Servomotor DC: construcción, funcionamiento, interfaz con Arduino y sus aplicaciones

A servo motor o servo es un tipo de motor eléctrico utilizado para girar las piezas de la máquina con alta precisión. Este motor incluye un circuito de control que proporciona retroalimentación sobre la ubicación actual del eje del motor, por lo que esta retroalimentación simplemente permite que estos motores giren con alta precisión. Un servomotor es beneficioso para rotar un objeto a cierta distancia o ángulo. Este motor se clasifica en dos tipos de servomotor de CA y servomotor de CC. Si un servomotor utiliza alimentación de CC para funcionar, el motor se denomina servomotor de CC, mientras que si funciona con alimentación de CA, se conoce como servomotor de CA. Este tutorial proporciona información breve sobre el servomotor de CC – trabajar con aplicaciones.

¿Qué es el servomotor de CC?

Un servomotor que utiliza una entrada eléctrica de CC para producir una salida mecánica como la posición, la velocidad o la aceleración se denomina servomotor de CC. Generalmente, estos tipos de motores se utilizan como motores primarios dentro de máquinas controladas numéricamente, computadoras y muchos más dondequiera que se realicen arranques y paradas. con precisión y muy rápidamente.

Construcción y funcionamiento del servomotor de CC

El servomotor de CC está construido con diferentes componentes que se muestran en el siguiente diagrama de bloques. En este diagrama, cada componente y su función se analizan a continuación.

El motor utilizado en esto es un motor de CC típico, incluido su devanado de campo, que se excita por separado. Por lo tanto, dependiendo de la naturaleza de la excitación, se pueden clasificar además como servomotores controlados por armadura y controlados por campo.

La carga utilizada en este es un ventilador simple o carga industrial que simplemente se conecta al eje mecánico del motor.

La caja de engranajes en esta construcción funciona como un transductor mecánico para cambiar la salida del motor, como la aceleración, la posición o la velocidad, según la aplicación.

La función principal de un sensor de posición es obtener la señal de retroalimentación equivalente a la posición actual de la carga. Generalmente, este es un potenciómetro que se usa para proporcionar un voltaje que es proporcional al ángulo absoluto del eje del motor a través del mecanismo de engranajes.

La función del comparador es comparar el o/p de un sensor de posición y un punto de referencia para producir la señal de error y dársela al amplificador. Si el motor de CC funciona con un control preciso, entonces no hay error. El sensor de posición, la caja de cambios y el comparador harán que el sistema sea un circuito cerrado.

La función del amplificador es amplificar el error del comparador y alimentarlo al motor de CC. Por lo tanto, funciona como un controlador proporcional siempre que la ganancia se fortalece para un error de estado estable cero.

La señal controlada proporciona la entrada a PWM (modulador de ancho de pulso) dependiendo de la señal de retroalimentación para que module la entrada del motor para un control preciso, de lo contrario, cero error de estado estable. Además, este modulador de ancho de pulso utiliza una forma de onda de referencia y un comparador para producir pulsos.

Al hacer el sistema de lazo cerrado, se obtiene la aceleración, la velocidad o la posición exacta. Como sugiere el nombre, el servomotor es un motor controlado que proporciona la salida preferida debido al efecto de retroalimentación y controlador. La señal de error simplemente se amplifica y se utiliza para impulsar el servomotor. Según la señal de control y la naturaleza de producción del modulador de ancho de pulso, estos motores tienen métodos de control superiores con chips FPGA o procesadores de señal digital.

El funcionamiento del servomotor DC es; cada vez que la señal de entrada se aplica al motor de CC, gira el eje y los engranajes. Básicamente, la salida de rotación de los engranajes se retroalimenta al sensor de posición (potenciómetro) cuyas perillas giran y cambian su resistencia. Cada vez que se cambia la resistencia, se cambia un voltaje, que es una señal de error que se alimenta al controlador y, en consecuencia, se genera PWM.

Para saber más sobre los tipos de servomotores de CC, consulte este enlace: Diferentes tipos de servomotores .

Función de transferencia del servomotor de CC

La función de transferencia se puede definir como la relación entre la transformada de Laplace (LT) de la variable o/p y la LT ( Transformada de Laplace ) de la variable i/p. En general, el motor de CC cambia la energía de eléctrica a mecánica. La energía eléctrica suministrada en los terminales del inducido se transforma en energía mecánica controlada.

