Un servo es un dispositivo que mueve una posición hasta hacerla coincidir con un objetivo. En una vuelta de su lazo, el controlador convierte el objetivo en una consigna, una caja que convierte la potencia en corriente hace girar el motor, el eje se mueve, y el valor de un sensor que mide giro o posición vuelve al controlador. Ese sensor se llama encoder. Aun así, incluso con los relojes alineados, el lazo nunca coincide en un mismo instante.
El retardo se acumula en el tiempo de cálculo, en la conmutación de la potencia, en la flexión mecánica y en el momento de la lectura. No existe un circuito que fuerce todo a un mismo instante; en su lugar, lo que falta se suma por adelantado antes de la próxima lectura, y así el error de seguimiento se mantiene dentro de la especificación. Qué significan proporcional, integral y derivativo se deja al artículo de control PID, y cómo se leen las fases A y B al de encoders. Aquí miramos solo el retardo de la vuelta y dónde se compensa.
Puntos clave de este artículo
| Sección | Qué explica |
|---|---|
| Los cuatro trabajos del lazo del servo | Calcular la consigna, convertirla en potencia, el movimiento y el retorno del encoder |
| El desfase entre la consigna y el retorno del encoder | El instante de muestreo, el ciclo de cálculo, el PWM, la cuantización y dónde se mide. El cuello de botella suele ser la máquina |
| Feedforward y compensación del retardo | Cerrar primero y rápido el lazo de corriente, y sumar por adelantado lo que falta a la consigna. También se suprime la vibración de frecuencia fija |
| Medición en lazo semicerrado y totalmente cerrado | Medir solo el eje del motor, o cerrar el lazo con una escala del lado de la carga |
Los cuatro trabajos del lazo del servo
La vuelta completa desde el controlador hasta el retorno del encoder se llama lazo del servo. En esta sección la dividimos en cuatro trabajos.
El primero es calcular la consigna. El controlador decide la próxima consigna a partir de la diferencia entre el objetivo y el valor que volvió. Tomar valores a intervalos fijos se llama muestreo, y cada toma es una muestra. Sin embargo, el valor leído en esta muestra normalmente solo llega a la consigna de la muestra siguiente. Este retardo — el tiempo que tarda el propio cálculo — se llama retardo de un ciclo.
El segundo es convertir la consigna en potencia. Como número de tensión, la consigna no puede hacer girar el motor. Trocear la corriente continua en pulsos finos de encendido y apagado para construir una tensión media es el trabajo llamado PWM, y el hueco que se deja para que los interruptores superior e inferior nunca conduzcan a la vez se llama tiempo muerto. Aquí también hay un retardo entre la salida de la consigna y el momento en que la corriente realmente fluye. Cómo se detiene un motor, y la regeneración, son otra historia distinta del retardo del lazo, y están en detener un motor DC.
El tercero es moverse. La corriente se convierte en par, y el eje y la carga se mueven. Pero los husillos y los acoplamientos flexionan como resortes, así que la posición del eje del motor y la posición de la mesa no son el mismo número en el mismo instante.
El cuarto es devolver la posición. El encoder es lo que convierte la posición del eje o de la mesa en pulsos o números y los envía de vuelta al controlador. Los escalones de esos números se llaman cuantización. Con retorno serial, se suma además el tiempo en el cable. El código Gray y la lectura de las fases A y B pertenecen al artículo del encoder; aquí solo nos importa cuándo llega el valor devuelto.
| Trabajo | Quién lo hace | Qué pasa en esta muestra |
|---|---|---|
| Calcular la consigna | Controlador | El valor leído ahora entra en la próxima consigna |
| Convertir en potencia | Amplificador | La corriente fluye tras el PWM y el tiempo muerto |
| Moverse | Motor y carga | La carga se atrasa lo que flexiona la mecánica |
| Devolver la posición | Encoder | Tras la cuantización y la transmisión, se lee en la muestra siguiente |
La figura de abajo muestra estos cuatro trabajos como una sola vuelta. En la figura, la consigna ya salió del amplificador y va hacia el motor, mientras que el retorno del encoder queda del lado que llega en la muestra siguiente.
Las etiquetas cortas bajo cada etapa de la figura son los retardos que se acumulan ahí: en el controlador, no llegar a la muestra actual; en el amplificador, el PWM y el tiempo muerto; en la carga, el resorte del husillo; en el encoder, la cuantización y el tiempo del cable. Esto no significa, sin embargo, que los relojes estén desincronizados.
No decida que la posición llegará a tiempo solo por el período del lazo de corriente del catálogo. El trabajo de la corriente termina antes, dentro del amplificador, mientras que el instante de muestreo de la posición queda fuera.
