Servos analgicos y digitales

Generalidades

Por, OB-4 Alberto Regueiro

A lo largo de estos ltimos aos los servos han evolucionado enormemente en cuanto a prestaciones suministradas, sea, tamao, velocidad de posicionamiento y p ar. El ltimo paso adelante en la evolucin de los servos es el nacimiento de los co nocidos como servos digitales Los servos digitales tienen sensibles ventajas sobre los servos convenc ionales incluidos aquellos que incorporan motores "coreless" en cuanto a prestac iones, pero a cambio tambin muestran algunas pequeas desventajas, en este document o intentar exponer los pros y contras de los servos digitales a la vez que aclara r algunos aspectos de su funcionamiento. Para empezar, un servo digital es lo mismo que un servo estndar excepto que el primero incorpora un cristal de cuarzo y un microprocesador el cual anali za la seal enviada por el receptor a la vez que se encarga de controlar el funcio namiento del servomotor. Es incorrecto pensar que un servo digital es completame nte diferente a un estndar en cuanto a arquitectura hardware. un servo digital in corpora el mismo motor ,piones y caja que los estndar, e incluso y lo ms importante es que tambin disponen de un potencimetro para la realimentacin de posicin. Por tanto la diferencia principal entre ambos tipos reside en la manera en la que se procesa la seal recibida desde el receptor, y en como controla el e nvo de potencia al servomotor de posicionamiento consiguiendo reducir la banda mu erta, incrementando la resolucin y generando unos valores de par esttico y dinmico mucho ms elevados.

Principio de funcionamiento de un servo estndar Para poder comprender mejor el funcionamiento de estos dispositivos emp ezaremos por describir brevemente el funcionamiento de una emisora FM de las hab itualmente usadas en nuestro hobby; En funcin de la posicin del palote, volante o gatillo se generar un pulso por cada canal de ancho constante y proporcional a di cha posicin, de forma que a igualdad de posicin corresponda igualdad de ancho de p ulso. Estos pulsos sern encadenados consecutivamente de forma que tendremos un t ren de pulsos formado por un pulso de cada canal de la emisora y luego un espaci o sin seal para realizar la sincrona y as conseguir que el receptor entienda que ha f inalizado un envo y se prepare para recibir el siguiente, en la siguiente figura vemos tres seales de control, una por cada canal y el espacio de sincronismo entr e ellas

en donde el color amarillo representara al canal 1, el verde al 2, el azul al ter cer canal y el espacio libre entre los dos grupos de pulsos sera el sincronismo, esa seal al ser recibida en el receptor, se decodificara a su vez en tres trenes d e pulsos independientes para controlar por separado cada uno de los servos conec tados a cada canal. El ancho de pulso oscilar dependiendo del fabricante entre 50

0 y 2500 msg de forma que aproximadamente un pulso de 1500 msg se le denomina pu lso neutro ya que lleva el brazo a posicin 0 en caso no estar ya en dicha posicin, un pulso de 500 msg representa un posicionamiento a 90 y uno de 2500msg provoca un posicionamiento a +90, vemos por tanto que el ancho de pulso determina el ngulo d e giro del servo, es por eso que a veces cuando usamos un servo de una marca con un receptor de otra tenemos que trimmar la direccin ya que los pulsos neutros no coinciden, en la siguiente tabla vemos las correspondencias de algunos fabrican tes:

Ancho de pulso (msg)

Fabricante min. neutral. mx.. Hz Futaba 0.9 1.5 2.1 50 Hitech 0.9 1.5 2.1 50 Graupner/Jr 0.8 1.5 2.2 50 Multiplex 1.05

