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Servomotor
Un servomotor industrial.
Un servomotor (también llamado servo) es un dispositivo similar a un motor decorriente continua que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de surango de operación, y mantenerse estable en dicha posición.1
Un servomotor es un motor eléctrico que consta con la capacidad de ser controlado,tanto en velocidad como en posición.
Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radio control y en robótica, pero suuso no está limitado a estos. Es posible modificar un servomotor para obtener un motorde corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conservala fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos.
Características
Está conformado por un motor, una caja reductora y un circuito de control. Un servonormal o estándar tiene 3kg por cm. de torque, lo cual es bastante fuerte para su tamaño.
También potencia proporcional para cargas mecánicas. Un servo, por consiguiente,tiene un consumo de energía reducido.
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La corriente que requiere depende del tamaño del servo. Normalmente el fabricanteindica cual es la corriente que consume. La corriente depende principalmente del par, ypuede exceder un amperio si el servo está enclavado, pero no es muy alto si el servo estálibre moviéndose todo el tiempo.
Control
Los servomotores hacen uso de la modulación por ancho de pulsos (PWM) paracontrolar la dirección o posición de los motores de corriente continua. La mayoríatrabaja en la frecuencia de los cincuenta hercios, así las señales PWM tendrán unperiodo de veinte milisegundos. La electrónica dentro del servomotor responderá alancho de la señal modulada. Si los circuitos dentro del servomotor reciben una señal deentre 0,5 a 1,4 milisegundos, este se moverá en sentido horario; entre 1,6 a 2milisegundos moverá el servomotor en sentido antihorario; 1,5 milisegundos representaun estado neutro para los servomotores estándares. A continuación se exponen ejemplos
de cada caso:
Señal de ancho de pulso modulado:
_ __ ____ ____ _
| | | | | | | | | |
| | | | | | | | | |
_________| |____| |___| |________| |_| |__________
Motor en sentido horario (ejemplo 0,7 ms):
_ _ _ _ _ _
| | | | | | | | | | | || | | | | | | | | | | |
_________| |____| |___| |________| |__| |__| |___________
Motor neutral (1,5ms):
___ ___ ___ ___ ___ ___
| | | | | | | | | | | |
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_________| |____| |___| |___| |__| |__| |_____
Motor en sentido antihorario (ejemplo 1,8ms):
______ ______ ______ ______ ______
| | | | | | | | | |
| | | | | | | | | |
_________| |____| |___| |___| |__|
|____
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Servomotor de modelismo
Servomotor.
Un servomotor de modelismo — conocido generalmente como servo o servo de
modelismo — es un dispositivo actuador que tiene la capacidad de ubicarse en cualquierposición dentro de su rango de operación, y de mantenerse estable en dicha posición.Está formado por un motor de corriente continua, una caja reductora y un circuito decontrol, y su margen de funcionamiento generalmente es de menos de una vueltacompleta.
Los servos de modelismo se utilizan frecuentemente en sistemas de radiocontrol y enrobótica, pero su uso no está limitado a estos.
Estructura interna y funcionamiento
El componente principal de un servo es un motor de corriente continua, que realiza lafunción de actuador en el dispositivo: al aplicarse un voltaje entre sus dos terminales, elmotor gira en un sentido a alta velocidad, pero produciendo un bajo par. Para aumentarel par del dispositivo, se utiliza una caja reductora, que transforma gran parte de lavelocidad de giro en torsión.
Control de posición
Artículo principal: Control proporcional
Diagrama del circuito de control implementado en un servo. La línea punteada indica un
acople mecánico, mientras que las líneas continuas indican conexión eléctrica.
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El dispositivo utiliza un circuito de control para realizar la ubicación del motor en unpunto, consistente en un controlador proporcional.
El punto de referencia o setpoint — 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 amplificador de error calcula el valor del error de posición, que es ladiferencia entre la referencia y la posición en que se encuentra el motor. Un error deposición mayor significa que hay una diferencia mayor entre el valor deseado y elexistente, 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 elmotor tendrá que rotar más lentamente. Si el servo se encuentra en la posición deseada,el error será cero, y no habrá movimiento.1
Para que el amplificador de error pueda calcular el error de posición, debe restar dosvalores de voltaje analógicos. La señal de control PWM se convierte entonces en unvalor analógico de voltaje, mediante un convertidor de ancho de pulso a voltaje. El valorde la posición del motor se obtiene usando un potenciómetro de realimentaciónacoplado mecánicamente a la caja reductora del eje del motor: cuando el motor rote, elpotenciómetro también lo hará, variando el voltaje que se introduce al amplificador deerror.2
Una vez que se ha obtenido el error de posición, éste se amplifica con una ganancia, yposteriormente se aplica a los terminales del motor.
