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Servos Y Sistema De Control

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  • 1. CECyT Nº 3 [“ESTANISLAO RAMIREZ RUIZ”] Servos y sistema de control En primer lugar quiero aclarar que, si bien hoy se utiliza ampliamente la palabra abreviada "servo", la verdadera denominación de lo que voy a describir aquí es "servomotor". Existen otra clase de servos (o mejor expresado, servomecanismos) que no son precisamente motores. También hay servos no rotativos. Por ejemplo, los sistemas que poseen cilindros hidráulicos pueden ser servocontrolados. Estos cilindros hidráulicos o neumáticos, en su versión más simple, se mueven de extremo a extremo. Pero no siempre es así. En muchos casos es necesario que posean realimentación, lo que les permite ubicarse con precisión en cualquier lugar de su recorrido. Para esto se utilizan sensores de recorrido lineales, como potenciómetros lineales, sistemas ópticos o unos dispositivos llamados LDVT. De modo que, aclaremos, un actuador mecánico controlado no siempre debe ser rotativo, aunque la mayoría de las veces así es. Definamos, ahora: Un servomotor es un motor eléctrico que consta con la capacidad de ser controlado, tanto en velocidad como en posición. Un servomecanismo es un actuador mecánico —generalmente un motor, aunque no exclusivamente—, que posee los suficientes elementos de control como para que se puedan monitorizar los parámetros de su actuación mecánica, como su posición, velocidad, torque, etc. Por la explicación que he encontrado en otros sitios parecería que sólo se le llamaría "servo" a aquellos motores con reducción y control de posición que se utilizan extensivamente en modelismo, para efectivizar los movimientos controlados por radio (incluyendo en la entrada correspondiente de la Wikipedia, por lo menos por ahora). Por supuesto que no es así. Diversas clases de servos, incluyendo lineales En realidad se utilizan muchos otros tipos de servos (o servomotores, mejor) en equipos industriales y comerciales, desde una diskettera en nuestra computadora —o en la videocassettera hogareña—, a las unidades de almacenaje y entrada y salida de datos de grandes sistemas de computación (hoy, más que nada, discos magnéticos), y hasta en los ascensores en edificios. El motor de un ascensor, junto con su equipo de control y detectores de posicionamiento, no es ni más ni menos que un servomotor. El mecanismo que saca para afuera el porta-CD de la lectora de CD de su computadora es un servomotor. Servo para modelismo ¿Qué convierte un motor en servomotor? O mejor dicho ¿por qué se considera que algunos motores son servomotores y otros no? La respuesta no es demasiado complicada: un servomotor tiene integrado o adosado al menos un detector que permita conocer su posicionamiento y/o velocidad. A los detectores de posición se les llama "encoders". Aclarado esto, pasaré a esos servos a los que se refieren en los sitios que dije antes. Hablo de los servos para radiocontrol de modelos, como los de marca Futaba, Hitec, etc. Se trata de ELECTRONICA EMPRESARIAL 5IV8 Página 1
  • 2. CECyT Nº 3 [“ESTANISLAO RAMIREZ RUIZ”] elementos para control de posición de alerones, timón, dirección (en autos), alimentación de combustible, etc, para modelos a escala, que se han vuelto populares en robótica porque entre los disponibles en el comercio hay algunos bastante económicos, lo que los hace de más fácil acceso cuando se trata de la construcción de proyectos personales de robótica y automatización casera. De estos servos de modelismo, comencemos con los servos que se conocen como "analógicos". Servo analógico para modelismo Estos servomotores se componen, en esencia, de un motor de corriente continua, un juego de engranajes para la reducción de velocidad, un potenciómetro ubicado sobre el eje de salida (que se usa para conocer la posición) y una plaqueta de circuito para el control. Como una imagen vale más que mil palabras, veamos un despiece. Despiece de un servo Otro modelo Si lo que se desea controlar es la posición de un servomecanismo, como en este caso, en lugar de un tacómetro (que es para medir velocidad) necesitamos un encoder de posición. Cables de un servo estándar (Haga clic en la imagen para ver otras configuraciones) Si hablamos de un servo cuyo movimiento es ELECTRONICA EMPRESARIAL 5IV8 Página 2
