Servomecanismo

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En ingeniería mecánica y de control , un servomecanismo (también llamado sistema servo o simplemente servo ) es un sistema de control para la posición y sus derivadas temporales , como la velocidad , de un sistema mecánico . A menudo incluye un servomotor y utiliza un control de bucle cerrado para reducir el error de estado estable y mejorar la respuesta dinámica. ^[1] En el control de bucle cerrado, se utiliza una retroalimentación negativa de detección de errores para corregir la acción del mecanismo. ^{[2] En aplicaciones controladas por desplazamiento, generalmente incluye un} codificador incorporado u otro mecanismo de retroalimentación de posición para garantizar que la salida logre el efecto deseado. ^[3] Seguir una trayectoria de movimiento específica se denomina servo , ^[4] donde "servo" se usa como verbo . El prefijo servo se origina de la palabra latina servus que significa esclavo. ^[1]

El término se aplica correctamente solo a sistemas en los que las señales de retroalimentación o corrección de errores ayudan a controlar la posición mecánica, la velocidad, la actitud o cualquier otra variable medible. ^[5] Por ejemplo, el control de elevalunas eléctrico de un automóvil no es un servomecanismo, ya que no hay una retroalimentación automática que controle la posición; el operador lo hace mediante la observación. Por el contrario, el control de crucero de un automóvil utiliza retroalimentación de bucle cerrado, lo que lo clasifica como un servomecanismo.

Un tipo común de servo proporciona control de posición . Comúnmente, los servos son eléctricos , hidráulicos o neumáticos . Funcionan según el principio de retroalimentación negativa, donde la entrada de control se compara con la posición real del sistema mecánico medida por algún tipo de transductor en la salida. Cualquier diferencia entre los valores reales y deseados (una "señal de error") se amplifica (y se convierte) y se utiliza para impulsar el sistema en la dirección necesaria para reducir o eliminar el error. Este procedimiento es una aplicación ampliamente utilizada de la teoría de control . Los servos típicos pueden dar una salida rotatoria (angular) o lineal.

El control de velocidad mediante un regulador es otro tipo de servomecanismo. La máquina de vapor utiliza reguladores mecánicos; otra aplicación temprana fue controlar la velocidad de las ruedas hidráulicas . Antes de la Segunda Guerra Mundial, se desarrolló la hélice de velocidad constante para controlar la velocidad del motor para maniobrar aviones. Los controles de combustible para motores de turbina de gas emplean un control hidromecánico o electrónico.

Los servomecanismos de posicionamiento se utilizaron por primera vez en equipos de control de fuego militar y de navegación marítima . Hoy en día, los servomecanismos se utilizan en máquinas herramienta automáticas , antenas de seguimiento por satélite, aviones de control remoto, sistemas de navegación automática en barcos y aviones y sistemas de control de cañones antiaéreos . Otros ejemplos son los sistemas fly-by-wire en aeronaves que utilizan servos para accionar las superficies de control de la aeronave y los modelos controlados por radio que utilizan servos RC para el mismo propósito. Muchas cámaras con enfoque automático también utilizan un servomecanismo para mover la lente con precisión. Una unidad de disco duro tiene un sistema servo magnético con precisión de posicionamiento submicrométrica. En las máquinas industriales, los servos se utilizan para realizar movimientos complejos, en muchas aplicaciones.

Un servomotor es un tipo específico de motor que se combina con un codificador rotatorio o un potenciómetro para formar un servomecanismo. Este conjunto puede a su vez formar parte de otro servomecanismo. Un potenciómetro proporciona una señal analógica simple para indicar la posición, mientras que un codificador proporciona retroalimentación de posición y, por lo general, de velocidad, lo que mediante el uso de un controlador PID permite un control más preciso de la posición y, por lo tanto, un logro más rápido de una posición estable (para una potencia de motor determinada). Los potenciómetros están sujetos a deriva cuando cambia la temperatura, mientras que los codificadores son más estables y precisos.

Los servomotores se utilizan tanto para aplicaciones de gama alta como de gama baja. En el extremo superior se encuentran los componentes industriales de precisión que utilizan un codificador rotatorio. En el extremo inferior se encuentran los servos de control por radio económicos (servos RC) utilizados en modelos controlados por radio que utilizan un motor de marcha libre y un sensor de posición de potenciómetro simple con un controlador incorporado. El término servomotor generalmente se refiere a un componente industrial de gama alta, mientras que el término servo se utiliza con mayor frecuencia para describir los dispositivos económicos que emplean un potenciómetro. Los motores paso a paso no se consideran servomotores, aunque también se utilizan para construir servomecanismos más grandes. Los motores paso a paso tienen un posicionamiento angular inherente, debido a su construcción, y esto generalmente se utiliza en forma de bucle abierto sin retroalimentación. Generalmente se utilizan para aplicaciones de precisión media. ^[6]

Los servos RC se utilizan para proporcionar accionamiento a diversos sistemas mecánicos, como la dirección de un automóvil, las superficies de control de un avión o el timón de un barco. Debido a su asequibilidad, fiabilidad y simplicidad de control por microprocesadores, se utilizan a menudo en aplicaciones de robótica a pequeña escala . Un receptor RC estándar (o un microcontrolador) envía señales de modulación por ancho de pulso (PWM) al servo. La electrónica dentro del servo traduce el ancho del pulso en una posición. Cuando se ordena al servo que gire, el motor se activa hasta que el potenciómetro alcanza el valor correspondiente a la posición ordenada.

