Un servomotor es un motor capaz de controlar con gran precisión la posición, la velocidad y el ángulo. Se utiliza tanto en robots industriales y máquinas herramienta como en el ámbito de las aficiones, como los modelos a control remoto y la construcción de robots.
Por otro lado, es probable que muchas personas se pregunten: «¿En qué se diferencia de un motor convencional?», «¿Por qué se puede mover con tanta precisión?» o «¿Cómo se elige el producto adecuado para cada aplicación?». Para utilizarlo correctamente, es importante comprender su funcionamiento básico y sus características, así como determinar el rendimiento necesario para cada aplicación.
En este artículo explicaremos de forma clara el funcionamiento y las características de los servomotores, sus principales aplicaciones y los aspectos clave a tener en cuenta en la selección de motores.
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¿Qué es un servomotor?
Un servomotor es un motor que, al combinarse con un codificador o un servoamplificador, permite controlar con gran precisión la posición y la velocidad, entre otros parámetros. Mientras que los motores convencionales generan potencia principalmente mediante la rotación, los servomotores destacan por su capacidad para funcionar con precisión según las instrucciones recibidas.
Otra característica importante es que no se utilizan como motores aislados, sino como parte de un «sistema servo» en combinación con codificadores y servoamplificadores. A continuación, explicaremos los conceptos básicos de los servomotores, la configuración de los sistemas servo y las diferencias con respecto a los motores convencionales.
Conceptos básicos de los servomotores
Los servomotores permiten ajustar con precisión la posición de rotación y la velocidad en respuesta a las órdenes recibidas, por lo que son adecuados para equipos que requieren un movimiento preciso. Los principales métodos de control son tres: el control de posición, el control de velocidad y el control de par.
Por ejemplo, en el control de posición es posible «desplazarse con precisión hasta la posición objetivo y detenerse»; en el control de velocidad, «mantener la velocidad de rotación establecida»; y en el control de par, «controlar de forma constante la fuerza (par) necesaria en función de la carga». Dado que se puede elegir el método de control en función de la aplicación, se utilizan en una amplia gama de campos, como los robots industriales, las máquinas herramienta y los sistemas de transporte.
¿Qué es un servomecanismo (sistema servo)?
Un servomecanismo (sistema servo) es un mecanismo que controla el motor mientras comprueba su estado para que funcione con precisión según las órdenes recibidas. Se compone principalmente de un controlador que emite las órdenes, un servoamplificador que ajusta el funcionamiento, un servomotor que proporciona el accionamiento y un codificador que detecta la posición y la velocidad.
La coordinación entre estos dispositivos, junto con el ajuste continuo del funcionamiento del motor, permite un control estable y de alta precisión. El mecanismo de control concreto se explica con detalle en el siguiente capítulo.
Diferencias con respecto a los motores convencionales
Las principales diferencias entre los servomotores y los motores convencionales residen en su finalidad, el método de control y la configuración del sistema.
Aspectos comparativos | Motor convencional | Servomotor |
Objetivo principal | Generar potencia mediante la rotación | Controlar con precisión la posición, la velocidad y el ángulo |
Método de control | Funcionamiento centrado en una dirección y velocidad constantes | Ajustar el funcionamiento en función de los valores de consigna |
Configuración | Se suele utilizar el motor de forma independiente | Se combina con un codificador y un servoamplificador |
Aplicaciones adecuadas | Ventiladores, bombas y otros equipos para la industria en general y los electrodomésticos en general | Robots, máquinas herramienta, sistemas de transporte, etc. |
Características | Configuración relativamente sencilla | Alta precisión, pero configuración compleja |
Los motores convencionales son adecuados para aplicaciones en las que se genera potencia mediante un giro continuo. Los servomotores se caracterizan por detectar la posición y la velocidad mediante un codificador y por poder corregir la diferencia con respecto a los valores de consigna.
Si bien permiten un posicionamiento y un control de velocidad precisos, la configuración del sistema resulta más compleja. Es importante elegir el motor adecuado para cada aplicación, teniendo en cuenta la precisión requerida y el coste.