  • 3. CECyT Nº 3 [“ESTANISLAO RAMIREZ RUIZ”] giratorio, será necesario un encoder (un detector que codifica la posición) que nos dé un valor diferente a su salida según cual sea su posición en grados. Los servos que se usan en modelismo son de este tipo. Como dije antes, por lo general poseen un motor de CC, que gira a velocidad alta, una serie de engranajes para producir la reducción de velocidad de giro y acrecentar su capacidad de torque, un potenciómetro conectado al eje de salida (que es ni más ni menos que el encoder) y un circuito de control de la realimentación. Estos servos reciben señal por tres cables: alimentación para el motor y la pequeña plaqueta de circuito del control (a través de dos cables, positivo y negativo/masa), y una señal controladora que determina la posición que se requiere. La alimentación de estos servos es, normalmente, de entre 4,8 y 6 voltios. El estándar de esta señal controladora para todos los servos de este tipo, elegido para facilitar el uso en radiocontrol, es un pulso de onda cuadrada de 1,5 milisegudos que se repite a un ritmo de entre 10 a 22 ms. Mientras el pulso se mantenga en ese ancho, el servo se ubicará en la posición central de su recorrido. Si el ancho de pulso disminuye, el servo se mueve de manera proporcional hacia un lado. Si el ancho de pulso aumenta, el servo gira hacia el otro lado. Generalmente el rango de giro de un servo de éstos cubre entre 90° y 180° de la circunferencia total, o un poco más, según la marca y modelo. ELECTRONICA EMPRESARIAL 5IV8 Página 3
  • 4. CECyT Nº 3 [“ESTANISLAO RAMIREZ RUIZ”] Señal y posiciones del servo Servo digital para modelismo Los servos digitales tienen, al igual que los analógicos, un motor de corriente continua, un juego de engranajes reductores, un potenciómetro para la realimentación de posición y una electrónica de control embebida dentro del servo. La diferencia está en la placa de control, en la que han agregado un microprocesador que se hace cargo de analizar la señal, procesarla y controlar el motor. La diferencia más grande de rendimiento está en la velocidad a la que reacciona el servo a un cambio en la señal. En un mismo lapso, el servo digital puede recibir cinco o seis veces más pulsos de control que un analógico. Como resultado la respuesta del servo a un cambio en la orden de posición es mucho más veloz. Este ritmo mayor de pulsos también produce mejoras en el rendimiento electromecánico del motor (mayor velocidad y más fuerza). Esto se debe a que en cualquier servo (de ambos tipos) el motor recibe, para su control, una alimentación conmutada. En los servos analógicos, la señal está conmutada a un ritmo de entre 10 y 22 ms. Si el ajuste que se requiere es muy pequeño (un ángulo pequeño de giro), los pulsos son muy delgados y están muy separados (10 a 22 ms). La integración de estos pulsos es la que da la alimentación de potencia al motor, y en consecuencia la que lo hace mover. Una integración de pulsos delgados y muy separados puede dar resultados erráticos. Suele ocurrir que cuando llega el otro pulso, el motor se ha pasado de la posición y deba reajustarse, algo que ocurre constantemente. En los servos digitales la señal llega mucho más seguido y por esto la integración es más estable y la variación de corriente de control es más firme. En los servos digitales, la señal está separada por unos 3,3 ms. La separación entre pulsos varía en cada marca de servo digital, pero el ritmo de llegada de los pulsos es de al menos 300 veces por segundo versus 50 a 100 en un analógico. La ventaja de los digitales se reduce un poco cuando se habla de consumo (algo muy importante en, por ejemplo, un avión radiocontrolado, pero también en los robots), ya que el consumo del circuito y de los ajustes más continuados produce un gasto mayor de energía, y también un mayor desgaste del motor. Los servos digitales son capaces de memorizar parámetros de programación, que ELECTRONICA EMPRESARIAL 5IV8 Página 4
