ServomotorFundamentos básicos

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Origen y Utilidad

Un Servomotor es un dispositivo similar a un motor de corriente continua que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación y mantenerse estable en dicha posición.

Wikipedia

Se requiere utilizar servomotores

Fuertes

Suaves

Movimientos

Baja velocidad

Alta velocidad

Paradas

El origen de la palabra Servo proviene de la palabra latina "Servus“ que se podría traducir algo así como “posicionamiento fiel”

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Principio Rotacional de un Servomotor

Los Motores asíncrono son los motores de alterna que giran a una frecuencia distinta a la frecuencia de sincronismo que normalmente es la frecuencia de alimentación (50Hz en Europa)

Los motores de inducción por ejemplo, son motores asíncronos dado que su velocidad depende de los pares de polos que tenga la máquina

𝒏=𝟔𝟎 𝒇𝑷

Motores de Corriente Alterna

Jaula de ardilla

Ley de la mano izquierda de Fleming

Paso a paso Servomotores

Ley de la mano derecha o del sacacorchos

Ｎ

Ｓ

Imán

ＮＳ

Bat

ería

Bobina

Motores de inducción

Motores síncronos

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Elementos Necesarios en Control de Movimiento

Para realizar movimientos y paradas, pueden intervenir los siguientes elementos

Equipo de MandoEs aquel equipo que ordena que movimiento se quiere hacer y cuando se ha de hacer. Equipos de mando muy comunes suelen ser controles numéricos, PLCs, un encoder maestro,

Las ordenes de mando (consignas) se pueden dar de muchas formas siendo las más comunes el tren de pulsos, señales analógicas o comunicaciones

Elemento MotrizEl elemento motriz propiamente dicho se llama motor y transforma la energía eléctrica en movimiento

En ocasiones (como en el caso del servomotor o de un motor con variador de frecuencia) el motor requiere de un elemento especializado llamado controladora o driver que convierte las ordenes del equipo de mando (consignas) en señales eléctricas utilizadas por el motor (intensidad)

Elemento MóvilTodos los componentes mecánicos (engranajes, bielas, plataformas,…) unidos al eje del motor y que permiten convertir el movimiento circular en el movimiento final deseado

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Métodos de control

Control en lazo abierto

Un control en lazo abierto cumple con el siguiente diagrama

Equipo de Mando (PLC, CNC, etc.) Controladora Motor

Consigna

El equipo de mando envía la orden de movimiento o parada al elemento motriz y se da por hecho que se cumple dicha orden, pero no se comprueba que se ha ejecutado adecuadamente

Normalmente, este mecanismo se utiliza cuando no importa que no se cumpla las ordenes al cien por cien tales como cintas transportadoras, etc…

En el caso de que ocurra algo imprevisto (ej. bloqueo mecánico) es posible que ni el equipo de mando ni la controladora detectan ese fallo.

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Métodos de control

Control en lazo semi-cerrado

Un control en lazo semi-cerrado cumple con el siguiente diagrama

Equipo de Mando (PLC, CNC, etc.) Controladora Motor

Consigna

Existe una señal física, que normalmente es un tren de pulsos que proviene de un encoder instalado en el motor que se cablea al equipo de mando o a la controladora del motor, que realimenta el sistema, dando información en todo momento sobre lo que ocurre en el elemento motriz a un elemento que puede interferir sobre su funcionamiento.

OR

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Métodos de control

Control en lazo cerrado

Un control en lazo cerrado cumple con el siguiente diagrama

Equipo de Mando (PLC, CNC, etc.) Controladora Motor

Consigna

Existe una señal física, que normalmente es un tren de pulsos que proviene de un encoder instalado en el motor que se cablea al equipo de mando y a la controladora del motor, que realimenta el sistema, dando información en todo momento sobre lo que ocurre en el elemento motriz a todos los elemento que puede interferir sobre su funcionamiento.

En este caso, es necesario establecer una pauta clara en cuanto a prioridades entre el equipo de mando y la controladora para evitar ordenes opuestas AND

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Principio de Funcionamiento de un Servomotor

Pulsos Encoder

Com

para

Emisión de la corriente necesaria para cumplir con la orden de

mando Tren de pulsos

Señal Analógica Comunicaciones

Realimentación de pulsos del encoder

Controlador del servo motor

Servo motor

Equipo de MandoEj. PLC, CNC, ….

Consigna

Realimentación(opcional)

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Bucle Cerrado

Podría definirse como “bucle” al camino seguido por las señales de mando, que indican las acciones a realizar y la señal de realimentación que es devuelta al elemento de control para indicar las condiciones de funcionamiento real.

