SERVOMOTOR DE CORRIENTE DIRECTA

Un Servomotor es un dispositivo pequeño que tiene un eje controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servomotor mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señal codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia. En la práctica, se usan servomotores para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones.

Un servomotor es un motor de corriente continua que tiene la capacidad de ser controlado en posición y velocidad. Es capaz de ubicarse en cualquier posición dentro de un rango de operación (generalmente de 180º) y mantenerse estable en dicha posición. Los servomotores se suelen utilizar en robótica y modelismo debido a su gran precisión en el posicionamiento.

El control de un servomotor es realizado mediante un dispositivo llamado encoder, que mediante una señal electrónicamente codificada, indica las acciones de velocidad y movimiento a ejecutar. El servomotor es instalado en un equipo o máquina para permitir que esta tenga control de la posición, dirección y velocidad de una carga o herramienta, mediante su utilización.

En general, los servomotores suelen estar compuestos por 4 elementos fundamentales:

•Motor de corriente continua (DC): Es el elemento que le brinda movilidad al servo.

•Engranajes reductores: Tren de engranajes que se encarga de reducir la alta velocidad de giro del motor para acrecentar su capacidad de torque (o par-motor).

•Sensor de desplazamiento: Suele ser un potenciómetro colocado en el eje de salida del servo que se utiliza para conocer la posición angular de dicho eje.

•Circuito de control: Es una placa electrónica que implementa una estrategia de control de la posición por realimentación. Para ello, este circuito compara la señal de entrada de referencia (posición deseada) con la posición actual medida por el potenciómetro. La diferencia entre la posición actual y la deseada es amplificada y utilizada para mover el motor en la dirección necesaria para reducir el error.

Componentes de un servo: a) carcasa; b) motor DC; c) potenciómetro; d) circuito de control;

e) tren reductor; f) brazo (elemento terminal en el eje).

(a) (b)(c)

(d)

(e)(f)

(c) (b) (a)

(d)

FUNCIONAMIENTO Los servos disponen de tres cables: dos cables de alimentación (positivo y negativo) que suministran un voltaje y un cable de control que indica la posición deseada al circuito de control mediante señales PWM (“Pulse Width Modulation”).

El sistema del servomotor se comunica mediante pulsos eléctricos a través de un circuito de control para determinar el ángulo de posición del motor. Por ejemplo, un servomotor espera recibir un pulso cada 20 milisegundos (50Hz). La longitud del pulso determinará los giros de motor; un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, hará que el motor vaya a una posición de 90 grados (posición neutra). Si el pulso es menor de 1.5 ms., entonces el motor se acercará a los 0 grados. Si el pulso es mayor de 1.5ms, el eje se moverá acercándose a los 180 grados.

Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90º. Sin embargo, también existen servos que se pueden mover en un rango extendido de 180º y sus pulsos de control varían entre 0.5 y 2.5ms.

Antes de utilizar un servo habrá que comprobar experimentalmente su rango de movimiento para no dañarlo. Para mantener fijo un servo en una posición habrá que enviar periódicamente el pulso correspondiente; ya que si no recibe señales, el eje del servo quedará libre y se podrá mover ejerciendo una leve presión.

La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control proporcional.

TIPOLOGÍAS

Existen dos tipos de servomotores: analógicos y digitales.Ambos tipos de servos son iguales a nivel de usuario: tienen la misma estructura (motor CD, engranajes reductores, potenciómetro y placa de control) y se controlan con las mismas señales PWM. La principal diferencia entre ellos radica en la adición de un microprocesador en el circuito de control de los servos digitales. Este microprocesador se encarga de procesar la señal PWM de entrada y de controlar el motor mediante pulsos con una frecuencia hasta 10 veces superior a los servos analógicos.

SERVOMOTOR DIGITAL Y PARTICULARIDADEl aumento en la frecuencia de excitación del motor en los servomotores digitales permite disminuir su tiempo de respuesta, aumentar su resolución de movimiento y suavizar su aceleración o deceleración.El uso de un microprocesador permite también a los servos digitales programar distintos parámetros de configuración que son fijos en los analógicos: posición central inicial, topes en el recorrido del servo y velocidad de respuesta del servo. Para establecer estos parámetros se deben utilizar aparatos específicos de cada marca.

La diferencia más grande, de un servomotor digital con uno analógico, está en la velocidad a la que reacciona el servo a un cambio en la señal. En un mismo lapso, el servomotor digital puede recibir cinco o seis veces más pulsos de control que un analógico. Como resultado la respuesta del servo a un cambio en la orden de posición es mucho más veloz. Este ritmo mayor de pulsos también produce mejoras en el rendimiento electromecánico del motor (mayor velocidad y más fuerza).

En los servos analógicos, la señal está conmutada a un ritmo de entre 10 y 22 ms. Si el ajuste que se requiere es muy pequeño (un ángulo pequeño de giro), los pulsos son muy delgados y están muy separados (10 a 22 ms).

La integración de los pulsos es la que da la alimentación de potencia al motor, y en consecuencia la que lo hace mover. Una integración de pulsos delgados y muy separados puede dar resultados erráticos. Suele ocurrir que cuando llega el otro pulso, el motor se ha pasado de la posición y deba reajustarse, algo que ocurre constantemente. En los servos digitales la señal llega mucho más seguido y por esto la integración es más estable.

En los servomotores digitales, la señal está separada por unos 3,3 ms. La separación entre pulsos varía en cada marca de servomotor digital, pero el ritmo de llegada de los pulsos es de al menos 300 veces por segundo contra 50 a 100 en un analógico.

La ventaja de los servomotores digitales se reduce un poco cuando se habla de consumo, ya que el consumo del circuito y de los ajustes más continuados produce un gasto mayor de energía, y también un mayor desgaste del motor.

Los servomotores digitales son capaces de memorizar y modificar parámetros de programación, que varían de acuerdo a cada fabricante. Sin embargo, de manera general, estos parámetros son los siguientes:

• Variar la velocidad de respuesta del servo.• Se puede programar una posición central (o posición neutra)

diferente, sin afectar los radios de giro.• Se pueden determinar diferentes topes de recorrido para

cada lado.• Es posible programar qué debe hacer el servo en caso de

sufrir una pérdida de señal.

Estos valores pueden ser fijados en los servos utilizando aparatos destinados a la programación, que son específicos para cada marca.

CONTROL DE SERVOSPara controlar los servos se les deben enviar pulsos PWM a través del cable de control. En los sistemas de modelismo, se utilizan dos componentes para controlar los servos: un receptor y una emisora. El receptor es el componente que se encarga de recibir los comandos inalámbricamente de la emisora y transformarlos en los pulsos PWM correspondientes que son enviados a los servos. La emisora es un mando que transmite las órdenes al receptor a través de señales inalámbricas con modulación AM, FM o PCM.

Sin embargo, estos sistemas no se pueden conectar a un PC y la única forma de controlar los servos es con el mando. Existen otros circuitos controladores especialmente diseñados para controlar servos a través del PC. Estos comandos suelen ser diferentes dependiendo del modelo.

VENTAJAS DEL USO DE SERVOMOTORES• Control proporcional.• Capacidad de sobrecarga de hasta 300 o 400 porciento.• Requieren poco mantenimiento.• Gran capacidad de torque y gran potencia en un tamaño

pequeño.

APLICACIONES• Máquinas de corte• Ascensor• Máquinas de etiquetado• Máquinas de empacado• Automatización de fábricas • Robótica• Modelismo • Computadoras (porta CD)