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Tipos de servomotores Partes de un servomotor Funcionamiento del servo Prueba del servomotor Modificacin de los servos Aplicaciones Conclusiones y recomendaciones Referentes bibliogrficas

Figura 1: "Servomotor" Un servomotor (tambin llamado Servo) es un dispositivo similar a un motor de corriente continua, que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posicin dentro de su rango de operacin, y mantenerse estable en dicha posicin. Est conformado por un motor, una caja reductora y un circuito de control. Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radio control y en robtica, pero su uso no est limitado a estos. Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos. Un servo normal o Standard tiene 3kg por cm. de torque que es bastante fuerte para su tamao. Tambin potencia proporcional para cargas mecnicas. Un servo, por consiguiente, no consume mucha energa. La corriente que requiere depende del tamao del servo. Normalmente el fabricante indica cual es la corriente que consume. Eso no significa mucho si todos los servos van a estar movindose todo el tiempo. La corriente depende principalmente del par, y puede exceder un amperio si el servo est enclavado.

TIPOS DE SERVOMOTORESHay tres tipos de servomotores: -Servomotores de CC -Servomotores de AC -Servomotores de imanes permanentes o Brushless.

PARTES DE UN SERVOMOTOR

Figura 2: "Estructura tpica"

Motor de corriente continua

Es el elemento que le brinda movilidad al servo. Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales, este motor gira en un sentido a su velocidad mxima. Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso, el sentido de giro tambin se invierte.

Engranajes reductores

Se encargan de convertir gran parte de la velocidad de giro del motor de corriente continua en torque.

Circuito de control

Este circuito es el encargado del control de la posicin del motor. Recibe los pulsos de entrada y ubica al motor en su nueva posicin dependiendo de los pulsos recibidos.

Figura 3: "Circuito de control"

Tiene adems de los circuitos de control un potencimetro conectado al eje central del motor. Este potencimetro permite a la circuitera de control, supervisar el ngulo actual del servo motor. Si el eje est en el ngulo correcto, entonces el motor est apagado. Si el circuito chequea que el ngulo no es correcto, el motor volver a la direccin correcta, hasta llegar al ngulo que es correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero vara segn el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un servo normal no es mecnicamente capaz de retornar a su lugar, si hay un mayor peso que el sugerido por las especificaciones del fabricante. Los servomotores tienen 3 terminales:

Terminal positivo: Recibe la alimentacin del motor (4 a 8 voltios) Terminal negativo: Referencia tierra del motor (0 voltios) Entrada de seal: Recibe la seal de control del motor

Los colores del cable de cada terminal varan con cada fabricante: el cable del terminal positivo siempre es rojo; el del terminal negativo puede ser marrn o negro; y el del terminal de entrada de seal suele ser de color blanco, naranja o amarillo.

Figura 4: "Conexin externa del servo"

CLCULOSDependiendo del modelo del servo, la tensin de alimentacin puede estar comprendida entre los 4 y 8 voltios. El control de un servo se reduce a indicar su posicin mediante una seal cuadrada de voltaje. El ngulo de ubicacin del motor depende de la duracin del nivel alto de la seal. Cada servo motor, dependiendo de la marca y modelo utilizado, tiene sus propios mrgenes de operacin. Para el servomotor Futaba S3003, los valores posibles de la seal en alto estn entre 0,3 y 2,1 ms, que posicionan al motor en ambos extremos de giro (0 y 180, respectivamente). El valor 1,2 ms indica la posicin central, y otros valores de duracin del pulso dejaran al motor en la posicin proporcional a dicha duracin.

Es sencillo notar que, para el caso del motor anteriormente mencionado, la duracin del pulso alto para conseguir un ngulo de posicin estar dada por la frmula t = 0,3 + /100 Donde t est dado en milisegundos y en grados.

Duracin del nivel alto [ms] ngulo [grados] 0,3 1,2 2,1 0,75 0 90 180 45

Tabla1.:" Ejemplos de algunos valores usados en un servomotor" Para bloquear el servomotor en una posicin, es necesario enviarle continuamente una seal con la posicin deseada. De esta forma el servo conservar su posicin y se resistir a fuerzas externas que intenten cambiarlo de posicin. Si los pulsos no se envan, el servomotor queda liberado, y cualquier fuerza externa puede cambiarlo de posicin fcilmente.

Tabla 2:" Caractersticas tcnicas de algunas marcas de servo"

FUNCIONAMIENTO DEL SERVOLa modulacin por anchura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation), es una de los sistemas ms empleados para el control de servos. Este sistema consiste en generar una onda cuadrada en la que se vara el tiempo que el pulso est a nivel alto, manteniendo el mismo perodo (normalmente), con el objetivo de modificar la posicin del servo segn se desee.

