Optimización del rendimiento del servosistema: una guía completa para eliminar el ruido eléctrico y mejorar la inmunidad al ruido

Este documento técnico profundizará en los pasos y técnicas necesarios para mitigar el ruido eléctrico en servosistemas, garantizando un rendimiento y confiabilidad óptimos para aplicaciones de alta precisión.

Warren Osak | Servo2Go

El ruido eléctrico, o interferencia electromagnética (EMI), es una preocupación importante para los ingenieros y diseñadores que trabajan con servosistemas. La EMI puede manifestarse de diversas formas, como ruido radiado o conducido, y puede provocar degradación del rendimiento, interferencia de la señal y reducción de la precisión del sistema. En los servosistemas, el ruido puede corromper señales críticas, como la retroalimentación de posición y velocidad, afectando la estabilidad y el control generales. Como ingeniero con experiencia en el campo, es fundamental comprender las fuentes de ruido en los servosistemas y emplear estrategias efectivas para minimizar o eliminar su impacto.

Este documento técnico profundizará en los pasos y técnicas necesarios para mitigar el ruido eléctrico en servosistemas, garantizando un rendimiento y confiabilidad óptimos para aplicaciones de alta precisión.

1. Conexión a tierra adecuada: asegúrese de que su servosistema esté conectado a tierra correctamente. Utilice una técnica de conexión a tierra de un solo punto para minimizar los bucles de tierra y conectar todas las conexiones a tierra a un punto común.

a. Conexión a tierra de un solo punto: conecte todas las tierras a un único punto común para reducir los bucles de tierra y las diferencias potenciales.

b. Conexión a tierra en estrella: conecte los cables de tierra individuales de los componentes a un punto de tierra central, lo que reduce los niveles de ruido.

C. Mejores prácticas de conexión a tierra: utilice cables gruesos y de baja impedancia, mantenga la longitud de los cables corta y mantenga conexiones limpias y seguras.

2. Blindaje: Utilice cables blindados para conexiones de alimentación y señal para reducir la interferencia electromagnética. Conecte el blindaje solo en un extremo, normalmente el extremo del controlador, para evitar bucles de tierra.

a. Tipos de blindaje de cable: seleccione el tipo de blindaje adecuado, como blindaje de lámina o trenzado, según la aplicación específica y los niveles de interferencia.

b. Conexión a tierra adecuada del blindaje: conecte a tierra el blindaje en un extremo, generalmente el extremo del controlador, para evitar bucles de tierra y maximizar la reducción de ruido.

C. Continuidad del blindaje: garantice una cobertura de blindaje continua en toda la longitud del cable, incluidas las uniones de cables, los conectores y las cajas de conexiones, para una supresión óptima del ruido.

3. Enrutamiento de cables: Separe los cables de alimentación y de señal para minimizar la diafonía. Si deben cruzar, hágalo en un ángulo de 90 grados. Evite tender cables paralelos entre sí o muy próximos.

a. Separación física: Mantenga una distancia mínima entre los cables de alimentación y señal, encaminándolos en conductos o bandejas de cables separados cuando sea posible.

b. Cruce en ángulo recto: Si los cables de alimentación y señal deben cruzarse, hágalo en un ángulo de 90 grados para minimizar el acoplamiento de interferencias entre los cables.

C. Evite tendidos en paralelo: Absténgase de tender cables de alimentación y señal en paralelo o muy cerca durante distancias extensas, ya que esto puede exacerbar la diafonía y el acoplamiento de ruido.

4. Selección de cables: Utilice cables de pares trenzados, ya que pueden reducir significativamente el ruido al anular las interferencias electromagnéticas.

a. Efecto de torsión: Los cables de par trenzado reducen el ruido al igualar la exposición de cada conductor a interferencias externas, lo que hace que el ruido se cancele cuando se combinan las señales diferenciales.

b. Elija los tipos de cable adecuados: seleccione los tipos de cable, como par trenzado blindado (STP) o par trenzado no blindado (UTP), según la susceptibilidad de la aplicación a las interferencias y el nivel requerido de inmunidad al ruido.

C. Haga coincidir la impedancia: asegúrese de que la impedancia del cable coincida con la impedancia de los dispositivos conectados para minimizar los reflejos de la señal y mantener la integridad de la señal.

5. Filtrado de ruido: Emplee técnicas de filtrado de ruido, como perlas de ferrita o bobinas de choque, para suprimir el ruido de alta frecuencia en las líneas eléctricas y de señal.

a. Perlas de ferrita: instale perlas de ferrita en los cables para absorber el ruido de alta frecuencia y convertirlo en calor, reduciendo efectivamente la EMI.

b. Choques e inductores: use chokes o inductores de modo común para suprimir el ruido aumentando la impedancia de las corrientes de modo común y al mismo tiempo permitiendo que las corrientes de modo diferencial pasen con una atenuación mínima.