A continuación se muestra la función de transferencia del servomotor de CC controlado por armadura.

θ(s)/Va(s) = (K1/(Js2 + Bs)*(Las + Ra)) /1 + (K1KbKs)/(Js2 + Bs)*(Las+Ra)

La función de transferencia del servomotor de CC controlada por campo se muestra a continuación.

θ(s)/Vf (s) = Kf / (sLf + Rf) * (s2J + Bs)

El servomotor de CC controlado por armadura proporciona un rendimiento superior debido al sistema de bucle cerrado en comparación con el servomotor de CC controlado por campo, que es el sistema de bucle abierto. Además, la velocidad de respuesta es lenta dentro del sistema de control de campo. En el caso de control de armadura, la inductancia de la armadura es despreciable, mientras que en el caso de control de campo, no es lo mismo. Pero, en el control Infield, no se puede lograr una amortiguación mejorada, mientras que, en el control de armadura, se puede lograr.

Especificaciones

El servomotor de CC proporciona especificaciones de rendimiento que incluyen lo siguiente. Estas especificaciones deben coincidir en función de las necesidades de carga de la aplicación para dimensionar correctamente un motor.

• La velocidad del eje simplemente define la velocidad a la que gira el eje, expresada en RPM (rotaciones por minuto).
• Por lo general, la velocidad que ofrece el fabricante es la velocidad sin carga del eje de operación o la velocidad en la cual el par de salida del motor es cero.
• El voltaje terminal es el voltaje de diseño del motor que determina la velocidad del motor. Esta velocidad se controla simplemente aumentando o disminuyendo el voltaje suministrado al motor.
• La fuerza de rotación, como el par, es generada por el eje del servomotor de CC. Por lo tanto, el par requerido para este motor está simplemente determinado por las características de par-velocidad de las diferentes cargas experimentadas dentro de la aplicación de destino. Estos pares son dos tipos de par de arranque y par continuo.
• El par de arranque es el par necesario durante el arranque del servomotor. Este par es normalmente más alto en comparación con el par continuo.
• El par continuo es el par de salida que es la capacidad del motor en condiciones de funcionamiento constante.
• Estos motores deben tener suficiente velocidad y capacidad de par para la aplicación, incluido un margen del 20 al 30 % entre las necesidades de carga y las clasificaciones del motor para garantizar la confiabilidad. Cuando estos márgenes excedan demasiado, la efectividad del costo se reducirá. especificaciones del servomotor de CC sin núcleo de 12 V CC de Faulhaber son:
• La relación de la caja de cambios es 64: l Caja de cambios planetaria de tres etapas.
• La corriente de carga es de 1400 mA de potencia.
• La potencia es de 17W.
• La velocidad es de 120 RPM.
• La corriente sin carga es de 75 mA.
• El tipo de Codificador es Óptico.
• La resolución del codificador es 768CPR del eje O/P.
• El diámetro es de 30 mm.
• La longitud es de 42 mm.
• La longitud total es de 85 mm.
• El diámetro del eje es de 6 mm.
• La longitud del eje es de 35 mm.
• El par de parada es de 52 kgcm.

Características

los caracteristicas de un servomotor dc Incluya lo siguiente.

• El diseño del servomotor de CC es similar a un imán permanente o un motor de CC excitado por separado.
• El control de velocidad de este motor se realiza controlando el voltaje del inducido.
• El servomotor está diseñado con alta resistencia de armadura.
• Proporciona una respuesta de par rápida.
• Un cambio de paso dentro del voltaje de armadura genera un cambio rápido en la velocidad del motor.

Servomotor de CA frente a servomotor de CC

La diferencia entre un servomotor de CC y un servomotor de CA incluye lo siguiente.

Interfaz de servomotor de CC con Arduino

Para controlar un servomotor de CC en un ángulo exacto y requerido, se puede usar una placa Arduino o cualquier otro microcontrolador. Esta placa tiene salida analógica que genera una señal PWM para girar el servomotor en un ángulo preciso. También puede mover la posición del ángulo del servomotor con un potenciómetro o botones usando un Arduino.

El servomotor también se puede controlar con un control remoto IR que está disponible fácilmente. Este control remoto es útil para mover el servomotor de CC a un ángulo específico o aumentar o disminuir el ángulo del motor linealmente con un control remoto IR.

