ÍNDICE

I. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................... 2

II. GENERALIDADES ................................................................................................................................... 2

2.1 OBJETIVOS ............................................................................................................................................ 2

III. FUNDAMENTO Y JUSTIFICACIÓN TEÓRICA .......................................................................................... 2

3.1 DEFINICIÓN ........................................................................................................................................... 2

3.2 TIPOS ..................................................................................................................................................... 4

3.2.1 SERVOMOTORES DC..................................................................................................................... 4

3.2.2 SERVOMOTORES AC ...................................................................................................................11

3.2.3 SERVOMOTORES BRUSHLESS ....................................................................................................16

3.3 CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONAMIENTO ...........................................................................................19

IV. APLICACIONES ....................................................................................................................................24

V. DESARROLLO E INNOVACIÓN TECNOLÓGICA ....................................................................................24

VI. CONCLUSIONES ...................................................................................................................................25

IX. BIBLIOGRAFÍA .....................................................................................................................................25

SERVOMOTORES

I. INTRODUCCIÓN

En la industria, empieza a evidenciarse un auge importante de la utilización de servomotores en máquinas que, tradicionalmente, trabajan con componentes mecánicos e hidráulicos, no porque estos últimos sean de menor calidad o no cumplan con lo requerido, sino porque los servomotores poseen características de adaptabilidad y flexibilidad mayores. Los servomotores pueden ser utilizados en diversas aplicaciones industriales que requieran de una exigencia elevada en dinámica, precisión de posicionamiento y velocidad, además, de un control confiable y funcionalmente fácil de manejar; factores determinantes para aumentar calidad, competitividad y productividad. El reciente auge no quiere decir que los avances con servomotores sean de hace poco, porque a nivel internacional, hay empresas que hace más de una década realizan desarrollos en el campo, para perfeccionarlos y aplicarlos a máquinas que son fundamentales para el buen trasegar productivo de variados sectores industriales, reemplazando la fuerza principal de estas, generada por componentes mecánicos o hidráulicos, con servomotores robustos capaces de generar la misma potencia. De la misma manera, en la robótica y en el modelismo de sistemas mecatrónicos son muy empleados

los servomotores de menor potencia, que ocupan poco espacio y tienen un peso tan pequeño que no

afectan en gran manera a la dinámica del sistema.

II. GENERALIDADES

2.1 OBJETIVOS

Conocer acerca de los servomotores que existen en la actualidad y sus antecedentes.

Comprender su funcionamiento y aplicaciones, conocer los tipos existentes y a los fabricantes.

Conocer las posibles modificaciones que se pueden realizar en los servomotores.

III. FUNDAMENTO Y JUSTIFICACIÓN TEÓRICA

3.1 DEFINICIÓN

La NEMA (Asociación Nacional de Manufactureros Eléctricos de EUA) define servomotor como:

“Motor electrónico que emplea retroalimentación y tiene el propósito de producir potencia mecánica

para realizar el movimiento deseado de un servomecanismo”.

Un servomotor (también llamado servo) es básicamente un actuador mecánico basado en un motor y

un conjunto de engranajes que permiten multiplicar el torque del sistema final, el cual posee

elementos de control para monitorear de manera constante la posición de un elemento mecánico. Es

decir, ante una acción inducida electrónicamente a un servomotor, obtendremos por resultado una

respuesta mecánica controlada.

Figura N° 01: Variedad de servomotores que existen actualmente.

Un servomotor tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación,

y mantenerse estable en dicha posición. Su margen de funcionamiento generalmente es de menos de

una vuelta completa. Puede ser controlado tanto en velocidad como en posición.

Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no

tiene la capacidad de control del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a

estos dispositivos.

Los servomotores se utilizan frecuentemente en sistemas de radiocontrol, en robótica y en

automática, pero su uso no está limitado a estos. Cualquier sistema que requiera un posicionamiento

mecánico preciso y controlado dependerá de un servosistema o servomecanismo, actuado por un

servomotor. El zoom de una cámara, el autoenfoque de un conjunto óptico, un sistema de

movilización de cámaras de vigilancia y hasta las puertas automáticas de un ascensor son sencillos

ejemplos de aplicación.

Historia:

Los servomotores industriales tuvieron sus inicios durante la segunda guerra mundial. En primer lugar

se aplicaron a propósitos navales y control de armas.