La señal de realimentación se compara con la consigna.

El error resultante es procesado y multiplicado por una variable llamada ganancia.

El resultado actúa como una nueva orden al siguiente bucle o al circuito de potencia del amplificador.

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Bucles de control en servomotores

En un servomotor hay tres tipos de bucles de control: posición, velocidad y par.

Dependiendo del tipo de control utilizado, estos se cierran en el controlador del servomotor o en el equipo de mando (PLC, CNC, etc.).

+-+-+- PWM

Bucle de par Bucle de velocidad Bucle de posición

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Bucles de control en servomotores

La controladora del servomotor es capaz de detectar el par, velocidad o posición mediante la siguiente tecnología

Detección de fuerza o parLa intensidad entregada/recibida por la controladora es directamente proporcional al par del servomotor por lo que la realimentación consiste en la medida de la intensidad en el motor mediante el uso de un transformador interno.

1

Detección de VelocidadLa controladora detecta la velocidad de rotación mediante la detección de la frecuencia de pulsos del encoder del servomotor.

2

Detección de PosiciónLa controladora detecta la posición del eje mediante el contaje de los pulsos de entrada del encoder del servomotor

3

Corriente

Cont

rola

doraConsigna Detector de Velocidad

(Encoder de realimentación)

Velocidad de rotación

Cont

rola

doraConsigna Detector de posición

(Encoder de realimentación)

Se mueve en el ángulo en función del número de pulsos

Cont

rola

doraConsigna

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Principio Rotacional de un Servomotor

Cuando el equipo de mando desea realizar un control de par (ej. mantener tensión de una bobina de papel mientras se bobina o par de apriete de tapones de botellas), el objetivo del servomotor es mantener dicha fuerza siempre en el eje, modificando la velocidad para que esto ocurra.

Cuanto mayor sea la diferencia entre la consigna de par que se desea con respecto al par que ejerce el servomotor, mayor será la velocidad de giro del servomotor.

Bucle de Par

Consigna: Desde bucle de velocidad (control de velocidad con límite de par) y/o entrada analógica de par (±10V) o comunicaciones

Realimentación: Transformador de corriente interno

Salida: Actúa sobre los transistores de potencia, es decir, directamente actúa sobre el servomotor

El control de par es prioritario sobre los controles de posición y velocidad, es decir, si se fija un par máximo (por defecto el 300% del par nominal) y para alcanzar el valor de consigna dado por el equipo de control se ha de superar el límite impuesto, la controladora no ejecutará la orden de mando y dará un error

Bucle de Par

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Principio Rotacional de un Servomotor

Cuando el equipo de mando desea realizar un control de velocidad (ej. CNC) el objetivo del servomotor es mantener la velocidad de giro de forma constante en el eje, aplicando mayor o menor par ante variaciones externas en las carga.

Bucle de Velocidad

Consigna: Desde bucle de posición (control de posición con límite de velocidad) y/o entrada analógica de par (±10V) o comunicaciones

Realimentación: Frecuencia de pulsos del encoder

Salida: Actúa sobre el bucle de par.

El control de velocidad es prioritario sobre el control de posición, es decir, si se fija una velocidad máxima y para alcanzar el valor de consigna dado por el equipo de control durante un control de posicionamiento se ha de superar el límite impuesto, la controladora no ejecutará la orden de mando y dará un error

Bucle de ParBucle de Velocidad

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Principio Rotacional de un Servomotor

Cuando el equipo de mando desea realizar un control de posición (ej. inserción de componentes en placas electrónicas para soldarlos posteriormente) el objetivo del servomotor es alcanzar dicha posición con la máxima precisión posible..

Bucle de Posición

Consigna: Desde equipo de mando, generalmente por comunicaciones o por trenes de impulsos

Realimentación: Número de pulsos del encoder o posición del encoder absoluto

Salida: Actúa sobre el bucle de velocidad que a su vez actúa sobre el bucle de par.

El control de posición es el último en prioridad de forma que la controladora no ejecutará dicha orden si para ello tiene que superar el límite de velocidad o de par configurados

Bucle de ParBucle de Velocidad Bucle de Posición

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Tipos de control

Control de Par

En modo control de par, el controlador del servomotor recibe una consigna mediante señal analógica (normalmente ±10V CC) o comunicaciones desde el equipo de mando.

El bucle de par se cierra en el controlador del servomotor.

Los bucles de posición y velocidad se cierran en el equipo de mando.

El equipo de mando es normalmente muy inteligente y el controlador del servomotor tiene un bajo nivel de sofisticación.

