Fundamentos básicos de un servomotor

Servomotor
Fundamentos básicos
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Origen y Utilidad
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.
Wikipedia
Se requiere utilizar servomotores
Fuertes
Suaves
Movimientos
Baja velocidad
Alta velocidad
Paradas
El origen de la palabra Servo proviene de la palabra latina "Servus“
que se podría traducir algo así como “posicionamiento fiel”

Principio Rotacional de un Servomotor
Los Motores asíncrono son los
motores de alterna que giran a una
frecuencia distinta a la frecuencia
de sincronismo que normalmente
es la frecuencia de alimentación
(50Hz en Europa)
Los motores de inducción por
ejemplo, son motores asíncronos
dado que su velocidad depende de
los pares de polos que tenga la
máquina
𝒏 =
𝟔𝟎𝒇
𝑷
Motores de Corriente Alterna
Jaula de ardilla
Ley de la mano izquierda de
Fleming
Paso a paso Servomotores
Ley de la mano derecha o del
sacacorchos
Ｎ
Ｓ
Imán
ＮＳ
Batería
Bobina
Motores de inducción
Motores síncronos

Elementos Necesarios en Control de Movimiento
Para realizar movimientos y
paradas, pueden intervenir los
siguientes elementos
Equipo de Mando
Es aquel equipo que ordena que
movimiento se quiere hacer y cuando se ha
de hacer. Equipos de mando muy comunes
suelen ser controles numéricos, PLCs, un
encoder maestro,
Las ordenes de mando (consignas) se
pueden dar de muchas formas siendo las
más comunes el tren de pulsos, señales
analógicas o comunicaciones
Elemento Motriz
El elemento motriz propiamente dicho se
llama motor y transforma la energía
eléctrica en movimiento
En ocasiones (como en el caso del
servomotor o de un motor con variador de
frecuencia) el motor requiere de un
elemento especializado llamado
controladora o driver que convierte las
ordenes del equipo de mando (consignas)
en señales eléctricas utilizadas por el
motor (intensidad)
Elemento Móvil
Todos los componentes mecánicos
(engranajes, bielas, plataformas,…) unidos
al eje del motor y que permiten convertir el
movimiento circular en el movimiento final
deseado

Métodos de control
Control en lazo abierto
Un control en lazo abierto cumple con el siguiente
diagrama
Equipo de Mando
(PLC, CNC, etc.) Controladora Motor
Consigna
El equipo de mando envía la orden de
movimiento o parada al elemento motriz y se
da por hecho que se cumple dicha orden, pero
no se comprueba que se ha ejecutado
adecuadamente
Normalmente, este mecanismo se utiliza
cuando no importa que no se cumpla las
ordenes al cien por cien tales como cintas
transportadoras, etc…
En el caso de que ocurra algo imprevisto (ej.
bloqueo mecánico) es posible que ni el equipo
de mando ni la controladora detectan ese fallo.

Métodos de control
Control en lazo semi-cerrado
Un control en lazo semi-cerrado cumple con el
siguiente diagrama
Equipo de Mando
Consigna
Existe una señal física, que normalmente es
un tren de pulsos que proviene de un encoder
instalado en el motor que se cablea al equipo
de mando o a la controladora del motor, que
realimenta el sistema, dando información en
todo momento sobre lo que ocurre en el
elemento motriz a un elemento que puede
interferir sobre su funcionamiento.
OR

Métodos de control
Control en lazo cerrado
Un control en lazo cerrado cumple con el siguiente
diagrama
Equipo de Mando
Consigna
Existe una señal física, que normalmente es
un tren de pulsos que proviene de un encoder
instalado en el motor que se cablea al equipo
de mando y a la controladora del motor, que
realimenta el sistema, dando información en
todo momento sobre lo que ocurre en el
elemento motriz a todos los elemento que
puede interferir sobre su funcionamiento.
En este caso, es necesario establecer una
pauta clara en cuanto a prioridades entre el
equipo de mando y la controladora para evitar
ordenes opuestas
AND

Principio de Funcionamiento de un Servomotor
Pulsos
Encoder
Compara
Emisión de la corriente necesaria
para cumplir con la orden de
mando
Tren de pulsos
Señal Analógica
Comunicaciones
Realimentación de
pulsos del encoder
Controlador del servo
motor
Servo motor
Equipo de Mando
Ej. PLC, CNC, ….
Consigna
Realimentación
(opcional)

Bucle Cerrado
Podría definirse como “bucle” al camino seguido por las señales
de mando, que indican las acciones a realizar y la señal de
realimentación que es devuelta al elemento de control para indicar las
condiciones de funcionamiento real.
La señal de realimentación se compara con la
consigna.
El error resultante es procesado y multiplicado
por una variable llamada ganancia.
El resultado actúa como una nueva orden al
siguiente bucle o al circuito de potencia del
amplificador.