C. Circuitos de filtro: implemente circuitos de filtro pasivos o activos, como filtros de paso bajo, para atenuar el ruido de alta frecuencia y al mismo tiempo permitir el paso de las señales deseadas.

6. Uso de la fuente de alimentación adecuada: Utilice una fuente de alimentación regulada con bajo nivel de ruido para su servosistema. Asegúrese de que tenga suficiente capacidad para manejar la carga y pueda mantener un voltaje de salida estable.

a. Capacidad de la fuente de alimentación: asegúrese de que la fuente de alimentación tenga capacidad suficiente para manejar la carga y mantener un voltaje de salida estable en todas las condiciones de funcionamiento.

b. Salida de bajo ruido: elija fuentes de alimentación con bajo ruido de salida y especificaciones de ondulación para minimizar la introducción de ruido en el servosistema.

C. Filtrado de la fuente de alimentación: emplee filtrado adicional, como bancos de condensadores o inductores, en la salida de la fuente de alimentación para reducir aún más el ruido y mantener limpios los rieles de voltaje para el servosistema.

7. Minimice las cargas inductivas: mantenga las cargas inductivas, como motores, transformadores y solenoides, alejadas de su servosistema y su cableado.

a. Separación física: Mantenga una distancia segura entre cargas inductivas y componentes o cables del servo sistema para reducir el acoplamiento de campos electromagnéticos.

b. Blindaje de cargas inductivas: utilice materiales o carcasas de blindaje alrededor de componentes inductivos de alta corriente para contener sus campos magnéticos y reducir el impacto en los servosistemas cercanos.

C. Minimice los transitorios de conmutación: implemente amortiguadores, diodos de retorno u otras técnicas de supresión de transitorios para reducir los picos de voltaje y corriente generados por la conmutación de carga inductiva.

8. Utilice señalización diferencial: utilice señalización diferencial para señales críticas, como la retroalimentación del codificador, ya que ofrece una mejor inmunidad al ruido en comparación con la señalización de un solo extremo.

a. Transmisión diferencial: transmite señales como un par de voltajes complementarios, donde el receptor detecta la diferencia entre los dos voltajes, rechazando cualquier ruido de modo común captado a lo largo de la ruta de transmisión.

b. Impedancia equilibrada: asegúrese de que la impedancia de los dos conductores de un par diferencial coincida estrechamente, lo que ayuda a mantener la integridad de la señal y reducir la susceptibilidad al ruido.

C. Receptor diferencial: utilice receptores diferenciales diseñados para amplificar la diferencia de voltaje entre las dos señales de entrada y al mismo tiempo rechazar el ruido y las interferencias de modo común.

9. Verifique si hay bucles de tierra: Inspeccione su sistema en busca de bucles de tierra, que pueden ser una fuente de ruido. Utilice técnicas de aislamiento, como optoaisladores, para romper los bucles de tierra si es necesario.

a. Identifique bucles de tierra: use un multímetro u osciloscopio para medir diferencias de potencial entre varios puntos de tierra en el sistema, lo que puede indicar la presencia de bucles de tierra.

b. Técnicas de aislamiento: utilice optoaisladores, transformadores de aislamiento u otros dispositivos de aislamiento para romper los bucles de tierra y evitar que el ruido circule por el sistema.

C. Conexión a tierra adecuada del cable: asegúrese de que la conexión a tierra de la señal y del blindaje se realice correctamente, empleando técnicas de conexión a tierra de un solo punto para minimizar la posibilidad de que se formen bucles de tierra.

10. Selección adecuada de componentes: elija componentes, como servovariadores y controladores, con filtrado de ruido incorporado y funciones de inmunidad. Si no está disponible, instale filtros EMI-RFI externos en equipos sensibles.

a. Especificaciones de inmunidad al ruido: seleccione componentes con especificaciones sólidas de inmunidad al ruido, como una alta relación de rechazo de modo común (CMRR) y un buen rendimiento de compatibilidad electromagnética (EMC).

b. Filtrado integrado: opte por componentes con capacidades de filtrado integradas, como filtros EMI o filtros de paso bajo, para reducir el impacto del ruido en el rendimiento del sistema.

C. Cumplimiento de estándares: asegúrese de que los componentes seleccionados cumplan con los estándares industriales relevantes para ruido e interferencias, como los estándares FCC, CE o IEC, que pueden proporcionar una base para un rendimiento de ruido aceptable.

