Los servomotores de CC son un elemento clave en los sistemas de control de movimiento que exigen precisión, velocidad y repetibilidad. Combinan un motor de CC con un dispositivo de retroalimentación, como un codificador o un potenciómetro, y un controlador para regular la posición, la velocidad o el par en un sistema de lazo cerrado.
El controlador compara continuamente la retroalimentación con la entrada objetivo y ajusta la potencia para minimizar el error, garantizando un movimiento preciso y constante.
Los servomotores de CC se utilizan ampliamente en robótica, maquinaria CNC y fabricación automatizada donde la alta precisión en condiciones de carga variable es esencial.
En este artículo, analizaremos la tecnología de motores de CC y cómo funcionan los diseños de servomotores, sus componentes, características de rendimiento y los factores que determinan su idoneidad para diferentes aplicaciones.
¿Cómo funcionan los servomotores de CC? ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un servomotor de CC?
Un servomotor de CC funciona con un principio de control de lazo cerrado. El sistema recibe una señal de comando que representa la posición, la velocidad o el par deseados.
El controlador procesa esta señal y ajusta el voltaje o la corriente enviada al motor a través del controlador.
A medida que el motor se mueve, el dispositivo de retroalimentación mide la salida real.
El controlador compara continuamente esta medición con la señal objetivo y corrige cualquier diferencia, conocida como error.
¿Cómo la retroalimentación permite un control de precisión?
La retroalimentación es la característica que define a un sistema de servomotor. Entre los dispositivos comunes se incluyen los codificadores incrementales o absolutos para el seguimiento de posición de alta resolución y los potenciómetros para sistemas de menor costo.
Los datos de retroalimentación permiten que el controlador mantenga la precisión incluso con cargas variables. También habilita funciones como inversión rápida, aceleración variable y par de retención preciso sin sobreimpulso.
¿Cuál es la función de transferencia de un servomotor de CC?
La función de transferencia es la relación matemática entre la señal de comando de entrada y el movimiento de salida.
Modela cómo el motor, el controlador y la carga mecánica responden a las entradas eléctricas. En términos de teoría de control, se expresa típicamente como
Transformada de Laplace de la salida sobre la entrada. Comprender la función de transferencia es esencial para ajustar parámetros de control como las ganancias proporcional, integral y derivativa en un controlador PID.
Una función de transferencia bien definida garantiza un movimiento predecible y estable.
¿Cuáles son los componentes de un sistema servo de CC?
Un servomotor de CC es el actuador principal de un servosistema mayor. Para un control preciso del movimiento, el motor debe funcionar en conjunto con varios componentes clave. Comprender la función de cada componente es esencial.
- Servomotor de CCEste es el componente que convierte la energía eléctrica en movimiento mecánico. Consiste en el propio motor (que puede ser con o sin escobillas) y un dispositivo de retroalimentación integrado, como un codificador o un resolver, que mide la posición o velocidad real del motor.
- Servoaccionamiento (o amplificador):Este es el “cerebro” del sistema. A servomotor, como los fabricados por ADVANCED Motion Controls, recibe una señal de comando de un controlador principal del sistema (como un PLC o un controlador de movimiento) e interpreta la retroalimentación del servomotor. A continuación, suministra el voltaje y la corriente precisos necesarios para que el motor siga la orden con un error mínimo.
- Fuente de energía:Este componente suministra energía eléctrica tanto para el servoaccionamiento como para el motor.
¿Cómo afecta la integración de la caja de cambios a los servomotores de CC?
Las cajas de engranajes modifican el torque, la velocidad, la resolución y la eficiencia general de un servomotor.
Están disponibles en varios tipos diferentes, como se destaca a continuación:
- Caja de engranajes rectos: Simple, eficiente y rentable, ideal para incrementos de par moderados. Ideal para aplicaciones donde el tamaño y el coste son prioritarios, pero no se requiere una multiplicación extrema del par.
- Caja de engranajes de tornillo sin fin: Proporciona alto par y capacidad de autobloqueo, útil en aplicaciones de sujeción. Menor eficiencia debido a la mayor fricción y generación de calor.
- Caja de engranajes planetarios: Alta densidad de par en un formato compacto y de alta eficiencia. Ideal para automatización de precisión y sistemas de alto rendimiento.
El tipo de caja de cambios correcto garantiza que el motor cumpla con los requisitos de carga, aceleración y posicionamiento sin sobredimensionar el motor ni consumir energía excesiva.
¿Cuáles son los tipos de servomotores de CC?
Los servomotores de CC se clasifican principalmente en diseños con escobillas y sin escobillas.
Ambos utilizan control de circuito cerrado con retroalimentación, pero difieren en construcción, eficiencia, costo y requisitos de mantenimiento.