El desfase entre la consigna y el retorno del encoder
Ordenemos los retardos de la figura según dónde se acumulan. Que nunca coincidan del todo no es una avería: mientras el lazo funcione con muestras discretas, el valor de este instante solo puede alimentar la próxima consigna.
| Factor | Dónde se acumula | Tamaño típico en planta |
|---|---|---|
| Muestreo discreto | Controlador | Siempre está, y no desaparece |
| Retardo de un ciclo de cálculo | Controlador | El período de posición es más largo que el de corriente |
| PWM y tiempo muerto | Amplificador | Suele ser pequeño |
| Cuantización y transmisión | Encoder | Más resolución no elimina el instante de lectura |
| Flexión y punto de medición | Máquina | En precisión, aquí suele estar el cuello de botella |
| 1 | En la mayoría de las plantas, el cuello de botella es la máquina y dónde se mide. El encoder del eje del motor y la posición de la mesa no son lo mismo. Por eso, el resorte del husillo y el acoplamiento, la holgura y la flexión de la mesa quedan por encima de la vuelta eléctrica. Sumar dígitos de resolución no elimina un resorte que no se está midiendo. |
|---|---|
| 2 | El retardo de un ciclo de cálculo no se elimina; solo se disimula. La posición leída en esta muestra solo puede alimentar la próxima consigna. Aunque el lazo de corriente sea más rápido, si la posición se lee despacio, el retardo de posición sigue ahí. Los lazos están anidados, así que nada está roto. |
| 3 | El PWM, el tiempo muerto, la cuantización y la transmisión serial existen, pero suelen ser pequeños. Aquí es donde pesan los números de catálogo del amplificador y del encoder. Aun así, son con menos frecuencia que el lado mecánico la causa principal de incumplir una especificación de posicionamiento de precisión. |
El lazo de corriente se cierra primero, la velocidad se cierra por fuera, y la posición por fuera de esa. Es un anidado en el que los lazos rápidos sostienen desde adentro a los lentos. Que los períodos sean distintos no es una confusión, sino un reparto de roles.
Suponer que subir la resolución del encoder hará que consigna y realimentación coincidan en el mismo instante. Los escalones de cuantización sí se vuelven más finos. Pero el instante de muestreo y el resorte no medido siguen ahí. Antes de sumar dígitos, mire dónde está midiendo.
Feedforward y compensación del retardo
Lo que compensa el retardo no es un circuito que alinee todo en un mismo instante. Es un mecanismo que suma por adelantado, para la próxima muestra, lo que falta, y así absorbe el error de seguimiento dentro de la especificación.
Primero, el lazo de corriente se hace rápido y se cierra primero. El lazo de posición, por fuera, emite consignas a un intervalo más largo. Como el trabajo de la corriente ya está hecho, cuando llega la consigna de posición el amplificador está casi listo para entregar par. Aun con un período de corriente más rápido, la posición no alcanza a coincidir del todo. El punto no es alcanzar: es terminar antes lo de adentro.
Después, lo que falta se suma por adelantado a la consigna, a partir de la velocidad y la aceleración objetivo. En lugar de esperar el error de la realimentación, suma el lado que ya sabe cuánto hay que avanzar. Esto se llama feedforward. No reemplaza el trabajo de cerrar el error con la acción proporcional, integral y derivativa; rellena el retardo conocido antes de que ese trabajo empiece. Qué significan P, I y D, y por qué queda error estacionario, está en el artículo de control PID.
Cuando la máquina vibra a una frecuencia fija, se inserta un filtro que suprime justo esa frecuencia. Esto se llama notch. No elimina el retardo del lazo; su trabajo es evitar que la resonancia amplifique la consigna.
| Compensación | Qué hace | Qué queda |
|---|---|---|
| Cerrar primero la corriente | Pone el lazo rápido adentro | El instante de muestreo de la posición |
| Feedforward | Suma por adelantado el próximo avance a la consigna | El resorte no medido |
| Notch | Suprime la vibración de frecuencia fija | La muestra en sí |
La alineación de relojes, para que varios ejes acepten consignas selladas con el mismo instante, no trata de eliminar el retardo del lazo. Eso es llevar la hora sobre el bus, y de ello se ocupan los relojes distribuidos del Ethernet industrial. La etapa en que la consigna llega al drive está en la sección de EtherCAT de comunicación industrial. El tema de este artículo es una vuelta en un solo eje.
Hacer más fuerte el feedforward no rellena el resorte de un lugar que no se está midiendo. Mientras solo se observe el retorno del eje del motor, el atraso del lado de la mesa se suma a la consigna como si no existiera. Cambiar dónde se mide es la próxima sección.
