Servomotor
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El cilindro gris/verde es el motor de corriente continua de tipo escobilla . La sección negra en la parte inferior contiene el engranaje reductor planetario y el objeto negro en la parte superior del motor es el codificador rotatorio óptico para la retroalimentación de posición. Este es el actuador de dirección de un vehículo robot grande.
Un servomotor (o servomotor o simplemente servo ) [1] es un actuador rotatorio o lineal que permite un control preciso de la posición angular o lineal, la velocidad y la aceleración en un sistema mecánico . [1] [2] Constituye parte de un servomecanismo y consta de un motor adecuado acoplado a un sensor para retroalimentación de posición y un controlador (a menudo un módulo dedicado diseñado específicamente para servomotores).
Los servomotores no son una clase específica de motor, aunque el término servomotor se utiliza a menudo para referirse a un motor adecuado para su uso en un sistema de control de circuito cerrado . Los servomotores se utilizan en aplicaciones como la robótica , la maquinaria CNC y la fabricación automatizada .
Mecanismo
Un servomotor es un servomecanismo de circuito cerrado que utiliza retroalimentación de posición (ya sea lineal o rotacional) para controlar su movimiento y posición final. La entrada para su control es una señal (analógica o digital) que representa la posición deseada del eje de salida.
El motor está emparejado con algún tipo de codificador de posición para proporcionar retroalimentación de posición (y potencialmente también retroalimentación de velocidad en diseños más sofisticados). El controlador compara la posición medida con la posición deseada para generar una señal de error , que cuando se reenvía hace que el motor gire en la dirección necesaria para llevar el eje a la posición deseada. La señal de error se reduce a cero a medida que se aproxima a la posición deseada, deteniendo el motor.
Los servomotores simples utilizan detección de posición únicamente a través de un potenciómetro y control bang-bang de su motor; el motor solo gira a velocidad máxima o se detiene. Este tipo de servomotor no se usa ampliamente en el control de movimiento industrial , pero forma la base de los servos simples y económicos que se usan para los modelos controlados por radio . [3]
Los servomotores más sofisticados utilizan un codificador absoluto (un tipo de codificador rotatorio ) para calcular la posición del eje e inferir la velocidad del eje de salida. [4] Se utiliza un variador de velocidad para controlar la velocidad del motor. [5] Ambas mejoras, generalmente en combinación con un algoritmo de control PID , permiten llevar el servomotor a su posición ordenada de manera más rápida y precisa, con menos sobreimpulsos . [6]
Servomotores versus motores paso a paso
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Los servomotores se utilizan generalmente como una alternativa de alto rendimiento al motor paso a paso . Los motores paso a paso tienen cierta capacidad inherente para controlar la posición, ya que tienen pasos de salida incorporados. Esto a menudo permite que se utilicen como un control de posición de bucle abierto, sin ningún codificador de retroalimentación, ya que su señal de accionamiento especifica el número de pasos de movimiento a girar, pero para esto, el controlador necesita "conocer" la posición del motor paso a paso en el encendido. Por lo tanto, en el primer encendido, el controlador tendrá que activar el motor paso a paso y girarlo a una posición conocida, por ejemplo, hasta que active un interruptor de límite final. Esto se puede observar al encender una impresora de inyección de tinta ; el controlador moverá el portador de inyección de tinta hacia el extremo izquierdo y derecho para establecer las posiciones finales. Un servomotor puede girar inmediatamente a cualquier ángulo que el controlador le indique, independientemente de la posición inicial en el encendido si se utiliza un codificador absoluto .
La falta de retroalimentación de un motor paso a paso limita su rendimiento, ya que el motor paso a paso solo puede impulsar una carga que se encuentre dentro de su capacidad; de lo contrario, los pasos que se omiten bajo carga pueden provocar errores de posicionamiento y es posible que sea necesario reiniciar o recalibrar el sistema. El codificador y el controlador de un servomotor tienen un costo adicional, pero optimizan el rendimiento del sistema general (para toda la velocidad, potencia y precisión) en relación con la capacidad del motor básico. En sistemas más grandes, donde un motor potente representa una proporción cada vez mayor del costo del sistema, los servomotores tienen la ventaja.
En los últimos años, los motores paso a paso de bucle cerrado han ganado popularidad. [7] Actúan como servomotores, pero tienen algunas diferencias en su control de software para lograr un movimiento suave. El principal beneficio de un motor paso a paso de bucle cerrado es su costo relativamente bajo. Tampoco es necesario ajustar el controlador PID en un sistema paso a paso de bucle cerrado. [8]
Codificadores
Los primeros servomotores se desarrollaron con sincronizadores como codificadores. [9] Se trabajó mucho con estos sistemas en el desarrollo del radar y la artillería antiaérea durante la Segunda Guerra Mundial . [10]
Los servomotores simples pueden utilizar potenciómetros resistivos como codificador de posición. Estos solo se utilizan en el nivel más simple y económico y compiten estrechamente con los motores paso a paso. Sufren desgaste y ruido eléctrico en la pista del potenciómetro. Aunque sería posible diferenciar eléctricamente su señal de posición para obtener una señal de velocidad, los controladores PID que pueden utilizar dicha señal de velocidad generalmente requieren un codificador más preciso.
