INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TLÁHUAC

INGENIERÍA MECATRÓNICA

“CONTROL DE UN

SERVOMOTOR DE

MODELISMO CON CI 555”

Materia: Máquinas Eléctricas

Profesor: Ing. Alejandro Torres Contreras

Grupo: 7m2

Integrantes del Equipo:

Gómez Escobar Jorge Arnulfo

López Jiménez Violeta

Martínez Matínez Luis

Velázquez De la Rosa Iván

Tláhuac, D.F., a 20 de Noviembre de 2012

Instituto Tecnológico de Tláhuac Control de un Servomotor de Modelismo con CI 555

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OBJETIVO

Conocer el funcionamiento de los servomotores y la manera de controlar la posición de su flecha en todo momento por medio de un timer elaborado con el CI 555.

INTRODUCCIÓN

El Servomotor

Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señal codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia. En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. Ellos también se usan en radio control, títeres, y por supuesto, en robots.

¿Cómo trabaja un servo?

El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro (una resistencia variable) esta es conectada al eje central del servo motor. En la figura se puede observar

al lado derecho del circuito. Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección adecuada hasta

llegar al ángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un servo normal no es mecánicamente capaz de retornar a su lugar, si hay un mayor peso que el sugerido por las especificaciones del fabricante.

La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control proporcional.

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Básicamente, un servo necesita una señal de onda cuadrada de una frecuencia de entre 50 a 60 Hz (o dicho en unidades de tiempo se trata de un periodo o duración de ciclo de entre 20 a 16,66 milisegundos, respectivamente) , donde el pulso alto de la señal tenga una duración de entre 1 a 2 milisegundos, que es el que comanda la posición del servo de la siguiente manera:

Cuando el pulso es de 1ms, el servo se sitúa a

0 grados, en la posición inicial.

Cuando el pulso tiene una duración de 1,5 ms

el servo se situará a 90 grados de su posición

inicial.

Cuando el pulso es de 2ms, el servo girando en sentido horario situándose 180º de la

posición inicial.

El motor empleado en esta práctica es un modelo JR con las siguientes características:

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CI 555

Para generar una señal de onda cuadrada, nos vamos a basar en el C.I. temporizador

555. Este circuito integrado lo podemos utilizar como multivibrador astable.

Los datos son básicamente los siguientes:

A la izquierda el esquema de conexión del integrado, y a la derecha, la forma de onda en

la patilla 3 (Salida).

En este caso la salida que se muestra, tiene dos tiempos:

T1 a nivel alto.

T2 a nivel bajo.

Si comparamos esta forma de onda con la que pintábamos más arriba que necesita el

servo, vemos que el pulso T1 a nivel alto tiene mayor duración, que T2, nivel bajo. Esto

siempre va a ser así como se puede ver en las hojas del fabricante, debido a los tiempos

de carga y descarga del condensador C1.

Las ecuaciones muestran lo mismo (extraídas de las hojas del fabricante):

T1 (pulso a nivel alto)= 0,693 x (RA+RB) x C1

T2 (pulso a nivel bajo)= 0,693 x RB x C1

En estas se ve claramente que T1 se obtiene con las suma de las 2 resistencias RA y RB

(tiempo de carga del condensador), mientras que T2 tan solo con RB (tiempo de descarga

del condensador). Por tanto, siempre, T1 > T2.

El término “astable” se refiere a que ambos estados lógicos (alto y bajo) oscilan durante un tiempo t.

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La señal de salida tendrá un nivel alto por un tiempo t1 y un nivel bajo por un tiempo t2, los cuales variaran de acuerdo a los valores de R1, R2 y C1.

El capacitor C2 de 0.01 μF (10

picofaradios) se implementa cuando la patilla 5 de control de voltaje del CI 555 no se utiliza.

Para el análisis del circuito

usaremos las siguientes formulas:

Duración de los niveles lógicos:

Frecuencia:

Periodo:

Para la práctica con el servomotor no queremos que el ancho del pulso T2 sea fijo, si no

variable.