El regulador de la máquina de vapor de James Watt se considera generalmente el primer sistema de retroalimentación motorizado. El ventilador de cola de milano de un molino de viento es un ejemplo anterior de control automático, pero como no tiene amplificador ni ganancia , no suele considerarse un servomecanismo.

El primer dispositivo de control de posición por retroalimentación fue el motor de dirección de barco , utilizado para posicionar el timón de grandes barcos en función de la posición del timón. John McFarlane Gray fue un pionero. Su diseño patentado se utilizó en el SS Great Eastern en 1866. Joseph Farcot puede merecer el mismo crédito por el concepto de retroalimentación, con varias patentes entre 1862 y 1868. ^[7]

El telemotor fue inventado alrededor de 1872 por Andrew Betts Brown , lo que permitió simplificar enormemente los mecanismos elaborados entre la sala de control y el motor. ^[8] Los motores de dirección a vapor tenían las características de un servomecanismo moderno: una entrada, una salida, una señal de error y un medio para amplificar la señal de error utilizada para la retroalimentación negativa para llevar el error hacia cero. El mecanismo de reversión de potencia Ragonnet era un servoamplificador de propósito general alimentado por aire o vapor para movimiento lineal patentado en 1909. ^[9]

Los servomecanismos eléctricos se utilizaron ya en 1888 en el Telautograph de Elisha Gray .

Los servomecanismos eléctricos requieren un amplificador de potencia. La Segunda Guerra Mundial fue testigo del desarrollo de servomecanismos eléctricos de control de fuego , utilizando un amplidyne como amplificador de potencia. Los amplificadores de tubo de vacío se utilizaron en la unidad de cinta UNISERVO para la computadora UNIVAC I. La Marina Real comenzó a experimentar con el Control Remoto de Potencia ( RPC ) en el HMS Champion en 1928 y comenzó a utilizar el RPC para controlar los reflectores a principios de la década de 1930. Durante la Segunda Guerra Mundial, el RPC se utilizó para controlar los montajes de los cañones y los directores de los cañones.

Los servomecanismos modernos utilizan amplificadores de potencia de estado sólido, generalmente fabricados a partir de dispositivos MOSFET o tiristores . Los servomotores pequeños pueden utilizar transistores de potencia .

Se cree que el origen de la palabra proviene del francés " Le Servomoteur " o motor esclavo, utilizado por primera vez por JJL Farcot en 1868 para describir los motores hidráulicos y de vapor para su uso en la dirección de barcos. ^[10]

Los servos más simples utilizan el control bang-bang . Los sistemas de control más complejos utilizan el control proporcional, el control PID y el control de espacio de estados, que se estudian en la teoría de control moderna .

Los servos se pueden clasificar según sus sistemas de control de retroalimentación: ^[11]

• servos tipo 0: en condiciones de estado estable producen un valor constante de la salida con una señal de error constante;
• servos tipo 1: en condiciones de estado estable producen un valor constante de la salida con señal de error nula, pero una tasa constante de cambio de la referencia implica un error constante en el seguimiento de la referencia;
• Servos tipo 2: en condiciones de estado estable, producen un valor constante de la salida con señal de error nula. Una tasa constante de cambio de la referencia implica un error nulo en el seguimiento de la referencia. Una tasa constante de aceleración de la referencia implica un error constante en el seguimiento de la referencia.

El ancho de banda del servo indica la capacidad del servo para seguir cambios rápidos en la entrada ordenada.

• Motor de potencia fraccionaria
• Control de movimiento  : campo de la automatización que estudia cómo mover con precisión partes de máquinas.
• Control servo  – Aspecto del funcionamiento de un servo
• Sincro  – Transformadores variables utilizados en sistemas de control

• Bennett, S. (1993). Una historia de la ingeniería de control 1930–1955 . Londres: Peter Peregrinus Ltd. En nombre de la Institución de Ingenieros Eléctricos. ISBN 0-86341-280-7.
• Hsue-Shen Tsien (1954) Ingeniería cibernética, McGraw Hill , enlace desde HathiTrust

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Servos .

• Ontario News, "pionero en tecnología servo"
• Definición de "servo-loop" de Rane Pro Audio Reference
• "¿Qué es un servo?" de la Sociedad de Robótica de Seattle Archivado el 11 de julio de 2007 en Wayback Machine
• "diferentes tipos de servomotores"