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Servos y sistema de control

En primer lugar quiero aclarar que, si bien hoy se utiliza ampliamente la palabra

abreviada "servo", la verdadera denominación de lo que voy a describir aquí es

"servomotor". Existen otra clase de servos (o mejor expresado, servomecanismos) que

no son precisamente motores. También hay servos no rotativos. Por ejemplo, los sistemas que poseen cilindros hidráulicos pueden ser

servocontrolados. Estos cilindros hidráulicos o neumáticos, en su versión más simple,

se mueven de extremo a extremo. Pero no siempre es así. En muchos casos es

necesario que posean realimentación, lo que les permite ubicarse con precisión en

cualquier lugar de su recorrido. Para esto se utilizan sensores de recorrido lineales,

como potenciómetros lineales, sistemas ópticos o unos dispositivos llamados LDVT. De modo que, aclaremos, un actuador mecánico controlado no siempre debe ser

rotativo, aunque la mayoría de las veces así es. Definamos, ahora: Un servomotor es un motor eléctrico que consta con la capacidad de ser

controlado, tanto en velocidad como en posición. Un servomecanismo es un actuador mecánico —generalmente un motor, aunque no

exclusivamente—, que posee los suficientes elementos de control como para que se

puedan monitorizar los parámetros de su actuación mecánica, como su posición,

velocidad, torque, etc. Por la explicación que he encontrado en otros sitios parecería que sólo se le llamaría

"servo" a aquellos motores con reducción y control de posición que se utilizan

extensivamente en modelismo, para efectivizar los movimientos controlados por radio

(incluyendo en la entrada correspondiente de la Wikipedia, por lo menos por ahora).

Por supuesto que no es así.

Diversas clases de servos, incluyendo lineales En realidad se utilizan muchos otros tipos de servos (o servomotores, mejor) en

equipos industriales y comerciales, desde una diskettera en nuestra computadora —o

en la videocassettera hogareña—, a las unidades de almacenaje y entrada y salida de

datos de grandes sistemas de computación (hoy, más que nada, discos magnéticos), y

hasta en los ascensores en edificios. El motor de un ascensor, junto con su equipo de

control y detectores de posicionamiento, no es ni más ni menos que un servomotor. El

mecanismo que saca para afuera el porta-CD de la lectora de CD de su computadora

es un servomotor.

Servo para modelismo ¿Qué convierte un motor en servomotor? O mejor dicho

¿por qué se considera que algunos motores son

servomotores y otros no? La respuesta no es demasiado

complicada: un servomotor tiene integrado o adosado al menos

un detector que permita conocer su posicionamiento y/o

velocidad. A los detectores de posición se les llama "encoders". Aclarado esto, pasaré a esos servos a los que se refieren en los

sitios que dije antes. Hablo de los servos para radiocontrol de

modelos, como los de marca Futaba, Hitec, etc. Se trata de

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elementos para control de posición de alerones, timón, dirección (en autos),

alimentación de combustible, etc, para modelos a escala, que se han vuelto populares

en robótica porque entre los disponibles en el comercio hay algunos bastante

económicos, lo que los hace de más fácil acceso cuando se trata de la construcción de

proyectos personales de robótica y automatización casera. De estos servos de modelismo, comencemos con los servos que se conocen como

"analógicos".

Servo analógico para modelismo Estos servomotores se componen, en esencia, de un motor de corriente continua, un

juego de engranajes para la reducción de velocidad, un potenciómetro ubicado sobre el

eje de salida (que se usa para conocer la posición) y una plaqueta de circuito para el

control. Como una imagen vale más que mil palabras, veamos un despiece.

Despiece de un servo

Otro modelo

Si lo que se desea controlar es la posición de un servomecanismo, como en este caso,

en lugar de un tacómetro (que es para medir velocidad) necesitamos un encoder de

posición.

Cables de un servo estándar

(Haga clic en la imagen para ver otras configuraciones)

Si hablamos de un servo cuyo movimiento es

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giratorio, será necesario un encoder (un detector que codifica la posición) que nos dé

un valor diferente a su salida según cual sea su posición en grados. Los servos que se usan en modelismo son de este tipo. Como dije antes, por lo general

poseen un motor de CC, que gira a velocidad alta, una serie de engranajes para

producir la reducción de velocidad de giro y acrecentar su capacidad de torque, un

potenciómetro conectado al eje de salida (que es ni más ni menos que el encoder) y

un circuito de control de la realimentación. Estos servos reciben señal por tres cables: alimentación para el motor y la pequeña

plaqueta de circuito del control (a través de dos cables, positivo y negativo/masa), y

una señal controladora que determina la posición que se requiere. La alimentación de

estos servos es, normalmente, de entre 4,8 y 6 voltios. El estándar de esta señal controladora para todos los servos de este tipo, elegido para

facilitar el uso en radiocontrol, es un pulso de onda cuadrada de 1,5 milisegudos que

se repite a un ritmo de entre 10 a 22 ms. Mientras el pulso se mantenga en ese ancho,

el servo se ubicará en la posición central de su recorrido. Si el ancho de pulso

disminuye, el servo se mueve de manera proporcional hacia un lado. Si el ancho de

pulso aumenta, el servo gira hacia el otro lado. Generalmente el rango de giro de un

servo de éstos cubre entre 90° y 180° de la circunferencia total, o un poco más, según

la marca y modelo.

