SERVOMOTORES, que son y como funcionan.

Publicado por Loli Diéguez en

Desde principios de la década de 1990, el servomotor se ha introducido cada vez más en proyectos de robótica.

Pero, ¿Qué es un servomotor?¿Cómo funcionan los servomotores?

Este tutorial introductorio sobre este elemento de electronica responderá estas preguntas y comprenderás su potencial para usar servomotores con Arduino.

Si te gusta la electrónica, es posible que hayas escuchado la palabra servo o servomotor.

Si eres un aficionado a los robots o te gustan los modelos de aviones, barcos y automóviles, existe la posibilidad de que sepas mucho mas de estos componentes de lo que yo explico en estas lineas.

Los beneficios de usar servomotores con Arduino o en proyectos de robótica son muchos. Son pequeños, ligeros, relativamente baratos y fáciles de usar. Y la mayoría de ellos tienen un diseño que facilita el montaje.

Veamos algunos detalles sobre cómo funcionan los servomotores.

¿Qué es un servomotor?

Primero, eliminemos la nomenclatura: ¿qué significa la palabra servo para empezar?

Servo es la abreviatura de servomecanismo, por lo que se puede decir que un servomotor es en realidad un motor de servomecanismo.

Un servomecanismo es un tipo especial de sistema de control automático que controla el movimiento o la posición de un objeto.

Los servomecanismos tienen cuatro características importantes:

  • un comando de entrada
  • retroalimentación
  • amplificación de potencia
  • una salida que gira o posiciona un objeto

El dispositivo controlado podría ser el timón de un barco, unas ruedas o su robot.

Cómo funcionan los servomotores

Entonces, ahora tenemos una idea básica de lo que significa la palabra servo.

La cuestión es que la mayoría de nosotros no construiremos barcos. Sin embargo, algunos de nosotros construiremos robots.

Debido a esto, aunque hay diferentes tipos de servomecanismos , nos centraremos en el tipo que utilizan los fanáticos de la electrónica y de los robots.

Estos son los servos R/C.

servomotores

 

Servomotor vs Motor CC continuo

Un servomotor es un subconjunto especial de los motores de CC o corriente continua.

Lo que los diferencia de los motores motor de CC es que ademas de tener este componente, también llevan otros elementos que veremos mas adelante, como señales de control, electrónica, o ejes reductores.

Un motor de CC típico tiene dos cables y si aplicamos potencia, el motor simplemente girará en una dirección. Si queremos invertir el motor, necesitamos intercambiar los dos cables. Si necesitamos ver qué tan lejos ha girado el eje o cuántas rotaciones ha completado el eje del motor, necesitaremos encontrar alguna forma de medir eso.

Un servomotor, sin embargo, tiene tres cables. Uno es para alimentar, el otro para tierra, y el tercero es un cable de control.

Un servo es un sistema de retroalimentación cerrado (a diferencia del motor de CC normal que es de circuito abierto), el cable de control es necesario para detectar la posición del eje de salida. Veremos cómo funciona esto en un minuto.

Cómo funciona un servomotor

Dentro de un servo R/C típico hay un motor de CC como los que comento en este articulo, pero además hay también otros componentes que suelen ser genéricos para los diferentes modelo:

  • Un DC motor
  • Engranajes reductores
  • Circuitos integrados o de control

La siguiente imagen muestra las diferentes partes:

partes de un servomotor

 

Partes de un servo motor

Veamos las tres partes principales con más detalle:

DC Motor

Esto es simplemente un motor DC que puede cambiar de dirección. No hay mucho más que decir.

Engranajes de reducción

Los engranajes reducen la alta velocidad del motor de CC a algo utilizable para un control preciso. Hablaremos más sobre los materiales utilizados para hacer los engranajes un poco más tarde. Debido a los engranajes, muchas revoluciones del motor equivalen a una revolución del eje de salida.

Circuito de control

El engranaje de salida se conecta a un potenciómetro, que es una resistencia variable y el valor que éste de, indica la posición del eje del servomotor. Hablaremos más sobre el circuito en un momento.

 

interior servomotor

 

Cómo controlar un servomotor

No puedes simplemente conectar una batería a un servomotor R / C y verlo funcionar. Esto se debe a que necesitan señales de control especiales para funcionar correctamente. Lo bueno es que hay muchas maneras de hacer esto fácilmente con microcontroladores, placas como Arduino o incluso circuitos electrónicos simples.

Generalmente funcionan con 4.8 a 7.2 V, aunque 4.8 a 6 V es más común.

Afortunadamente, hay estándares que rigen el diseño de los servos y el conector es una de las partes sujetas a los estándares.