Después, poco a poco se fueron integrando en acereras, minería y manufactura en general durante los

años 50´s y 60´s.

Después llegaron los drives controlados por SCR´s, la variación de frecuencia y el control de velocidad

(PWM) en los 70´s y 80´s.

En los años sucesivos se han presentado muchas mejoras, unidades sin escobillas y controles digitales

que reúnen: motor, drive y computadora; mejorando precisión y velocidad.

3.2 TIPOS

En los servosistemas modernos, se utilizan básicamente 3 tipos de servomotores:

Servomotores DC, basados en diseños de motores DC.

Servomotores lineales.

Servomotores AC, basados en diseños de motores de inducción.

Servomotores de imanes permanentes o Brushless.

3.2.1 SERVOMOTORES DC

Su funcionamiento se basa en el uso de motores DC que mediante un sistema de engranajes

reductores y una lógica de control electrónico permite controlar la velocidad y la posición.

Los servomotores DC generalmente son usados para modelismo - como aviones, barcos,

helicópteros, trenes, etc. - para controlar de manera eficaz los sistemas de posición y los de

dirección.

En la actualidad existen diversidad de servomotores DC que funcionan a diversos niveles de

tensión:

- De 4.8V – 6V – 7.4V – 9V – 12V – 24V – 36V – 48V.

Y diversidad de momentos torque que se pueden obtener:

- Desde 800g.cm hasta 30kg.cm – Desde 1.4N.m hasta 31.8N.m

Figura N° 02

Servomotores analógicos:

Estos servomotores se componen, en esencia, de un motor de corriente continua, un juego de

engranajes para la reducción de velocidad, un potenciómetro ubicado sobre el eje de salida

(que se usa para conocer la posición) y una plaqueta de circuito para el control.

En este documento vamos a tomar como referencia de estudio a los servomotores DC

analógicos pues es el más usado en todas las aplicaciones de robótica y el más accesible debido

a su menor precio.

Servomotores digitales:

Los servos digitales tienen, al igual que los analógicos, un motor de corriente continua, un juego

de engranajes reductores, un potenciómetro para la realimentación de posición y una

electrónica de control embebida dentro del servo. La diferencia está en la placa de control, en la

que han agregado un microprocesador que se hace cargo de analizar la señal, procesarla y

controlar el motor.

La diferencia más grande de rendimiento está en la velocidad a la que reacciona el servo a un

cambio en la señal. En un mismo lapso, el servo 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). Esto se debe a que

en cualquier servo (de ambos tipos) el motor recibe, para su control, una alimentación

conmutada. 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 estos 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 seguida y por esto la

integración es más estable y la variación de corriente de control es más firme.

En los servos digitales, la señal está separada por unos 3,3 ms. La separación entre pulsos varía

en cada marca de servo digital, pero el ritmo de llegada de los pulsos es de al menos 300 veces

por segundo versus 50 a 100 en un analógico.

La ventaja de los digitales se reduce un poco cuando se habla de consumo (algo muy importante

en, por ejemplo, un avión radio-controlado, pero también en los robots), 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 servos digitales son capaces de memorizar parámetros de programación, que varían de

acuerdo a cada fabricante pero en general son:

Se puede programar el sentido de giro como "normal" o "inverso".

Se puede 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.

Es posible programar la resolución, es decir cuánto se mueve el control en el radio sin

obtener un movimiento en el servo.

Estos valores pueden ser fijados en los servos utilizando aparatos destinados a la programación,

que son específicos para cada marca.

Diferencias entre servo analógico y digital:

Figura N° 03

Figura N° 04

*) La diferencia principal entre ambos tipos reside en la manera en la que se procesa la

señal recibida desde el receptor, y en como controla el envío de potencia al servomotor

de posicionamiento consiguiendo reducir la banda muerta, incrementando la resolución

y generando unos valores de par estático y dinámico mucho más elevados.

Standard Servo Digital Servo

Servomotor lineal:

Un servomotor lineal es esencialmente un motor rotativo que ha sido abierto en forma plana,

pero opera con los mismos principios. Un motor lineal de corriente continua de imán

permanente es similar a un motor rotativo de imán permanente, y una jaula de ardilla de un

motor de corriente alterna es similar a un motor lineal de inducción. La misma fuerza

electromagnética que produce el torque en un motor rotativo, a la vez produce un torque en un

motor lineal. Los motores lineales usan los mismos controles y controladores de posición

programables que os motores rotativos.