Servomotores de CC con escobillas
Los servomotores de CC con escobillas utilizan un conmutador mecánico y escobillas para conmutar la corriente en los devanados del inducido.
Son fáciles de controlar y a menudo solo requieren electrónica básica de accionamiento, lo que reduce el coste del sistema. Su diseño los hace ideales para aplicaciones de baja velocidad o sistemas donde el presupuesto inicial es la prioridad.
Pros
- Bajo costo inicial
- Electrónica de control sencilla
- Alto par de arranque
Contras
- Las escobillas se desgastan y requieren reemplazo
- Genera ruido eléctrico y polvo de carbón.
- Vida útil más corta en comparación con los sistemas sin escobillas
Servomotores de CC sin escobillas
Los servomotores de CC sin escobillas utilizan conmutación electrónica con un rotor de imán permanente y un estator bobinado.
Requieren un controlador dedicado, pero ofrecen mayor eficiencia, mayor vida útil y un funcionamiento más fluido. Son la opción preferida para aplicaciones de automatización de alto rendimiento, robótica y servicio continuo.
Pros
- Alta eficiencia
- Bajo mantenimiento
- Larga vida útil
- Funcionamiento más silencioso y suave
Contras
- Costo inicial más alto
- Requiere una electrónica de control compleja
- Más difícil de mantener en el campo
¿Cómo elegir el servomotor de CC adecuado?
La selección de un servomotor de CC comienza por comprender los requisitos mecánicos y de control de la aplicación. Los seis factores más comunes incluyen:
- Par: garantizar que el motor pueda proporcionar el par requerido en todo el rango de velocidad, teniendo en cuenta las demandas máximas.
- Velocidad: Adapte las RPM máximas del motor a las necesidades del mecanismo, considerando cualquier reducción de engranajes.
- Tamaño y peso: Coloque el motor en el espacio disponible sin exceder las restricciones de peso, especialmente en sistemas móviles o aéreos.
- Características de la carga: Identifique si la carga es constante, variable o incluye cambios repentinos que requieren un alto torque de aceleración.
- Entorno operativo: tenga en cuenta temperaturas extremas, polvo, humedad y posible contaminación que puedan requerir sellado o carcasas con clasificación IP.
- Requisitos de control: Determine si la aplicación necesita posicionamiento básico o sincronización precisa de múltiples ejes, lo que influirá en la complejidad del controlador.
¿Cómo se controlan y operan los servomotores de CC?
Los servomotores de CC funcionan dentro de un sistema de control de lazo cerrado que compara continuamente la posición o velocidad real con un valor objetivo. El controlador ajusta la entrada del motor según la retroalimentación para minimizar los errores y mantener el rendimiento.
¿Cómo se consigue el control de velocidad y posición?
El control de velocidad y posición se implementa con mayor frecuencia mediante PWM (modulación por ancho de pulso). La PWM varía la tensión efectiva aplicada al motor ajustando el ciclo de trabajo de la señal de accionamiento.
El controlador utiliza la retroalimentación de un codificador o potenciómetro para ajustar la señal PWM en tiempo real.
Para un posicionamiento preciso, a menudo se utiliza un algoritmo de control PID (proporcional-integral-derivativo), que ajusta la respuesta para evitar sobreimpulsos y mantener la estabilidad.
¿Cómo se pueden interconectar los servomotores de CC con microcontroladores?
Microcontroladores como Arduino, STM32 o Raspberry Pi pueden controlar servomotores de CC mediante placas controladoras de motor o circuitos de puente H. El microcontrolador envía una señal PWM al controlador, que alimenta el motor según corresponda.
La retroalimentación se lee a través de entradas digitales o analógicas, dependiendo de si se utiliza un codificador o un potenciómetro.
El código básico generalmente implica configurar la frecuencia PWM, ajustar el ciclo de trabajo en función de la retroalimentación e implementar la lógica de control para alcanzar y mantener la posición o velocidad objetivo.
¿Qué métodos de frenado se utilizan en los servomotores de CC?
Los servomotores de CC se pueden detener o ralentizar mediante varias técnicas de frenado, siendo el frenado dinámico y regenerativo los más comunes.
Frenado dinámico
En el frenado dinámico, los terminales del motor se conectan a una carga resistiva cuando se ordena el frenado. El motor actúa como generador, convirtiendo la energía cinética de la carga en energía eléctrica que se disipa en forma de calor en la resistencia.
Este método es simple, confiable y proporciona una desaceleración rápida, pero desperdicia la energía recuperada.
Frenado regenerativo
El frenado regenerativo también utiliza el motor como generador, pero en lugar de disipar la energía en forma de calor, la energía eléctrica generada se devuelve a la fuente de alimentación o a la batería.
