TTL quanto para RS-485, são mostrados abaixo:
Estrutura
A estrutura de dados para comunicação com o microcontrolador de bordo do PA-12 é UART half-duplex. Um sistema de comunicação full-duplex permite que ambos os dispositivos transmitam e recebam dados simultaneamente. No caso do PA-12, o sistema é half-duplex, também conhecido como semiduplex. Isso significa que os dispositivos podem se comunicar entre si, mas não simultaneamente. A qualquer momento da comunicação, um dispositivo deve transmitir enquanto o outro recebe, e vice-versa.
Por esse motivo, se você estiver tentando se comunicar com um PA-12 por meio de um dispositivo de comunicação serial full-duplex, será necessário usar um buffer intermediário.
Figura 1: Diagrama de fiação de comunicação TTL/PWM para half-duplex
Para comunicação TTL/PWM entre um dispositivo full-duplex e o PA-12, recomendamos implementar o chip 74LVC2G241 para atuar como buffer. Um dispositivo full-duplex pode ser, por exemplo, um microcontrolador Arduino. Para informações detalhadas sobre como configurar isso, confira nosso artigo sobre como começar com Arduino e PA-12.
Figura 2: Diagrama de fiação de comunicação RS-485 para half-duplex
Para atuadores do tipo RS-485, recomendamos usar o chip MAX485 como buffer entre um controlador full-duplex e o dispositivo PA-12 semiduplex. Claro que dispositivos de comunicação que já são semiduplex não terão problemas para se comunicar diretamente com o PA-12. Por exemplo, o módulo CLP Allen-Bradley 1769-ASCII pode se comunicar diretamente com o PA-12.
Taxa de Baud
A taxa de baud representa a velocidade de comunicação entre dispositivos pelo canal de dados. A taxa de baud padrão dos atuadores PA-12 é definida em 57600 bps. Se o seu dispositivo de comunicação usar uma taxa de baud diferente, há duas maneiras de alterá-la. A forma mais fácil é conectar o PA-12 a um PC por meio do nosso controlador de interface LC-12 e fazer as alterações pelo aplicativo. Alternativamente, você também pode definir a taxa de baud por meio do comando de escrita RS-485. Para isso, será necessário fazer o seguinte:
1. Defina a taxa de baud do módulo de comunicação para 57600.
2. Escreva a taxa de baud desejada no endereço de memória 0x04.
3. O valor da taxa de baud no endereço 0x04 deve ser definido como um dentre 4 valores específicos, sendo 32 correspondente a 57600 (padrão).
4. O PA-12 deve ser reiniciado para que essas alterações entrem em vigor. Você terá que desligar o PA-12, depois alterar a taxa de baud no seu dispositivo de comunicação e religar o sistema.
Controlador de Interface para PC LC-12
A maneira mais fácil de se comunicar com o computador interno do PA-12 é por meio do controlador de interface para PC LC-12. Ele pode ser usado para se conectar tanto a atuadores TTL/PWM quanto RS-485. O LC-12 também é necessário para baixar e instalar atualizações de firmware.
O controlador de interface pode ser usado para configurar com praticidade os parâmetros de operação dos atuadores PA-12. Por exemplo, em aplicações específicas você pode querer definir limites de extensão e retração, taxa de baud, temperatura máxima, corrente máxima, erro máximo de posição permitido e assim por diante. Em grandes quantidades, a Progressive Automations fará a pré-programação de todas as unidades, mas se você estiver lidando com quantidades de produção de 50 ou menos, pode ser mais fácil ajustar os parâmetros pela interface.
O LC-12 pode ser usado para testar o movimento do atuador sem se complicar tentando configurar a comunicação TTL e RS-485. O LC-12 sempre conseguirá se conectar ao atuador PA-12 se não houver problemas de hardware. Isso pode ser útil ao monitorar os parâmetros definidos no mapa de dados da memória para garantir que nada esteja fora do esperado e corrigir erros, se necessário.
O computador interno do PA-12 é capaz de autodiagnosticar problemas e exibir códigos de erro durante a operação. Pode ser difícil identificar exatamente o que há de errado com o atuador apenas recebendo os sinais de Feedback. A interface para PC LC-12 consegue buscar e exibir os erros gerados pelo atuador, facilitando entender como resolver os problemas. Por exemplo, se o atuador não estiver atingindo a posição desejada, você pode verificar a tela de erro e o monitor de corrente na interface e determinar que há uma obstrução no caminho.
Por fim, o controlador de interface para PC LC-12 possui duas funções importantes para os atuadores PA-12 que o tornam um companheiro essencial para a amostragem inicial e a solução de problemas. O LC-12 é a única forma de restaurar o atuador para as configurações padrão de fábrica e aplicar atualizações de firmware.
Considerações finais
Neste artigo, apresentamos os principais recursos de precisão de movimento, motores com núcleo vs. sem núcleo e o baixo ruído do nosso atuador linear elétrico PA-12. Há diferentes maneiras de se comunicar com este atuador, sendo o controlador de interface para PC LC-12 considerado pelos nossos engenheiros como a mais simples.
Esperamos que você tenha gostado deste artigo – se tiver mais dúvidas sobre o nosso PA-12 ou qualquer um dos tópicos abordados, envie-nos um e-mail ou ligue para 1-800-676-6123 (ligação gratuita).