Aquí discutiremos cómo mover el servomotor usando un control remoto IR usando Arduino en un ángulo específico y también aumentar o disminuir el ángulo del servomotor con el control remoto en sentido horario y antihorario. El diagrama de interfaz del servomotor de CC con Arduino y el control remoto IR se muestra a continuación. Las conexiones de esta interfaz siguen como;

Esta interfaz utiliza principalmente tres componentes esenciales como el servomotor de CC, la placa Arduino y el sensor IR TSOP1738. Este sensor tiene tres terminales como Vcc, GND y salida. El terminal Vcc de este sensor está conectado a 5V de la placa Arduino Uno, el terminal GND de este sensor está conectado al terminal GND de la placa Arduino y el terminal de salida está conectado al pin 12 (entrada digital) de la placa Arduino.

El pin de salida digital 5 simplemente se conecta al pin de entrada de señal del servomotor para impulsar el motor
El pin +ve del servomotor de CC se entrega al suministro externo de 5 V y el pin GND del servomotor se entrega al pin GND de Arduino.

Laboral

El control remoto IR se usa para realizar dos acciones de 30 grados, 60 grados y 90 grados, y también para aumentar/disminuir el ángulo del motor de 0 a 180 grados.

El control remoto contiene muchos botones como botones de dígitos (0-9), botones para control de ángulo, botones de teclas de flecha, botones arriba/abajo, etc. Una vez que se presiona cualquier botón de dígito del 1 al 5, el servomotor de CC se moverá a ese ángulo exacto y cuando se presiona el botón de ángulo arriba/abajo, el ángulo del motor se puede ajustar exactamente en ±5 grados.

Una vez que se deciden los botones, los códigos de estos botones deben decodificarse. Una vez que se presiona cualquier botón del control remoto, enviará un código para realizar la acción requerida. Para decodificar estos códigos remotos, se utiliza la biblioteca remota IR de Internet.

Cargue el siguiente programa en Arduino y conecte el sensor IR. Ahora coloque el control remoto hacia el sensor IR y presione el botón. Después de eso, abra el monitor en serie y controle el código del botón presionado en forma de números.

código arduino

#include // agregar biblioteca remota IR
#include // agrega la biblioteca de servomotores
servicio servicio1;
pin IR int = 12; // pin para el sensor IR
int motor_ángulo=0;
IRrecv irrecv(IRpin);
resultados decode_results;
configuración vacía ()
{
Serial.begin(9600); // inicializa la comunicación serie
Serial.println(“Servomotor controlado a distancia por infrarrojos”); // mostrar mensaje
irrecv.enableIRIn(); // Inicia el receptor
servo1.adjuntar(5); // declara el pin del servomotor
servo1.write(motor_ángulo); // mueve el motor a 0 grados
Serial.println(“Ángulo del servomotor 0 grados”);
retraso (2000);
}
bucle vacío ()
{
while(!(irrecv.decode(&resultados))); // esperar hasta que no se presione ningún botón
if (irrecv.decode(&results)) // cuando se presiona el botón y se recibe el código
{
if(results.value==2210) // verifica si se presiona el botón del dígito 1
{
Serial.println(“ángulo del servomotor 30 grados”);
ángulo_motor = 30;
servo1.write(motor_ángulo); // mueve el motor a 30 grados
}
else if(results.value==6308) // si se presiona el botón del dígito 2
{
Serial.println(“ángulo del servomotor 60 grados”);
ángulo_motor = 60;
servo1.write(motor_ángulo); // mueve el motor a 60 grados
}
else if(results.value==2215) // de la misma manera para todos los botones de dígitos
{
Serial.println(“ángulo del servomotor 90 grados”);
ángulo_motor = 90;
servo1.write(motor_ángulo);
}
más si (resultados.valor==6312)
{
Serial.println(“ángulo del servomotor 120 grados”);
ángulo_motor = 120;
servo1.write(motor_ángulo);
}
más si (resultados.valor==2219)
{
Serial.println(“ángulo del servomotor 150 grados”);
ángulo_motor = 150;
servo1.write(motor_ángulo);
}
else if(results.value==6338) // si se presiona el botón SUBIR volumen
{
if(motor_ángulo<150) motor_ángulo+=5; // aumentar el ángulo del motor
Serial.print(“El ángulo del motor es “);
Serial.println(motor_ángulo);
servo1.write(motor_ángulo); // y mueve el motor a ese ángulo
}
else if(results.value==6292) // si se presiona el botón para bajar el volumen
{
if(motor_ángulo>0) motor_ángulo-=5; // disminuir el ángulo del motor
Serial.print(“El ángulo del motor es “);
Serial.println(motor_ángulo);
servo1.write(motor_ángulo); // y mueve el motor a ese ángulo
}
retraso (200); // espera 0.2 seg
irrecv.resume(); // de nuevo estar listo para recibir el siguiente código
}
}

El suministro al servomotor de CC se proporciona desde los 5 V externos y el suministro al sensor IR y la placa Arduino se proporciona desde USB. Una vez que se le da energía al servomotor, se mueve a 0 grados. Después de eso, el mensaje se mostrará como 'el ángulo del servomotor es de 0 grados' en el monitor en serie.