Figura 5: "PWM para recorrer todo el rango de operacin del servo" El sistema de control de un servo se limita a indicar en que posicin se debe situar. Esto se lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duracin del pulso indica el ngulo de giro del motor. Cada servo tiene sus mrgenes de operacin, que se corresponden con el ancho del pulso mximo y mnimo que el servo entiende. Los valores ms generales se corresponden con pulsos de entre 1 ms y 2 ms de anchura, que dejaran al motor en ambos extremos (0 y 180). El valor 1.5 ms indicara la posicin central o neutra (90), mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen ser los recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 ms o mayores de 2 ms, pudindose conseguir ngulos mayores de 180. Si se sobrepasan los lmites de movimiento del

servo, ste comenzar a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. El factor limitante es el tope del potencimetro y los lmites mecnicos constructivos.

Figura 6: "Ejemplos de posicionamiento de un servo" El perodo entre pulso y pulso (tiempo de OFF) no es crtico, e incluso puede ser distinto entre uno y otro pulso. Se suelen emplear valores ~ 20 ms (entre 10 ms y 30 ms). Si el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mnimo, puede interferir con la temporizacin interna del servo, causando un zumbido, y la vibracin del eje de salida. Si es mayor que el mximo, entonces el servo pasar a estado dormido entre pulsos. Esto provoca que se mueva con intervalos pequeos.

Figura 7: "Periodos entre pulsos" A continuacin se puede observar la posicin del eje de un servomotor segn la anchura del pulso aplicada:

Figura 8: "Otra posibilidad de pulsos de control"

PRUEBA DEL SERVOMOTORPara comprobar el funcionamiento de un servomotor se lo puede hacer mediante un circuito oscilador en este caso un 555, logrando as determinar los tiempos necesarios para el funcionamiento de este para que luego puede ser programado en un microcontrolador.

Figura 9: "Circuito de prueba del servo"

MODIFICACIN DE LOS SERVOSEs posible modificar un servo motor para eliminar su restriccin de giro y permitirle dar giros completos. Esto, sin embargo, convierte al servo motor en un motor de corriente continua normal, pues es necesario eliminar el circuito de control. Debido que los engranajes reductores se conservan luego de la

modificacin, el motor obtenido mantiene la fuerza y velocidad que tenan servo inicial. Adems, poseen la ventaja de que tienen menos inercia que los motores de corriente continua comerciales, lo que los hace tiles para ciertas aplicaciones.

APLICACIONESEn la prctica, se usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeos ascensores y timones. Ellos tambin se usan en radio control, tteres, y por supuesto, en robots.

Figura 10: "Aplicaciones en robotica"

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Mucha atencin en las tierras. La tierra del servo debe concordar con la tierra de la fuetes y del sistema que enva las ordenes al servo Si usas cables demasiado largos para controlar tus servos, es probable que tengas ruido en los servos, esto ocurre porque mientras ms largo es el cable resulta ms vulnerable a ruido electromagntico e incluso es perturbado por seales de otros servos. Esto se soluciona utilizando cable blindado, solo recuerda aterrizar el blindaje. Un servo en operacin normal no se debe de calentar. Siempre que sea posible utiliza fuentes de voltaje separadas para tus servomotores y para tu electrnica digital. los servomotores generan bastante ruido hacia su lnea de alimentacin. Los servos tambin envejecen con el uso.

REFERENTES BIBLIOGRFICAS

EL SERVOMOTOR

Un Servo es un dispositivo pequeo que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares especficas al enviar una seal codificada. Con tal de que una seal codificada exista en la lnea de entrada, el servo mantendr la posicin angular del engranaje. Cuando la seala codificada cambia, la posicin angular de los piones cambia. En la prctica, se usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeos ascensores y timones. Ellos tambin se usan en radio control, tteres, y por supuesto, en robots. Los Servos son sumamente tiles en robtica. Los motores son pequeos, tiene internamente una circuiteria de control interna y es sumamente poderoso para su tamao. Un servo normal o Standard como el HS-300 de Hitec tiene 42 onzas por pulgada o mejor 3kg por cm. De torque que es bastante fuerte para su tamao. Tambin potencia proporcional para cargas mecnicas. Un servo, por consiguiente, no consume mucha energa. Se muestra la composicin interna de un servo motor en el cuadro de abajo. Podr observar la circuiteria de control, el motor, un juego de piones, y la caja. Tambin puede ver los 3 alambres de conexin externa. Uno es para alimentacin Vcc (+5volts), conexin a tierra GND y el alambre blanco es el alambre de control.

FUNCIONAMIENTOEl motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potencimetro (una resistencia variable) esta es conectada al eje central del servo motor. En la figura se puede observar al lado derecho del circuito. Este potencimetro permite a la circuiteria de control, supervisar el ngulo actual del servo motor. Si el eje est en el ngulo correcto, entonces el motor est apagado. Si el circuito chequea que el ngulo no es el correcto, el motor girar en la direccin adecuada hasta llegar al ngulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero vara segn el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180.

