Introducción a los Servomotores

¿Qué es un motor servo?

los servomotores (o servos) son dispositivos eléctricos autónomos (véase la Figura 1 a continuación) que giran o empujan partes de una máquina con gran precisión. Los Servos se encuentran en muchos lugares: desde juguetes hasta artículos electrónicos para el hogar, automóviles y aviones. Si tiene un modelo de automóvil, avión o helicóptero controlado por radio, está utilizando al menos algunos servos. En un modelo de automóvil o avión, los servos mueven las palancas hacia adelante y hacia atrás para controlar la dirección o ajustar las superficies de las alas., Al girar un eje conectado al acelerador del motor, un servo regula la velocidad de un automóvil o avión propulsado por combustible. Los Servos también aparecen entre bastidores en los dispositivos que usamos todos los días. Los dispositivos electrónicos como los reproductores DVD y Blu-ray DiscTM utilizan servos para extender o retraer las bandejas de discos. En los automóviles del siglo 21, los servos administran la velocidad del automóvil: el pedal del acelerador, similar al control de volumen en una radio, envía una señal eléctrica que le dice a la computadora del automóvil qué tan abajo se presiona., La computadora del automóvil calcula esa información y otros datos de otros sensores y envía una señal al servo conectado al acelerador para ajustar la velocidad del motor. Los aviones comerciales utilizan servos y una tecnología hidráulica relacionada para empujar y tirar de casi todo en el avión.

la Figura 1. Este surtido de servos está disponible en tiendas y por correo. Servos gama en precio y aplicación.

y por supuesto, los robots podrían no existir sin servos., Ves robots servocontrolados en casi todas las películas (esos títeres animatrónicos complejos tienen docenas de servos), y probablemente hayas visto una serie de juguetes de animales robóticos a la venta. Los robots de laboratorio más pequeños también usan servos para mover sus articulaciones. Los servos Hobby vienen en una variedad de formas y tamaños para diferentes aplicaciones. Es posible que desee uno grande y poderoso para mover el brazo de un robot grande, o uno pequeño para hacer que las cejas de un robot suban y bajen. La figura 2 a continuación muestra dos tamaños que puede encontrar en una tienda de pasatiempos: un tamaño común económico y uno en miniatura más caro.,

la Figura 2. Dos tamaños de servo comunes. El servo estándar de la izquierda puede variar en potencia o velocidad para mover algo rápidamente, o puede acomodar una carga más pesada, como dirigir un gran camión monster controlado por radio o levantar la cuchilla en un juguete de tierra controlado por radio. El servo miniatura tiene aproximadamente el tamaño de un cuarto de Estados Unidos y está diseñado para aplicaciones donde la pequeñez es un factor crítico, pero una gran cantidad de potencia no lo es.

¿cómo funciona un servomotor?,

La simplicidad de un servo es una de las características que los hacen tan confiables. El corazón de un servo es un pequeño motor de corriente continua (cc), similar a lo que podría encontrar en un juguete económico. Estos motores funcionan con electricidad de una batería y giran a altas RPM (rotaciones por minuto), pero emiten un par muy bajo (una fuerza de torsión utilizada para hacer el trabajo: se aplica un par cuando se abre un frasco). Una disposición de engranajes toma la alta velocidad del motor y lo ralentiza mientras que al mismo tiempo aumenta el par. (Ley básica de la física: trabajo = Fuerza X distancia.,) Un pequeño motor eléctrico no tiene mucho par, pero puede girar muy rápido (fuerza pequeña, gran distancia). El diseño del engranaje dentro de la caja servo convierte la salida a una velocidad de rotación mucho más lenta pero con más par (gran fuerza, poca distancia). La cantidad de trabajo real es la misma, solo que más útil. Los engranajes en un servomotor económico generalmente están hechos de plástico para mantenerlo más liviano y menos costoso (consulte la Figura 3 a continuación). En un servo diseñado para proporcionar más par para trabajos más pesados, los engranajes están hechos de metal (consulte la Figura 4 a continuación) y son más difíciles de dañar.,

la Figura 3. Los engranajes de un servo típico de tamaño estándar están hechos de plástico y convierten el movimiento rápido y de baja potencia del motor (a la derecha) en el eje de salida (a la izquierda).

