SERVOMOTORES. Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radiocontrol, mecatrónicos y robótica, pero su uso no está limitado a estos.

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1 SERVOMOTORES Un servomotor (también llamado Servo) es un dispositivo similar a un motor DC, que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación y mantenerse estable en dicha posición. Está conformado por: un motor una caja de engranajes un circuito de control Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radiocontrol, mecatrónicos y robótica, pero su uso no está limitado a estos. ESTRUCTURA Estructura interna Motor de corriente continúa 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 máxima. Si el voltaje aplicado en sus dos terminales es inverso, el sentido de giro también 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 posición del motor. Recibe los pulsos de entrada y ubica al motor en su nueva posición dependiendo de los pulsos recibidos. Terminales Los servomotores tienen 3 terminales: - Terminal positivo: Recibe la alimentación del motor (4 a 8 voltios) - Terminal negativo: Referencia tierra del motor (0 voltios) - Entrada de señal: Recibe la señal de control del motor

2 Los colores del cable de cada terminal varían con cada fabricante: el cable del terminal positivo siempre es rojo; el del terminal negativo puede ser marrón o negro; y el del terminal de entrada de señal suele ser de color blanco, naranja o amarillo. CARACTERÍSTICAS GENERALES: Los servos tienen un amplificador, motor, engranajes de reducción y un potenciómetro de realimentación; todo incorporado en el mismo conjunto. Un servo de posición, significa que uno le indica a qué posición debe ir, con un rango de aproximadamente 180 grados. COMO 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.

3 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. Control Para controlar un servo, se le ordena un cierto ángulo, medido desde 0 grados. Usted le envía una serie de pulsos. En un tiempo ON de pulso indica el ángulo al que debe posicionarse; 1ms = 0 grados, 2.0ms = máx. Grado (cerca de 180) y algún valor entre ellos da un ángulo de salida proporcional. Generalmente se considera que en 1.5ms está el "centro" 90 grados. Entre límites de 1 ~2ms son las recomendaciones de los fabricantes. Normalmente puede usar un rango mayor de 1.5ms para obtener un ángulo mayor e incluso de 2ms para un ángulo de rendimiento de 180 grados o más. El factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos construidos en el servo. Un sonido de zumbido normalmente indica que está forzando por encima al servo, entonces debe disminuir un poco menos. El tiempo de OFF en el servo no es crítico; puede estar alrededor de los 20ms. Los pulsos que ocurren frecuentemente en el tiempo de OFF pueden interferir con el sincronismo interno del servo y podría escucharse un sonido de zumbido o alguna vibración en el eje. Si el espacio del pulso es mayor de 50ms (depende del fabricante), entonces el servo podría estar en modo SLEEP entre los pulsos. Entraría a funcionar en pasos pequeños y el rendimiento no sería el óptimo. Suministro de Voltaje Empresas dan especificaciones de Servo velocidad/torque para 6V Consideremos 7V como un máximo seguro, se recomienda usar 5V sin problemas. La corriente que se requiere depende del tamaño del servo. Normalmente el fabricante indica cual es la corriente que consume el Servo. Eso no significa mucho si todos los servos van a estar moviéndose todo el tiempo. La corriente depende principalmente del torque usado por el servo motor y puede exceder más de un amperio si el servo está enclavado. Es mejor medir las especificaciones del servo.

4 Tren de pulsos para control del servo Como se mencionó anteriormente, un servomotor contiene internamente un motor DC, una de las principales razones en la utilización de estos motores, es básicamente, debido a que la fuente de alimentación suele ser baterías o paneles que suministran corriente directa. Este tipo de motores son muy empleados en aplicaciones mecatronicas. En adelante, al mencionar motores eléctricos, se hace referencia a pequeños motores, pues estos son los que se utilizan en pequeños prototipos debido también a su tamaño y peso. Algunas características de estos motores son: Voltaje de operación: es el voltaje al cual el motor puede operar, típicamente los motores DC pueden operar desde 1.5

