¿Qué son los servomotores?

Quisiera comenzar primero con definir el concepto de servomotor. Es cierto, prácticamente se utiliza la palabra "servo" para referirnos a este elemento cuando se realiza un proyecto, en específico a un servomotor. En el lenguaje común no hay ningún problema, sin embargo en un lenguaje técnico y formal es un término incompleto. Formalmente, un servomotor es un tipo de servomecanismo, y un servomecanismo es un dispositivo que tiene un sistema de corrección con retroalimentación para el control de un parámetro específico.

Los servomotores son dispositivos electromecánicos que consisten en un motor eléctrico, un juego de engranes y una tarjeta de control, todo confinado dentro de una carcasa de plástico. La característica principal de estos motores es que la gran mayoría no están hechos para dar rotaciones continuas -algunos sí lo hacen pero se hablarán de ellos más adelante- ya que principalmente son dispositivos de posicionamiento en un intervalo de operación. En esta ocasión se tratará exclusivamente de servomotores para modelismo, excluyendo los servomotores industriales.

Los servomotores funcionan por medio de modulación de ancho de pulso -pulse-width modulation (PWM)- Para los servos para modelismo, la frecuencia usada para mandar la secuencia de pulsos al servomotor es de 50 Hz -esto significa que cada ciclo dura 20 ms- Las duraciones de cada pulso se interpretan como comandos de posicionamiento del motor, mientras que los espacios entre cada pulso son despreciados. En la mayoría de los servomotores los anchos de pulso son de 1 ms a 2 ms, que cuando son aplicados al servomotor generan un desplazamiento de -90° a +90° por lo que, de una manera más sencilla, el ángulo de giro está determinado por el ancho de pulso; si el ancho de pulso fuera de 1.5 ms, el motor se posicionará en la parte central del rango – a 0°-

La tarjeta electrónica dentro de la carcasa interpreta las instrucciones de un controlador externo. El código de comando especifica el ángulo de rotación deseado medido como un offset en ambos lados de la posición central del rango del motor. El motor gira rápidamente a la posición específica y se detiene en ese punto -el potenciómetro, que está acoplado al eje de salida, sirve para enviar una señal de retroalimentación que asegure la posición del motor- En tanto que la señal de comando continúe y se mantenga activado el motor, el motor se mantendrá en la misma posición, incluso si hay una fuerza que lo haga rotar y que sea menor a su torque. Si no hay alguna fuerza, el motor, que estará en una posición estacionaria, consumirá poca corriente.

Dado que muchos de los microcontroladores tienen pines asignados para usar la modulación por ancho de pulso -PWM- y pueden conseguirse fácilmente, son los elementos empleados para el control de las secuencias de pulsos para los servomotores, aunque éstos pueden ser substituidos por un temporizador 555. En otros casos, pueden emplearse tarjetas controladoras que tengan conexión USB para que por medio de ella el servo pueda ser controlado a través de la computadora.

Algunas variaciones

Los motores que contienen pueden ser con escobillas o sin escobillas -tipo brushless-, y los juegos de engranes pueden estar hechos de nylon o de metal. Por consiguiente, aquellos servomotores con motores brushless y con engranes metálicos suelen ser más costosos.

Así mismo, éstas son algunas de las características comunes en la mayoría de los servos:

  • Voltaje: frecuentemente el rango se encuentre entre los 4 y los 6 VCD.
  • Amperaje: dado que muchos de los servos pequeños están hechos para el modelado y al ser alimentados con cuatro pilas tamaño AA, la corriente demandada suele ser menor a 1 A.

Un factor a considerar en los servomotores es el tiempo de tránsito, el cual es el tiempo que requiere el servomotor para rotar 60° sin carga en el eje de salida. En los servos con torque muy alto, los tiempos de tránsito son un poco más largos porque la relación de reducción entre los engranes es más alto que en uno con menor torque.

Servomotores de rotación continua

A diferencia de los servomotores que rotan en un rango acotado, los servomotores de rotación continua son completamente diferentes porque los motores pueden girar 360° y en ellos no se puede controlar la posición ni el rango de giro del motor ya que solamente puede controlarse la velocidad y el sentido de giro.

Si se quisiera modificar un servomotor de un rango limitado para que sea de rotación continua, lo primero que debe hacerse es quitar la carcasa y, mediante una secuencia de pulsos de 1.5 ms, mover el eje para que quede posicionado en la parte central y posteriormente fijarlo para que no gire más; en caso de que el servomotor tenga elementos mecánicos que acoten el giro, éstos deben ser cortados. Ahora la pregunta es, ¿por qué debe mantenerse fijo el potenciómetro? La razón por la que el potenciómetro debe estar fijo es porque el comparador siempre detectará que el eje se mantiene en la posición central todo el tiempo, y si se manda un pulso para que gire en alguno de los dos sentidos, el motor girará por alcanzar esa posición y dado que el potenciómetro ya no proporciona la señal de retroalimentación para dicha posición, el motor seguirá girando infinitamente.

En este video encontrado en YouTube se muestra la importancia de la retroalimentación de un servomotor para el desplazamiento y posicionamiento del eje:

¿Servomotores o motores a pasos?

Esta es una pregunta que puede ser respondida con base en las necesidades que deban satisfacerse durante la etapa de diseño, entre otras consideraciones. A grandes rasgos, las diferencias entre los servomotores y los motores a pasos se muestran en la siguiente tabla:

 

Servomotores
Motores a pasos
  • Cuentan con un sistema de control con retroalimentación incluido y sencillo
  • Mayor precisión en posicionamiento
  • Rango de giro limitado
  • Usan motores de CD y sistemas de engranes para incrementar el torque
  • El ancho del pulso determina la posición angular del eje
  • No poseen sistemas de control
  • Requieren de una etapa de potencia
  • Pueden soportar mayores cargas
  • Rango de giro ilimitado
  • Usan motores que funcionan mediante la activación de las bobinas
  • Los pulsos sólo sirven para energizar las bobinas, y éstas mantienen la posición angular

 

Aquí puedes consultar un poco más acerca de los servomotores:

 Platt, Charles, Encyclopedia of Electronics Components. Power Sources & Conversion, Volume I,O'Reilly Media Inc., U.S.A., Pages 201-207.

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

Uriel Méndez

Comentarios

Uriel Méndez

Excelente explicación. en lo personal me gustaría saber mucho mas sobre el funcionamiento de un servo por medio de las señales de un encoder incremental.

Uriel Méndez

Muy buena la explicacion,es interesante el tema me gustaría saber más de los servomotores.

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