Tipos de conector

Los servomotores tienen tres tipos de conectores principales. Son:

  • "J" o estilo Futaba
  • "S" o estilo Hitec / JR
  • "A" o estilo Airtronics

Esta imagen te muestra los diferentes estilos.

conectores de servomotes

 

Como podemos ver diferentes fabricantes usan diferentes colores para diferentes funciones. En consecuencia, es muy importante que observes estas diferentes señales de diferentes fabricantes, ya que conectarlas mal dañará el motor.

Finalmente, los conectores se acoplan con clavijas cuadradas estándar de 0.025 "en centros de 0.1".

 

Señalización de control de servomotor

Las señales que hacen que un servomotor se mueva son pulsos eléctricos. Aunque este esquema es similar a la modulación de ancho de pulso (PWM) , es un poco diferente, pero muchas personas se refieren a él como PWM.

La longitud o duración exacta de los pulsos es lo que determina la posición del servo. No es la cantidad de pulsos por segundo quien determina la orientación final, sino la duración de los pulsos que lo controlan.

La modulación de ancho de pulso depende del ciclo de trabajo (tiempo de encendido frente a tiempo de apagado) de los pulsos digitales. Sin embargo, lo importante no es el ciclo de trabajo; sino la duración de los pulsos. Esto es lo que hace que el control de servo sea ligeramente diferente de PWM. Debido a esto, puede ser más preciso llamar a la modulación de duración del pulso del servocontrol .

La duración de los pulsos suele ser de 1 a 2 milisegundos.

A 1.5 ms hará que el servo regrese a su punto medio.

Un pulso de 1 ms hará que gire completamente en una dirección, mientras que un pulso de 2 ms hará que gire completamente en la otra dirección.

El rango de movimiento típico es de 0 a 180 grados, o cercano a él. Es posible modificar un servomotor para rotación continua, pero como se trata de una publicación introductoria, tendremos que hablar de eso en el futuro.

Para verlo más gráfico, mira esta foto:

 

pulsos de control

 

Por lo general, un servomotor necesita alrededor de 50 de estos pulsos por segundo, aunque el número puede variar. Esto se conoce como frecuencia de actualización o frecuencia de fotogramas .

Si esta tasa es demasiado baja, se reduce la precisión y el par de retención. Si es demasiado alto, puede fluctuar o no funcionar correctamente.

La longitud real de los pulsos para colocar el servo completamente a la derecha o a la izquierda varía según el fabricante, e incluso varía según los diferentes modelos entre el mismo fabricante.

Ten cuidado al intentar pulsos más cortos o más largos de 1 a 2 milisegundos. Cuando se empuja más allá de sus límites mecánicos, el eje golpea un tope interno.

El resultado de llegar a ese tope puede dañar los engranajes o el potenciómetro. Si empiezas a oir un clic, esto es una señal de que los engranajes están vinculados.

 

Electrónica del servo

Anteriormente vimos una placa de control dentro del servo. Ahora veremos un poco más sobre cómo funciona.

 

La figura anterior muestra un diagrama de bloques de la electrónica del servocontrol.

Primero, el generador de pulso local genera un pulso proporcional en ancho a la posición actual del eje. El pulso local y el pulso de entrada van a un comparador que resta uno al otro generando un pulso de error.

Esa señal de error va a la camilla "Stretcher", que es como un amplificador. La razón de esto es que una pequeña diferencia con el comparador puede generar una unidad más grande al puente H.

El puente H controla en qué dirección gira el motor. Su accionamiento disminuye a medida que la posición del eje se acerca a la posición deseada.

 

Más información sobre los servomotores

Puedes controlar un servo con un circuito simple como el que se muestra en la siguiente imagen que utiliza un temporizador 555 para generar pulsos. Sin embargo, la mayoría de nosotros optará por un microcontrolador o una placa como el Arduino.

 

control servomotor

 

Aunque puedes conectarlos directamente a un Arduino, ten cuidado porque un consumo de corriente excesivo puede arruinar tu Arduino. 

De todos modos, puedes considerar usar fuentes de alimentación separadas para el Arduino y los servo. Sin embargo, cuando uses diferentes fuentes de energía, asegúrate de conectar las tierras de las fuentes juntas o no funcionará correctamente.

Y recuerda, los servos con poca potencia pueden comportarse mal y se moverán más lentamente que uno con alimentación adecuada.

Finalmente, puedes usar un servocontrolador serie dedicado, estos actúan como un coprocesador productor de pulso. Esto libera tu micro o Arduino para otras tareas.

 

 

Servomotores analógicos vs digitales

Los más comunes y más asequibles son los analógicos, que utilizan circuitos analógicos para controlar el motor.