Medición en lazo semicerrado y totalmente cerrado
En posicionamiento de precisión, el truco que más importa no son más dígitos de ganancia, sino dónde se mide para cerrar el lazo.
Si se mide solo el eje del motor, el resorte del husillo queda dentro del error. La carga entonces se atrasa respecto de la consigna — y aun así el controlador cree que el eje del motor está en el objetivo. Esta forma de medir se llama lazo semicerrado. Si en cambio se pone una escala del lado de la mesa y el lazo se cierra con la posición de la carga, se tiene un lazo totalmente cerrado. Con la misma consigna, cambia cómo se atrasa la posición de la carga.
En la figura de abajo, el lado izquierdo lee solo el eje del motor, y el derecho lee una escala del lado de la mesa. El resorte del husillo está en ambos. Lo que difiere es de dónde viene la realimentación.
A la izquierda de la figura, la realimentación sale del motor, mientras la mesa se atrasa respecto de la consigna sin ser medida. A la derecha, la realimentación viene de la escala del lado de la mesa. El resorte del husillo sigue ahí, pero el lazo se cierra con la posición de la carga. También hay implementaciones que cierran a la vez la velocidad del eje del motor y la posición de la carga, como lazo doble. Antes que los nombres, sin embargo, mire si el retorno viene del motor o de la carga.
Hay una técnica que divide finamente las dos fases senoidales para ganar resolución, llamada interpolación. Los escalones de cuantización se vuelven más finos. Pero el instante de muestreo sigue ahí, así que la interpolación es cuestión de dígitos — no sustituye a dónde se mide.
Escalas y husillos crecen con la temperatura. El calor, sin embargo, es un error distinto del retardo del lazo, así que aquí se queda en esta única frase. El corazón de la compensación sigue donde estaba: medir en el lugar correcto y sumar por adelantado lo que falta.
Suponer que, apenas se pasa a lazo totalmente cerrado, se pueden seguir subiendo las ganancias como en semicerrado. Cerrar del lado de la carga mete el resorte del husillo dentro del lazo, y eso cambia cómo se logra la estabilidad. Al cambiar dónde se mide, revise también cómo se cierran los lazos internos de corriente y velocidad.
Resumen
Una vuelta del servo es cálculo de la consigna, conversión en potencia, movimiento y retorno del encoder — y nunca coincide en un mismo instante. El retardo se acumula en el instante de muestreo, el ciclo de cálculo, el PWM, la cuantización y la flexión mecánica, y en la mayoría de las plantas el cuello de botella es la máquina y dónde se mide. Lo que compensa no es una sincronización perfecta, sino cerrar primero la corriente, sumar por adelantado lo que falta y cerrar el lazo del lado de la carga. La meta es absorber el error de seguimiento dentro de la especificación.
Las fases A y B y el código Gray continúan en encoders, y proporcional, integral y derivativo en control PID. Los servos de las articulaciones de un robot recorren esta misma vuelta.
Preguntas frecuentes
Q1. ¿Un período de corriente más rápido hace que la posición alcance del todo?
A. No. Con un período de cierre de corriente más rápido, el par sale antes. Pero el instante de muestreo con que se lee la posición sigue ahí. Se está terminando antes lo de adentro; el ciclo del lazo de posición no se elimina.
Q2. ¿Subir la resolución del encoder elimina el retardo?
A. No. Los escalones de cuantización sí se vuelven más finos. Pero el instante de muestreo y el resorte no medido siguen ahí. Antes de sumar dígitos, verifique si la realimentación viene del eje del motor o de la carga.
Q3. ¿Qué diferencia hay entre semicerrado y totalmente cerrado?
A. Dónde se mide. El semicerrado cierra el lazo solo con el encoder del eje del motor, así que el resorte del husillo queda dentro del error. El totalmente cerrado cierra con la posición de la carga, por ejemplo una escala del lado de la mesa. El resorte queda, pero el lazo se cierra donde se hace el trabajo.
Q4. ¿El feedforward reemplaza al PID?
A. No. El feedforward suma por adelantado el próximo avance a la consigna, mientras proporcional, integral y derivativo siguen cerrando el error. Y sumar por adelantado no rellena el resorte de un lugar que no se mide.
Q5. ¿Las articulaciones de un robot recorren la misma vuelta?
A. Sí. Un servo de articulación también es consigna, potencia, movimiento y retorno del encoder. No se trata aquí del PLC de la celda alimentando la trayectoria cada ciclo; el retardo de la vuelta y dónde se mide son iguales para un brazo que para una mesa.
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