Servo-motores

Dentro de los motores que podemos encontrarnos formando partes de máquinas o automatismos, los servomotores ocupan un lugar importante cuando hablamos de precisión, posicionamiento o control, estos motores son muy versátiles y pueden verse en aplicaciones que van desde el modelismo a control de aplicaciones industriales. En este tutorial, vamos a hacer un pequeño repaso por sus características, tipos de servomotores y aplicaciones donde se suelen utilizar.

¿Qué es un servo-motor?

Para empezar, lo mejor es leer la definición que da la Wikipedia de servomotor, es muy reducida y lo define perfectamente.

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.​

Un servomotor es un motor eléctrico que puede ser controlado tanto en velocidad como en posición.

Por tanto, debemos entender que un servo-motor está compuesto por un motor controlado por un pequeño circuito que constantemente está monitorizando en que posición se encuentra el eje del motor. Para saber en que posición se encuentra el motor hay varios sistemas, el más común (sobre todo con motores que no giran completamente y son de poca potencia) es el de usar un potenciómetro que variará al moverse el eje del motor, pero también nos podemos encontrar servomotores que incorporan encoders (relativos y absolutos) o incluso servomotores a los que incorporan sensores inductivos que pueden actuar como cuentas vueltas.

Tipos de servomotores

Dentro de los sevomotores, existen un gran número de variantes, dependiendo del uso que se les vaya a dar. Podemos encontrarlos en tamaños y potencias muy dispares, ya que se pueden usar en aplicaciones de modelismo (donde el tamaño es fundamental) o en aplicaciones industriales, donde se les requieren grandes esfuerzos mecánicos.

Decir que los servomotores industriales de grandes tamaños son enormemente precisos, aunque en contraposición, son motores bastante delicados comparados con el resto de motores que se usan en la industria, por experiencia puedo decir que la parte más delicada de estos suele ser los encoders o la electrónica que determina el posicionamiento del eje del motor.

Como tipificar los motores por tamaños, potencias y usos es muy complejo debido a la gran variedad de servomotores que existen, la clasificación o división que suele hacerse habitualmente sobre este tipo de motores, depende exclusivamente de si pueden o no hacer girar su eje 360º, esto divide a los servomotores en dos grupos, servomotores de rotación continua o servomotores de giro limitado.

Servomotores de giro limitado

Son los servomotores más utilizados en aeromodelismo y aplicaciones de robótica a nivel amateur. Su precio depende fundamentalmente de 2 factores, la fuerza que son capaces de entregar manteniendo unas dimensiones reducidas y la calidad de la mecánica interna que tienen. Podemos encontrarlos desde 1.5€ a miles de euros, los de menor calidad presentan engranajes de plástico y suelen usarse en aplicaciones educativas, mientras que los más caros son capaces de mover cientos de kilos y cuentan con cajas reductoras bastante sofisticadas.

Servomotores de rotación continua

Este tipo de servomotores suelen ser más caros que los servos de giro limitado, sus precios van desde los 100€ a los miles de euros. Para el posicionamiento suelen usar encoders. Se utilizan fundamentalmente en robots industriales, como pueden ser los robots ABB o KUKA.

¿Cómo funciona un servo-motor?

Como he comentado anteriormente, los servomotores tienen internamente un circuito electrónico que es el encargado de regular la posición del servomotor, para darle instrucciones a este pequeño circuito utilizamos la modulación por ancho de impulso o PWM, en función de este ancho de impulso, vamos a hacer que este motor se mueva en un sentido u en otro. ¿Pero, cómo funciona exactamente? pues es muy sencillo, la clave está en la comparación de niveles de tensión. Si recordamos, una señal de PWM no es más que una señal cuadrada que se repite indefinidamente cuyo tiempo a valor máximo y mínimo son variables, en función de estos periodos, la tensión promedio va a variar, de igual forma que variará la tensión a la salida del potenciómetro (en función de la posición del eje) que tenemos en el enconder.

Como una imagen vale más que mil palabras, os dejo este esquema que seguro entendéis mejor

Al final lo que hace el comparador es ver la tensión que le llega del divisor de tensión que hemos creado con el potenciómetro y la tensión que le llega (modulada por ancho de impulso), si las tenciones son iguales, el comparador está en equilibrio, lo que nos indica que el eje del servomotor está donde queremos, si hay algún desequilibrio entre las tensiones, se moverá el eje hasta que se encuentre de nuevo el equilibrio.

La mayoría de servomotores (estándar) trabajan con una frecuencia de 50Hz, o lo que es lo mismo, con señales cuyo periodo es de 20ms, como estándar, se establece la posición central del potenciómetro para un ancho de pulso de 1.5ms, si este ancho de pulso es menor, el servomotor se moverá en sentido horario, si es mayor a 1.5ms (con un máximo de 2.5ms) el servomotor se moverá en sentido antihorario.

Como ejemplo, si tenemos un servomotor que trabaja en un rango de ángulos de entre 0º y 180º al que le aplicamos una señal PWM con ancho de 1.5ms, este se establecerá en su posición central, que en este caso será de 90º, si el pulso es inferor a 1.5ms, se moverá en sentido horario hasta alcanzar el equilibrio.