Motor servo: Definició, principi de funcionament i aplicacions
Servomotor: Definició, principi de funcionament i aplicacions
Aprenentatges clau:
Definició de servomotor: Un servomotor es defineix com un motor elèctric que proporciona un control precís de la posició angular o lineal, velocitat i parell mitjançant un sistema de retroalimentació en bucle tancat.
Sistemes de control: El servomotor utilitza sistemes de control avançats com PID i lògica difusa per ajustar el moviment segons les senyals d'entrada i retroalimentació per a un rendiment òptim.
Tipus de motors: Diferents tipus inclouen servomotors AC i DC, amb subtipus com sincrònics, asincrònics, amb escovines i sense escovines, cadascun adaptat per a aplicacions específiques.
Mecanismes de retroalimentació: L'ús eficient de sensors com potenciómetres i codificadors ajuda al monitoratge i ajusts precisos de les posicions, velocitats o parells del motor.
Visió general de les aplicacions: Els servomotors són crucials en àmbits de alta precisió com la robòtica, maquinària CNC i fabricació automatitzada, gràcies a la seva capacitat per gestionar moviments i tasques complexes.
Un servomotor es defineix com un motor elèctric que permet un control precís de la posició angular o lineal, velocitat i parell. Consisteix en un motor adequat acoblado a un sensor per a la retroalimentació de la posició i un controlador que regula el moviment del motor segons un punt de referència desitjat.
Els servomotors són essencials en indústries com la robòtica, maquinària CNC i fabricació automatitzada degut a la seva precisió, resposta ràpida i moviment fluid.
En aquest article, explicarem la teoria bàsica dels servomotors, com funcionen, com són controlats i quines són algunes de les seves aplicacions més comunes.
Què és un servomotor?
Introducció al servomotor: Un servomotor és un motor elèctric que ajusta la seva posició, velocitat o parell en resposta a les entrades del controlador.
El terme servomotor prové de la paraula llatina "servus", que significa servidor o esclau. Això reflecteix l'ús històric dels servomotors com a propulsors auxiliars que assisteixen el sistema de propulsió principal.
No obstant això, els servomotors moderns són capaços de proporcionar un rendiment i precisió alts com a propulsors principals en diverses aplicacions.
Un servomotor consta de tres components principals:
Un motor: Aquest pot ser un motor DC o AC, depenent de la font d'energia i els requisits de l'aplicació. El motor proporciona la potència mecànica per girar o moure el cardan de sortida.
Un sensor: Aquest pot ser un potenciómetre, un codificador, un resolutor o un altre dispositiu que mesura la posició, velocitat o parell del cardan de sortida i envia senyals de retroalimentació al controlador.
Un controlador: Aquest pot ser un circuit analògic o digital que compara els senyals de retroalimentació del sensor amb els senyals de punt de referència desitjat d'una font externa (com un ordinador o un joystick) i genera senyals de control per ajustar el voltatge o corrent del motor en conseqüència.
El controlador utilitza un sistema de retroalimentació en bucle tancat, ajustant el moviment del motor per alinejar-se estrictament amb el punt de referència desitjat, mantenint una precisió estricte.
El controlador també pot implementar diversos algoritmes de control, com el control proporcional-integral-derivatiu (PID), el control de lògica difusa, el control adaptatiu, etc., per optimitzar el rendiment del servomotor.
Com funciona un servomotor?
El principi de funcionament bàsic d'un servomotor implica que el controlador rep dos tipus de senyals d'entrada:
Un senyal de punt de referència: Aquest és un senyal analògic o digital que representa la posició, velocitat o parell desitjat del cardan de sortida.
Un senyal de retroalimentació: Aquest és un senyal analògic o digital que representa la posició, velocitat o parell real del cardan de sortida mesurat pel sensor.
El controlador compara aquests dos senyals i calcula un senyal d'error que representa la diferència entre ells.
El senyal d'error es processa llavors per un algoritme de control (com el PID) que genera un senyal de control que determina quant de voltatge o corrent s'ha d'aplicar al motor.
El senyal de control s'envia a un amplificador de potència (com un pont H) que el converteix en un nivell de voltatge o corrent adequat per a propulsar el motor.