la Figura 4. En un servo de alta potencia, los engranajes de plástico se reemplazan por engranajes de metal para mayor resistencia. El motor es generalmente más potente que en un servo de bajo costo y el par de salida general puede ser hasta 20 veces mayor que uno de plástico más barato., Una mejor calidad es más cara, y los servos de alto rendimiento pueden costar dos o tres veces más que los estándar.

con un pequeño motor de CC, se aplica la energía de una batería y el motor gira. Sin embargo, a diferencia de un simple motor de CC, el eje del motor giratorio de un servo se ralentiza con engranajes. Un sensor de posición en la marcha final está conectado a una pequeña placa de circuito (véase la Figura 5 a continuación). El sensor le dice a esta placa de circuito qué tan lejos ha girado el eje de salida del servo., La señal de entrada electrónica del ordenador o de la radio en un vehículo teledirigido también alimenta en esa placa de circuito. La electrónica en la placa de circuito decodifica las señales para determinar hasta qué punto el usuario desea que el servo gire. Luego compara la posición deseada con la posición real y decide en qué dirección girar el eje para que llegue a la posición deseada.

la Figura 5. La placa de circuito y el motor de CC en un servo de alta potencia. ¿Notaste cuán pocas partes hay en la placa de circuito?, Los Servos han evolucionado a un diseño muy eficiente durante muchos años.

Imagine que está jugando a la pelota con un amigo en un campo deportivo. Te paras en un extremo y quieres que tu amigo salga por un largo tiro. Pudiera seguir llamando «más lejos, más lejos, más lejos» hasta que llegó tan lejos como usted quería. Pero si ella salió más lejos de lo que puedes lanzar, tendrías que gritar «más cerca» hasta que volviera al lugar correcto., Si ella fuera un simple motor en un brazo robótico y tú fueras el microprocesador, tendrías que pasar algo de tu tiempo observando lo que hizo y dándole órdenes para moverla de vuelta al lugar correcto (esto se llama un bucle de retroalimentación). Si fuera un servomotor, podrías decir «salir exactamente 4.5 metros» y saber que encontraría el lugar correcto. Eso es lo que hace que los servomotores sean tan útiles: una vez que les dices lo que quieres hacer, hacen el trabajo sin tu ayuda. Este comportamiento de búsqueda automática de los servomotores los hace perfectos para muchas aplicaciones robóticas.,

tipos de servomotores

los Servos vienen en muchos tamaños y en tres tipos básicos: rotación posicional, rotación continua y lineal.

• servo de rotación posicional: este es el tipo más común de servomotor. El eje de salida gira en aproximadamente la mitad de un círculo, o 180 grados. Tiene paradas físicas colocadas en el mecanismo del engranaje para evitar girar más allá de estos límites para proteger el sensor de rotación. Estos servos comunes se encuentran en automóviles controlados por radio y en el agua, aviones, juguetes, robots y muchas otras aplicaciones.,
• servo de rotación continua: esto es bastante similar al servomotor de rotación posicional común, excepto que puede girar en cualquier dirección indefinidamente. La señal de control, en lugar de establecer la posición estática del servo, se interpreta como la dirección y la velocidad de rotación. El rango de posibles comandos hace que el servo gire en sentido horario o antihorario según se desee, a una velocidad variable, dependiendo de la señal de comando. Puede usar un servo de este tipo en una antena de radar si monta uno en un robot. O podría usar uno como motor de accionamiento en un robot móvil.,
• servo lineal: esto también es como el servomotor de rotación posicional descrito anteriormente, pero con engranajes adicionales (generalmente un mecanismo de cremallera y piñón) para cambiar la salida de circular a ida y vuelta. Estos servos no son fáciles de encontrar, pero a veces se pueden encontrar en tiendas de pasatiempos donde se utilizan como actuadores en aviones de modelos más grandes.

selección de un servomotor

al iniciar un proyecto que utiliza servos, observe los requisitos de su aplicación. ¿Qué tan rápido debe girar el servo de una posición a otra? ¿Qué tan difícil tendrá que empujar o tirar?, ¿Necesito una rotación posicional, rotación continua o servo lineal? ¿Cuánto exceso es permisible? Cuanto menos pagues por el servo, menos potencia mecánica tendrá que reunir y menos precisión tendrá en sus movimientos. Puedes pagar un poco más y conseguir uno que se mueva rápidamente, pero puede que no tenga mucha potencia. También puede comprar uno que tire o empuje cargas grandes, pero puede no moverse con rapidez o precisión. Los sitios web de los fabricantes y las guías de pasatiempos en línea tendrán mucha de esta información que puede usar para comparar modelos., También encontrará que las tiendas de pasatiempos tienen una selección de servos y generalmente pueden ayudarlo a decidir cuál es el adecuado para su proyecto y presupuesto.