  • 5. CECyT Nº 3 [“ESTANISLAO RAMIREZ RUIZ”] varían de acuerdo a cada fabricante pero en general son: 1 - Se puede programar el sentido de giro como "normal" o "inverso". 2 - Se puede variar la velocidad de respuesta del servo. 3 - Se puede programar una posición central (o posición neutra) diferente, sin afectar los radios de giro. 4 - Se pueden determinar diferentes topes de recorrido para cada lado. 5 - Es posible programar qué debe hacer el servo en caso de sufrir una pérdida de señal. 6 - Es posible programar la resolución, es decir cuánto se mueve el control en el radio sin obtener un movimiento en el servo. Estos valores pueden ser fijados en los servos utilizando aparatos destinados a la programación, que son específicos para cada marca. ELECTRONICA EMPRESARIAL 5IV8 Página 5
  • 6. CECyT Nº 3 [“ESTANISLAO RAMIREZ RUIZ”] Motorreductores En cuanto a los reductores, al contrario que con las transmisiones, sí existen determinados sistemas usados de manera preferente en los robots industriales. Esto se debe a que a los reductores utilizados en robótica se les exigen unas condiciones de funcionamiento muy restrictivas. La exigencia de estas características viene motivada por las altas prestaciones que se le piden al robot en cuanto a precisión y velocidad de posicionamiento. La siguiente tabla muestra valores típicos de los reductores para robótica actualmente empleados. Características de los reductores para robótica Características Valores típicos Relación de reducción 50 / 300 Peso y tamaño 0.1 / 30 kg Momento de inercia 0.0001 kg m² Velocidades de entrada 6000 / 7000 rpm máxima 5700 N m Par de salida nominal 7900 N m Par de salida máximo 0-2" Juego angular 100 / 2000 N Rigidez torsional m/rad Rendimiento 85% / 98% Se buscan reductores de bajo peso, reducido tamaño, bajo rozamiento y que al mismo tiempo sean capaces de realizar una reducción elevada de velocidad en un único paso. Se tiende también a minimizar su momento de inercia, de negativa influencia en el funcionamiento del motor, especialmente crítico en el caso de motores de baja inercia. Los reductores, por motivos de diseño, tienen una velocidad máxima admisible, que como regla general aumenta a medida que disminuye el tamaño del motor. También existe una limitación en cuanto al par de entrada nominal ELECTRONICA EMPRESARIAL 5IV8 Página 6
  • 7. CECyT Nº 3 [“ESTANISLAO RAMIREZ RUIZ”] permisible (T2) que depende del par de entrada (T1) y de la relación de transmisión a través de la relación: T2 =  T1 (w1 / w2) Donde el rendimiento, , puede llegar a ser cerca del 100%, y la relación de reducción de velocidades (w1 = velocidad de entrada; w2 = velocidad de salida) varía entre 50 y 300. Puesto que los robots trabajan en ciclos cortos, que implican continuos arranques y paradas, es de gran importancia que le reductor sea capaz de soportar pares elevados puntuales. También se busca que el juego angular sea lo menor posible. Éste se define como el ángulo que gira al eje de salida cuando se cambia su sentido de giro sin que llegue a girar al eje de entrada. Por ultimo, es importante que los reductores para robótica posean una rigidez torsional, definida como el par que hay que aplicar sobre el eje de salida para que, manteniendo bloqueado el de entrada, aquél gire un ángulo unidad. Sensor infrarrojo El sensor es un dispositivo electrónico/mecánico que mapea un atributo ambiental resultando una medida cuantizada, normalmente un nivel de tensión eléctrica. Particularmente, el sensor infrarrojo es un dispositivo electrónico capaz de medir la radiación electromagnética infrarroja de los cuerpos en su campo de visión. Todos los cuerpos reflejan una cierta cantidad de radiación, esta resulta invisible para nuestros ojos pero no para estos aparatos electrónicos,ya que se encuentran en el rango del espectro justo por debajo de la luz visible. ELECTRONICA EMPRESARIAL 5IV8 Página 7