El motor llavors gira o es mou segons el senyal de control i canvia la seva posició, velocitat o parell, i envia un nou senyal de retroalimentació al controlador.
El procés es repeteix fins que el senyal d'error esdevingui zero o negligible, indicant que el cardan de sortida ha arribat al punt de referència desitjat.
Tipus de servomotors
Els servomotors es poden classificar en diferents tipus basant-se en la font d'energia, la construcció, el mecanisme de retroalimentació i l'aplicació.
Servomotors AC
Els servomotors AC són motors elèctrics que operen amb corrent alternada (AC). Tenen un estator que genera un camp magnètic rotatori i un rotor que segueix aquest camp.
Els servomotors AC, alimentats amb corrent alternada, tenen un estator que crea un camp magnètic rotatori, amb un rotor que es sincronitza amb aquest camp per a una operació eficient.
Els servomotors AC es poden dividir en dos tipus: sincrònics i asincrònics.
Els servomotors AC sincrònics tenen un rotor de magnet permanent que gira a la mateixa velocitat que el camp de l'estator. Són més eficients, precisos i responsius que els motors asincrònics, però requereixen un controlador més complex i un sensor de posició.
Els servomotors AC asincrònics tenen un rotor bobinat que induix una corrent i un camp magnètic que queda enrere respecte al camp de l'estator. Són més simples, més econòmics i més robusts que els motors sincrònics, però tenen una menor eficiència, precisió i velocitat.
Els servomotors AC són adequats per a aplicacions de alta potència que requereixen alta velocitat, parell i fiabilitat. Es fan servir habitualment en màquines industrials, robòtica, màquines CNC, etc.
Servomotors DC
Els servomotors DC són motors elèctrics que operen amb corrent contínua (DC). Tenen un estator de magnet permanent que genera un camp magnètic fix i un rotor bobinat que gira quan es li aplica una corrent.
Els servomotors DC es poden dividir en dos tipus: amb escovines i sense escovines.
Els servomotors DC amb escovines tenen un commutador i escovines que canvien la direcció de la corrent en les bobines del rotor. Són simples, econòmics i fàcils de controlar, però tenen una menor eficiència, vida útil i velocitat degut a la fricció i desgast de les escovines.
Els servomotors DC sense escovines tenen un controlador electrònic que canvia la direcció de la corrent en les bobines de l'estator. Són més eficients, duradurs i ràpids que els motors amb escovines, però requereixen un controlador més sofisticat i un sensor de posició.
Els servomotors DC són adequats per a aplicacions de baixa potència que requereixen alta precisió, resposta ràpida i moviment suau. Es fan servir habitualment en projectes d'afició, cotxes de jugueta, reproductors de CD/DVD, etc.
Servomotors lineals
Els servomotors lineals són motors elèctrics que produeixen moviment lineal en lloc de rotatori. Tenen una part estacionària anomenada forcer o primària que conté bobines o magnets, i una part mòbil anomenada platen o secundària que conté magnets o nuclis de ferro.
Els servomotors lineals es poden dividir en dos tipus: amb nucli de ferro i sense nucli de ferro.
Els servomotors lineals amb nucli de ferro tenen nuclis de ferro en el platen que interaccionen amb el camp magnètic del forcer. Tienen alta densitat de força, rigidesa i precisió, però també tenen alta força de cogging, pes i generació de calor.
Els servomotors lineals sense nucli de ferro no tenen nuclis de ferro en el platen, només magnets. Tienen baixa força de cogging, pes i generació de calor, però també tenen baixa densitat de força, rigidesa i precisió.
Els servomotors lineals són adequats per a aplicacions que requereixen alta velocitat, acceleració i precisió a llargues distàncies. Es fan servir habitualment en la fabricació de semiconductors, metrologia, tall amb llaser, etc.
Com controlar un servomotor?
El control d'un servomotor depèn del tipus de motor, el mecanisme de retroalimentació i els requisits de l'aplicació.
Generalment, hi ha dos tipus de senyals de control que es poden utilitzar per controlar un servomotor: analògics i digitals.
