Un servomotor (o servomotor o simplemente servo ) [1] es un actuador giratorio o lineal que permite un control preciso de la posición, velocidad y aceleración angular o lineal 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. También requiere un controlador relativamente sofisticado, a menudo un módulo dedicado diseñado específicamente para su uso con 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 robótica , maquinaria CNC y fabricación automatizada .
Un servomotor es un servomecanismo de circuito cerrado que utiliza retroalimentación de posición para controlar su movimiento y posición final. La entrada a su control es una señal (ya sea analógica o digital) que representa la posición comandada para el eje de salida.
El motor está emparejado con algún tipo de codificador de posición para proporcionar retroalimentación de posición y velocidad. En el caso más sencillo sólo se mide la posición. La posición medida de la salida se compara con la posición de comando, la entrada externa al controlador. Si la posición de salida difiere de la requerida, se genera una señal de error que luego hace que el motor gire en cualquier dirección, según sea necesario para llevar el eje de salida a la posición adecuada. A medida que se acercan las posiciones, la señal de error se reduce a cero y el motor se detiene.
Los servomotores más simples utilizan detección de posición únicamente a través de un potenciómetro y control bang-bang de su motor; el motor siempre gira a máxima velocidad (o está parado). Este tipo de servomotor no se utiliza mucho en el control de movimiento industrial , pero constituye la base de los servos sencillos y económicos utilizados en los modelos controlados por radio .
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. [3] Se utiliza un variador de velocidad para controlar la velocidad del motor. [4] 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 sobreimpulso . [5]
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 les permite usarse 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 paso a paso. motor 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 transportador de chorro 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 momento del 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 esté dentro de su capacidad; de lo contrario, los pasos omitidos 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 (en términos de 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 coste del sistema, los servomotores tienen la ventaja.
En los últimos años, los motores paso a paso de circuito cerrado han ganado una creciente popularidad. [ cita necesaria ] Actúan como servomotores pero tienen algunas diferencias en el control de su software para lograr un movimiento suave. La principal ventaja de un motor paso a paso de circuito cerrado es su coste relativamente bajo. Tampoco es necesario ajustar el controlador PID en un sistema paso a paso de circuito cerrado. [6]
Los primeros servomotores se desarrollaron con sincronizadores como codificadores. [7] Se trabajó mucho con estos sistemas en el desarrollo de radares y artillería antiaérea durante la Segunda Guerra Mundial . [8]
Los servomotores simples pueden utilizar potenciómetros resistivos como codificador de posición. Estos sólo 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 hacer uso de dicha señal de velocidad generalmente justifican un codificador más preciso.
Los servomotores modernos utilizan codificadores rotatorios , ya sean absolutos o incrementales . Los codificadores absolutos pueden determinar su posición al encenderlos, 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 en el arranque.
En lugar de servomotores, a veces se utiliza un motor con un codificador lineal externo independiente. [9] 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 porque ya no son un sistema preempaquetado y fabricado en fábrica.
El tipo de motor no es crítico para un servomotor y se pueden usar diferentes tipos. [10] En los casos más simples, se utilizan motores CC de imanes permanentes con escobillas, debido a su simplicidad y bajo costo. Los pequeños servomotores industriales suelen ser motores sin escobillas con conmutación electrónica. [11] Para servomotores industriales grandes, normalmente se utilizan 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 magnéticos permanentes, efectivamente versiones grandes de motores eléctricos de CC sin escobillas . [12]
Los módulos de accionamiento para servomotores son un componente industrial estándar. Su diseño es una rama de la electrónica de potencia , normalmente basado en un puente trifásico MOSFET o IGBT H. Estos módulos estándar aceptan una única dirección y conteo de pulsos (distancia de rotación) como entrada. También pueden incluir funciones de monitoreo de sobretemperatura, sobrepar y detección de bloqueo. [13] 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 disponible en el mercado, por lo que a menudo se implementan como parte del controlador principal.
La mayoría de los servomotores modernos están diseñados y suministrados alrededor de un módulo controlador dedicado del mismo fabricante. También se pueden desarrollar controladores en torno a microcontroladores para reducir el costo de aplicaciones de gran volumen. [14]
Los servomotores integrados están diseñados para incluir el motor, el controlador, el codificador y la electrónica asociada en un solo paquete. [15] [16]
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