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Instituto tecnológico de Durango Instrumentación y control Actuadores (servomotores) Alejandro Cepeda Gaucin Jesus Daniel Cazares Chaidez Kevin Alejandro Palacios Rosales Carlos Brayan de Jesus Sevilla

INTRODUCCION En este documento podremos encontrar la definición de un servo motor así como el funcionamiento y las aplicaciones que tiene para la vida cotidiana, como la aplicación y el aprovechamiento de la misma para darnos un amplio conocimiento y panorama de su funcionamiento, también incluimos los actuadores mecánicos para explicar su funcionamiento y así poder hacer un trabajo de investigación detallado de con sus aplicaciones.

Actuadores (servomotores)

LOS SERVOMOTORES Definición Se podría decir que un servomotor es un motor, pero con varias características especiales. La principal propiedad es que cuenta con un sistema de realimentación (encoder), el cual le indica al servo drive (controlador del servomotor) la posición en la que se encuentra el eje del servomotor y le corrija la posición, en caso que no fuese la correcta. De este modo, puede enmendar (en tiempo real) los errores de posición, y obtener una muy alta precisión. Para tener una referencia del nivel de precisión que se puede conseguir, los servomotores de Micro pueden alcanzar una resolución de un millón doscientos ochenta mil (1.280.000) pulsos por vuelta.

El término servomotor se aplica, en general, a cualquier motor que, en un sistema de lazo cerrado, utilice una señal de realimentación para monitorear su velocidad o posición en ambas direcciones, o, en un sistema de lazo abierto, utilice un equipo digital para proporcionar las señales de comandos precisas que controlan estas variables. Los servomotores pueden ser de DC o AC, operan con bajos niveles de potencias y están diseñados para proporcionar el gobierno preciso de la posición o la velocidad de objetos en sistemas de control de movimiento. Los servomotores Dc operan en forma similar a los motores Dc de excitación independiente convenciales, excepto que sus características constructivas,

principalmente la forma del rotor, son ligeramnete diferentes con el fin de obtener un comportamiento dinámico rápido y estable, así como para de arranque importante. Pueden ser de rotor bobinado, de bobina móviles, o sin escobillas. Los servomotores AC, por su parte, operan sobre el mismo principio de los motores monofásicos de inducción o de fase dividida. al igual que estos últimos, utilizan un rotor en jaula de ardilla y dos juegos de devanados estáticos energizado por dos voltajes AC desfasados 90 º. Sin embargo, en lugar de recurrir a un condensador o una bobina para desarrollar la fase auxiliar, el servomotor AC utiliza un circuito electrónico (drive) para ejecutar esta función.

Características Además de su precisión, otra de las propiedades logrables es la capacidad de mantener un torque constante en toda su gama de revoluciones (hasta 3.000 rpm). Esta característica los diferencia de los motores asincrónicos convencionales, puesto que si quisiéramos mantener la posición en un motor común, necesitaríamos recurrir a dispositivos adicionales como ser frenos, frenos de polvo magnético, conjuntos frenos-embrague, reductores de velocidad, etcétera. En cambio, un servomotor aplicaría todo su torque disponible para conservar la posición de la carga, independiente de la velocidad de funcionamiento del servomotor, es decir, que se puede conservar la posición de la carga a cero revoluciones por minuto (0 rpm) sin la necesidad de dispositivos agregados. Esta facultad también es aplicable para mover cargas a velocidades bajas. Conjuntamente, se suma otra condición particular referida a los niveles de aceleración y desaceleración que se pueden adquirir, teniendo en cuenta que el torque es una relación entre el momento de inercia de la carga y la aceleración angular. T = I*a » T: torque (newton metro —Nm—) » I: momento de inercia (kilo-metro cuadrado —kg-m2 —) » a: aceleración angular (radián por segundo al cuadrado —rad/seg2 —) En esta relación, se logra ver que para una aceleración mayor con el mismo nivel de carga, precisaríamos más torque para poder mover la misma carga. Los servomotores soportan hasta un trescientos por ciento (300%) de sobrecarga por un determinado período de tiempo, y esto les posibilita romper la inercia con aceleraciones/desaceleraciones bruscas.