Utilización
Ejemplos de señales de control utilizadas, y sus respectivos resultados de posición del
servo (no están a escala). La posición del servo tiene una proporción lineal con el anchodel pulso utilizado.
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Dependiendo del modelo del servo, la tensión de alimentación puede estar comprendidaentre los 4 y 8 voltios. El control de un servo se reduce a indicar su posición medianteuna señal cuadrada de voltaje: el ángulo de ubicación del motor depende de la duracióndel nivel alto de la señal.
Cada servo, dependiendo de la marca y modelo utilizado, tiene sus propios márgenes deoperación. Por ejemplo, para algunos servos los valores de tiempo de la señal en altoestán entre 1 y 2 ms, 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 posicionesse halla mediante una relación completamente lineal: el valor 1,5 ms indica la posicióncentral, y otros valores de duración del pulso dejarían al motor en la posiciónproporcional a dicha duración.3
Es sencillo notar que, para el caso del motor anteriormente mencionado, la duración del pulso alto para conseguir un ángulo de posición θ estará dado por la fórmula
donde está dado en milisegundos y en grados. Sin embargo, debe tenerse en cuentaque ningún valor — de ángulo o de duración de pulso — puede estar fuera del rango deoperación del dispositivo: en efecto, el servo tiene un límite de giro — de modo que nopuede girar más de cierto ángulo en un mismo sentido — debido a la limitación físicaque impone el potenciómetro del 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, yel servo conservará su posición y se resistirá a fuerzas externas que intenten cambiarlode posición. Si los pulsos no se envían, el servomotor quedará liberado, y cualquierfuerza externa puede cambiarlo de posición fácilmente.4
Terminales
Los servomotores tienen 3 terminales de conexión: dos para la alimentación eléctricadel circuito, y uno para la entrada de la señal de control. El voltaje de alimentacióngeneralmente es de alrededor de 6 voltios, pues aunque el motor soporta mayoresvoltajes de trabajo, el circuito de control no lo hace.3 5
El color del cable de cada terminal varía con cada fabricante, aunque el cable delterminal positivo de alimentación siempre es rojo. El cable del terminal de alimentaciónnegativo puede ser marrón o negro, y el del terminal de entrada de señal suele ser decolor blanco, naranja o amarillo.
Fabricante Voltaje positivo Tierra Señal de control
Futaba Rojo Negro Blanco
Dong Yang Rojo Marrón Naranja
Hobico Rojo Negro Amarillo
Hitec Rojo Negro Amarillo
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JR Rojo Marrón Naranja
Airtronics Rojo Negro Naranja
Fleet Rojo Negro Blanco
Krafr Rojo Negro Naranja
E-Sky Rojo Negro BlancoColores de los terminales para algunas marcas comerciales
4
Modificaciones a los servos
El potenciómetro del sistema de control del servo es un potenciómetro de menos de unavuelta, de modo que no puede dar giros completos en un mismo sentido. Para evitar queel motor pudiera dañar el potenciómetro, el fabricante del servo añade una pequeñapestaña en la caja reductora del motor, que impide que éste gire más de lo debido. Espor 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 alservo de modo que esta limitación se elimine, a costa de perder el control de posición.6
Hay dos tipos de modificación realizables. El primero es la completa eliminación delsistema de control del circuito, para conservar únicamente el motor de corrientecontinua y el sistema de engranajes reductores. Con esto se obtiene simplemente unmotor de corriente continua con caja reductora en un mismo empaquetado, útil paraaplicaciones donde no se necesite del control de posición incorporado del servo. Lasegunda modificación realizable consiste en un cambio en el sistema de control, demodo que se obtenga un sistema de control de velocidad. Para ello, se desacopla elpotenciómetro 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 dependerádirectamente del valor deseado que se ajuste (que seguirá indicándose mediante pulsosde duración variable).6 Ambos tipos de modificación requieren que se eliminefísicamente la pestaña limitadora de la caja reductora.