Funcionamiento de los servomotores
Los servomotores pueden realizar movimientos de alta precisión porque detectan el movimiento real y corrigen continuamente la diferencia con respecto a la orden. La colaboración entre el codificador, que detecta el estado del motor, y el servoamplificador, que ajusta el movimiento, permite acercarse a la posición y la velocidad deseadas.
A continuación, explicaremos el mecanismo de control de retroalimentación en el que se basan los servomotores, así como las funciones del codificador y del servoamplificador.
Mecanismo de control de posición y velocidad mediante control de retroalimentación
El control de retroalimentación es un método de control que compara el valor objetivo con el movimiento real y ajusta la salida para reducir la diferencia. En un servomotor, el codificador envía la posición y la velocidad actuales detectadas al servoamplificador, que comprueba la diferencia con respecto al valor de consigna.
Si existe una diferencia, el servoamplificador ajusta la corriente eléctrica que suministra al motor para acercarlo a la posición o velocidad deseadas. Dado que la corrección se realiza de forma continua mientras se comprueba el funcionamiento, es posible lograr un control estable y de alta precisión.
Función del codificador
El codificador es un sensor que detecta la posición de rotación, la velocidad y el sentido de giro del servomotor. Convierte en señales eléctricas la información sobre «en qué posición se encuentra el motor» y «a qué velocidad se mueve», y la transmite al servoamplificador.
En un sistema servo, el codificador desempeña una función similar a la del ojo humano. Si es capaz de detectar incluso los movimientos más sutiles, el servoamplificador puede determinar con mayor precisión la diferencia con respecto al valor de consigna y realizar la corrección adecuada.
La precisión de detección del codificador es un factor clave que determina la precisión del posicionamiento y el control de velocidad de todo el sistema servo.
Función del servoamplificador
El servoamplificador es un dispositivo que ajusta la potencia suministrada al servomotor basándose en las órdenes del controlador y en la información del codificador. En un sistema servo, se encarga de ajustar la salida en función de la diferencia entre el valor de consigna y el funcionamiento real.
Cuando existe una diferencia entre el valor de consigna y el funcionamiento real, el servoamplificador envía la corriente eléctrica necesaria al motor para corregir la posición o la velocidad. Como también permite ajustar los movimientos de aceleración y desaceleración, se consigue un control suave y estable, al tiempo que se minimizan las oscilaciones provocadas por movimientos bruscos.
Características y ventajas del servomotor
La ventaja de los servomotores no se limita únicamente a su capacidad para controlar con precisión la posición y la velocidad. Dado que responden rápidamente a las órdenes y mantienen fácilmente un funcionamiento estable incluso cuando varía la carga, también son adecuados para equipos que repiten el mismo movimiento.
A continuación, explicamos las principales características y ventajas de los servomotores desde cuatro perspectivas.
Permiten un posicionamiento de alta precisión
Una de las principales características de los servomotores es su capacidad para desplazarse y detenerse con precisión en una posición determinada. Detectan la posición actual mediante un codificador y corrigen continuamente la diferencia con respecto a la posición indicada, lo que permite minimizar incluso las desviaciones más mínimas.
Esta alta precisión de posicionamiento es imprescindible en máquinas de montaje que colocan componentes electrónicos en su lugar predeterminado, así como en máquinas herramienta que realizan mecanizados de gran precisión. Aunque la precisión varía según el modelo, cuanto más requiera un equipo un ajuste de posición preciso, más se pueden aprovechar las ventajas de los servomotores.
Permiten un control rápido y estable
Los servomotores se caracterizan por reaccionar rápidamente a las órdenes y por mantener fácilmente un funcionamiento estable incluso a altas velocidades. Permiten controlar la aceleración rápida desde el estado de parada, así como la desaceleración y la parada precisas desde un funcionamiento a alta velocidad.
