Motor servo: Definición, principio de funcionamiento y aplicaciones
Motor servo: Definición, principio de funcionamiento y aplicaciones
Aprendizajes clave:
Definición del motor servo: Un motor servo se define como un motor eléctrico que proporciona un control preciso de la posición angular o lineal, la velocidad y el par mediante un sistema de retroalimentación en bucle cerrado.
Sistemas de control: El motor servo utiliza sistemas de control avanzados como PID y lógica difusa para ajustar el movimiento según las señales de entrada y retroalimentación para un rendimiento óptimo.
Tipos de motores: Existen diferentes tipos, incluyendo motores servo de corriente alterna (CA) y corriente continua (CC), con subtipos como síncronos, asíncronos, con cepillo y sin cepillo, cada uno adaptado para aplicaciones específicas.
Mecanismo de retroalimentación: El uso eficaz de sensores como potenciómetros y codificadores ayuda a un monitoreo y ajuste precisos de las posiciones, velocidades o pares del motor.
Insights sobre aplicaciones: Los motores servo son cruciales en campos de alta precisión como la robótica, las máquinas CNC y la fabricación automatizada, debido a su capacidad para manejar movimientos y tareas complejas.
Un motor servo se define como un motor eléctrico que permite un control preciso de la posición angular o lineal, la velocidad y el par. Consiste en un motor adecuado acoplado a un sensor para retroalimentación de posición y un controlador que regula el movimiento del motor según un punto de seteo deseado.
Los motores servo son esenciales en industrias como la robótica, las máquinas CNC y la fabricación automatizada debido a su precisión, respuesta rápida y movimiento fluido.
En este artículo, explicaremos la teoría básica de los motores servo, cómo funcionan, cómo se controlan y cuáles son algunas de sus aplicaciones comunes.
¿Qué es un motor servo?
Introducción al motor servo: Un motor servo es un motor eléctrico que ajusta su posición, velocidad o par en respuesta a las entradas del controlador.
El término servo proviene de la palabra latina servus, que significa sirviente o esclavo. Esto refleja el uso histórico de los motores servo como unidades auxiliares que asisten al sistema de accionamiento principal.
Sin embargo, los motores servo modernos son capaces de proporcionar un alto rendimiento y precisión como unidades principales en diversas aplicaciones.
Un motor servo consta de tres componentes principales:
Un motor: Puede ser un motor de corriente continua (CC) o de corriente alterna (CA) dependiendo de la fuente de alimentación y los requisitos de la aplicación. El motor proporciona la potencia mecánica para rotar o mover el eje de salida.
Un sensor: Puede ser un potenciómetro, un codificador, un resolutor u otro dispositivo que mide la posición, velocidad o par del eje de salida y envía señales de retroalimentación al controlador.
Un controlador: Puede ser un circuito analógico o digital que compara las señales de retroalimentación del sensor con las señales de setpoint deseadas de una fuente externa (como un ordenador o un joystick) y genera señales de control para ajustar el voltaje o la corriente del motor en consecuencia.
El controlador emplea un sistema de retroalimentación en bucle cerrado, ajustando el movimiento del motor para alinearse estrechamente con el setpoint deseado, manteniendo una precisión estricta.
El controlador también puede implementar varios algoritmos de control, como el control proporcional-integral-derivativo (PID), el control difuso, el control adaptable, etc., para optimizar el rendimiento del motor servo.
¿Cómo funciona un motor servo?
El principio básico de funcionamiento de un motor servo implica que el controlador recibe dos tipos de señales de entrada:
Una señal de setpoint: Esta es una señal analógica o digital que representa la posición, velocidad o par deseados del eje de salida.
Una señal de retroalimentación: Esta es una señal analógica o digital que representa la posición, velocidad o par reales del eje de salida medidos por el sensor.
El controlador compara estas dos señales y calcula una señal de error que representa la diferencia entre ellas.
La señal de error se procesa luego mediante un algoritmo de control (como PID) que genera una señal de control que determina cuánto voltaje o corriente debe aplicarse al motor.
La señal de control se envía a un amplificador de potencia (como un puente H) que la convierte en un nivel de voltaje o corriente adecuado para accionar el motor.