Esto mejora la eficiencia energética, especialmente en aplicaciones con arranques y paradas frecuentes. El frenado regenerativo requiere una electrónica de accionamiento compatible y se utiliza a menudo en sistemas de automatización de alta eficiencia, robótica y vehículos eléctricos.
¿Cuáles son las características eléctricas y las especificaciones de rendimiento de los servomotores de CC?
Los servomotores de CC se definen por sus especificaciones eléctricas y mecánicas. Las características eléctricas clave incluyen la tensión de funcionamiento, los límites de corriente continua y de pico, y la potencia nominal.
Las especificaciones mecánicas cubren el par nominal, el par máximo, el rango de velocidad y la resolución del codificador.
Los límites térmicos, como la temperatura máxima del bobinado, también son críticos, ya que excederlos puede acortar la vida útil o causar daños permanentes.
Estas especificaciones juntas determinan la idoneidad del motor para una carga, un ciclo de trabajo y un sistema de control determinados.
Clasificaciones de voltaje, corriente y RPM
El voltaje nominal determina la capacidad de velocidad del motor, mientras que la corriente nominal define el par que puede producir. Un voltaje más alto generalmente permite mayores RPM, siempre que la carga y el controlador lo soporten.
Las clasificaciones de corriente continua indican la corriente que el motor puede soportar sin sobrecalentarse.
Las clasificaciones de corriente máxima definen las ráfagas cortas que puede soportar ante la aceleración o cambios repentinos de carga.
Por ejemplo, un motor con una potencia nominal de 24 V, 3 A continuos y 9 A pico puede generar un torque mucho mayor durante fases de aceleración cortas que en funcionamiento en estado estable.
Características de velocidad-par
Los servomotores de CC suelen tener una relación lineal entre el par y la velocidad. Sin carga, el motor funciona a su velocidad máxima.
A medida que aumenta la carga, la demanda de par aumenta y la velocidad disminuye proporcionalmente hasta alcanzar el punto de par de bloqueo, donde la velocidad es cero. El funcionamiento continuo debe mantenerse dentro de la curva de par nominal del motor para evitar el sobrecalentamiento y el desgaste excesivo.
Se deben evitar las condiciones de pérdida de velocidad, excepto durante períodos muy cortos y controlados, ya que provocan un aumento rápido de la temperatura y pueden sobrecargar la electrónica de accionamiento.
Comprender esta relación es esencial para dimensionar correctamente un motor y garantizar un rendimiento estable en diferentes cargas.
Memoria de posición y precisión
Los servomotores de CC estándar no conservan la memoria de posición al apagarse. La precisión del control de posición depende del dispositivo de retroalimentación y del controlador.
Los codificadores de alta resolución permiten un posicionamiento repetible con precisión de fracciones de grado o micras en sistemas lineales, siempre que se minimicen la holgura y la flexibilidad mecánica. Si se requiere retención de la posición tras un corte de energía, el sistema debe utilizar codificadores con respaldo de batería o dispositivos de retroalimentación absoluta.
¿Cómo se estiman los parámetros del servomotor de CC?
Para el diseño avanzado de sistemas, la estimación de parámetros permite a los ingenieros modelar y predecir el rendimiento antes de instalar el hardware. Esto implica medir constantes eléctricas como la resistencia y la inductancia del inducido, así como constantes mecánicas como la inercia y la fricción.
Estos valores se utilizan en los modelos de motor para ajustar los bucles de control y simular el rendimiento en diferentes escenarios de carga.
¿Qué técnicas se utilizan para la estimación de parámetros?
Las técnicas comunes incluyen pruebas sin carga y con rotor bloqueado para determinar las constantes de fuerza contraelectromotriz, las constantes de torsión y los valores de resistencia.
El análisis de respuesta a escalón se utiliza para caracterizar el comportamiento dinámico en el control de velocidad y posición. Se pueden aplicar métodos de identificación de sistemas, donde se aplican entradas conocidas y se registran las salidas, para luego ajustarlas a un modelo matemático.
Las configuraciones avanzadas pueden utilizar analizadores de motores o dinamómetros dedicados para realizar mediciones de alta precisión.
¿Dónde se utilizan comúnmente los servomotores de CC?
Los servomotores de CC se encuentran en cualquier lugar donde se requiera un control de movimiento preciso y con capacidad de respuesta. Su combinación de precisión, control de par y adaptabilidad los hace valiosos en aplicaciones industriales, comerciales y de consumo.
Automatización industrial
En la fabricación, los servomotores de CC impulsan maquinaria CNC, sistemas de transporte y líneas de montaje automatizadas. Permiten un posicionamiento preciso de las herramientas de corte, un movimiento fluido en sistemas de recogida y colocación y un control preciso de equipos de envasado de alta velocidad.