Figura N° 05: Principios operativos de un servomotor lineal.

Antes de los motores lineales, la única forma de producir movimiento lineal era usar cilindros

neumáticos o hidráulicos, o convertir movimiento rotativo en movimiento lineal con tornillos de

bolas o bandas y poleas.

Un servomotores lineal consiste en dos conjuntos mecánicos: bobina y magneto (imán), como

se ve en la figura N° 05. La corriente que fluye en una bobina en un campo de flujo magnético

produce una fuerza. Las espiras de cobre conducen corriente (I), y el conjunto genera una

densidad de flujo magnético (B). Cuando la corriente y el flujo magnético interactúan, una

fuerza (F) es generada en la dirección mostrada en la figura N° 05, donde F=IxB.

Aún un pequeño motor funcionará eficientemente, y grandes fuerzas pueden ser creadas si un

gran número de espiras son devanadas en la bobina y los magnetos son del tipo de tierras raras.

Los bobinados están separados en 120° eléctricos, y los mismos deben ser continuamente

conmutados para sostener el movimiento.

Sólo veremos servomotores lineales sin escobillas para aplicaciones de servomotor de lazo

cerrado. Dos tipos de estos motores están disponibles comercialmente – con núcleo de acero

(también llamado núcleo de hierro) y núcleo de epoxi (también llamado núcleo sin hierro). Cada

uno de estos servomotores lineales tiene características que son óptimas en diferentes

aplicaciones.

Figura N° 06: Un servomotor lineal de núcleo de hierro consiste en un circuito magnético y su

conjunto de bobinas correspondientes.

Las elevadas fuerzas de empuje alcanzables con motores lineales de núcleo de acero, les

permiten acelerar y mover pesadas masas mientras se mantiene la firmeza durante las

operaciones de maquinado o proceso.

Las características de los servomotores de núcleo de epoxi o núcleo sin hierro difieren de

aquellas de los motores con núcleo de acero. Por ejemplo, sus espiras están devanadas y

encapsuladas dentro de epoxi para formar una delgada placa que es insertada en el entrehierro

de aire entre dos bandas de imán permanente fijadas dentro del conjunto del imán, como se ve

en la figura N° 07. Debido a que los devanados no contienen núcleos de acero, los motores sin

núcleo de acero son más livianos que los motores de núcleo de acero y menos sujetos a la

reluctancia.

Las bandas magnéticas están separadas para formar el entrehierro de aire dentro del cual el

conjunto de bobinas es insertado. Este diseño maximiza la fuerza de empuje generada y

proporciona además un paso de retorno de flujo para el circuito magnético. Consecuentemente,

muy poco flujo magnético existe fuera del motor, minimizando así la atracción magnética

residual.

Figura N° 07: Un servomotor lineal sin núcleo de hierro consiste en un circuito

magnético sin hierro y su correspondiente conjunto de bobinas sin

núcleo de hierro.

Los motores con núcleo de epoxi proporcionan movimiento excepcionalmente estable,

haciéndolos adecuados para aplicaciones que requieren muy poca fricción de soportes y alta

aceleración de cargas livianas. Estos permiten además que una velocidad constante sea

mantenida, aún a muy bajas velocidades.

Los servomotores pueden alcanzar precisiones de 0.1µm. La aceleración normal es de 2 a 3

veces la aceleración de la gravedad, pero algunos motores pueden alcanzar las 15 veces. Las

velocidades están limitadas por el régimen de datos de un codificador y el voltaje del

amplificador. Las velocidades de pico van desde 0.04 pulgadas/s (1 nm/s) a aproximadamente

6.6 pies/s (2 m/s), pero la velocidad de algunos modelos puede exceder 26 pies/s (8 m/s).

Tipos de servomotores:

Servomotor linear asíncrono,

Servomotor lineal síncrono de imanes permanentes,

Servomotor lineal síncrono de imanes permanentes sin hierro en primario y

secundario,

Servomotor lineal paso a paso,

Servomotor lineal de reluctancia,

Servomotor lineal de corriente continua, con y sin escobillas.