Durante la aceleración y la desaceleración, la potencia de salida se ajusta mientras se comprueba la diferencia con respecto al valor objetivo, lo que permite evitar el sobreimpulso, es decir, que el motor sobrepase la posición objetivo. Son adecuados para aplicaciones que requieren movimientos precisos y repetitivos en poco tiempo, como los robots industriales o los sistemas de transporte.
Resistentes a las variaciones de carga
Los servomotores son motores que mantienen fácilmente la posición y la velocidad deseadas, incluso cuando varían el peso o la resistencia del objeto que se mueve. Cuando la carga aumenta y la velocidad de rotación disminuye, el codificador detecta el cambio y el servoamplificador ajusta la potencia suministrada al motor.
Una de sus ventajas es que permiten mantener un funcionamiento estable incluso en líneas de producción en las que varía el peso de los objetos transportados o en máquinas herramienta en las que cambia la resistencia durante el mecanizado. Incluso en aplicaciones en las que las condiciones de carga no son constantes, se pueden minimizar las variaciones en la precisión y la calidad de la producción.
Excelente precisión de repetición
Los servomotores se caracterizan por su capacidad para minimizar las variaciones de posición y velocidad, incluso al repetir el mismo movimiento una y otra vez. Esto se debe a que, en cada movimiento, detectan el estado actual y corrigen la diferencia con respecto al valor de consigna.
Por ejemplo, en los equipos de montaje automático es necesario transportar las piezas de forma precisa y repetida hasta una posición determinada. Aprovechando la alta precisión de repetición de los servomotores, resulta más fácil mantener un funcionamiento estable incluso durante un funcionamiento continuo prolongado, lo que contribuye a la uniformidad de la calidad del producto.
Principales aplicaciones de los servomotores
Los servomotores se utilizan en una amplia gama de campos en los que se requiere un posicionamiento de alta precisión y un control de velocidad estable. En particular, son especialmente adecuados para equipos de automatización que deben repetir con exactitud el mismo movimiento, así como para equipos de precisión que controlan movimientos minuciosos.
A continuación, presentamos algunas de las aplicaciones más representativas en las que se utilizan los servomotores.
Robots industriales
Los servomotores se utilizan ampliamente como fuente de accionamiento para mover las articulaciones de los robots industriales. En los robots articulados y los robots SCARA, por ejemplo, se colocan servomotores en cada eje, lo que permite controlar con precisión la posición y la velocidad del brazo.
Dado que permiten un posicionamiento de alta precisión y una respuesta rápida, son adecuados para tareas que requieren exactitud y rapidez, como la soldadura, el montaje o la recogida de piezas. Además, facilitan el control de la variabilidad en los movimientos repetitivos, lo que contribuye al funcionamiento estable de las líneas de producción y a la uniformidad de la calidad del producto.
Máquinas-herramienta
Los servomotores se utilizan en máquinas-herramienta, como centros de mecanizado y tornos de control numérico, para controlar la posición de las herramientas y las piezas a mecanizar. Al mover con precisión los ejes X, Y y Z, es posible realizar un mecanizado preciso que se ajusta a la forma diseñada.
Durante el mecanizado, es necesario ajustar con precisión la velocidad de desplazamiento de la herramienta y su posición de parada. Los servomotores reaccionan rápidamente a las órdenes y pueden acelerar y desacelerar de forma suave, lo que permite reducir el tiempo de trabajo sin perder precisión en el mecanizado.
Equipos de transporte y automatización
Los servomotores también se utilizan en equipos de automatización de líneas de producción, como cintas transportadoras y dispositivos de transporte. Son adecuados para aplicaciones en las que es necesario detener con precisión los objetos transportados en una posición determinada o transportarlos a una velocidad constante.
Una de sus ventajas es que pueden ajustar la potencia mientras detectan el movimiento real, incluso si varían el peso de los objetos transportados o la resistencia a la fricción. Resultan útiles en entornos que exigen precisión en el transporte y un funcionamiento estable, como los equipos de montaje de componentes electrónicos o las líneas de envasado de alimentos y productos farmacéuticos.