1.6 2.15 40 Robbe 0.65 1.3 1.95 50 Simprop 1.2 1.7 2.2 50

Estos pulsos son recibidos e interpretados en el receptor y transferidos a la el ectrnica del servo, esta ltima es la encargada de realizar dos tareas fundamentale s, el control de posicionamiento (detectar si hay diferencia entre la posicin act ual y la requerida, para ello usa el potencimetro de posicionamiento) y la gestin de la potencia enviada al motor, es por ello que diferenciaremos entre electrnica de control y de potencia. En un servo convencional cuando este se encuentra en espera (definindose posicin de espera como aquella en la cual el servomotor permanece detenido porqu e ha alcanzado y mantiene la posicin solicitada por la emisora, ntese que no tiene porque coincidir obligatoriamente con la posicin 0 del servomotor) no se enva ten sin al motor de posicionamiento, cuando vara el ancho de pulso enviado por la emis ora o se ejerce una fuerza sobre el brazo del servo que provoca la variacin de po sicin del mismo, la electrnica de control responde ordenando a la electrnica de pot encia que alimente al servomotor para mantener o alcanzar una nueva posicin. El control de la potencia enviada consiste en chopear la tensin nominal de alimentacin del servo a una frecuencia de 50 ciclos por segundo (Herzios), esto es lo que se conoce como control de potencia por ancho de pulso, sea un control PW M , imaginaros que nuestro equipo de radio esta alimentado con una batera que por p ropiedades constructivas genera 4,8Vcc, pues bien, esa tensin no es enviada al mo tor tal cual, sino que es tratada, este tratamiento conocido como modulacin del a ncho de pulso consiste en suministrar esa tensin pero no constante en el tiempo s ino que lo haremos a intervalos regulares de tiempo constantes con lo cual lo qu e le esta llegando al motor son pulsos de tensin continua y modulo 4,8, como hemo s dicho que este proceso se realiza a 50 ciclos por segundo, los pulsos de alime ntacin le estarn llegando al motor cada 1/50 segundos, es decir, cada 20 milisegun dos. Una vez sentadas las bases del movimiento de un servomotor analizaremos un parmetro importante, la velocidad de posicionamiento, si variamos el ancho de

los pulsos generados en la electrnica de potencia lo que estamos haciendo es aum entar el ciclo de trabajo (definimos ciclo de trabajo como el resultado de divid ir el tiempo durante el cual aplicamos tensin al motor entre el tiempo total del ciclo, es decir si el pulso tiene un ancho de 10 msg y el ancho total del ciclo es de 20msg, tendremos un ciclo de trabajo del 50%) ya que estamos aplicando ten sin durante ms tiempo, luego cuanto ms alto sea el ciclo de trabajo, ms velocidad de sarrollar el servomotor y por tanto el posicionamiento ser ms rpido. El segundo parmetro caracterstico de un servo es el posicionamiento cmo sab e que ha llegado a la posicin que le esta solicitando la emisora?, es fcil, por el potencimetro de realimentacin, la electrnica de control recibe pulsos del receptor de un ancho correspondiente a la posicin deseada, a travs del potencimetro y de ot ros elementos obtenemos los pulsos con ancho correspondiente a la posicin actual, comparndolos se obtiene el error de posicionamiento, si existe error se activa l a electrnica de potencia para corregirlo, a mayor error en la posicin mayor ciclo de trabajo y por tanto mayor velocidad, a medida que disminuye el error la elect rnica de potencia disminuye tambin el ciclo de trabajo hasta alcanzar ciclo de tra bajo 0. Analizaremos ahora el tercer parmetro de funcionamiento de un servo, la banda muerta, en ingles Deadband , tras la explicacin anterior ser fcil comprender que un pulso muy estrecho, es decir, un ciclo de trabajo muy bajo, no proporcionar p rcticamente ningn desplazamiento, ya que la tensin aplicada durante un lapso tan br eve de tiempo no ser capaz de vencer la fuerza contraelectromotriz, pues bien, de finimos banda muerta como el recorrido mnimo de palote, volante o gatillo de emis ora necesario para que observemos desplazamiento en el brazo del servo. El ltimo parmetro es la resolucin, la cual se define como la mnima variacin de posicin alcanzable por el servo, aqu ya intervienen varios factores como son la precisin del potencimetro de realimentacin de posicin y sobre todo la frecuencia de trabajo, ya que la posicin no se variar con periodos inferiores a 20 milisegundos , es decir, cada 20 msg se generar un pulso de ancho x para llevar el brazo hasta la posicin deseada.