Los servomotores modernos utilizan codificadores rotatorios , ya sean absolutos o incrementales . Los codificadores absolutos pueden determinar su posición al encenderse, pero son más complicados y costosos. Los codificadores incrementales son más simples, más económicos y funcionan a velocidades más rápidas. Los sistemas incrementales, como los motores paso a paso, a menudo combinan su capacidad inherente para medir intervalos de rotación con un simple sensor de posición cero para establecer su posición al arrancar.
En lugar de servomotores, a veces se utiliza un motor con un codificador lineal externo separado. [11] Estos sistemas de motor + codificador lineal evitan imprecisiones en la transmisión entre el motor y el carro lineal, pero su diseño se vuelve más complicado ya que ya no son un sistema preempaquetado y fabricado en fábrica.
Motores
El tipo de motor no es crítico para un servomotor, y se pueden utilizar diferentes tipos. [12] En el caso más simple, se utilizan motores de corriente continua con imán permanente con escobillas, debido a su simplicidad y bajo costo. Los servomotores industriales pequeños suelen ser motores sin escobillas conmutados electrónicamente. [13] Para los servomotores industriales grandes, se suelen utilizar motores de inducción de CA , a menudo con variadores de frecuencia para permitir el control de su velocidad. Para obtener el máximo rendimiento en un paquete compacto, se utilizan motores de CA sin escobillas con campos de imán permanente, versiones efectivamente grandes de motores eléctricos de CC sin escobillas . [14]
Los módulos de accionamiento para servomotores son un componente industrial estándar. Su diseño es una rama de la electrónica de potencia , generalmente basada en un puente H de MOSFET o IGBT trifásico . Estos módulos estándar aceptan una sola dirección y conteo de pulsos (distancia de rotación) como entrada. También pueden incluir funciones de monitoreo de sobretemperatura, sobretorque y detección de bloqueo. [15] Como el tipo de codificador, la relación del reductor y la dinámica general del sistema son específicos de la aplicación, es más difícil producir el controlador general como un módulo listo para usar, por lo que a menudo se implementan como parte del controlador principal. [16]
Control
La mayoría de los servomotores modernos están diseñados y suministrados en torno a un módulo controlador dedicado del mismo fabricante. Los controladores también pueden desarrollarse en torno a microcontroladores para reducir los costos en aplicaciones de gran volumen. [17]
Servomotores integrados
Los servomotores integrados están diseñados para incluir el motor, el controlador, el codificador y la electrónica asociada en un solo paquete. [18] [19]
Véase también
Referencias
- ^ de Escudier, Marcel; Atkins, Tony (2019). "Un diccionario de ingeniería mecánica". doi :10.1093/acref/9780198832102.001.0001. ISBN 978-0-19-883210-2.
{{cite journal}}: Requiere citar revista|journal=( ayuda ) - ^ Sawicz, Darren. "Fundamentos de los servomotores para aficionados" (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 7 de septiembre de 2012. Consultado el 12 de octubre de 2012 .
- ^ "Serie MKD". www.wakeindustrial.com . Consultado el 1 de junio de 2024 .
- ^ Suk-Hwan Suh; Seong Kyoon Kang; Dae-Hyuk Chung; Ian Stroud (22 de agosto de 2008). Teoría y diseño de sistemas CNC. Springer Science & Business Media. pp. 11–. ISBN 978-1-84800-336-1Archivado desde el original el 21 de marzo de 2017.
- ^ Jacek F. Gieras (3 de junio de 2011). Tecnología de motores de imanes permanentes: diseño y aplicaciones, tercera edición. CRC Press. pp. 26–. ISBN 978-1-4398-5901-8Archivado desde el original el 21 de marzo de 2017.
- ^ Ralf Der; Georg Martius (11 de enero de 2012). La máquina lúdica: fundamento teórico y realización práctica de robots autoorganizados. Springer Science & Business Media. pp. 302–. ISBN 978-3-642-20253-7. Archivado desde el original el 20 de marzo de 2017.
- ^ "Servomotor vs. motor paso a paso: ¿cuál es la diferencia?". Esto vs. Aquello . Consultado el 1 de junio de 2024 .
- ^ "Motores paso a paso de circuito cerrado Fastech". Fastech Korea. Archivado desde el original el 17 de marzo de 2015.
- ^ Upson, AR; Batchelor, JH (1978) [1965]. Manual de ingeniería sincronizada . Beckenham: Muirhead Vactric Components. págs. 7, 67–90.
- ^ "Capítulo 10". Artillería y artillería naval. Vol. 1. Marina de los EE. UU., 1957. Archivado desde el original el 2 de diciembre de 2007.
- ^ "Codificadores lineales Accupoint™". Epilog Laser. Archivado desde el original el 7 de octubre de 2012.
- ^ "Cómo accionar un servomotor y sus aplicaciones industriales". Componentes CSE . Consultado el 31 de enero de 2023 .
- ^ "Núcleos de motores de corriente continua sin escobillas para servomotores". Maxon Motor. Archivado desde el original el 25 de diciembre de 2013.
- ^ "Servomotor compacto dinámico sin escobillas". Moog Inc. Archivado desde el original el 13 de octubre de 2012.
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- ^ 20240175678, Binder, Yehuda, "Método y aparato para el uso cooperativo de múltiples medidores de distancia", publicado el 30 de mayo de 2024
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- ^ Jacek F. Gieras (22 de enero de 2002). Tecnología de motores de imanes permanentes: diseño y aplicaciones, segunda edición. CRC Press. pp. 283–. ISBN 978-0-8247-4394-9Archivado desde el original el 13 de mayo de 2018.
Enlaces externos