Principios de Funcionamiento Los servos disponen de tres cables: 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”). Colores de los cables de los principales fabricantes de servos. Fuente. Las señales PWM utilizadas para controlar los servos están formadas por pulsos positivos cuya duración es proporcional a la posición deseada del servo y que se repiten cada 20ms (50Hz). Todos los servos pueden funcionar correctamente en un rango de movimiento de 90º, que se corresponde con pulsos PWM comprendidos entre 0.9 y 2.1ms. 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, 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.

Funcionamiento Una de las inquietudes más frecuentes que surge al momento de hablar de servomotores es conocer la manera de controlarlos y la forma de indicarles la posición que se desea alcanzar, así como la velocidad. Para ello, existen distintos métodos de control. El más común y más utilizado (por su sencillez) es el control por pulso y frecuencia. ¿Qué implica este procedimiento? Por lo general, hablamos de milímetros, pulgadas, metros, etcétera, pero el servo drive no entiende qué significan estas magnitudes, ya que solo interpreta los pulsos que recibe y con qué velocidad los recibe (frecuencia). Supongamos que nuestro sistema mecánico avanza cien milímetros —100 mm— (por cada vuelta del motor) y el motor da una vuelta cada mil pulsos recibidos, o sea, que si le entregamos mil pulsos al servo drive, desde un controlador superior como ser un controlador lógico programable, el motor hará que la carga avance cien milímetros. Ahora bien, si precisamos que avance doscientos milímetros (200 mm), tendríamos que enviarle dos mil pulsos al servo drive. Y si requerimos que avance trescientos milímetros (300 mm), esta vez deberíamos entregarle tres mil. De este modo, estaremos controlando la posición del servomotor de una manera muy sencilla. Por otro lado, solo nos faltaría controlar la velocidad del servomotor. Esta tarea es simple, porque únicamente necesitaríamos modificar la frecuencia con la que se entregan los pulsos. Si la frecuencia con la que se generan los pulsos es mayor, la carga logrará la posición deseada rápidamente. A diferencia, si la frecuencia es menor, la carga tardará más tiempo en alcanzar la posición. Para este tipo de control, se desarrolla software que implica herramientas diferentes, para poder controlar servomotores de forma bastante sencilla. De esta manera, uno puede controlar un servomotor con tan solo una línea de programación, consiguiendo toda la precisión y velocidad que el servo puede brindar.

¿Cuándo se utiliza un servomotor? Los servomotores son considerados fundamentales en el diseño y la construcción de los robots. Son sistemas que requieren un posicionamiento mecánico preciso y controlado. Podemos verlo en campos como la automatización industrial o la creciente cirugía robótica. Con la aparición de los servomotores digitales se han conseguido grandes avances en las posibilidades de control y eficiencia. La mejora del rendimiento se produce debido a que la electrónica de control utiliza un microcontrolador para hacer todo el trabajo. Este hecho permite mandar más pulsos de control al motor aumentando la precisión de movimiento y el rendimiento. Por otro lado, también se hacen más lecturas del potenciómetro por segundo y se emplean drivers más eficaces y de reducido tamaño que permiten controlar mayor potencia con un circuito mucho más pequeño. Por si esto fuera poco, el microcontrolador incorpora la posibilidad de programar algunos parámetros como el recorrido, la posición central, la zona neutral, etc. Estos dispositivos nos permiten crear toda clase de movimientos controlados y suponen sin duda un avance importante en el desarrollo de nuevas tecnologías industriales.

Precios de los servomotores Aquí podemos demostrarle una pequeña muestra de lo que son los servomotores en uno de los mercados más populares del internet :