  • 8. CECyT Nº 3 [“ESTANISLAO RAMIREZ RUIZ”] Principio de funcionamiento Los rayos infrarrojos(IR) entran dentro del fototransistor donde encontramos un material piroeléctrico, natural o artificial, normalmente formando una lámina delgada dentro del nitrato de galio (GaN), nitrato de Cesio (CsNO3), derivados de la fenilpirazina, y ftalocianina de cobalto. Normalmente están integrados en diversas configuraciones(1,2,4 píxels de material piroeléctrico). En el caso de parejas se acostumbra a dar polaridades opuestas para trabajar con un amplificador diferencial. Provocando la auto-cancelación de los incrementos de energía de IR i el desacoplamiento del equipo. Sensores pasivos Están formados únicamente por el fototransistor con el cometido de medir las radiaciones provenientes de los objetos. Sensores activos Se basan en la combinación de un emisor y un receptor próximos entre ellos, normalmente forman parte de un mismo circuito integrado. El emisor es un diodo LED infrarrojo (IRED) y el componente receptor el fototransistor. Tabla de los componentes de un sensor activo diodo LED Esquema sensor infrarrojoFototransistor Clasificación según el tipo de señal emitida ELECTRONICA EMPRESARIAL 5IV8 Página 8
  • 9. CECyT Nº 3 [“ESTANISLAO RAMIREZ RUIZ”] Sensores reflexivos Este tipo de sensor presenta una cara frontal en la que encontramos tanto al LED como al fototransistor. Debido a esta configuración el sistema tiene que medir la radiación proveniente del reflejo de la luz emitida por el LED. Se tiene que tener presente que esta configuración es sensible a la luz del ambiente perjudicando las medidas, pueden dar lugar a errores, es necesario la incorporación de circuitos de filtrado en términos de longitud de onda, así pues será importante que trabajen en ambientes de luz controlada. Otro aspecto a tener en cuenta es el coeficiente de reflectividad del objeto, el funcionamiento del sensor será diferente según el tipo de superficie. Sensores de ranura(Sensor Break-Beam) Este tipo de sensor sigue el mismo principio de funcionamiento pero la configuración de los componentes es diferente, ambos elementos se encuentran enfrontados a la misma altura, a banda y banda de una ranura normalmente estrecha, aunque encontramos dispositivos con ranuras más grandes. Este tipo se utiliza típicamente para control industrial. Otra aplicación podría ser el control de las vueltas de un volante. Sensores modulados Este tipo de sensor infrarrojo sigue el mismo principio que el de reflexión peró utilizando la emisión de una señal modulada, reduciendo mucho la influencia de la iluminación ambiental. Son sensores orientados a la detección de presencia, medición de distancias, detección de obstáculos teniendo un cierta independencia de la iluminación. Sensores de barrido La diferencia con los anteriores reside en que el sensor realiza el barrido horizontal de la superficie reflectante utilizando señales moduladas para mejorar la independencia de la luz, el color o reflectividad de los objetos. Normalmente estos sistemas forman parte de un dispositivo de desplazamiento perpendicular al eje de exploración del sensor, para poder conseguir las medidas de toda la superficie. Configuración óptica Esta configuración se basa en un único sensor enfrentado a un cristal, el cual genera la imagen de una sección de la región a medir. Dicho cristal solidario con un motor de rotación con el objetivo de lograr el barrido de toda el área. Tiene la ventaja que adquiere un secuencia continua de la región de barrido. Resulta una sistema lento en términos de exploración. ELECTRONICA EMPRESARIAL 5IV8 Página 9
  • 10. CECyT Nº 3 [“ESTANISLAO RAMIREZ RUIZ”] Configuración en array de sensores En este caso la configuración del sistema de medida está formado por un array de sensores infrarrojos, por tanto no es necesario la utilización de ningún sistema de cristales, únicamente necesita un conjunto de lentes ópticas de enfoque(concentración de la radiación) a cada uno de los sensores. Esta configuración es más compleja peró permite mayor velocidad de translación i mejor protección contra errores de captación. Barrido óptico ELECTRONICA EMPRESARIAL 5IV8 Página 10