En ingeniería mecánica y de control , un servomecanismo (también llamado servosistema , o simplemente servo ) es un sistema de control de la posición y sus derivadas en el tiempo , como la velocidad , de un sistema mecánico . A menudo incluye un servomotor y utiliza control de circuito cerrado para reducir el error en estado estable y mejorar la respuesta dinámica. [1] En el control de circuito cerrado, se utiliza retroalimentación negativa de detección de errores para corregir la acción del mecanismo. [2] En aplicaciones con control de 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 llama servoing , [4] donde "servo" se usa como verbo . El prefijo servo proviene de la palabra latina servus que significa esclavo. [1]
El término se aplica correctamente sólo a sistemas donde las señales de retroalimentación o corrección de errores ayudan a controlar la posición mecánica, la velocidad, la actitud o cualquier otra variable mensurable. [5] Por ejemplo, el control de una ventana eléctrica de un automóvil no es un servomecanismo, ya que no hay retroalimentación automática que controle la posición; el operador lo hace mediante observación. Por el contrario, el control de crucero de un automóvil utiliza retroalimentación de circuito 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 . Operan 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 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 del control . Los servos típicos pueden dar una salida rotativa (angular) o lineal.
El control de velocidad mediante un gobernador es otro tipo de servomecanismo. La máquina de vapor utiliza gobernadores 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 en las maniobras de los aviones. Los controles de combustible para motores de turbina de gas emplean gobierno hidromecánico o electrónico.
Los servomecanismos de posicionamiento se utilizaron por primera vez en equipos militares de control de incendios y de navegación marítima . Hoy en día, los servomecanismos se utilizan en máquinas herramienta automáticas , antenas de seguimiento de satélites, aviones de control remoto, sistemas de navegación automática en barcos y aviones y sistemas de control de armas antiaéreas . Otros ejemplos son los sistemas de vuelo por cable 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 servosistema 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 generalmente de velocidad, 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 la gama alta se encuentran los componentes industriales de precisión que utilizan un codificador rotatorio. En el extremo inferior se encuentran los servos de control de radio (servos RC) económicos que se utilizan en modelos controlados por radio que utilizan un motor de funcionamiento libre y un sensor de posición de potenciómetro simple con un controlador integrado. El término servomotor generalmente se refiere a un componente industrial de alta gama, mientras que el término servo se usa 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 usa en bucle abierto sin retroalimentación. Generalmente se utilizan para aplicaciones de precisión media. [6]
Los servos RC se utilizan para accionar varios 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, confiabilidad y simplicidad de control mediante microprocesadores, a menudo se utilizan en aplicaciones de robótica a pequeña escala . Un receptor RC estándar (o un microcontrolador) envía señales de modulación de 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 alimenta hasta que el potenciómetro alcanza el valor correspondiente a la posición ordenada.
El regulador de la máquina de vapor de James Watt generalmente se considera el primer sistema de retroalimentación motorizado. La cola de milano del 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 con retroalimentación fue el motor de dirección del barco , utilizado para posicionar el timón de los barcos grandes en función de la posición del timón del barco. 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 elaborados mecanismos entre la sala de control y el motor. [8] Los motores de dirección de 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 a cero. El mecanismo de inversión de potencia Ragonnet era un servoamplificador de uso general accionado por aire o vapor para movimiento lineal patentado en 1909. [9]
Los servomecanismos eléctricos se utilizaron ya en 1888 en el Telautógrafo de Elisha Gray .
Los servomecanismos eléctricos requieren un amplificador de potencia. La Segunda Guerra Mundial vio el desarrollo de servomecanismos eléctricos de control de incendios , utilizando un amplidino como amplificador de potencia. Se utilizaron amplificadores de válvulas de vacío en la unidad de cinta UNISERVO para la computadora UNIVAC I. La Royal Navy comenzó a experimentar con el control remoto de energía ( RPC ) en el HMS Champion en 1928 y comenzó a utilizar RPC para controlar los reflectores a principios de la década de 1930. Durante la Segunda Guerra Mundial, el RPC se utilizó para controlar los soportes y directores de armas.
Los servomecanismos modernos utilizan amplificadores de potencia de estado sólido, generalmente construidos a partir de dispositivos MOSFET o tiristores . Los servos pequeños pueden utilizar transistores de potencia .
Se cree que el origen de la palabra proviene del francés " Le Servomoteur " o esclavomotor, utilizado por primera vez por JJL Farcot en 1868 para describir motores hidráulicos y de vapor utilizados en la dirección de barcos. [10]
El tipo más simple de servos utiliza el control bang-bang . Los sistemas de control más complejos utilizan control proporcional, control PID y control de espacio de estados, que se estudian en la teoría de control moderna .
Los servos se pueden clasificar mediante sus sistemas de control de retroalimentación: [11]
El ancho de banda del servo indica la capacidad del servo para seguir cambios rápidos en la entrada ordenada.