Bucles de control en servomotores
En un servomotor hay tres tipos de bucles de control: posición, velocidad y par.
Dependiendo del tipo de control utilizado, estos se cierran en el controlador del
servomotor o en el equipo de mando (PLC, CNC, etc.).
+-+-+- PWM
Bucle de parBucle de velocidadBucle de posición

Bucles de control en servomotores
La controladora del servomotor es
capaz de detectar el par, velocidad o
posición mediante la siguiente
tecnología
Detección de fuerza o par
La intensidad entregada/recibida por
la controladora es directamente
proporcional al par del servomotor por
lo que la realimentación consiste en la
medida de la intensidad en el motor
mediante el uso de un transformador
interno.
1
Detección de Velocidad
La controladora detecta la velocidad
de rotación mediante la detección de
la frecuencia de pulsos del encoder
del servomotor.
2
Detección de Posición
La controladora detecta la posición
del eje mediante el contaje de los
pulsos de entrada del encoder del
servomotor
3
Corriente
Controladora
Consigna Detector de Velocidad
(Encoder de realimentación)
Velocidad de
rotación
Controladora
Consigna Detector de posición
(Encoder de realimentación)
Se mueve en el ángulo
en función del número
de pulsos
Controladora
Consigna

Cuando el equipo de mando desea
realizar un control de par (ej.
mantener tensión de una bobina de
papel mientras se bobina o par de
apriete de tapones de botellas), el
objetivo del servomotor es mantener
dicha fuerza siempre en el eje,
modificando la velocidad para que
esto ocurra.
Cuanto mayor sea la diferencia entre
la consigna de par que se desea con
respecto al par que ejerce el
servomotor, mayor será la velocidad
de giro del servomotor.
Bucle de Par
Consigna: Desde bucle de velocidad (control de velocidad con límite
de par) y/o entrada analógica de par (±10V) o comunicaciones
Realimentación: Transformador de corriente interno
Salida: Actúa sobre los transistores de potencia, es decir,
directamente actúa sobre el servomotor
El control de par es prioritario
sobre los controles de posición
y velocidad, es decir, si se fija
un par máximo (por defecto el
300% del par nominal) y para
alcanzar el valor de consigna
dado por el equipo de control
se ha de superar el límite
impuesto, la controladora no
ejecutará la orden de mando y
dará un error
Bucle de Par

realizar un control de velocidad (ej.
CNC) el objetivo del servomotor es
mantener la velocidad de giro de
forma constante en el eje, aplicando
mayor o menor par ante variaciones
externas en las carga.
Bucle de Velocidad
Consigna: Desde bucle de posición (control de posición con límite de
velocidad) y/o entrada analógica de par (±10V) o comunicaciones
Realimentación: Frecuencia de pulsos del encoder
Salida: Actúa sobre el bucle de par.
El control de velocidad es
prioritario sobre el control de
posición, es decir, si se fija una
velocidad máxima y para alcanzar
el valor de consigna dado por el
equipo de control durante un
control de posicionamiento se ha
de superar el límite impuesto, la
controladora no ejecutará la orden
de mando y dará un error
Bucle de ParBucle de Velocidad

realizar un control de posición (ej.
inserción de componentes en placas
electrónicas para soldarlos
posteriormente) el objetivo del
servomotor es alcanzar dicha posición
con la máxima precisión posible..
Bucle de Posición
Consigna: Desde equipo de mando, generalmente por
comunicaciones o por trenes de impulsos
Realimentación: Número de pulsos del encoder o posición del
encoder absoluto
Salida: Actúa sobre el bucle de velocidad que a su vez actúa sobre el
bucle de par.
El control de posición es el
último en prioridad de forma
que la controladora no
ejecutará dicha orden si para
ello tiene que superar el límite
de velocidad o de par
configurados
Bucle de ParBucle de VelocidadBucle de Posición

Tipos de control
Control de Par
En modo control de par, el controlador
del servomotor recibe una consigna
mediante señal analógica
(normalmente ±10V CC) o
comunicaciones desde el equipo de
mando.
El bucle de par se cierra en el
controlador del servomotor.
Los bucles de posición y velocidad se
cierran en el equipo de mando.
El equipo de mando es normalmente
muy inteligente y el controlador del
servomotor tiene un bajo nivel de
sofisticación.
Equipo de mando Controlador