11. Mantenimiento regular: inspeccione y mantenga periódicamente su servosistema. Verifique si hay conexiones sueltas, cables dañados y componentes desgastados que puedan contribuir al ruido.

a. Inspeccione los cables y las conexiones: revise periódicamente los cables en busca de daños, deshilachados o conexiones sueltas que puedan contribuir al ruido o la degradación de la señal. Reemplace los cables dañados según sea necesario.

b. Verifique la integridad de la conexión a tierra: asegúrese de que las conexiones a tierra permanezcan limpias, seguras y libres de oxidación, lo que puede aumentar la resistencia de contacto y reducir la efectividad de la supresión de ruido.

C. Supervise el estado de los componentes: evalúe de forma rutinaria el estado de los componentes críticos, como motores, codificadores y controladores, y reemplace cualquier pieza desgastada o defectuosa para mantener el rendimiento óptimo del sistema y la inmunidad al ruido.

12. Pruebe y analice: utilice un osciloscopio o un analizador de espectro para identificar la fuente del ruido y verificar la efectividad de sus esfuerzos de reducción de ruido. Realice los ajustes necesarios para reducir aún más el ruido eléctrico.

a. Identificación de fuentes de ruido: analice el perfil de ruido y el espectro de frecuencia del sistema para identificar las fuentes de interferencia y orientar sus esfuerzos de reducción de ruido de manera más efectiva.

b. Evalúe las técnicas de mitigación de ruido: pruebe la efectividad de las medidas de reducción de ruido implementadas, como blindaje, conexión a tierra o filtrado, comparando el rendimiento de ruido del sistema antes y después de los cambios.

C. Mejoras iterativas: perfeccione y optimice continuamente sus estrategias de reducción de ruido en función de los resultados y análisis de las pruebas, garantizando el mayor nivel posible de inmunidad al ruido y rendimiento del sistema.

Si bien los pasos y técnicas mencionados anteriormente cubren la mayoría de los aspectos críticos de la eliminación del ruido eléctrico en servosistemas, existen algunas consideraciones adicionales y valores atípicos a tener en cuenta:

1. Factores ambientales: tenga en cuenta las fuentes de ruido externas, como interferencias de radiofrecuencia (RFI) de equipos cercanos, dispositivos inalámbricos o sistemas eléctricos de alta potencia, que pueden requerir medidas de protección o aislamiento adicionales.

2. Diseño a nivel de sistema: considere la arquitectura y el diseño generales de su servosistema, incluida la ubicación de los componentes, el enrutamiento de los cables y el diseño del gabinete, para minimizar el acoplamiento de ruido entre las diferentes partes del sistema.

3. Filtrado basado en software: implemente técnicas de filtrado basadas en software, como filtrado digital o algoritmos de procesamiento de señales, para mejorar aún más la inmunidad al ruido de su sistema eliminando el ruido de los datos adquiridos o las señales de control.

4. Capacitación y educación: asegúrese de que el personal técnico y de ingeniería que trabaja en el servosistema esté bien capacitado y tenga conocimientos sobre técnicas de reducción de ruido, así como sobre las mejores prácticas para la instalación, configuración y mantenimiento del sistema.

5. Soluciones personalizadas: Reconozca que algunas aplicaciones o entornos pueden requerir soluciones personalizadas de reducción de ruido, que podrían involucrar componentes, materiales o técnicas especializados adaptados a los desafíos específicos de la aplicación.

6. Manténgase actualizado con los avances: Manténgase informado sobre nuevas tecnologías, materiales o métodos que puedan surgir para reducir el ruido eléctrico en los servosistemas. La incorporación de los últimos avances puede ayudar a mejorar el rendimiento y la confiabilidad de su sistema.

Siguiendo estas pautas, que incluyen una conexión a tierra, blindaje, enrutamiento de cables, filtrado de ruido, selección de componentes y mantenimiento regular adecuados, los ingenieros pueden minimizar de manera efectiva el impacto de la EMI en el rendimiento del servosistema y mantener el más alto nivel de precisión y estabilidad.

Acerca de Electromate Inc. Electromate Inc., bajo el liderazgo de su fundador y presidente, Warren Osak, es un distribuidor de automatización industrial reconocido y respetado que se especializa en brindar control de movimiento avanzado y soluciones robóticas y mecatrónicas. Con más de 35 años de experiencia y profundos conocimientos técnicos en el campo de la automatización, Electromate se compromete a ofrecer orientación y compartir conocimientos para ayudar a los ingenieros a superar los desafíos y optimizar sus servosistemas para una variedad de aplicaciones exigentes.

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