Para conseguir eso introducimos un potenciómetro entre ambas resistencias, y su patilla

central la llevamos al pin 7 del 555 para variar el tiempo de descarga del condensador (el

tiempo de carga siempre será el mismo, como se ha dicho: T1(carga) = 0,693 x C1 x (RA

+ RB) , la suma total de las resistencias no va a variar). De modo que ahora para nuestros

cálculos tenemos que RA y RB tiene la siguiente disposición:

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Ahora tenemos que resolver los valores de R1, R2, C1 y el Potenciómetro.

Como los pulso variables, son los de tiempo en bajo (TL- time low), utilizaremos el CI

7404, que es un inversor (compuerta NOT) para invertir la señal y de esta manera el pulso

más pequeño y variable será el alto y el fijo y más largo será el bajo.

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MATERIAL

1 Servomotor JR de 4.8V

2 capacitores de 100 nF (104)

1 resistencia de 15 KΩ

1 resistencia de 100 KΩ

1 resistencia de 220 Ω

1 potenciómetro de 50 KΩ

1 CI 7404

1 LED

1 fuente de 5VCC

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DESARROLLO

Para la elaboración de la práctica, realizamos en el protoboard el siguiente circuito:

El LED azul es solo para ver el paso de los pulsos (pasa más tiempo apagado, por lo que la intensidad del LED es baja).

U1A

7404N

V15 V

VCC

OUT

U2555_TIMER_RATED

GND

DIS

RST

THR

CON

TRI

R1100kΩ

R215kΩ

R3

50kΩ

Key=A50%

C1100nF

C2100nF

1

2

3

4

5

6

7

XSC1

Tektronix

1 2 3 4 T

G

P

LED1

R4220Ω

90

8

100 K

50 K

0.1 μF Cable café

Cable naranja

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Aquí observamos las mediciones con el osciloscopio:

Ilustración 1 Circuito de Control del Servomotor

Ilustración 2 Señal de 2 ms

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Ilustración 3 Señal de 1.5 ms

Ilustración 4 Señal de 0.64 ms

Con las mediciones hechas, tenemos que con esta configuración, los valores del pulso (Duty Cycle, Frecuencia y Período) van en los siguientes rangos:

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Mínimo Máximo

Duty Cycle 8.8% (0.641 ms) 26.2% (2.264 ms)

Frecuencia 137.36 Hz 115.74Hz

Período 7.28 ms 8.64 ms

Por lo que observamos que el rango de la onda trabaja adecuadamente, solo un poco inferior el mínimo, pero el servomotor no se vio afectado por esto.

El potenciómetro de 50K estaba un poco sobrado, por lo que no debía darse toda la vuelta a este, ya que rebasa el ancho del pulso y podría dañar el servomotor, lo indicado sería el uso de un potenciómetro de entre 30K a 40K para que no se rebase el rango del pulso.

La frecuencia, solo indica que el cambio de posición es rápido, aunque no se vio afectado el servo.

Para ver las pruebas, revisar el video contenido en el archivo del CD.

CONCLUSIONES

Para el buen manejo de un servomotor, es necesario una generación adecuada de sus pulsos de trabajo, aquí se empleo un multivibrador en modo astable CI 555, con el que variar el pulso, pero los valores no son precisos por los elementos externos con los que se cuenta que no son de alta precisión, pero hay circuitos existentes ya diseñados para el control del servomotor, con programas que regulen a precisión el PWM, como son los microcontroladores o los controles de servomotor comerciales (con su software incluido).

Como se vio, es el tiempo en bajo de la configuración astable del 555 el que es regulable, por lo que debe invertirse la salida para introducirlo al servomotor (para ello la compuerta NOT).

En los servos industriales el control del servomotor le permite el giro de 360° y su posición no la da un potenciómetro, sino un encoder, por lo que el rango del pulso se incrementa casi al doble.