¿Qué tienen en común el zoom de una cámara fotográfica, un brazo robótico o una impresora de oficina? Todos ellos involucran componentes que garantizan control de cada uno de sus movimientos con total precisión sin importar su dinamismo. Si más bien tienes en mente la automatización industrial de máquinas herramientas, probablemente te interese la precisión como factor de éxito. En ese caso, a pesar de la gran inercia o masa de las cargas, lograr movimientos exactos a una alta velocidad, con gran repetibilidad y elevado dinamismo es completamente posible gracias al funcionamiento de los servomotores.
Un servomotor es el componente clave de entre todos los que pueden formar parte de un servosistema. Su eficiencia y confiabilidad está inscrita en la palabra servo, la cual proviene del latín servus (siervo o esclavo), derivado a su vez del verbo servire (estar al servicio de). ¿Qué significa esto? Los componentes de la tecnología servo, como el servomotor, están pensados para “estar al servicio de algo”. Así que, la tecnología servo está conformada por mecanismos diseñados para facilitar el manejo de otros mecanismos que, en conjunto, forman un sistema completo de confiabilidad y exactitud incomparable.
Ahora bien, dejemos de lado el origen romántico de la palabra servo para concentrarnos en lo que actualmente significa esta tecnología para toda clase de industrias innovadoras: control de posición, fuerza y velocidad. La tecnología servo posiciona con exactitud y control a una alta velocidad toda clase de mecanismos dinámicos. Por ello, es la clave para la continuidad de cualquier línea de producción, pues se vale de componentes equipados con sensores para monitorear y retroalimentar su constante funcionamiento.
Por ello, en el corazón de toda la capacidad, control y precisión que ofrece la servotecnología se encuentra el servomotor, el cual consiste en un conjunto de piezas que dan lugar a un servomecanismo. Así, el servo es el elemento capaz de convertir la energía eléctrica en mecánica mediante dispositivos compactos, cuyos tamaños contrastan con la gran potencia y eficiencia energética que ofrecen para las aplicaciones.
¿Qué es un servomotor?
Un servomotor es un actuador rotativo o lineal que permite lograr un control preciso en cuanto a posición angular, aceleración y velocidad del eje, capacidades que un motor normal no tiene. En esencia está conformado por un motor eléctrico convencional (que puede ser AC o DC) que a su vez integra un sistema de retroalimentación (encoder), con lo que, funcionan de forma excelente como un sistema de lazo cerrado.
El Centro de Formación Técnica para la Industria resume así la definición de servomotor:
“Un servomotor es un servomecanismo de bucle cerrado que utiliza la retroalimentación de posición para controlar su velocidad de rotación y posición”.
Así, un servomotor está diseñado para controlar el movimiento de su eje en cuanto a velocidad, aceleración, torque y posición. El servomotor ideal debe tener la capacidad para acelerar la inercia del mecanismo, vencer los rozamientos y compensar fuerzas externas tales como la fricción contra un objeto o la gravedad. Por lo tanto, la relación de inercia entre la carga y el servomotor es clave para conseguir un funcionamiento óptimo del sistema.
En cuanto a sus características, existen servomotores lineales y rotativos, de escobillas o sin escobillas (brushless), de corriente alterna (AC) o de corriente continua (CC). De forma general, si el servo no cuenta con alguna especificación en particular, es posible asumir que es rotativo de corriente alterna. En cualquiera de estos casos, y dada la naturaleza de un servomotor en cuanto a precisión, sus componentes básicos son los siguientes:
- motor en sí mismo
- dispositivo de retroalimentación (usualmente encoder o resolver)
- controlador de movimiento
- servodrive
Componentes de un servosistema.
Cabe destacar que, los servomotores pueden integrar en un solo equipo estos 4 componentes, o bien, incluir únicamente el encoder e integrar por separado el controlador y el servodrive, en cuyo caso se trataría más bien de un servosistema. Por otra parte, también es importante saber que, en la actualidad, el controlador de movimiento ya suele estar incorporado dentro del servodrive.