Servos digitales
Los servos digitales son similares a los servos convencionales (analógicos), perocuentan con ciertas ventajas como lo son un mayor par, una mayor precisión, un tiempode respuesta menor, y la posibilidad de modificar parámetros básicos de funcionamiento
— ángulos máximo y mínimo de trabajo, velocidad de respuesta, sentido de giro yposición central, entre otros — . Además de un mayor costo, tienen la desventaja de querequieren más energía para su funcionamiento, lo cual es crítico cuando se utilizan enaplicaciones que requieren el máximo ahorro de energía posible, tales como robotsrobustos o aviones radiocontrolados.3
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Introducción
Los servos son un tipo especial de motor de c.c. que se caracterizan por su capacidadpara posicionarse de forma inmediata en cualquier posición dentro de su intervalo deoperación. Para ello, el servomotor espera un tren de pulsos que se corresponde con el
movimiento a realizar. Están generalmente formados por un amplificador, un motor, unsistema reductor formado por ruedas dentadas y un circuito de realimentación, todo enun misma caja de pequeñas dimensiones. El resultado es un servo de posición con unmargen de operación de 180° aproximadamente.
Se dice que el servo es un dispositivo con un eje de rendimiento controlado ya quepuede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Contal de que exista una señal codificada en la línea de entrada, el servo mantendrá laposición angular del engranaje. Cuando la señala codificada cambia, la posición angular
de los piñones cambia. En la práctica, se usan servos para posicionar elementos decontrol como palancas, pequeños ascensores y timones. También se usan en radio-control, marionetas y, por supuesto, en robots. Los Servos son sumamente útiles en
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robótica. Los motores son pequeños. Un motor como el de las imágenes superioresposee internamente una circuitería de control y es sumamente potente para su tamaño.Un servo normal o estándar como el HS-300 de Hitec proporciona un par de 3 kg·cm a4.8 V, lo cual es bastante para su tamaño, sin consumir mucha energía. La corriente querequiere depende del tamaño del servo. Normalmente el fabricante indica cual es la
corriente que consume. Eso no significa mucho si todos los servos van a estarmoviéndose todo el tiempo. La corriente depende principalmente del par, y puedeexceder un amperio si el servo está enclavado.
Composición del servo
En la siguiente figura se muestra la composición interna de un servomotor. Se puedeobservar el motor, la circuitería de control, un juego de piñones, y la caja. También sepueden ver los 3 cables de conexión externa:
uno (rojo) es para alimentación, Vcc (~ +5volts); otro (negro) para conexión a tierra (GND); el último (blanco o amarillo) es la línea de control por la que se le envía la señal
codificada para comunicar el ángulo en el que se debe posicionar.
Sevomotor desmontado
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Detalle del tren de engranajes Detalle del circuito derealimentación
El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro conectado aleje central del motor. En la figura superior se puede observar a la derecha. Estepotenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servomotor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuitochequea que el ángulo no es correcto, el motor volverá a la dirección correcta, hastallegar al ángulo que es correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante.
Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados.Un servo normal no es mecánicamente capaz de retornar a su lugar, si hay un mayor
peso que el sugerido por las especificaciones del fabricante.
El 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. Sieste necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor girará a menor velocidad. Aesto se le denomina control proporcional.
Funcionamiento del servo. Control PWM
La modulación por anchura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation), es una de lossistemas más empleados para el control de servos. Este sistema consiste en generar unaonda cuadrada en la que se varía el tiempo que el pulso está a nivel alto, manteniendo elmismo período (normalmente), con el objetivo de modificar la posición del servo segúnse desee.
Para la generación de una onda PWM en un microcontrolador, lo más habitual es usarun timer y un comparador (interrupciones asociadas), de modo que el microcontrolador
quede libre para realizar otras tareas, y la generación de la señal sea automática y másefectiva. El mecanismo consiste en programar el timer con el ancho del pulso (elperíodo de la señal) y al comparador con el valor de duración del pulso a nivel alto.
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Cuando se produce una interrupción de overflow del timer , la subrutina de interrupcióndebe poner la señal PWM a nivel alto y cuando se produzca la interrupción delcomparador, ésta debe poner la señal PWM a nivel bajo. En la actualidad, muchosmicrocontroladores, como el 68HC08, disponen de hardware específico para realizaresta tarea, eso sí, consumiendo los recursos antes mencionados (timer y comparador).