Ciclo de trabajo del 50% en un servo estndar a 50 Hz

Principio de funcionamiento de un servo digital En primer lugar al llevar integrado un microprocesador, es capaz median te la aplicacin de parmetros de funcionamiento de variar la forma en la que se enva potencia al servomotor, esto significa que modifica el ancho de los pulsos y po r tanto el ciclo de trabajo en funcin de unos parmetros de funcionamiento internos (ya no solo en funcin de la seal enviada por el receptor)de forma que optimice el rendimiento del servomotor, tambin es posible modificar el funcionamiento de nue stro servo en funcin de nuestras necesidades, por ejemplo, invertir el sentido de giro, la velocidad de desplazamiento, ancho de pulso neutro, etc, etc, etc. En segundo lugar es capaz de aumentar la frecuencia de trabajo, si con un servo estndar tenamos 50 ciclos por segundo ahora podremos tener hasta 300 cicl os por segundo con lo cual la duracin del periodo baja hasta los 1/300 = 3,33 msg , lgicamente al disminuir el periodo proporcionalmente tambin disminuir el ancho de pulso manejable, pero el ciclo de trabajo permanecer constante, con lo cual cons eguimos enviar pulsos mucho mas estrechos pero con ms frecuencia, debido a las ca ractersticas constructivas y de funcionamiento de cualquier motor elctrico se da l

a circunstancia de que es precisamente esta situacin en la que se obtiene un mayo r rendimiento del mismo, ya que con frecuencias muy altas no se descarga la bobi na equivalente creada por el inducido del motor y los picos de corriente son men ores, es por tanto ms efectivo, en general en un motor el rendimiento es proporci onal a la frecuencia de trabajo. Con este aumento de potencia no solo se consigu e aumentar la velocidad de respuesta ante una variacin del comando de posicionami ento si no que la variacin del aumento o disminucin de la potencia suministrada al aumentar la frecuencia proporciona una disminucin de la banda muerta, una aceler acin / deceleracin mucho ms rpida y suave, mayor resolucin en el posicionamiento y un mayor par, dicho aumento de par se ve reflejado tanto en funcionamiento esttico como dinmico, es decir, cuando el servo esta detenido en una posicin, la fuerza qu e hay que ejercer sobre el brazo del mismo para conseguir que gire es muy superi or a la de un servo estndar, asimismo el par de giro suministrado cuando est reali zando un desplazamiento es tres veces superior al de un servo estndar.

Ciclo de trabajo del 50% en un servo digital a 300 Hz

Inconvenientes de los servos digitales Hasta ahora no hemos hablado ms que de ventajas en los servos digitales, por tanto ha llegado la hora de hablar de sus inconvenientes, el principal inco nveniente que presentan es el consumo de potencia, al mantener un ciclo de traba jo idntico al de un servo estndar pero aumentar la frecuencia lgicamente tambin aume nta el consumo, dicho aumento de consumo sera aproximadamente un 60% superior aun servo estndar de similares prestaciones es por ello que dependiendo del numero de servos que vayamos a instalar y las caractersticas de consumo de los mismos tendr emos que tener cuidado de vigilar la carga de nuestras bateras o incluso sustitui rlas por otras de mayor capacidad de modo que nos aseguremos que nunca nos vayam os a quedar tirados sin bateras, lo cual por cierto sera una tragedia. Otro inconveniente aadido que se nos plantea a la hora de montar un serv o digital es que debido a la gran potencia consumida y a que generalmente demand an tensiones de alimentacin superiores no deberemos usar el sistema BEC , de insisti r en usarlo podemos llegar a quemar la electrnica del receptor o estar expuestos a fallos de recepcin debidos a la cada de tensin en el receptor, para esquivar este problema debemos conectar el cable de alimentacin directamente a la batera, puent eando por tanto el sistema de alimentacin desde el receptor (este punto depende d e las caractersticas elctricas del servo por una parte y del receptor por otra).

En resumen, es totalmente recomendable disponer de uno o ms de estos fantsticos ca charros si lo que quieres es: Mayor resolucin en el posicionamiento. Menor ancho de banda muerta. Mayor eficacia en el posicionamiento (Repetitibilidad). Respuesta ms rpida ante ordenes del control. Mayor par en cualquier situacin.