Por ejemplo, Exlar es un fabricante de dispositivos servo que incluyen el mecanismo (actuador) y el servomotor en un solo equipo, tal como sus series GSX (unidad con actuador y motor) o Tritex (unidad con actuador, motor y servodrive). Fabricantes como Exlar, pues, ofrecen alternativas altamente eficientes porque el motor está construido sobre el actuador en sí.
¿Cómo funciona un servomotor?
Un servomotor es básicamente un tipo de motor eléctrico de alto rendimiento, cuyo sistema convierte la electricidad en un movimiento controlado con gran precisión. El servomotor es considerado el esclavo del servodrive debido a que le informa y ejecuta las órdenes que este proporciona acerca del eje (posición, velocidad, torque). Así que, el funcionamiento óptimo del servomotor depende de esta comunicación bidireccional permanente, la cual también comprueba que el movimiento sea el deseado.
Por su parte, el servodrive es un dispositivo inteligente que interpreta la señal recogida por un controlador; luego de ello, interactúa con el servomotor para lograr la operación deseada de una forma extremadamente precisa en cuanto a repetibilidad. Actualmente, los servodrives utilizan protocolos de comunicación Ethernet pensados para la industria tales como EtherCAT, CC-Link, SERCOS, EtherNet/IP o PROFINET. En cuanto a su alimentación, los servodrives que acompañan al servomotor son de corriente trifásica.
Cabe recordar que, una fuente trifásica está compuesta por tres corrientes monofásicas de igual frecuencia y amplitud, pero que alcanzan sus valores máximos de forma alternada. Dichas corrientes mantienen un desfase equilibrado entre ellas de 120°. Además, poseen una potencia de hasta 300 kW y permiten al servomotor alcanzar velocidades desde 3600 hasta 8200 rpm. Para ser transmitidas se utilizan líneas de 3 conductores, aunque para un uso final se requieren líneas de 4 hilos (las 3 fases y el neutro).
Con base en el principio anterior, generar movimiento mediante un dispositivo trifásico requiere cambios entre las fases con el fin de energizar apropiadamente el servomotor. Este proceso de cambio entre cada fase es llamado conmutación. Para generar el movimiento deseado, el servodrive debe determinar cuáles fases necesitan ser activadas y en qué momento exacto se deben activar. Así, el cambio de voltaje es lo que garantiza la continuidad del movimiento; por lo tanto, el torque que provee el servomotor depende directamente de ese cambio de corriente.
La conmutación está directamente relacionada con la composición interna del servomotor, pues al alternar la corriente la dirección del campo magnético en la bobina es revertida y la interacción de este campo magnético con el rotor genera el movimiento. Cabe agregar que, existen diversas formas para llevar a cabo la conmutación, lo cual depende del tipo de motor.
Por ahora, te adelantamos que un motor de CC con escobillas integra bobinados de cobre en el rotor e imanes permanentes en el estátor. Los bobinados se cargan en el rotor para establecer un campo giratorio que provoca su rotación. Para conseguir este campo giratorio en el servomotor, la corriente del rotor debe redirigirse a los bobinados adyacentes. Esto se logra a través de escobillas montadas en segmentos conmutados en el rotor. En pocas palabras, mientras el rotor gira, las diferentes bobinas son cargadas mediante las escobillas.
Por su lado, los motores sin escobillas no incluyen segmentos de conmutación para cambiar la corriente entre bobinados y generar el campo giratorio. Más bien requieren una señal de conmutación producida por algún codificador o, usualmente, por un sensor de efecto Hall. Estas señales proveen al servodrive información de la posición del rotor, con lo cual, el controlador cambia la corriente que pasa a través de los bobinados para generar, ahora sí, el campo magnético giratorio. Dicho de otra forma, al no tener conmutadores mecánicos, los servomotores sin escobillas requieren conmutación electrónica y dispositivos de retroalimentación para controlar el movimiento del servomotor.
En Urany somos expertos en componentes diseñados especialmente para integrarse a la tecnología de los servomotores. Por ello, contamos con una amplia gama de actuadores que puedes conocer en nuestro sitio web. O bien, también te invitamos a conocer la oferta de Exlar en cuanto a mecanismos que ya pueden incluir el servomotor, lo cual te ofrece una ventaja en instalación, costos y eficiencia.
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