Equipo de mando Controlador

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Tipos de control

Control de Par

En modo control de velocidad, el controlador del servomotor recibe una consigna mediante señal analógica (normalmente ±10V CC) o comunicaciones desde el equipo de mando.

El controlador del servomotor es responsable de asegurar que el motor gira a la velocidad apropiada, para ello debe aplicar al motor la cantidad de par necesaria. (Los bucles de velocidad y par se cierra en el controlador).

El bucle de posición se cierra en el equipo de mando.

Tanto el equipo de mando como el controlador del servomotor son de un nivel de sofisticación medio. Un equipo de mando típico es un CNC

Equipo de mando Controlador

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Tipos de control

Control de Posición

En modo control de posición, el controlador del servomotor recibe una consigna mediante trenes de pulsos o comunicaciones desde el equipo de mando.

Para asegurar la precisión de la posición del motor el controlador del servomotor debe controlar la velocidad y par del mismo. Los bucles de posición, velocidad y par se cierran en el controlador del servomotor.

En el equipo de mando no se cierra ningún bucle pero se le puede realimentar igualmente para que monitorice y realice acciones tales como borrado de errores, interrumpir la consigna, etc…

El equipo de control es normalmente de bajo nivel de sofisticación y el controlador del servomotor suele ser muy completo. Un equipo de mando típico es el PLC

Controlador

Equipo de

mando

Realimentación Opcional

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Velocidad y Par de un servomotor

Conceptos de velocidad y Par I

Par nominal es la máxima cantidad de par que el motor puede producir en servicio contínuo.

Si el motor está siendo utilizado a una velocidad superior a la nominal, la cantidad de par en continuo y de pico disponible cae.

Par de pico es la máxima cantidad de par que el motor puede suministrar a una velocidad dada.

Velocidad nominal es la máxima velocidad a la que el motor puede suministrar su par nominal.

A velocidad nominal o menor, el par de pico disponible del motor es tres veces el par nominal.

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Velocidad y Par de un servomotor

Conceptos de velocidad y Par II

Velocidad máxima limitada por los componentes mecánicos y por la resolución del encoder

La caída del par de pico resulta de la limitación de c.c. en el bus de tensión.

Par de pico limitado por la corriente máxima admisible por el controlador (driver).

El motor está diseñado para trabajar alrededor de este punto “par nominal a velocidad nominal”

Zona de par contínuo delimitada por la sobre temperatura admisible en el motor.

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Velocidad y Par de un servomotor

Sobrecarga

Se produce una sobrecarga cuando se excede el par nominal del servomotor.

Si bien un servomotor es capaz de aguantar hasta el 300% de su par nominal, este exceso de par sólo es admisible durante cortos periodos de tiempo. Transcurrido ese tiempo, se genera un error de sobrecarga. El tiempo admisible sin error con exceso de par se obtiene de las llamadas curvas de sobrecarga

A mayor porcentaje de sobrecarga, menor es el tiempo

antes de que salte el error

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Construcción física

Estator

Bobinas

Brida

Rodamientos de bolas

Imanes rotor Rotor

Freno (opcional)

Encoder

Conector potencia y freno

Eje

Conector realimentación

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Elementos móviles

Este mecanismo es el más común a la hora de utilizar un servo motorSe usa para el mecanismo que transporta la mayor parte de dispositivos

Guía Lineal

Tabla

Husillo de bolas

Correa dentada

Cremallera & Piñón

Alternativa a utilizar cuando la solución con Husill de Bolas es demasiado costosaSin embargo, hay que tener muy en cuenta el incremento de la inercia al utilizar reductora.

El uso de la rotación también tiene multitud de aplicaciones

Aplicación donde se solicita conexión directa del servo mediante correa dentada y alta precisión de rotación

Reductora

Reductor

Cremallera

Piñón

Servo Motor

Rotación

Elementos de transmisión típicos

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Aplicaciones más Comunes

Ejemplos de Aplicaciones más comunes

Máquinas de impresión Equipos médicos Máquinas de coser

PrensasRobots Mesas X-Y-ZInserción de Componentes

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Aplicaciones más Comunes

Se requiere una alta velocidad de rotación y motores de alta inercia con un elevado par.

Además, se requiere de una unidad de control numérico que maneje con precisión los movimientos de todos los servomotores.

Generalmente, la máquina herramienta requiere de un control muy avanzado y preciso.

Maquina Herramienta y CNC

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Aplicaciones más Comunes

Alimentación y embalaje

Film

AlimentadorSellado lateral

Cuchilla/sellador

Cinta transportadora

Cuchilla

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