Instalación de motores lineales:

En una aplicación típica de motor lineal las espiras son fijadas al miembro móvil de la

máquina que las soporta y el imán es montado sobre la base no móvil o bastidor. Estos

motores pueden ser montados verticalmente, pero en ese caso requieren típicamente un

sistema de contrabalanceo para evitar que la carga caiga si la alimentación falla

temporariamente o es rutinariamente desconectada. El sistema de contrabalanceo,

típicamente formado por poleas y pesos, resortes, o cilindros de aire, soportan la carga

contra la fuerza de gravedad.

Si hay falta de energía, el servocontrol es interrumpido. Las etapas en movimiento tienden a

permanecer en movimiento, mientras que las que están detenidas tienden a seguir así. El

tiempo de parada y la distancia depende de la velocidad inicial de las etapas y la fricción del

sistema. La fuerza contraelectromotriz del sistema puede proporcionar un freno dinámico, y

frenos de fricción pueden ser usados para atenuar el movimiento rápidamente. Sin embargo,

paradas positivas y los límites de carrera pueden ser colocados en la etapa de movimiento

para evitar daños en situaciones donde la energía o la realimentación pueden ser perdidas o

el controlador o el servo fallan.

Los servomotores lineales son suministrados al cliente en forma de juegos de partes para

montaje sobre la máquina de alojamiento. La estructura de la máquina de alojamiento debe

incluir la estructura capaz de soportar la masa de las partes del motor, manteniendo a la vez

el entrehierro de aire los conjuntos y resistir la fuerza normal de cualquier atracción

magnética residual.

Los motores lineales deben ser usados en sistemas de posicionamiento de lazo cerrado,

debido a que estos no incluyen medios propios de detectar su posicionamiento. Una

retroalimentación es suministrada por sensores tales como codificadores lineales,

interferómetros laser, LVDTs, o sensores Inductosyn lineales.

Ventajas de los servomotores lineales versus los rotativos:

Rigidez elevada: El motor lineal está conectado directamente a la carga móvil, por lo

tanto no existe juego ni prácticamente ningún desplazamiento entre el motor y la

carga. La carga se mueve en forma instantánea en respuesta al movimiento del

motor.

Simplicidad mecánica: el juego de bobinas es la única parte móvil del motor, y su

conjunto de imanes está rígidamente montado a una estructura estacionaria sobre la

máquina de alojamiento. Algunos fabricantes de motores lineales ofrecen conjuntos

magnéticos modulares en varias longitudes de módulo. Esto permite al usuario

formar un recorrido de cualquier longitud deseada uniendo los módulos extremo

con extremo, permitiendo un recorrido virtualmente ilimitado. La fuerza producida

por el motor es aplicada directamente a la carga sin acoplamientos, rodamientos, u

otros mecanismos de conversión. Los únicos alineamientos requeridos son para los

entrehierros de aire, que típicamente van de los 0.039 pulg (1mm) a 0.020 pulg

(0.5mm).

Elevadas aceleraciones y velocidades: debido a que no existe contacto físico entre

los conjuntos de bobinas e imanes, son posibles altas aceleraciones y velocidades.

Alta precisión y repetibilidad: los motores lineales con codificadores de

retroalimentación de posición pueden alcanzar precisiones de posicionamiento de

1 ciclo de codificador, limitado solo por la resolución de la retroalimentación del

codificador.

Reducción del tamaño del sistema: con el bobinado fijado a la carga, no se requiere

espacio adicional. Por el contrario, los motores rotativos típicamente requieren

tornillos a bolas, transmisión por cremallera y piñón, y correas de transporte.

Compatibilidad con locales limpios: los motores lineales pueden ser usados en

locales limpios porque no necesitan lubricación y no producen gravilla o desechos de

las escobillas.

Figura N° 08: Configuraciones más comunes son las planas y las tubulares.

Principales marcas de servomotores lineales:

Yaskawa

Festo

Allen-Bradley

Mitubishi

Omron

Faulhaber

Isel

JDR , etc.

3.2.2 SERVOMOTORES AC

Figura N° 09: Tipo de dispositivo de accionamiento.

Figura N° 10: Tabla comparativa.

Diseño del motor:

La fuerza magnética se puede hacer por el imán permanente y la corriente se utiliza para

generar el par. Luego alto par y la eficiencia están disponibles a baja corriente y tamaño

pequeño.

No tiene un cepillo así que hay poco ruido / vibraciones y suciedad. Y control de alta precisión

está disponible con alta resolución codificador.

Figura N° 11

El estator se compone del núcleo de bobinado y que genera par. Las tecnologías esenciales para

aplicar el núcleo de hierro e inserte mucho bobina al área igual.

