Hoy día en cualquier tipo de proyecto robótico o incluso en muchísimos proyectos de electrónica donde se necesita una gran precisión electromecánica para hacer mover o controlar alguna parte concreta de nuestra máquina se usa el servomotor, una pieza actualmente fundamental.
¿Qué es un servomotor?
El servo, o servomotor es un dispositivo usado en muchas máquinas para realizar un movimiento para activar o para controlar la posición, velocidad o par motor.
Es como un motor eléctrico de corriente continua pero con la característica de poder parar en una posición concreta, aumentar su velocidad, o controlar su par de fuerza.
Su radio de movimiento suele estar entre los 0º y 180º aproximadamente.
Para este tipo de situaciones se han estado usando los convertidores de frecuencia pero para según que proyecto no es lo más recomendable ya que a bajas velocidades no son muy efectivos dando paso a los servo motores que es donde mejor se manejan.
El servomotor contiene dentro un encoder para convertir el movimiento mecánico al girar, en pulsos digitales.
El servo debe usar un driver para controlar la posición, velocidad o par motor.
Un ejemplo de uso podría ser en el objetivo fotográfico al acercar o alejar, las puertas de un ascensor o en modelismo para mover las ruedas. Puedes consultar nuestro proyecto de coche arduino.
¿Cómo funciona un servomotor?
En el mundo de la robótica los servomotores son muy conocidos, ya que son fundamentales a la hora de activar mecánicamente ciertos mecanismos.
Puede que nunca nos hayamos parado a pensarlo, pero un robot debe poder controlar con mucha precisión la acción de mover un dedo, el giro preciso de una rueda, la dirección de hélice de un helicóptero etc.
Un servo estándar como el HS-300 de la marca Hitec tiene un par de 3 kg/cm y 4.8 V, que bajo mi opinión y teniendo en cuenta su tamaño está bastante bien, sobre todo porque es de bajo consumo.
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Un servomotor más grande por norma general suele consumir más corriente que otro de tamaño más reducido y normalmente lo sabremos porque el fabricante se encarga de ponerlo en sus especificaciones.
Este consumo dependerá en gran medida de su par motor e incluso puede llegar a 1A si el servo está enclavado.
En estos últimos años ya se están usando los servomotores digitales los cuales funcionan con un microcontrolador para realizar con más precisión aún sus movimientos, mejorando su rendimiento, control y eficiencia
Este microcontrolador en muchos casos nos da la posibilidad de ser programado en algunos ajustes para controlar cuanto recorrido tendrá, cuál va a ser la posición central, etc.
Dado que se realiza con estos microcontroladores el control del movimiento, estos servomotores digitales llegan a ser más eficaces y a la vez más pequeños, aligerando el peso de nuestro robot, y pudiendo controlar la misma potencia o más en un espacio más reducido.
¿De que se compone un servomotor?
Un servomotor viene dentro de una cajita que tan sólo muestra el eje en la parte exterior pero, ¿qué lleva dentro un servomotor?
- El motor, que depende del modelo puede tener mayor o menor potencia. Es un apartado importante a la hora de elegirlo ya que no es necesario el sobrecoste de un motor con más par, y mayor consumo si no va a ser necesario para nuestro proyecto robótico.
- El microcontrolador, que como ya dijimos se va a encargar de controlar el movimiento mediante impulsos y puede ser programado o no.
- El potenciómetro, que se encarga de saber en todo momento donde está situado el eje del motor, manteniendo un contacto directo con el eje.
- Sistema reductor que forma una serie de engranajes para poder subir o bajar la velocidad con mayor precisión que si sólo estuviera conformado por un sólo eje.
El servomotor tiene un control proporcional, lo que quiere decir que si tiene que retornar a su punto inicial desde una posición alejada, se moverá de forma más rápida, y si tiene que volver a una posición desde una posición más cercana se moverá de forma más lenta, esto viene a ser a que es proporcional al cuadrado de la distancia.
Modulación por ancho de pulso – PWM
El servomotor funciona por PWM con lo que para cambiar su posición hay que generar una señal de onda cuadrada en la que variando el tiempo de la señal varia el pulso que está a nivel alto, pudiendo controlar el eje del motor eléctrico.
Esta onda PWM ocurre en un microcontrolador y lo más normal es que use un timer y un comparador, para que el micro pueda realizar otras tareas y la señal sea más eficiente.
Cómo funciona esta onda PWM
Ya hemos hablado del Timer y del Comparador pero que tienen que ver o como funciona todo esto en realidad?
El timer hay que programarlo con el ancho de pulso y el comparador con la duración a nivel alto de dicho pulso.
Cuando llega una interrupción de overflow el proceso de la onda cuadrada se pone a nivel alto o High y cuando se produce la interrupción del comparador se pone a nivel bajo o Low.
Un claro ejemplo es el microcontrolador 68HC08 que realiza esta tarea mencionada antes, pero claro, hay que tener en cuenta que los recursos del timer y del comparador estarán en uso y no se pueden usar para nada más.
Hablando sobre esta onda cuadrada PWM os comento que lo normal es que estos pulsos estén entre 1ms y 2ms de anchura para poder dejar el eje en 0º en su mínimo y 180º en su ángulo máximo.
Un termino medio sería 1.5ms que se considera la posición central 90º.
Siempre pueden superar estos valores si se necesita que el servomotor supere los 180º.
¿Cuál es el límite de giro de un servomotor?
Pues básicamente y bajo mi experiencia si te pasas del límite del servo, este va a generar un zumbido avisandote de que debes cambiar la longitud del pulso.
Este límite guarda una estrecha relación entre el potenciómetro y los límites reales que tiene la propia fabricación del servo.
Algo importante y que no he mencionado es que para que la posición del servo se pueda mantener hay que enviar el pulso continuadamente, en caso contrario el servomotor perderá fuerza y dejará de mantener esta posición.