La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que ste necesita viajar. As, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresar a toda velocidad. Si este necesita regresar slo una pequea cantidad, el motor correr a una velocidad ms lenta. A esto se le llama control proporcional.

CARACTERSTICAS GENERALES Y FUNCIONAMIENTO: Estos servos tienen un amplificador, servo motor, pioneara de reduccin y un potencimetro de realimentacin; todo incorporado en el mismo conjunto. Esto es un servo de posicin (lo cual significa que uno le indica a qu posicin debe ir), con un rango de aproximadamente 180 grados. Ellos tienen tres cables de conexin elctrica; Vcc, GND, y entrada de control. Para controlar un servo, usted le ordena un cierto ngulo, medido desde 0 grados. Usted le enva una serie de pulsos. En un tiempo ON de pulso indica el ngulo al que debe posicionarse; 1ms = 0 grados, 2.0ms = mx. grado (cerca de 120) y algn valor entre ellos da un ngulo de salida proporcional. Generalmente se considera que en 1.5ms est el "centro." Entre lmites de 1 ~ 2ms son las recomendaciones de los fabricantes, usted normalmente puede usar un rango mayor de 1.5ms para obtener un ngulo mayor e incluso de 2ms para un ngulo de rendimiento de 180 grados o ms. El factor limitante es el tope del potencimetro y los lmites mecnicos construidos en el servo. Un sonido de zumbido normalmente indica que usted est forzando por encima al servo, entonces debe disminuir un poco.

El tiempo de OFF en el servo no es crtico; puede estar alrededor de los 20ms. Hemos usado entre 10ms y 30 ms. Esto No tiene que ser de sta manera, puede variar de un pulso a otro. Los pulsos que ocurren frecuentemente en el tiempo de OFF pueden interferir con el sincronismo interno del servo y podra escucharse un sonido de zumbido o alguna vibracin en el eje. Si el espacio del pulso es mayor de 50ms (depende del fabricante), entonces el servo podra estar en modo SLEEP entre los pulsos. Entrara a funcionar en pasos pequeos y el rendimiento no sera el ptimo.

Como se observa en la figura, la duracin del pulso indica o dictamina el ngulo del eje (mostrado como un crculo verde con flecha). Ntese que las ilustraciones y los tiempos reales dependen del fabricante de motor. El principio, sin embargo, es el mismo.

El cable de control se usa para comunicar el ngulo. El ngulo est determinado por la duracin de un pulso que se aplica al alambre de control. A esto se le llama PCM Modulacin codificada de Pulsos. El servo espera ver un pulso cada 20 milisegundos (.02 segundos). La longitud del pulso determinar los giros de motor. Un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, har que el motor se torne a la posicin de 90 grados (llamado la posicin neutra). Si el pulso es menor de 1.5 ms., entonces el motor se acercar a los 0 grados. Si el pulso es mayor de 1.5ms, el eje se acercar a los 180 grados.

La descripcin realizada anteriormente como se a podido observar son de servomotores de corriente continua usados en robtica domstica y en aeromodelismo fundamentalmente. SERVOMOTORES EN MODELISMO:

DIAGRAMA DE UN SERVOMOTOR TPICO DE MODELISMO. Un servomotor de este tipo es bsicamente un motor elctrico que slo se puede girar en un ngulo de aproximadamente 180 grados (no dan vueltas completas como los motores normales). De los tres cables que salen de su cubierta. El rojo es de voltaje de alimentacin (+5V), el negro es de tierra (0V GND). El cable blanco (a veces amarillo) es el cable por el cul se le instruye al servomotor en qu posicin ubicarse (entre 0 grados y 180). Dentro del servomotor, una tarjeta controladora le dice a un pequeo motor de corriente directa cuntas vueltas girar para acomodar la flecha (el eje de plstico que sale al exterior) en la posicin que se le ha pedido. En la siguiente figura se observa la ubicacin de estas piezas dentro del servomotor:

Un potencimetro que est est sujeto a la flecha, mide hacia dnde est ubicado en todo momento. Es as como la tarjeta controladora sabe hacia dnde mover al motor. La posicin deseada se le da al servomotor por medio de pulsos. Todo el tiempo debe haber una seal de pulsos presente en ese cable. La seal de pulsos controla al servo de la siguiente forma:

Ntese que el intervalo de tiempo entre pulsos se mantiene constante, y la variacin del ancho de los mismos es lo que le indica al servo la posicin que se desea. Estos valores de milisegundos han funcionado bastante bien para los servomotores FUTABA FP-S148, FUTABA S3003, Hitec HS-300 y HOBBICO COMMAND CS-51, y hemos encontrado tambin que son bastante tolerables en cuanto al perodo de los pulsos de control. Responden adecuadamente a pulsos desde 50 hz. hasta aproximadamente 100 hz., pero una vez escogida una frecuencia de operacin debe procurarse mantener la misma frecuencia todo el tiempo.