Ahora en el control remoto, una vez que se presiona el botón 1, el servomotor de CC se moverá 30 grados. De manera similar, una vez que se presionan los botones 2, 3, 4 o 5, el motor se moverá con los ángulos deseados, como 60 grados, 90 grados, 120 grados o 150 grados. Ahora, el monitor en serie mostrará la posición del ángulo del servomotor como 'ángulo del servomotor xx grados'

Una vez que se presiona el botón para subir el volumen, el ángulo del motor aumentará en 5 grados, lo que significa que si es de 60 grados, se moverá a 65 grados. Entonces, la posición del nuevo ángulo se mostrará en el monitor serial.

Del mismo modo, una vez que se presiona el botón de descenso del ángulo, el ángulo del motor disminuirá en 5 grados, lo que significa que, si el ángulo es de 90 grados, se moverá a 85 grados. La señal del control remoto IR es detectada por el sensor IR. Para saber cómo detecta y cómo funciona el sensor IR, haga clic en aquí

Entonces, la posición del nuevo ángulo se mostrará en el monitor serial. Por lo tanto, podemos controlar fácilmente el ángulo del servomotor de CC con Arduino y el control remoto IR.

Para saber cómo conectar el motor de CC con el microcontrolador 8051, haga clic en aquí

Ventajas del servomotor de CC

los ventajas de los servomotores dc Incluya lo siguiente.

• El funcionamiento del servomotor de CC es estable.
• Estos motores tienen una potencia de salida mucho mayor que el tamaño y el peso del motor.
• Cuando estos motores funcionan a altas velocidades, no generan ningún ruido.
• Esta operación del motor es libre de vibraciones y resonancias.
• Estos tipos de motores tienen una alta relación de par a inercia y pueden recoger cargas muy rápidamente.
• Tienen alta eficiencia.
• Dan respuestas rápidas.
• Estos son portátiles y ligeros.
• La operación de Cuatro Cuadrantes es posible.
• A altas velocidades, estos son audiblemente silenciosos.

los Desventajas de los servomotores de CC Incluya lo siguiente.

• El mecanismo de enfriamiento del servomotor de CC es ineficiente. Entonces, este motor se contamina rápidamente una vez que se ventila.
• Este motor genera la máxima potencia de salida a una velocidad de par más alta y necesita engranajes regulares.
• Estos motores pueden dañarse por sobrecarga.
• Tienen un diseño complejo y necesitan un codificador.
• Estos motores necesitan ajuste para estabilizar el circuito de retroalimentación.
• Requiere mantenimiento.

Aplicaciones de servomotores de CC

los aplicaciones de servomotores dc Incluya lo siguiente.

• Los servomotores de CC se utilizan en máquinas herramienta para cortar y formar metales.
• Se utilizan para el posicionamiento de antenas, impresión, embalaje, carpintería, textiles, fabricación de cordeles o cuerdas, CMM (máquinas de medición por coordenadas), manipulación de materiales, pulido de suelos, apertura de puertas, mesas X-Y, equipos médicos e hilado de obleas.
• Estos motores se utilizan en sistemas de control de aeronaves donde las limitaciones de espacio y peso necesitan motores para entregar alta potencia para cada unidad de volumen.
• Estos son aplicables donde se necesita un par de arranque alto, como impulsores y ventiladores.
• También se utilizan principalmente para robótica, dispositivos de programación, actuadores electromecánicos, máquinas herramienta, controladores de procesos, etc.

Por lo tanto, esta es una descripción general de la CC. servomotor - trabajando con aplicaciones. Estos servomotores se utilizan en diversas industrias para dar solución a muchos movimientos mecánicos. Las características de estos motores los harán muy eficientes y potentes. Aquí hay una pregunta para usted, ¿qué es un servomotor de CA?