Tipo núcleo dividido / centralizado sinuoso que puede insertar tanto la bobina a la zona de la

igualdad ha ido en aumento con el progreso de la formación y la liquidación de tecnologías.

Especialmente, el diseño usando tecnología de FEM se vuelve habitual para minimizar el rizado

del par y el par de reluctancia. Entonces, se convierte en el motor servo de tamaño pequeño y

de alta precisión.

Figura N° 12

La parte de rotor se compone de eje y núcleo del rotor y el imán permanente. Se puede generar

de alta potencia en el mismo tamaño en función del rendimiento de imán permanente.

Así que la selección y la aplicación de imán permanente es la tecnología esencial. Especialmente,

que está diseñado para minimizar el par de reluctancia a través de la tecnología de FEM con

estator.

Figura N° 13

Encoder digital se puede dividir en tipo óptico y magnético, que codifica la señal eléctrica a

códigos de señal digital. El tipo óptico tiene alta resolución y es el que se utiliza generalmente.

Figura N° 14

Figura N° 15: Rangos de Velocidad y Torque de servomotores AC.

Figura N° 16: Servomotores AC estándar.

Figura N° 18: Aplicaciones.

3.2.3 SERVOMOTORES BRUSHLESS

La aplicación industrial de dichos motores está desarrollándose significativamente por múltiples

razones entre las que podemos mencionar : nuevos y más potentes componentes magnéticos

para los motores como los imanes de tierras raras, reducción de costo de los motores y los

equipos electrónicos necesarios para el control de los mismos, incorporación en dichos equipos

electrónicos de nuevas funciones para un control preciso y confiable del movimiento que

permiten utilizarlos eficientemente e incorporar nuevas áreas a su dominio de aplicación.

Figura N° 19

Esencialmente un motor brushless a imán permanente es una maquina sincrónica con la

frecuencia de alimentación, capaz de desarrollar altos torques (hasta 3 o 4 veces su torque

nominal) en forma transitoria para oponerse a todo esfuerzo que trate de sacarla de

sincronismo. La denominación brushless deviene del hecho de que no posee escobillas y es una

forma de diferenciarlo de sus predecesores los servomotores a imán permanente alimentados

con corriente continua.

En comparación con motores asíncronos a jaula de ardillas (que eroguen el mismo torque

/velocidad en su eje) la inercia de un servomotor brushless es sustancialmente menor. Ambas

características: sobre torques importantes e inercias reducidas son características apreciadas y

útiles para el control del movimiento pues permiten rápidas aceleraciones y deceleraciones así

como control preciso de posición en altas velocidades.

Constructivamente el servomotor brushless posee un estator parecido al de un motor de jaula

con un núcleo laminado y un bobinado trifásico uniformemente distribuido.

Figura N° 20

El rotor está constituido por un grupo de imanes permanentes fijados en el eje de rotación. La

forma de los rotores a imanes varía de acuerdo al diseño y puede clasificarse en cilíndricos o de

polos salientes.

La fijación de los imanes al rotor ha sido uno de los puntos críticos en la construcción de estos

motores debido a las altas fuerzas centrífugas a las que se encuentran sometidos durante los

procesos de aceleración y frenado. Actualmente se combinan fijaciones mecánicas de diferentes

tipos (atadura con fibra de vidrio, chaveteado con diferentes materiales, etc.) con pegado

utilizando adhesivos especiales.

Haciendo circular corriente alterna en las fases del bobinado de estator producimos un campo

magnético rotante en el entrehierro del motor. Si en cada instante el campo magnético

generado en el estator intersecta con el ángulo correcto al campo magnético producido por los

imanes del rotor generamos torque para lograr el movimiento del motor y la carga acoplada a él.

La utilización de un dispositivo electrónico denominado servodrive para alimentar el estator con

la tensión y frecuencia correcta, permite en cada instante, generar un campo magnético

estatórico de magnitud y posición correctamente alineada con el campo magnético de rotor. De

esta forma obtenemos el torque necesario para mantener la velocidad y posición deseada del

eje del motor.