El motor entonces rota o se mueve según la señal de control y cambia su posición, velocidad o par, y envía una nueva señal de retroalimentación al controlador.
El proceso se repite hasta que la señal de error se vuelve cero o insignificante, indicando que el eje de salida ha alcanzado el setpoint deseado.
Tipos de motores servo
Los motores servo pueden clasificarse en diferentes tipos según su fuente de alimentación, construcción, mecanismo de retroalimentación y aplicación.
Motores servo de corriente alterna (CA)
Los motores servo de CA son motores eléctricos que operan con corriente alterna (CA). Tienen un estator que genera un campo magnético rotatorio y un rotor que sigue el campo.
Los motores servo de CA, alimentados con corriente alterna, tienen un estator que crea un campo magnético rotatorio, con un rotor que se sincroniza con este campo para una operación eficiente.
Los motores servo de CA se pueden dividir en dos tipos: síncronos y asíncronos.
Los motores servo de CA síncronos tienen un rotor de imán permanente que rota a la misma velocidad que el campo del estator. Son más eficientes, precisos y receptivos que los motores asíncronos, pero requieren un controlador más complejo y un sensor de posición.
Los motores servo de CA asíncronos tienen un rotor bobinado que induce una corriente y un campo magnético que se retrasa respecto al campo del estator. Son más simples, baratos y robustos que los motores síncronos, pero tienen menor eficiencia, precisión y velocidad.
Los motores servo de CA son adecuados para aplicaciones de alta potencia que requieren alta velocidad, par y confiabilidad. Se utilizan comúnmente en máquinas industriales, robótica, máquinas CNC, etc.
Motores servo de corriente continua (CC)
Los motores servo de CC son motores eléctricos que operan con corriente continua (CC). Tienen un estator de imán permanente que genera un campo magnético fijo y un rotor bobinado que gira cuando se aplica una corriente.
Los motores servo de CC se pueden dividir en dos tipos: con cepillo y sin cepillo.
Los motores servo de CC con cepillo tienen un colector y cepillos que cambian la dirección de la corriente en los devanados del rotor. Son sencillos, económicos y fáciles de controlar, pero tienen menor eficiencia, vida útil y velocidad debido a la fricción y desgaste de los cepillos.
Los motores servo de CC sin cepillo tienen un controlador electrónico que cambia la dirección de la corriente en los devanados del estator. Son más eficientes, duraderos y rápidos que los motores con cepillo, pero requieren un controlador más sofisticado y un sensor de posición.
Los motores servo de CC son adecuados para aplicaciones de baja potencia que requieren alta precisión, respuesta y movimiento suave. Se utilizan comúnmente en proyectos de afición, coches de juguete, reproductores de CD/DVD, etc.
Motores servo lineales
Los motores servo lineales son motores eléctricos que producen movimiento lineal en lugar de rotatorio. Tienen una parte estacionaria llamada forzador o primario que contiene bobinas o imanes, y una parte móvil llamada placa o secundario que contiene imanes o núcleos de hierro.
Los motores servo lineales se pueden dividir en dos tipos: con núcleo de hierro y sin núcleo de hierro.
Los motores servo lineales con núcleo de hierro tienen núcleos de hierro en la placa que interactúan con el campo magnético del forzador. Tienen alta densidad de fuerza, rigidez y precisión, pero también tienen alta fuerza de cogging, peso y generación de calor.
Los motores servo lineales sin núcleo de hierro no tienen núcleos de hierro en la placa, solo imanes. Tienen baja fuerza de cogging, peso y generación de calor, pero también tienen baja densidad de fuerza, rigidez y precisión.
Los motores servo lineales son adecuados para aplicaciones que requieren alta velocidad, aceleración y precisión a largas distancias. Se utilizan comúnmente en la fabricación de semiconductores, metrología, corte láser, etc.
¿Cómo controlar un motor servo?
El control de un motor servo depende del tipo de motor, el mecanismo de retroalimentación y los requisitos de la aplicación.
Generalmente, hay dos tipos de señales de control que se pueden utilizar para controlar un motor servo: analógicas y digitales.