Sin embargo, los digitales utilizan microcontroladores integrados para mejorar el funcionamiento y ofrecen algunas ventajas.

Debido a que contienen un microcontrolador, puedes programarlos para controlar varios parámetros como velocidad, dirección de rotación, rango de rotación, punto de partida y más.

O bien, puedes omitir la programación y utilizarla como un servo analógico si lo deseas.

Dado que los digitales reciben comandos de entrada más rápido, pueden actualizar la posición del eje más rápido. Esto da como resultado más torque y una respuesta más rápida.

Sin embargo, más par significa que el motor consume más corriente, lo que puede acortar la vida útil de la batería.

En el exterior, los analógicos y digitales tienen el mismo aspecto.

Servo Mecánica: Bujes, Rodamientos y Engranajes

Los rasgos mecánicos de estos elementos también son importantes. Cualquier constructor de robots te dirá esto y que la robótica es una mezcla de electrónica, mecánica y programación.

Cojinetes y bujes del eje de salida

Es obvio que el eje de salida de un servo es su fin comercial. Debido a esto, recibe una buena cantidad de desgaste.

Los ejes normalmente están soportados por una pieza de plástico, también conocida como casquillo cuya funcionalidad es mantener el eje contra la carcasa, este casquillo también puede ser metálico (latón) en los servos de mayor calidad.

Los mejores tienen rodamientos de bolas que proporcionan una vida útil más larga.

Por último, pero no menos importante, es probable que tengas que colocar una bocina o terminación.

Las bocinas vienen en muchas formas y tamaños diferentes y, a menudo, no son intercambiables entre diferentes fabricantes. La siguiente imagen muestra diferentes opciones que puedes encontrar.

 

despiece servomotor

 

 

Servo Engranajes

El motor de corriente continua dentro del servo gira demasiado rápido para ser útil para el control de posición fina.

Por lo tanto, el tren de engranajes lo desacelera, lo que también aumenta el par de salida.

Básicamente hay tres tipos de materiales para engranajes:

  • Nylon
  • Metal
  • Material patentado (como Karbonita)

En primer lugar, los engranajes de nylon son más baratos pero más débiles y rompen más fácilmente. Sin embargo, están bien para servos de uso general, y hay conjuntos de engranajes de repuesto disponibles para muchas marcas y modelos.

Los engranajes metálicos son mucho más fuertes, pero son más pesados ​​y cuestan más. Son buenos para robots que andan y grandes brazos robóticos.

Una advertencia acerca de los engranajes metálicos: debido al desgaste de los dientes, pueden desarrollar desgastes o solarse del tren de engranajes. Esto causa pérdida de precisión.

Y por último en nuestra lista, los engranajes patentados (es decir, Karbonite) son más fuertes que el nylon pero igual de livianos. Si bien se desgastan un poco mejor que los engranajes metálicos, el metal sigue siendo el más fuerte.

 

 

Especificaciones del servomotor

Talla

Los servos siguen algunos estándares, y el tamaño es uno de ellos. Por supuesto, existen excepciones, pero la mayoría de ellos estarán dentro de los tamaños que te comento aquí. Ten en cuenta que las siguientes dimensiones son las dimensiones de la carcasa exterior.

Los de tamaño estándar miden aproximadamente  1.5 "x ¾" x 1 3/8 "y tienen una brida de montaje con cuatro orificios.

Los servos de cuarto (o gran escala) son aproximadamente dos veces más grandes que los estándares y más potentes. Debido a esto, son buenos para la locomoción del robot (si los modifica para una rotación continua). Por lo general, miden aproximadamente 2 "x 1 1/8" x 2 3/8 ".

Los mini y micro servos son la mitad del tamaño o menos de los estándar. Úsalos en espacios reducidos. Un tamaño típico para un mini es 1 1/8 "x 5/8" x 1 ". Un tamaño típico para un micro es 7/8 "x 3/8" x 5/8 ".

 

Otras especificaciones importantes

Finalmente, el tamaño no es lo único que importa.

El par es otra especificación importante. A menudo se identifica en pulgadas-onzas a 4.8 V o a 4.8 y 6 V.

La velocidad o el tiempo de tránsito es el tiempo que tarda el motor en girar a través de un ángulo determinado, a menudo 60 grados.

Lamentablemente, el consumo actual no siempre se da. La cantidad de corriente que consume el motor depende de si está inactivo, bajo carga, en tránsito o estancado. Una forma de obtener esta información es usar un multímetro para medir la corriente en varias condiciones.

 

Espero que con esta guía tengas más claro los aspectos importantes de los servo motores, no dudes en pasar por la tienda para ver otros componentes interesantes.

 


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