El proceso implica conocer en todo instante la posición del rotor para lo cual se equipan los

servomotores con dispositivos tales como resolvers, encoders u otros. Los mismos rotan

solidariamente con el eje del servomotor e informan al servodrive la posición del rotor. Dichos

dispositivos de realimentación de posición se diferencian en la robustez, resolución, capacidad

de retener la información de posición ante cortes de alimentación y número de conexiones

necesarias entre otras. Por ejemplo en una servomáquina de tracción directa que rota

normalmente a una velocidad nominal de algunas centenas de rpm deberemos seleccionar

dispositivos con un alto número de pulsos por revolución a fin de tener control de torque

durante la partida y parada del ascensor.

Actualmente los servodrives operan por técnicas de modulación de ancho de pulso (PWM) con

configuraciones de hardware (básicamente en la parte de potencia) parecidas a los inversores

para el control de motores asincrónicos. De hecho existen en el mercado drives que permiten

controlar ambos tipos de motores.

Debe puntualizarse que para la operación normal de un servomotor necesitamos un servodrive,

el motor no puede ser operado directamente de la red de suministro (Ver figura N° 21).

La selección de un servomotor para una determinada aplicación requiere conocer el torque de

pico necesario para acelerar y frenar la carga impulsada por el motor así como el torque eficaz

requerido por la aplicación. Básicamente el conjunto servodrive-servomotor deben estar en

condiciones de satisfacer los requerimientos de torque de pico solicitados por el sistema y el

motor debe soportar sin deterioro el régimen térmico impuesto por manejar el torque eficaz

requerido por la aplicación.

Figura N° 21: Servomotor eléctrico AC brushless de alta inercia

50 - 750 W junto a su servodrive.

La utilización de servomotores se está popularizando en todas las ramas de la industria. En el

transporte vertical vemos cada vez más frecuentemente aplicaciones que aprovechan la alta

capacidad de sobretorque y la baja inercia del motor para lograr un perfecto control del viaje y

nivelación aun en muy altas velocidades. En máquinas de tracción o posicionamientos perfectos

con alto control del torque en operadores de puerta. La alta capacidad volumétrica de torque

del motor permite obtener máquinas de dimensiones reducidas en comparación con las

máquinas de otras tecnologías facilitando la instalación.

Los servodrives incorporan mayor capacidad de control de movimiento y comunicación

realizando en algunos casos funciones que eran anteriormente dominio exclusivo de la

maniobra.

Los conjuntos son más eficientes desde el punto de vista rendimiento y consumen menos

energía que algunas aplicaciones tradicionales.

3.3 CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONAMIENTO

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

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

un potencial a sus dos terminales, este motor gira en un sentido a su velocidad máxima. Si el voltaje

aplicado sus dos terminales es inverso, el sentido de giro también se invierte.

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 del motor.

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.

Figura N° 22: 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).

Principales características:

Operación de baja velocidad a velocidad cero con un alto nivel de habilidad.

Con el dispositivo correcto de retroalimentación, se obtiene excelente precisión de

posicionamiento.

Los servomotores son diseñados para proveer control y desempeño preciso.

Los servomotores han sido diseñados específicamente para tener un diámetro reducido,

manteniendo la misma potencia y salida de torque.

El menor tamaño reduce la masa de inercia del rotor, esto permite la aceleración y rápido

posicionamiento.

Control de posición:

El dispositivo utiliza un circuito de control para realizar la ubicación del motor en un punto,

consistente en un controlador proporcional. La Figura N° 23 nos muestra un diagrama del circuito de

control implementado en un servomotor. La línea punteada indica un acople mecánico, mientras que

las líneas continuas indican conexión eléctrica.

Figura N° 23

El Set Point o Señal de control – que es el valor de posición deseada para el motor – se indica

mediante una señal de control cuadrada. El ancho de pulso de la señal indica el ángulo de posición:

una señal con pulsos más anchos (es decir, de mayor duración) ubicará al motor en un ángulo mayor, y

viceversa.

Inicialmente, un comparador calcula el valor del error de posición, que es la diferencia entre la señal

de control y la posición en que se encuentra el motor dado por el potenciómetro. Un error de posición

mayor significa que hay una diferencia mayor entre el valor deseado y el existente, de modo que el

motor deberá rotar más rápido para alcanzarlo; uno menor, significa que la posición del motor está

cerca de la deseada por el usuario, así que el motor tendrá que rotar más lentamente. Si el servo se

encuentra en la posición deseada, el error será cero, y no habrá movimiento.