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Señal y posiciones del servo

Servo digital para modelismo Los servos digitales tienen, al igual que los analógicos, un motor de corriente continua,

un juego de engranajes reductores, un potenciómetro para la realimentación de

posición y una electrónica de control embebida dentro del servo. La diferencia está en

la placa de control, en la que han agregado un microprocesador que se hace cargo de

analizar la señal, procesarla y controlar el motor. La diferencia más grande de rendimiento está en la velocidad a la que reacciona el

servo a un cambio en la señal. En un mismo lapso, el servo digital puede recibir cinco

o seis veces más pulsos de control que un analógico. Como resultado la respuesta del

servo a un cambio en la orden de posición es mucho más veloz. Este ritmo mayor de

pulsos también produce mejoras en el rendimiento electromecánico del motor (mayor

velocidad y más fuerza). Esto se debe a que en cualquier servo (de ambos tipos) el

motor recibe, para su control, una alimentación conmutada. En los servos analógicos,

la señal está conmutada a un ritmo de entre 10 y 22 ms. Si el ajuste que se requiere

es muy pequeño (un ángulo pequeño de giro), los pulsos son muy delgados y están

muy separados (10 a 22 ms). La integración de estos pulsos es la que da la

alimentación de potencia al motor, y en consecuencia la que lo hace mover. Una

integración de pulsos delgados y muy separados puede dar resultados erráticos. Suele

ocurrir que cuando llega el otro pulso, el motor se ha pasado de la posición y deba

reajustarse, algo que ocurre constantemente. En los servos digitales la señal llega

mucho más seguido y por esto la integración es más estable y la variación de corriente

de control es más firme. En los servos digitales, la señal está separada por unos 3,3 ms. La separación entre

pulsos varía en cada marca de servo digital, pero el ritmo de llegada de los pulsos es

de al menos 300 veces por segundo versus 50 a 100 en un analógico. La ventaja de los digitales se reduce un poco cuando se habla de consumo (algo muy

importante en, por ejemplo, un avión radiocontrolado, pero también en los robots), ya

que el consumo del circuito y de los ajustes más continuados produce un gasto mayor

de energía, y también un mayor desgaste del motor. Los servos digitales son capaces de memorizar parámetros de programación, que

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varían de acuerdo a cada fabricante pero en general son: 1 - Se puede programar el sentido de giro como "normal" o "inverso".

2 - Se puede variar la velocidad de respuesta del servo.

3 - Se puede programar una posición central (o posición neutra) diferente, sin afectar

los radios de giro.

4 - Se pueden determinar diferentes topes de recorrido para cada lado.

5 - Es posible programar qué debe hacer el servo en caso de sufrir una pérdida de

señal.

6 - Es posible programar la resolución, es decir cuánto se mueve el control en el radio

sin obtener un movimiento en el servo. Estos valores pueden ser fijados en los servos

utilizando aparatos destinados a la programación, que son específicos para cada

marca.

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Motorreductores

En cuanto a los reductores, al contrario que con

las transmisiones, sí existen determinados

sistemas usados de manera preferente en los

robots industriales. Esto se debe a que a los

reductores utilizados en robótica se les exigen

unas condiciones de funcionamiento muy

restrictivas. La exigencia de estas características

viene motivada por las altas prestaciones que se le

piden al robot en cuanto a precisión y velocidad

de posicionamiento. La siguiente tabla muestra

valores típicos de los reductores para robótica

actualmente empleados.

Características de los reductores para robótica

Características Valores típicos

Relación de reducción

Peso y tamaño

Momento de inercia

Velocidades de entrada

máxima

Par de salida nominal

Par de salida máximo

Juego angular

Rigidez torsional

Rendimiento

50 / 300

0.1 / 30 kg

0.0001 kg m²

6000 / 7000 rpm

5700 N m

7900 N m

0-2"

100 / 2000 N

m/rad

85% / 98%

Se buscan reductores de bajo peso, reducido

tamaño, bajo rozamiento y que al mismo tiempo

sean capaces de realizar una reducción elevada de

velocidad en un único paso. Se tiende también a

minimizar su momento de inercia, de negativa

influencia en el funcionamiento del motor,

especialmente crítico en el caso de motores de

baja inercia.

Los reductores, por motivos de diseño, tienen una

velocidad máxima admisible, que como regla general aumenta a medida que disminuye el

tamaño del motor. También existe una limitación en cuanto al par de entrada nominal

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permisible (T2) que depende del par de entrada (T1) y de la relación de transmisión a través

de la relación:

T2 = T1 (w1 / w2)

Donde el rendimiento, , puede llegar a ser cerca del 100%, y la relación de reducción de

velocidades (w1 = velocidad de entrada; w2 = velocidad de salida) varía entre 50 y 300.