Tipos de control
Control de Par
En modo control de velocidad, el
controlador del servomotor recibe una
consigna mediante señal analógica
(normalmente ±10V CC) o
mando.
El controlador del servomotor es
responsable de asegurar que el motor
gira a la velocidad apropiada, para ello
debe aplicar al motor la cantidad de par
necesaria. (Los bucles de velocidad y par
se cierra en el controlador).
El bucle de posición se cierra en el
equipo de mando.
Tanto el equipo de mando como el
controlador del servomotor son de un
nivel de sofisticación medio. Un equipo de
mando típico es un CNC
Equipo de mando Controlador

Tipos de control
Control de Posición
En modo control de posición, el
controlador del servomotor recibe una
consigna mediante trenes de pulsos o
mando.
Para asegurar la precisión de la posición
del motor el controlador del servomotor
debe controlar la velocidad y par del
mismo. Los bucles de posición, velocidad
y par se cierran en el controlador del
servomotor.
En el equipo de mando no se cierra
ningún bucle pero se le puede realimentar
igualmente para que monitorice y realice
acciones tales como borrado de errores,
interrumpir la consigna, etc…
El equipo de control es normalmente de bajo nivel de sofisticación y el
controlador del servomotor suele ser muy completo. Un equipo de mando
típico es el PLC
Controlador
Equipo
de
mando
Realimentación
Opcional

Velocidad y Par de un servomotor
Conceptos de velocidad y Par I
Par nominal es la máxima cantidad de par que el
motor puede producir en servicio contínuo.
Si el motor está siendo utilizado a una velocidad
superior a la nominal, la cantidad de par en
continuo y de pico disponible cae.
Par de pico es la máxima cantidad de par
que el motor puede suministrar a una
velocidad dada.
Velocidad nominal es la máxima velocidad a la
que el motor puede suministrar su par nominal.
A velocidad nominal o menor, el par de pico
disponible del motor es tres veces el par nominal.

Conceptos de velocidad y Par II
Velocidad máxima limitada por los componentes mecánicos y por la resolución del encoder
La caída del par de pico resulta de la
limitación de c.c. en el bus de tensión.
Par de pico limitado por la corriente máxima
admisible por el controlador (driver).
El motor está diseñado para trabajar
alrededor de este punto “par nominal a
velocidad nominal”
Zona de par contínuo delimitada por la sobre
temperatura admisible en el motor.

Sobrecarga
Se produce una sobrecarga cuando se excede el
par nominal del servomotor.
Si bien un servomotor es capaz de aguantar hasta
el 300% de su par nominal, este exceso de par sólo
es admisible durante cortos periodos de tiempo.
Transcurrido ese tiempo, se genera un error de
sobrecarga. El tiempo admisible sin error con
exceso de par se obtiene de las llamadas curvas
de sobrecarga
A mayor porcentaje de
sobrecarga, menor es el tiempo
antes de que salte el error

Construcción física
Estator
Bobinas
Brida
Rodamientos
de bolas
Imanes rotor
Rotor
Freno
(opcional)
Encoder
Conector
potencia y freno
Eje
Conector
realimentación

Elementos móviles
Este mecanismo es el más común a
la hora de utilizar un servo motor
Se usa para el mecanismo que
transporta la mayor parte de
dispositivos
Guía Lineal
Tabla
Husillo de bolas
Correa dentada
Cremallera & Piñón
Alternativa a utilizar cuando la solución
con Husill de Bolas es demasiado costosa
Sin embargo, hay que tener muy en cuenta
el incremento de la inercia al utilizar
reductora.
El uso de la rotación
también tiene multitud
de aplicaciones
Aplicación donde se solicita
conexión directa del servo
mediante correa dentada y alta
precisión de rotación
Reductora
Reductor
Cremallera
Piñón
Servo Motor
Rotación
Elementos de transmisión típicos

Aplicaciones más Comunes
Ejemplos de Aplicaciones más comunes
Máquinas de impresión Equipos médicos Máquinas de coser
PrensasRobots Mesas X-Y-ZInserción de Componentes

Se requiere una alta velocidad de rotación y motores de
alta inercia con un elevado par.
Además, se requiere de una unidad de control numérico
que maneje con precisión los movimientos de todos los
servomotores.
Generalmente, la máquina
herramienta requiere de un control
muy avanzado y preciso.
Maquina Herramienta y CNC

Alimentación y embalaje
Film
AlimentadorSellado
lateral
Cuchilla/sellador
Cinta transportadora
Cuchilla

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