Las señales de control analógicas son señales de voltaje o corriente continuas que varían proporcionalmente al setpoint deseado. Se utilizan típicamente para sistemas de servo sencillos o de bajo costo que no requieren alta precisión o resolución. Por ejemplo, un potenciómetro se puede utilizar para generar una señal de control analógica para un motor servo de afición.
Las señales de control digitales son pulsos o bits discretos que representan el setpoint deseado en forma codificada. Se utilizan típicamente para sistemas de servo complejos o de alto rendimiento que requieren alta precisión, resolución o comunicación. Por ejemplo, una señal de modulación por ancho de pulso (PWM) se puede utilizar para generar una señal de control digital para un motor servo de CC sin cepillo.
El controlador de un motor servo puede ser un dispositivo externo o un circuito integrado dentro del motor. El controlador recibe las señales de control de una fuente externa (como un ordenador o un joystick) y las señales de retroalimentación del sensor, y genera las señales de control apropiadas para accionar el motor.
El controlador también puede implementar varios algoritmos de control para optimizar el rendimiento del motor servo. Algunos de los algoritmos de control comunes son:
Control proporcional-integral-derivativo (PID): Este es un algoritmo de control basado en retroalimentación que ajusta la señal de control en función de los términos proporcional, integral y derivativo de la señal de error. Se utiliza ampliamente para sistemas de servo que requieren una respuesta rápida y precisa.
Control difuso: Este es un algoritmo de control basado en reglas que ajusta la señal de control en función de conjuntos difusos y variables lingüísticas. Es útil para sistemas de servo que tratan con incertidumbre o no linealidades.
Control adaptable: Este es un algoritmo de control autotunable que ajusta los parámetros de control en función de las condiciones cambiantes del sistema de servo. Es beneficioso para sistemas de servo que enfrentan perturbaciones o variaciones.
Aplicaciones de los motores servo
Los motores servo tienen una amplia gama de aplicaciones en diversos campos e industrias. Algunas de las aplicaciones comunes son:
Robótica: Los motores servo se utilizan para proporcionar movimiento y fuerza precisos para brazos, piernas, articulaciones, pinzas, etc. de robots. Permiten a los robots realizar tareas como recoger, colocar, soldar, ensamblar, etc.
Máquinas CNC: Los motores servo se utilizan para accionar los ejes de máquinas CNC como torno, fresadora, router, etc. Permiten a las máquinas CNC realizar operaciones de mecanizado precisas y complejas como cortar, perforar, grabar, etc.
Fabricación automatizada: Los motores servo se utilizan para controlar el movimiento y la posición de diversos componentes y dispositivos en sistemas de fabricación automatizados, como transportadores, alimentadores, cargadores, descargadores, etc. Permiten a los sistemas de fabricación automatizados lograr una alta productividad y calidad.
Equipos médicos: Los motores servo se utilizan para operar diversos dispositivos e instrumentos médicos como robots quirúrgicos, escáneres, bombas, ventiladores, etc. Permiten a los equipos médicos realizar operaciones y tratamientos precisos y seguros.
Conclusión
En este artículo, hemos aprendido sobre la definición, el principio de funcionamiento, los tipos, el control y las aplicaciones de los motores servo.
Hemos visto que los motores servo son motores eléctricos que permiten un control preciso de la posición angular o lineal, la velocidad y el par. Consisten en un motor, un sensor y un controlador que forman un sistema de retroalimentación en bucle cerrado.
También hemos visto que los motores servo se pueden clasificar en diferentes tipos según su fuente de alimentación, construcción, mecanismo de retroalimentación y aplicación. Algunos de los tipos comunes son los motores servo de CA, los motores servo de CC y los motores servo lineales.
También hemos visto que los motores servo se pueden controlar mediante señales analógicas o digitales que representan el setpoint deseado. El controlador también puede implementar varios algoritmos de control para optimizar el rendimiento del motor servo.
También hemos visto que los motores servo tienen una amplia gama de aplicaciones en diversos campos e industrias, como la robótica, las máquinas CNC, la fabricación automatizada, los equipos médicos, etc.
Esperamos que este artículo haya sido informativo y útil para usted. Si tiene alguna pregunta o comentario, no dude en compartirlo con nosotros. ¡Gracias por leer!