Puesto que los robots trabajan en ciclos cortos, que implican continuos arranques y paradas,

es de gran importancia que le reductor sea capaz de soportar pares elevados puntuales.

También se busca que el juego angular sea lo menor posible. Éste se define como el ángulo

que gira al eje de salida cuando se cambia su sentido de giro sin que llegue a girar al eje de

entrada. Por ultimo, es importante que los reductores para robótica posean una rigidez

torsional, definida como el par que hay que aplicar sobre el eje de salida para que,

manteniendo bloqueado el de entrada, aquél gire un ángulo unidad.

Sensor infrarrojo

El sensor es un dispositivo electrónico/mecánico que mapea un atributo ambiental

resultando una medida cuantizada, normalmente un nivel de tensión eléctrica.

Particularmente, el sensor infrarrojo es un dispositivo electrónico capaz de medir la

radiación electromagnética infrarroja de los cuerpos en su campo de visión. Todos los

cuerpos reflejan una cierta cantidad de radiación, esta resulta invisible para nuestros ojos

pero no para estos aparatos electrónicos,ya que se encuentran en el rango del espectro justo

por debajo de la luz visible.

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Principio de funcionamiento

Los rayos infrarrojos(IR) entran dentro del fototransistor donde encontramos un material

piroeléctrico, natural o artificial, normalmente formando una lámina delgada dentro del

nitrato de galio (GaN), nitrato de Cesio (CsNO3), derivados de la fenilpirazina, y

ftalocianina de cobalto. Normalmente están integrados en diversas configuraciones(1,2,4

píxels de material piroeléctrico). En el caso de parejas se acostumbra a dar polaridades

opuestas para trabajar con un amplificador diferencial. Provocando la auto-cancelación de

los incrementos de energía de IR i el desacoplamiento del equipo.

Sensores pasivos

Están formados únicamente por el fototransistor con el cometido de medir las radiaciones

provenientes de los objetos.

Sensores activos

Se basan en la combinación de un emisor y un receptor próximos entre ellos, normalmente

forman parte de un mismo circuito integrado. El emisor es un diodo LED infrarrojo (IRED)

y el componente receptor el fototransistor.

Tabla de los componentes de un sensor activo

diodo LED

Esquema sensor infrarrojo

Fototransistor

Clasificación según el tipo de señal emitida

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Sensores reflexivos

Este tipo de sensor presenta una cara frontal en la que encontramos tanto al LED como al

fototransistor. Debido a esta configuración el sistema tiene que medir la radiación

proveniente del reflejo de la luz emitida por el LED.

Se tiene que tener presente que esta configuración es sensible a la luz del ambiente

perjudicando las medidas, pueden dar lugar a errores, es necesario la incorporación de

circuitos de filtrado en términos de longitud de onda, así pues será importante que trabajen

en ambientes de luz controlada. Otro aspecto a tener en cuenta es el coeficiente de

reflectividad del objeto, el funcionamiento del sensor será diferente según el tipo de

superficie.

Sensores de ranura(Sensor Break-Beam)

Este tipo de sensor sigue el mismo principio de funcionamiento pero la configuración de los

componentes es diferente, ambos elementos se encuentran enfrontados a la misma altura, a

banda y banda de una ranura normalmente estrecha, aunque encontramos dispositivos con

ranuras más grandes. Este tipo se utiliza típicamente para control industrial. Otra aplicación

podría ser el control de las vueltas de un volante.

Sensores modulados

Este tipo de sensor infrarrojo sigue el mismo principio que el de reflexión peró utilizando la

emisión de una señal modulada, reduciendo mucho la influencia de la iluminación

ambiental. Son sensores orientados a la detección de presencia, medición de distancias,

detección de obstáculos teniendo un cierta independencia de la iluminación.

Sensores de barrido

La diferencia con los anteriores reside en que el sensor realiza el barrido horizontal de la

superficie reflectante utilizando señales moduladas para mejorar la independencia de la luz,

el color o reflectividad de los objetos. Normalmente estos sistemas forman parte de un

dispositivo de desplazamiento perpendicular al eje de exploración del sensor, para poder

conseguir las medidas de toda la superficie.

Configuración óptica

Esta configuración se basa en un único sensor enfrentado a un cristal, el cual genera la

imagen de una sección de la región a medir. Dicho cristal solidario con un motor de

rotación con el objetivo de lograr el barrido de toda el área. Tiene la ventaja que adquiere

un secuencia continua de la región de barrido. Resulta una sistema lento en términos de

exploración.

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Configuración en array de sensores

En este caso la configuración del sistema de medida está formado por un array de sensores

infrarrojos, por tanto no es necesario la utilización de ningún sistema de cristales,

únicamente necesita un conjunto de lentes ópticas de enfoque(concentración de la

radiación) a cada uno de los sensores. Esta configuración es más compleja peró permite

mayor velocidad de translación i mejor protección contra errores de captación.

Barrido óptico