Servomotores: un breve repaso por su historia
Agosto 5, 2020
¿Qué es un servomotor? Un servomotor es un actuador rotativo o lineal diseñado para controlar posición, velocidad y aceleración de manera precisa. Son ideales para muchas aplicaciones; desde simples servomotores de CC (Corriente Continua) utilizados en juguetes, hasta modernas variantes tipo servo CA (Corriente Alterna) que son comunes en el control de automatización, robótica y vehículos eléctricos. El servomotor ha pasado por muchos desarrollos para llegar al lugar que ocupa hoy y cada revisión permite que nuevas tecnologías, como la automatización industrial, prosperen.
Dónde comenzó el servomotor
Los primeros servomotores fueron de imán permanente para corriente continua. Proporcionaron un método sencillo de control de torque formado por una jaula que contenía un imán fijo y bobinas giratorias en su interior. Desafortunadamente, este diseño no estuvo exento de problemas. Para transferir electricidad, las escobillas de carbón con resorte presionan contra un conmutador (que transfiere energía a las bobinas). A medida que se desgastan las escobillas, quedan restos. Esto eventualmente provoca una acumulación, generando un posible arco entre las tiras del conmutador que cortocircuitan el motor. Como resultado, los servomotores escobillados para corriente continua requieren mantenimiento periódico para evitar daños en el motor. Para ayudar a reducir el costo y el riesgo de ejecutar un servomotor escobillado, los ingenieros desarrollaron el servo sin escobillas.
Ingreso del servo sin escobillas
El primer tipo de servosistema sin escobillas emulaba el servomotor para corriente continua con escobillas. Utilizaban motores de imán permanente trifásicos y electrónicamente "conmutaban" la corriente de un par de bobinados del motor a otro. Para controlar la velocidad se añadió un encoder o tacómetro sin escobillas. Este nuevo diseño sin escobillas significaba que los motores durarían más entre reparaciones.
Las restricciones impulsan más innovación
El diseño original sin escobillas se limitaba a aplicaciones de baja potencia. Esto llevó al desarrollo del servomotor para corriente alterna utilizando un motor de imán permanente con fuerza contraelectromotriz (back EMF) sinusoidal (creado mediante el uso de imanes sesgados y bobinados superpuestos), también conocido como control vectorial o control de campo orientado.
Los servomotores para CA se usan comúnmente en las aplicaciones industriales de hoy en día. Son ideales para sistemas de mayor potencia o donde las operaciones requieren control fino de par. Los servomotores CA funcionan mediante un conmutador de anillo partido con las dos secciones conectadas a los polos opuestos del motor. El campo alterno hace que los polos de los bobinados cambien de polaridad, haciendo girar el motor.
Demanda de eficiencia en el control del motor
Los servomotores pueden tener una eficiencia de hasta el 95% a plena potencia y tener una baja densidad de potencia ya que no hay corriente en el rotor, lo que significa que el motor puede producir un 100% de torque instantáneamente. Es por esta razón que los autos eléctricos tienen servomotores.
Aunque el enfoque se ha puesto previamente en el servomotor, gran parte del rendimiento mejorado proviene del encoder. Este dispositivo crea una foto precisa de la posición del rotor. Los diferentes encoders tienen "resoluciones" variables, una resolución más alta significa que el motor se detendrá con mayor precisión.
Los servomotores que se usan actualmente variaron desde las primeras generaciones. Ahora están hechos con la última tecnología de imanes y están conectados a unidades de velocidad variable que les brindan un rendimiento difícil de igualar.
Una historia de dos motores.
En la industria actual, existen dos tipos de servomotores: lineal y rotativo, cada uno con sus ventajas.
Con un motor lineal, se beneficiará de:
- Velocidades más altas
- Mayor aceleración
- Manejo directo
- Prácticamente sin desgaste
- Alta precisión de posición
Puede parecer que los motores lineales tienen todas las ventajas, pero hay muchas aplicaciones que solo usan servomotores rotativos. Esto se debe a que los motores lineales se calientan, consecuencia de la energía desperdiciada. El calor generado causa un aumento de temperatura, que afecta la carga, los rodamientos, la grasa y los sensores. Con el tiempo, esto tiene un impacto negativo en la vida útil de los componentes.
Los motores rotativos tienen los siguientes beneficios:
- Función continua
- Reversibles
- La velocidad es proporcional al voltaje aplicado
- El torque es proporcional a la corriente
- Muy eficientes
Sin embargo, la realidad es que los motores rotativos y lineales se utilizan para configuraciones de aplicaciones difíciles. Por ejemplo, los servomotores rotativos se utilizan con mecanismos de torneado de madera (tornos), hiladoras industriales, telares y máquinas de tejer. Los servomotores lineales se utilizan con equipos de inspección, selección y colocación de movimientos cortos, movimientos más largos y aplicaciones de cizallas voladoras, montañas rusas, motores de personas y sistemas de vehículos de lanzamientos.
En conclusión
Los servomotores pueden ofrecer un mayor rendimiento, velocidades más rápidas y tamaños más pequeños que los sistemas de motores de inducción. Además, junto con los variadores de frecuencia, los servomotores pueden usar un 30% menos de energía en aplicaciones de posicionamiento.
Por el contrario, los sistemas de motores de inducción (de menor costo, robustos, confiables y conocidos) pueden ofrecer una alternativa a los sistemas de servomotores para ciertas aplicaciones. Esto, por supuesto, se basa en controles electrónicos similares que se utilizan (con la última tecnología y aproximadamente el mismo costo), dejando el costo de los motores como un tema diferenciador.
Fuente: The Automation Engineer (Control Techniques)