5 voltios hasta aproximadamente 100 voltios. En pequeñas aplicaciones mecatrónicos, generalmente los motores operan a 6, 12 o 24 voltios. Corriente de operación: es la cantidad de corriente, en amperios, que el motor requiere de la fuente de alimentación para su operación. este flujo se incrementa a medida que aumenta la carga del motor. Generalmente, los pequeños robots alimentados aproximadamente a 6 voltios, Velocidad: Usualmente es especificada en revoluciones por minuto [rpm] del motor cuando está sin carga, y alimentado al voltaje de operación. Esta característica, también varía según el tipo de motor. Para aplicaciones típicas en mecatrónica, normalmente se requiere velocidades menores a 150 rpm, tanto para ruedas, brazos robóticos y grippers o pinzas. Torque: el torque es la fuerza angular que el motor ejerce sobre su carga a una distancia especifica del eje; el torque es especificado en onzaspulgadas [oz-in] o kilogramos- centimetros [kg-cm], un torque de 1[oz-in], significa que el motor esta ejerciendo una fuerza tangencial de una onza a un radio de una pulgada del centro de su eje; análogamente para 1[kg-cm]. Potencia eléctrica: la potencia eléctrica del motor es el producto del voltaje entre sus terminales y la corriente que lo cruza. Pe = V * I Potencia mecánica: la potencia mecánica del motor es el producto de su torque y su velocidad. Pm = T * w T = F r seno(alfa)

6 PIÑONES Y TREN DE ENGRANAJES Los piñones y trenes de engranajes forman un sistema de transmisión de fuerza y movimiento entre dos ejes. Su ventaja sobre otros sistemas de transmisión, consiste en proporcionar una relación de velocidad exacta ya que no es posible el deslizamiento entre ruedas dentadas. Los sistemas de engranaje se usan generalmente con los motores, para transmitir movimiento a diferentes tipos de mecanismos, tales como las ruedas de un robot, estos elementos ofrecen la posibilidad de variar las características de velocidad y torque que entrega el motor, lo cual es deseable para buscar cumplir con las especificaciones necesarias de un diseño determinado.

7 En todo tren de engranajes se distinguen por su acción, la rueda dentada conductora, y la rueda dentada conducida, pudiendo existir ruedas que sirven de unión a estas, llamadas intermedias, tal como se observa en la figura La velocidad cambia entre dos engranajes dependiendo del número de dientes que cada piñón tiene. Por ejemplo, utilizando un par de engranajes como el de la figura; con el eje del motor mecánicamente acoplado al piñón 1, entonces se va a tener una reducción de velocidad debido que el piñón 2 tiene más dientes que el piñón 1. La velocidad resultante para el piñón 2 será: Vp2 = Vp1 x (ndp1 / ndp2) Donde: Vp1: Velocidad del piñón 1 en rpm. Vp2: Velocidad del piñón 2 en rpm. ndp1: Numero de dientes del piñón 1. ndp2: Numero de dientes del piñón 2. Sistema de transmisión reductor de velocidad

8 Guiados por la anterior expresión, se puede obtener la velocidad del piñón 2. Asumiendo que el piñón 1 rota a 2000 [rpm] revoluciones por minuto, se tiene: Vp2 = Vp1 x (ndp1 / ndp2) Vp2 = 2000 x (16 / 32) Vp2 = 1000 [rpm] De esta manera el piñón 2, reduce la velocidad a la mitad y aumenta el torque al doble. Debe tenerse en cuenta que al construir una motorreducción es importante que la relación entre el número de dientes de ambos piñones no sea mayor de 5 a 1 para prevenir daños en el sistema; en caso de necesitarse una relación entre piñones mayor a esta, se debe hacer la reducción por etapas. Control del sentido de giro del motor Típicamente, el control del sentido de giro de un motor DC, se realiza mediante el circuito denominado puente H, el cual es un arreglo de cuatro relés, transistores o MosFETs, actuando como conmutadores. En la figura siguiente, se muestra este circuito. Cuando los interruptores sw1 y sw4 están cerrados, el motor rota en una dirección, cuando los interruptores sw2 y sw3 están cerrados, el motor rota en la dirección opuesta. Con la operación de los interruptores, se logra el cambio en el sentido del flujo de la corriente que atraviesa el motor, lo cual hace cambiar su sentido de giro Circuito interno del chip Toshiba TA7291S, utilizado como puente H

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