PWM para recorrer todo el rango de operación del servo
El sistema de control de un servo se limita a indicar en que posición se debe situar. Estose lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del pulso indica elángulo de giro del motor. Cada servo tiene sus márgenes de operación, que se
corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que el servo entiende. Losvalores más generales se corresponden con pulsos de entre 1 ms y 2 ms de anchura, quedejarían al motor en ambos extremos (0º y 180º). El valor 1.5 ms indicaría la posicióncentral o neutra (90º), mientras que otros valores del pulso lo dejan en posicionesintermedias. Estos valores suelen ser los recomendados, sin embargo, es posibleemplear pulsos menores de 1 ms o mayores de 2 ms, pudiéndose conseguir ángulosmayores de 180°. Si se sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comenzaráa emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. El factorlimitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos constructivos.
El período entre pulso y pulso (tiempo de OFF) no es crítico, e incluso puede ser
distinto entre uno y otro pulso. Se suelen emplear valores ~ 20 ms (entre 10 ms y 30ms). Si el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo, puede interferir con latemporización interna del servo, causando un zumbido, y la vibración del eje de salida.Si es mayor que el máximo, entonces el servo pasará a estado dormido entre pulsos.Esto provoca que se mueva con intervalos pequeños.
Es importante destacar que para que un servo se mantenga en la misma posición duranteun cierto tiempo, es necesario enviarle continuamente el pulso correspondiente. De estemodo, si existe alguna fuerza que le obligue a abandonar esta posición, intentaráresistirse. Si se deja de enviar pulsos (o el intervalo entre pulsos es mayor que elmáximo) entonces el servo perderá fuerza y dejará de intentar mantener su posición, de
modo que cualquier fuerza externa podría desplazarlo.
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Tren de pulsos para control del servo
Otra posibilidad de pulsos de control
Observaciones:
Lo que hacen algunos es quitar el tope mecánico que llevan las reductoras enalguna corona y cambiar el potenciómetro (que aquí actúa como sensor paraindicar la posición en la que está el motor) por un par de resistencias fijas para"engañar" a la electrónica haciéndole ver que no ha alcanzado aún la posicióndeseada, con lo que el pobre motor, siguiendo esa consigna, gira y giraintentando llegar a la posición, que no se da cuenta que alcanza. Se supone (esque esto no lo he probado) que el control que llevan los servos está preparado detal manera que cuando se determina llegar a una posición cercana la velocidad esbaja. Por el contrario, si se indica una posición que queda lejos de la actual, lohace más rápidamente. Así puedes "ajustar" la velocidad de los motores.
Otra de las grandes utilidades del PWM es la de gestionar la velocidad decualquier tipo de motor, sin ningún tipo de electrónica, (salvo para la etapa depotencia, que se puede utilizar algún transistor MOSFET de potencia, como el
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BUK10 ó el BUK11, con los que podemos controlar poniendo la salida delmicro, directamente a la puerta del MOSFET. Ambos TRT gestionan mas de 20Amperios, con unas resistencias de canal de 0.03. Para mejorar el rendimiento secoloca una resistencia entre el surtidor y la puerta de 1K, para descargar la cargaparásita). El principio es el siguiente, si tu alimentas un motor con una señal de
pulsos de suficiente frecuencia, el motor no nota las variaciones (actúa como unfiltro) y saca un giro constante. La gracia, es que variando el % de tiempo de laseñal rectangular en alta, y en baja, variamos la potencia que le entregamos almotor, con lo que controlamos la velocidad de giro con mucha precisión. Nota:Si el micro lo permite, a mayor frecuencia de PWM, mejor rendimiento saca elmotor.
Circuito driver del Servo
La que se proporciona aquí es una versión. Puede usarse para jugar con servos, paraverificar que funcionan, o para conectarle servos a un Robot. Lo primero para estemontaje es encontrar los pulsos requeridos con un osciloscopio para programarlo en unmicrocontrolador.
Se usa un integrado "Timer" 555. El nombre usual es NE555 o LM555, pero casi todosfabricantes de IC´s lo han hecho. A veces también es listado como 7555. Este circuito seencuentra en las hojas de datos de los manuales ECG, National, Motorola u otros, conlos valores de resistencias/condensadores calculados con las fórmulas precisas. La únicadiferencia es la presencia del potenciómetro P1, que cambia el tiempo cuando se gira..
La señal de salida del 555 (pin3) tiene polaridad opuesta. Para invertirla, es necesario eltransistor. Éste se conecta en configuración "colector común" y se usa en modo de
saturación. Se podría usar cualquier transistor npn de baja señal para trabajar sinproblemas (por ejemplo, un C1959Y).
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