Els senyals de control analògics són senyals de voltatge o corrent continus que varien proporcionalment al punt de referència desitjat. Es fan servir habitualment per a sistemes de servomotor simples o de baix cost que no requereixen alta precisió o resolució. Per exemple, un potenciómetre es pot utilitzar per generar un senyal de control analògic per a un servomotor d'afició.
Els senyals de control digitals són pulsos discrets o bits que representen el punt de referència desitjat en forma codificada. Es fan servir habitualment per a sistemes de servomotor complexos o de alt rendiment que requereixen alta precisió, resolució o comunicació. Per exemple, un senyal de modulació de l'amplada de puls (PWM) es pot utilitzar per generar un senyal de control digital per a un servomotor DC sense escovines.
El controlador d'un servomotor pot ser un dispositiu extern o un circuit integrat dins del motor. El controlador rep els senyals de control d'una font externa (com un ordinador o un joystick) i els senyals de retroalimentació del sensor, i genera els senyals de control adequats per a propulsar el motor.
El controlador també pot implementar diversos algoritmes de control per optimitzar el rendiment del servomotor. Alguns dels algoritmes de control més comuns són:
Control proporcional-integral-derivatiu (PID): Aquest és un algoritme de control basat en retroalimentació que ajusta el senyal de control basant-se en els termes proporcional, integral i derivatiu del senyal d'error. Es fa servir amplament per a sistemes de servomotor que requereixen una resposta ràpida i precisa.
Control de lògica difusa: Aquest és un algoritme de control basat en regles que ajusta el senyal de control basant-se en conjunts difusos i variables lingüístiques. És útil per a sistemes de servomotor que tracten amb incertesa o no linearitats.
Control adaptatiu: Aquest és un algoritme de control d'autotuning que ajusta els paràmetres de control basant-se en les condicions que canvien del sistema de servomotor. És beneficiós per a sistemes de servomotor que es troben amb pertorbacions o variacions.
Aplicacions dels servomotors
Els servomotors tenen una gran varietat d'aplicacions en diversos camps i indústries. Algunes de les aplicacions més comunes són:
Robòtica: Els servomotors s'utilitzen per proporcionar un moviment i força precisos per a braços, cames, articulacions, prensadors, etc. de robots. Permiten als robots realitzar tasques com agafar, col·locar, soldar, ensamblar, etc.
Maquinària CNC: Els servomotors s'utilitzen per propulsar els eixos de màquines CNC com torns, fresadores, routers, etc. Permeten a les màquines CNC realitzar operacions de maquinatge precises i complexes com tallar, perforar, gravar, etc.
Fabricació automatitzada: Els servomotors s'utilitzen per controlar el moviment i la posició de diversos components i dispositius en sistemes de fabricació automatitzada, com cintes transportadores, alimentadors, carregadors, descarregadors, etc. Permeten als sistemes de fabricació automatitzada assolir una alta productivitat i qualitat.
Equips mèdics: Els servomotors s'utilitzen per operar diversos dispositius i instruments mèdics com robots quirúrgics, escàners, bombes, ventiladors, etc. Permeten als equips mèdics realitzar operacions i tractaments precisos i segurs.
Conclusió
En aquest article, hem après sobre la definició, el principi de funcionament, els tipus, el control i les aplicacions dels servomotors.
Hem vist que els servomotors són motors elèctrics que permeten un control precís de la posició angular o lineal, velocitat i parell. Consisteixen en un motor, un sensor i un controlador que formen un sistema de retroalimentació en bucle tancat.
També hem vist que els servomotors es poden classificar en diferents tipus basant-se en la font d'energia, la construcció, el mecanisme de retroalimentació i l'aplicació. Alguns dels tipus més comuns són els servomotors AC, DC i lineals.
Hem vist també que els servomotors es poden controlar amb senyals analògics o digitals que representen el punt de referència desitjat. El controlador també pot implementar diversos algoritmes de control per optimitzar el rendiment del servomotor.
Hem vist també que els servomotors tenen una gran varietat d'aplicacions en diversos camps i indústries, com la robòtica, maquinària CNC, fabricació automatitzada, equips mèdics, etc.
Esperem que aquest article hagi estat informatiu i útil per a vosaltres. Si teniu qualsevol pregunta o comentari, no dubteu a compartir-los amb nosaltres. Gràcies per llegir!