Equipos médicos y de precisión
Los servomotores también se utilizan en equipos médicos y de precisión que requieren ajustes de posición minuciosos y movimientos suaves. Algunos ejemplos representativos son los robots de asistencia quirúrgica, los analizadores automáticos y los equipos ópticos.
En los equipos médicos, se requiere un funcionamiento preciso que evite movimientos bruscos y desviaciones de posición. En los equipos de precisión, un control minucioso es imprescindible, ya que incluso las vibraciones más leves pueden afectar a la precisión de las mediciones o del procesamiento.
Los servomotores, capaces de ofrecer un funcionamiento estable y de alta precisión, son fundamentales en los campos que requieren un control preciso.
Los servomotores también se utilizan en el ámbito del hobby
Los servomotores se utilizan ampliamente no solo en el ámbito de la Industria y la automatización, sino también en el de las aficiones, como los coches y aviones teledirigidos, la construcción de robots y la fabricación de maquetas. Muchos de los productos destinados a estas aficiones son compactos y ligeros, y permiten controlar el ángulo y el movimiento de forma relativamente sencilla enviándoles señales (señales PWM) desde un microcontrolador.
A continuación, presentamos algunos ejemplos de uso de los servomotores en aficiones cotidianas.
Coches y aviones teledirigidos
En los coches y aviones teledirigidos se utilizan servomotores para cambiar la orientación del chasis o del fuselaje según las instrucciones del piloto. En los coches teledirigidos, se emplean principalmente en la dirección para ajustar la orientación de las ruedas delanteras, mientras que en los aviones teledirigidos se utilizan para mover las partes móviles de las alas principales y la cola.
Dado que los servomotores permiten ajustar el ángulo con gran precisión, es posible realizar giros, ascensos y descensos de forma fluida en respuesta a los mandos del transmisor. Dado que el par y la velocidad de respuesta necesarios varían según la aplicación, es importante elegir un producto que se adapte al tamaño del vehículo o la aeronave y al movimiento deseado.
Construcción de robots
Los servomotores también se utilizan ampliamente en la construcción de robots, como los robots bípedos o los robots con brazo. En los robots bípedos, se colocan en las articulaciones de la cadera, la rodilla y el tobillo, y al ajustar con precisión el ángulo de cada articulación, se pueden reproducir movimientos similares a los de la marcha humana.
En los robots con brazo, al combinar varios servomotores se pueden realizar acciones como agarrar objetos, moverlos o apilarlos. Al sincronizar varias articulaciones se pueden realizar movimientos complejos, por lo que son adecuados para kits de robótica educativos y para el aprendizaje de la programación.
Construcción de maquetas y proyectos de electrónica
En la construcción de maquetas, los servomotores se utilizan en mecanismos móviles, como el movimiento de las alas, la apertura y cierre de escotillas o el giro del cuello. Son adecuados para aplicaciones en las que se desea mover con precisión un ángulo de movimiento (rango de movimiento) predeterminado, como los alerones de los aviones a escala o las torretas de los tanques a escala.
En la electrónica de aficionados, combinados con microcontroladores, permiten fabricar puertas de apertura y cierre automáticas o dispositivos que siguen la dirección del sol. Los servomotores para aficiones son relativamente fáciles de manejar y, dado que permiten especificar el ángulo de movimiento, también se utilizan como material didáctico para aprender programación y el control de motores.
Puntos clave a tener en cuenta en la selección de motores
Los servomotores presentan diferentes requisitos de rendimiento y condiciones de uso en función de su aplicación. Aunque se cumpla el par necesario, es posible que no se alcance un rendimiento adecuado si el tamaño, la precisión de control o el consumo eléctrico, entre otros factores, no son los adecuados.
Por ello, es importante definir claramente el equipo en el que se va a utilizar y el objetivo que se persigue, para poder comparar de forma global las distintas condiciones. A continuación, explicamos los puntos principales que hay que tener en cuenta en la selección de motores.
