Como se debe dimensionar un servoactuador

El objetivo de dimensionado de un servoactuador se basa en la consideración puntual de distintos factores que describen la forma en que operará el motor. Dichos factores no se limitan a obtener un radio de inercia específico, si no seleccionar el mejor motor para cada aplicación por separado, además de tomar en cuenta otros factores importantes como: costo, tipo y resolución de encoder, condiciones ambientales, requerimientos de potencia o limitaciones de espacio.

Los factores más críticos en el proceso de dimensionado de un servoactuador pueden ser simplificados a cuatro puntos:

1. Razón de inercia2. Velocidad3. Torque máximo 4. Velocidad y torque RMS

Entender estos cuatro factores críticos es vital para la selección del mejor servoactuador en la aplicación.

1.-Razón de Inercia

El primer factor a tomar en cuenta es la razón de momentos de inercia. El momento de inercia mide que tan difícil es cambiar la velocidad angular del objeto que está rotando. El momento de inercia total en un servoactuador puede ser dividido en dos partes: inercia del motor e inercia de la carga.

La inercia del motor, JM, forma parte del diseño del mismo y típicamente se encuentra especificada en el manual del fabricante. Para el caso de la inercia de carga, JL, ésta consiste usualmente en más de un componente, debido a que cada uno de ellos contribuye a la inercia de carga total, la cual se calcula usando las ecuaciones apropiadas para cada componente.

Una de las razones de inercia típicamente utilizadas es de 5:1. El rendimiento del motor tiende a subir cuando la razón de inercia baja usualmente a 2:1 ó 1:1, pero cuando el rendimiento no es un factor importante para la aplicación, razones de 10:1 ó de 100:1 son plausibles. Hay que considerar también que una razón de inercia baja supone un costo más alto, por esta razón es importante entender por completo los demás factores de dimensionado.

2.- Curva torque-velocidad

En el mercado existen varios motores que proveen una razón de inercia adecuada, asi que la tarea se reduce a encontrar el motor mas pequeño y de menor costo que tenga la habilidad de producir la velocidad y torque requerido para la aplicación. La velocidad del motor y capacidad del torque está descrito en el manual del fabricante.

La curva de velocidad contra torque despliega varios puntos de interés. El torque nominal se define como el valor maximo de torque que un motor puede producir de manera continua a una velocidad nominal y está limitado por el calentamiento del motor. De manera semejante, la velocidad nominal es la velocidad mas alta a la cual el torque nominal se vuelve alcanzable. El motor puede continuamente mas rapido que la velocidad nominal pero el torque se ve afectado significativamente cada vez que la velocidad aumenta.

La grafica de torque-velocidad está dividida en dos regiones: continua e intermitente. Si la combinacion de torque y velocidad requerida para el motor se encuentra dentro de la region continua entonces el motor podrá producir dicho torque y velocidad por siempre sin la posibilidad de sobrecalentamiento. Si dicha combinacion cae en la zona intermitente, el motor solo podrá producir los datos requeridos por un limite de tiempo antes de sobrecalentarse..

Actualmente existen amplificadores que desactivan el motor y encienden una alarma si éste se sobrecalienta por el tiempo excedido. A pesar de esto, si dentro de la aplicación no se requiere que el motor esté trabajando de manera continua, la zona intermitente no supondrá un problema.

Para el caso del torque RMS solictado por la aplicación, éste debe de permanecer dentro de la región continua. Si la combinacion de torque y velocidad no cae en ninguna de las dos zonas de la grafica, el motor no es capaz de producir dichos parametros. Por dicha razon, es muy importante verificar que nuestros requerimientos de torque y velocidad sean validos.

3.- Perfil de movimiento

A pesar de que la capacidad del motor para producir un torque y velocidad determinadas está descrita en la gráfica de torque-velocidad, los requisitos se entienden de una mejor manera usando un perfil de movimiento ( perfil de torque y perfil de velocidad ). El perfil de velocidad es una representación gráfica de la velocidad del motor contra tiempo, y el perfil de torque ilustra el torque requerido por el motor para seguir el perfil de velocidad en el mismo tiempo.

4.- Torque Máximo

Al valor mas alto de torque nominal debe de ser aplicado a la carga para acelerarla, superar la friccion y mantener la velocidad se le llama torque maximo. Para desacelerar la carga, usualmente se requiere un torque inverso, aunque éste no será tan alto como el que fue requerido para acelerarla, ya que la fricción contribuye a su desaceleración. Hay ocasiones en que la desaleración de la carga requiere de un torque positivo para que el motor no se ralentice de manera rapida.

Es importante asegurarse de que el motor puede producir el valor de torque maximo requerido a la velocidad deseada. El valor valor de torque maximo usualmente se localiza dentro de la region intermitente de la curva torque-velocidad. Puede tambien caer dentro de la region continua pero esto puede ser un indicador de que el motor esta demasiado grande para la aplicación.

5.- Torque RMS

Otro calculo critico de torque para el dimensionado del motor es el torque RMS, el cual se refiere a el promedio, dependiendo el tiempo, de torque dutante un ciclo maquina completo o el equivalente de torque necesario para permanecer en un estado estable. Así que es importante asegurarse de que el torque RMS caiga en la region continua de la grafica velocidad-torque. El calculo del torque RMS es facilmente calculado usando software de dimensionado de servoactuadores.