Qué es un Servomotor y para qué sirve

Ce este un servomotor? Un servomotor este un actuator rotativ care permite controlul precis al poziției unghiulare, al accelerației și al vitezei, lucruri pe care un motor obișnuit nu le poate face. Acesta combină un motor standard cu un senzor pentru feedback de poziție.

Controlerul este componenta cea mai sofisticată, fiind proiectat special pentru a gestiona mișcarea cu precizie.

La ce se folosește un servomotor?

Servomotorul nu este un tip specific de motor, ci un ansamblu format dintr-un motor (DC sau AC), un senzor și un sistem de control în buclă închisă.

Servomotoarele sunt utilizate în principal în robotica industrială, în sisteme de automatizare și în aplicații de prelucrare CNC controlate prin calculator.

Acestea sunt servomecanisme cu buclă închisă, adică folosesc feedback-ul de poziție pentru a controla viteza de rotație și poziția axului. Semnalul de control, analogic sau digital, reprezintă comanda finală de poziționare.

Encoderul (codificatorul) funcționează ca senzor, oferind feedback de poziție și, uneori, de viteză. Poziția finală este transmisă controlerului, care o compară cu poziția dorită. Dacă există o diferență, motorul se ajustează automat pentru a ajunge la poziția corectă.

Servomotoarele simple folosesc motoare cu curent continuu și detectează poziția printr-un potențiometru. Acestea funcționează la putere maximă până ajung la poziția dorită, dar sunt mai puțin precise, de aceea sunt folosite mai ales în modele RC (avioane, mașini de jucărie).

Servomotoarele industriale avansate includ senzori de poziție și viteză, precum și algoritmi de control proporțional-integral-derivat (PID), care permit poziționarea rapidă și precisă.

Servomotoarele avansate utilizate în industrie sunt echipate cu senzori de poziție și viteză, precum și cu algoritmi de control proporțional–integral–derivat (PID), ceea ce le permite să ajungă rapid și precis la poziția dorită.

Cum funcționează un servomotor

Servomotoarele sunt controlate prin impulsuri electrice de lățime variabilă, cunoscute sub numele de modulare în lățime de impuls (PWM), transmise prin cablul de control. Există un impuls minim, unul maxim și o frecvență de repetare.

În mod obișnuit, un servomotor poate roti 90° în fiecare direcție, pentru un total de 180°. Poziția neutră este cea în care motorul are același potențial de rotație în ambele sensuri.

Durata impulsului PWM determină poziția axului. De exemplu:

• Un impuls de 1,5 ms poziționează motorul la 90°
• Sub 1,5 ms → spre 0° (sens invers acelor de ceas)
• Peste 1,5 ms → spre 180° (sensul acelor de ceas)

Servomotorul așteaptă un impuls la fiecare 20 milisecunde, iar lungimea acestuia determină cât de mult se rotește. Odată ce primește comanda, motorul se va poziționa și va menține acea poziție.

Dacă o forță externă încearcă să-l miște, servomotorul va rezista, păstrând poziția. Forța maximă pe care o poate aplica se numește cuplu de torsiune. Totuși, pentru a menține poziția, impulsul trebuie repetat constant, altfel, motorul nu o va păstra.

 

Componentele unui servomotor

Un servomotor este alcătuit din trei componente principale:

• Motorul
• Variatorul (cunoscut și ca amplificator)
• Mecanismul de feedback

De obicei, sistemul include și o sursă de alimentare și un servocontroler, capabil să controleze un singur ax sau să coordoneze mișcarea mai multor axe.

Servomotoarele pot fi de tip AC (curent alternativ) sau DC (curent continuu).

• Cele AC sunt ideale pentru aplicații cu viteză constantă
• Cele DC sunt potrivite pentru aplicații cu viteză variabilă

Feedback-ul este oferit de obicei printr-un encoder (intern sau extern) sau printr-un resolver. În aplicațiile care necesită poziționare extrem de precisă, se pot folosi două dispozitive de feedback:

• Unul pe motor, pentru a verifica performanța
• Altul pe sarcină, pentru a verifica poziția reală

Servoacționarea amplifică semnalul de la controlerul principal, furnizând suficient curent (putere) motorului pentru a genera viteză și cuplu.

• Într-un motor rotativ, curentul este proporțional cu cuplul
• Într-un motor liniar, curentul este proporțional cu forța

Servocontrolerul (sau controlerul de mișcare) este „creierul” sistemului. Aici se definește profilul de mișcare: accelerație, viteză și decelerație. Controlerul trimite semnale către convertor, care determină mișcarea motorului. Tot el închide bucla de control, citind feedback-ul de la encoder și ajustând semnalul transmis motorului pentru a corecta eventualele erori de poziție, viteză sau cuplu.

Tipuri de servomotoare

Servomotoarele vin în diferite dimensiuni și se împart în trei tipuri de bază: rotativ pozițional, rotativ continuu și liniar.

1. Servomotor rotativ pozițional Este cel mai comun tip. Axul de ieșire se rotește aproximativ 180°, adică jumătate de cerc. Are opritoare fizice în mecanismul de angrenaj pentru a preveni rotirea peste limită și a proteja senzorul de poziție. Se regăsește frecvent în mașini și avioane cu telecomandă, jucării, roboți și multe alte aplicații.
2. Servomotor rotativ continuu Similar cu cel pozițional, dar poate roti nelimitat în ambele direcții. Semnalul de control nu setează o poziție fixă, ci indică direcția și viteza de rotație. Poate fi folosit, de exemplu, într-un radar montat pe robot sau ca motor de propulsie într-un robot mobil.
3. Servomotor liniar Funcționează ca cel pozițional, dar are angrenaje suplimentare (de obicei cremalieră și pinion) care transformă mișcarea rotativă în mișcare de tip înainte–înapoi. Sunt mai greu de găsit, dar pot fi întâlniți în magazinele de modelism, folosiți ca actuatori în avioane de dimensiuni mari.

Aplicațiile servomotoarelor

Servomotoarele sunt utilizate în aplicații care necesită variații rapide de viteză, fără a supraîncălzi motorul.

În industrie, ele sunt folosite în:

• Mașini-unelte
• Sisteme de ambalare
• Automatizarea fabricilor
• Manipularea materialelor
• Conversia tiparului
• Linii de asamblare
• Robotică, CNC și producție automatizată

Se regăsesc și în:

• Avioane cu telecomandă, pentru controlul poziției și mișcării eleroanelor
• Roboți, datorită pornirii/opriri line și poziționării precise
• Industria aerospațială, pentru menținerea fluidului în sistemele hidraulice
• Jucării cu telecomandă
• Electronice (DVD-uri, playere de discuri) – pentru deschiderea/închiderea tăvilor
• Automobile – pentru menținerea vitezei constante

Avantaje și dezavantajele servomotoarelor.

Avantaje

• Se adaptează automat la sarcini grele, crescând curentul în bobină pentru a menține mișcarea.
• Permite funcționarea la viteze mari.

Dezavantaje:

• Nu sunt ideale pentru controlul precis al rotației, deoarece pot rămâne în urmă față de impulsurile de comandă.
• Cost mare.
• Când sunt oprite, rotorul poate vibra ușor înainte și înapoi, ceea ce nu este potrivit în aplicații unde vibrația trebuie evitată.