controlar un servomotor

los Servos toman comandos de una serie de pulsos enviados desde el ordenador o la radio. Un pulso es una transición de bajo voltaje a alto voltaje que permanece alto por un corto tiempo y luego vuelve a bajo. En dispositivos de batería como servos, » bajo «se considera a tierra o 0 voltios y» alto » es el voltaje de la batería. Los Servos tienden a trabajar en un rango de 4.5 a 6 Voltios, por lo que son extremadamente amigables con la computadora.,

¿alguna vez has cogido un extremo de una cuerda que estaba atada a un árbol o sostenido un extremo de una cuerda de salto mientras un amigo sostenía el otro? Imagina que, mientras sostienes tu extremo de la cuerda, moves tu brazo hacia arriba y hacia abajo. La cuerda haría una gran joroba que viajaría de tu extremo al otro. Lo que has hecho es aplicar un pulso, y viajó por la cuerda como una ola. A medida que levantas la mano hacia arriba y hacia abajo, si mantienes la mano en el aire más tiempo, alguien que observa este experimento desde un lado verá que el pulso en la cuerda sería más largo o más ancho., Si baja la mano antes, el pulso es más corto o más estrecho. Este es el ancho de pulso. Si mantiene su extremo subiendo y bajando, haciendo un montón de estos pulsos uno tras otro, ha creado un tren de pulsos (vea la Figura 6 a continuación). ¿Con qué frecuencia subiste y bajaste tu extremo? Esta es la frecuencia de su tren de pulsos y se mide en pulsos por segundo, o Hz (abreviatura de «hertz»).

Nota: El microprocesador en su computadora usa pulsos de circuitos de reloj especiales para hacer el trabajo. ¿Has oído hablar de la velocidad de su computadora se refiere como algo así como 1.,7 gigahercios (GHz)? Esta es una forma de decir que los pulsos llegan a 1,7 mil millones de pulsos por segundo, o 1.700.000.000 Hz. Imagínate tratando de mover la cuerda tan rápido!

La captura de pantalla muestra un gráfico que tiene tres picos de igual altura, espaciados uniformemente separados. Estos picos son pulsos que se repiten cada veinte milisegundos.

Figura 6. Un ejemplo de un tren de pulsos que podría generar para controlar un servo, como se muestra en una captura de pantalla de un osciloscopio digital de bajo costo, un instrumento para observar voltajes)., Aquí, un pulso se genera una vez cada 20 milisegundos, o a unos 50 Hz. En este ejemplo, el ancho de pulso es de aproximadamente 2 milisegundos, lo que haría que un servo girara casi hasta un extremo de su rotación. Un osciloscopio es increíblemente útil para probar y depurar sistemas que usan servos.

su servo debe estar conectado a una fuente de alimentación (4,5 a 6 voltios) y la señal de control debe provenir de un ordenador u otro circuito. Los requisitos de cada servo varían ligeramente, pero un tren de impulsos (como en la Figura 6 anterior) de aproximadamente 50 a 60 Hz funciona bien para la mayoría de los modelos., El ancho de pulso variará de aproximadamente 1 milisegundo a 2 o 3 milisegundos (un milisegundo es 1/1000 de segundo). Las computadoras de aficionados populares como ArduinoTM tienen comandos de software en el lenguaje para generar estos trenes de pulsos. Pero cualquier microcontrolador puede ser programado para generar estas formas de onda. Un sistema que pasa información basada en el ancho de pulsos utiliza modulación de ancho de pulso (o PWM) y es una forma muy común de controlar las velocidades del motor y el brillo del LED, así como la posición del servomotor.,

Resources

la siguiente guía de selección puede ayudarlo a determinar qué Servo Futaba® Se adapta a sus necesidades:

• Hobbico, Inc. (2012). Selección de servo Futaba®. Recuperado el 13 de septiembre de 2012, de www.futaba-rc.com/servos/servo-select.,n, Science Buddies

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