Comprobar el par necesario
A la hora de elegir un servomotor, es importante comprobar el par necesario para accionar el equipo. Si el par es insuficiente, no solo no se podrá acelerar hasta la velocidad deseada, sino que también podría producirse un desajuste de posición o un sobrecalentamiento.
El par necesario se calcula teniendo en cuenta el peso del objeto que se va a mover, la velocidad de aceleración y deceleración, y la fricción, entre otros factores. Nuestros motores compactos, entre los que se incluyen nuestros micromotores, ofrecen un par del orden de los mN·m (milinewtons-metro).
Un motor más grande de lo necesario conlleva un aumento del coste y del consumo eléctrico, por lo que conviene determinar el par adecuado para cada aplicación.
Comprobar el tamaño y el espacio de montaje
El tamaño del servomotor es un factor clave que determina la facilidad de integración en el equipo. Aunque cumpla con los requisitos de rendimiento necesarios, no se podrá utilizar si no cabe en el espacio de instalación.
A la hora de realizar la selección de motores, hay que comprobar la longitud total y la anchura del motor, así como la posición del eje, y evaluar si interfiere con los componentes circundantes o el cableado. También es importante tener en cuenta la capacidad de disipación térmica del lugar de instalación (como la conducción de calor hacia los bastidores metálicos circundantes) y el espacio necesario para el mantenimiento.
En los equipos en los que se exige miniaturización, también son una opción los motores compactos que se adapten fácilmente a un espacio limitado. Teniendo en cuenta el diseño global del equipo, elija un producto que ofrezca un equilibrio adecuado entre rendimiento y tamaño.
Comprobar la precisión de control y la capacidad de respuesta
A la hora de realizar la selección de motores, compruebe la precisión de control y la capacidad de respuesta necesarias para la aplicación. Las prestaciones a las que se debe dar prioridad varían en función de si se requiere un posicionamiento preciso o si se da prioridad a un funcionamiento rápido.
La resolución del codificador, que indica el nivel de detalle con el que se pueden detectar la posición y la velocidad, está relacionada con la precisión de control. Por otro lado, la capacidad de respuesta indica la rapidez con la que el motor reacciona a las órdenes.
No siempre es mejor optar por un rendimiento más alto. Es importante definir claramente la precisión de posicionamiento y la velocidad de funcionamiento necesarias para el equipo, a fin de evitar el aumento de costes derivado de un rendimiento excesivo.
Comprobar el consumo eléctrico y el entorno de uso
A la hora de realizar la selección de codificador, es necesario tener en cuenta también el consumo eléctrico y el entorno de uso. Esto se debe a que, en instalaciones que funcionan durante largos periodos de tiempo, la eficiencia del motor influye en los costes eléctricos y en la generación de calor del equipo.
Además de la temperatura y la humedad ambientales, en lugares expuestos a polvo, agua u aceite, hay que comprobar que cuente con el grado de protección adecuado para el entorno de uso (por ejemplo, el grado IP). En caso de funcionamiento continuo, también hay que prestar atención a las condiciones de disipación del calor y al aumento de temperatura.
No hay que basarse únicamente en el consumo eléctrico; una comparación que incluya el tiempo de funcionamiento, el entorno de instalación y la durabilidad necesaria garantizará un funcionamiento estable.
Resumen
Los servomotores son motores capaces de controlar con gran precisión la posición, la velocidad y el ángulo. Al combinarlos con un codificador y un servoamplificador, se consigue un funcionamiento preciso acorde con las instrucciones recibidas.
Sin embargo, a la hora de la selección de motores, no basta con decidir «elegir un servomotor porque ofrece mayor precisión». Es importante comprobar el par necesario, el tamaño, la precisión de control y el entorno de uso, y elegir el producto que mejor se adapte a la aplicación.
Dependiendo de la aplicación, en algunos casos pueden resultar más adecuados los motores de CC o los motorreductores. Una vez analizados el movimiento deseado y las condiciones de instalación, se debe realizar la selección de motores adecuada.
Información sobre productos y consultas
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