Para que el comparador pueda calcular el error de posición, debe restar dos valores de voltaje

analógicos. La señal de control PWM se convierte entonces en un valor analógico de voltaje, mediante

un convertidor de ancho de pulso a voltaje. El valor de la posición del motor se obtiene usando un

potenciómetro de realimentación acoplado mecánicamente a la caja reductora del eje del motor:

cuando el motor rote, el potenciómetro también lo hará, variando el voltaje que se introduce al

amplificador de error.

Una vez que se ha obtenido el error de posición, éste se amplifica con una ganancia, y posteriormente

se aplica a los terminales del motor.

Parámetros de un servomotor:

El primer parámetro importante: la velocidad de posicionamiento. Si variamos el ancho de los pulsos

generados en la electrónica de potencia lo que estamos haciendo es aumentar el ciclo de trabajo

(definimos ciclo de trabajo como el resultado de dividir el tiempo durante el cual aplicamos tensión al

motor entre el tiempo total del ciclo, es decir si el pulso tiene un ancho de 10 ms y el ancho total del

ciclo es de 20ms, tendremos un ciclo de trabajo del 50%) ya que estamos aplicando tensión durante

más tiempo, luego cuanto más alto sea el ciclo de trabajo, más velocidad desarrollará el servomotor y

por tanto el posicionamiento será más rápido.

El segundo parámetro característico de un servo es el posicionamiento ¿cómo sabe que ha llegado a la

posición que le está solicitando la emisora?, es fácil, por el potenciómetro de realimentación, la

electrónica de control recibe pulsos del receptor de un ancho correspondiente a la posición deseada, a

través del potenciómetro y de otros elementos obtenemos los pulsos con ancho correspondiente a la

posición actual, comparándolos se obtiene el error de posicionamiento, si existe error se activa la

electrónica de potencia para corregirlo, a mayor error en la posición mayor ciclo de trabajo y por tanto

mayor velocidad, a medida que disminuye el error la electrónica de potencia disminuye también el

ciclo de trabajo hasta alcanzar ciclo de trabajo 0.

Analizaremos ahora el tercer parámetro de funcionamiento de un servo, la banda muerta, en inglés

“Deadband”, tras la explicación anterior será fácil comprender que un pulso muy estrecho, es decir, un

ciclo de trabajo muy bajo, no proporcionará prácticamente ningún desplazamiento, ya que la tensión

aplicada durante un lapso tan breve de tiempo no será capaz de vencer la fuerza contraelectromotriz,

pues bien, definimos banda muerta como el recorrido mínimo de palote, volante o gatillo de emisora

necesario para que observemos desplazamiento en el brazo del servo.

El último parámetro es la resolución, la cual se define como la mínima variación de posición alcanzable

por el servo, aquí ya intervienen varios factores como son la precisión del potenciómetro de

realimentación de posición y sobre todo la frecuencia de trabajo, ya que la posición no se variará con

periodos inferiores a 20 milisegundos, es decir, cada 20 ms se generará un pulso de ancho x para llevar

el brazo hasta la posición deseada.

Utilización del servomotor:

Los servos disponen de tres cables (Figura N°24): dos cables de alimentación (positivo y

negativo/masa) que suministran un voltaje 4.8-6V y un cable de control que indica la posición deseada

al circuito de control mediante señales PWM (“Pulse Width Modulation”). El ángulo de ubicación del

motor depende de la duración del nivel alto de la señal PWM.

Figura N° 24: Colores de los cables de los principales fabricantes de servos.

Cada servo, dependiendo de la marca y modelo utilizado, tiene sus propios márgenes de operación.

Por ejemplo, para algunos servos los valores de tiempo de la señal en alto están entre 0.3 y 2.1 ms -

que se repite a un ritmo de 20 ms (50 Hz) - que posicionan al motor en ambos extremos de giro (0° y

180°, respectivamente). Los valores de tiempo de alto para ubicar el motor en otras posiciones se

hallan mediante una relación completamente lineal: el valor 1,5 ms indica la posición central, y otros

valores de duración del pulso dejarían al motor en la posición proporcional a dicha duración.

Figura N° 25

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que ningún valor —de ángulo o de duración de pulso— puede

estar fuera del rango de operación del dispositivo: en efecto, el servo tiene un límite de giro de modo

que no puede girar más de cierto ángulo en un mismo sentido debido a la limitación física que impone

el potenciómetro de control de posición.

Para bloquear el servomotor en una posición, es necesario enviarle continuamente la señal con la

posición deseada. De esta forma, el sistema de control seguirá operando, y el servo conservará su

posición y se resistirá a fuerzas externas que intenten cambiarlo de posición. Si los pulsos no se

envían, el servomotor quedará liberado, y cualquier fuerza externa puede cambiarlo de posición

fácilmente.

Figura N° 26: Tiempo de duración del ancho de pulso.

IV. APLICACIONES

Comúnmente usados en modelismo como aviones, barcos, helicópteros y trenes para controlar de

manera eficaz los sistemas motores y los de dirección.

Robótica.

Empacado.

Manejo de comida.

Procesos de Corte.

Impresión.

Etiquetado, etc.

V. DESARROLLO E INNOVACIÓN TECNOLÓGICA

El potenciómetro del sistema de control del servo es un potenciómetro de menos de una vuelta, de

modo que no puede dar giros completos en un mismo sentido. Para evitar que el motor pudiera dañar

el potenciómetro, el fabricante del servo añade una pequeña pestaña en la caja reductora del motor,

que impide que éste gire más de lo debido. Es por ello que los servos tienen una cantidad limitada de

giro, y no pueden girar continuamente en un mismo sentido. Es posible, sin embargo, realizar

modificaciones al servo de modo que esta limitación se elimine, a costa de perder el control de posición.

Hay dos tipos de modificación realizables. El primero es la completa eliminación del sistema de control

del circuito, para conservar únicamente el motor de corriente continua y el sistema de engranajes

reductores. Con esto se obtiene simplemente un motor de corriente continua con caja reductora en un

mismo empaquetado, útil para aplicaciones donde no se necesite del control de posición incorporado

del servo. La segunda modificación realizable consiste en un cambio en el sistema de control, de modo

que se obtenga un sistema de control de velocidad. Para ello, se desacopla el potenciómetro de

realimentación del eje del motor, y se hace que permanezca estático en una misma posición. Así, la

señal de error del sistema de control dependerá directamente del valor deseado que se ajuste (que

seguirá indicándose mediante pulsos de duración variable). Ambos tipos de modificación requieren que

se elimine físicamente la pestaña limitadora de la caja reductora.

Figura N° 27: Quitando los topes de seguridad del engranaje.

VI. CONCLUSIONES

En la actualidad existen servomotores que usan la corriente continua para generar el movimiento

giratorio, estos son los analógicos y los digitales; y tienen múltiples aplicaciones en la robótica

fundamentalmente. También existen los motores que usan la corriente alterna para generar

movimiento de rotación de su eje, estos son más robustos que los de corriente continua y necesitan

de un drive para poder controlarlos. Y por último, están los servomotores Brushless, que también

usan la corriente alterna para generar el movimiento rotativo, pero no usan escobillas para

alimentar al rotor.

Los servomotores son muy utilizados en todo tipo de industria debido a su fácil control que se puede

hacer de la velocidad y posición; y, a su precisión y exactitud con que se realiza dicho.

Los servomotores DC pueden ser modificados para que no estén limitados a un ángulo de giro

específico y poder controlar sólo la velocidad de giro; ya sea, controlando su valor; o, simplemente

quedándonos con el motor DC y su caja reductora.

IX. BIBLIOGRAFÍA

http://www.info-ab.uclm.es/labelec/solar/electronica/elementos/servomotor.htm

http://robots-argentina.com.ar/MotorServo_basico.htm

https://www.facebook.com/notes/servomotor-electrotech/servo-historia

http://www.profesaulosuna.com/data/files/ROBOTICA/SERVOMOTORES/Robot_Bioins_I.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Servomotor

http://es.wikipedia.org/wiki/Servomotor_de_modelismo

http://www.ecured.cu/index.php/Servomotor

http://www.nez.com.tw/Archive/_tw/download/AC%20SERVO%20MOTOR.pdf

http://www.eurotechsa.com.ar/ascensores/Servomotores%20brushless%20de%20iman%20perman

ente.pdf

http://www.monografias.com/trabajos60/servo-motores/servo-motores.shtml

http://www.tecnoficio.com/electricidad/velocidad_de_motores_electricos4.php

http://www.sainsl.com/modulos_motor_lineal.php

http://ab.rockwellautomation.com/es/motion-control/servo-motors

http://industrial.omron.es/es/products/catalogue/motion_and_drives/servo_systems/linear_servo_

motors/default.html