En la robótica de fábrica, proporcionan la capacidad de respuesta necesaria para el movimiento de múltiples ejes y las operaciones sincronizadas.
Robótica y Mecatrónica
En robótica, los servomotores de CC controlan el movimiento de las articulaciones en los brazos robóticos, mantienen la estabilidad en los robots móviles e impulsan la actuación en las pinzas. En plataformas aéreas como los drones, se utilizan para los estabilizadores de las cámaras y para realizar ajustes mecánicos precisos.
Los sistemas mecatrónicos los utilizan en bancos de pruebas, equipos de inspección e instrumentos de laboratorio donde los movimientos pequeños y precisos son críticos.
Electrónica de consumo y usos cotidianos
En los dispositivos de consumo, los servomotores de CC se utilizan en mecanismos de enfoque automático y zoom en cámaras, sistemas de alimentación de papel en impresoras y mecanismos de unidad óptica.
Los proyectos de electrónica de aficionado utilizan servomotores en miniatura para kits de robótica, vehículos RC y sistemas de control de modelos donde el tamaño compacto y el movimiento preciso son importantes.
¿Son caros los servomotores de CC?
Los servomotores de CC suelen ser más caros que los motores de CC estándar o los motores paso a paso de bucle abierto. Este mayor precio se debe a su capacidad de control de precisión, sus sistemas de retroalimentación integrados y la necesidad de una electrónica de accionamiento compatible.
Si son “costosos” o no depende de los requisitos de la aplicación y del coste total del sistema durante su vida útil.
Factores que influyen en el coste de los servomotores de CC
- Tipo de motor: Los servomotores de CC sin escobillas suelen ser más caros que los de tipo escobilla debido a su mayor eficiencia, mayor vida útil y conmutación electrónica avanzada.
- Clasificación de potencia y par: Los motores más grandes con mayor torque de salida o mayores potencias continuas cuestan más debido al mayor uso de materiales y la complejidad de fabricación.
- Dispositivo de retroalimentación: Los motores equipados con codificadores de alta resolución, codificadores absolutos o resolvers aumentan significativamente el precio en comparación con las unidades con potenciómetros básicos o dispositivos de menor resolución.
- Requisitos del controlador: Un servomotor debe estar emparejado con un controlador o servoamplificador compatible. Los controladores de alto rendimiento con características como perfiles de movimiento avanzados, sincronización multieje o comunicación por bus de campo incrementan el coste total del sistema.
- Calidad de construcción y materiales: Los motores construidos para entornos industriales o aeroespaciales utilizan materiales de mayor calidad, cojinetes de precisión y carcasas protectoras que aumentan el precio.
- Personalización: Los diseños de ejes especiales, las integraciones de engranajes o los requisitos de montaje únicos se suman al costo de fabricación.
- Proveedor y marca: Las marcas establecidas con confiabilidad comprobada y soporte a largo plazo a menudo tienen precios más altos que las importaciones genéricas.
¿Cómo se deben realizar el mantenimiento de los servomotores de CC?
Un mantenimiento adecuado permite que los servomotores de CC funcionen al máximo rendimiento y reduce el tiempo de inactividad debido a fallas inesperadas.
El mantenimiento implica inspección regular, limpieza y reemplazo de componentes, además de identificar y resolver problemas operativos antes de que se agraven.
- Limpieza: Mantenga el motor y sus alrededores libres de polvo, residuos y humedad. Puede usar aire comprimido para la limpieza externa, pero evite aplicar alta presión a los cojinetes o sellos.
- Inspección: Revise periódicamente las conexiones eléctricas, los herrajes de montaje y la alineación del dispositivo de retroalimentación. Busque señales de desgaste o daños en los cables y conectores.
- Lubricación: Si el motor tiene cojinetes en buen estado, lubríquelos según las recomendaciones del fabricante. Muchas unidades modernas tienen cojinetes sellados que no requieren lubricación.
- Reemplazo de escobillas (para servos de CC con escobillas): Controle la longitud de las escobillas y reemplácelas antes de que se desgasten por debajo del límite especificado por el fabricante. Limpie el conmutador para eliminar la acumulación de carbonilla.
¿Cuáles son los problemas comunes en los servomotores de CC y cómo solucionarlos?
- Sobrecalentamiento: Causado por una carga excesiva, ventilación deficiente o un ajuste incorrecto. Reduzca la carga mecánica, mejore el flujo de aire alrededor del motor o ajuste la configuración del controlador para evitar un consumo de corriente alto y continuo.
- Fallos de cableado: Las conexiones rotas, sueltas o corroídas pueden causar un funcionamiento errático o una falla total. Inspeccione todos los cables y conectores, reemplace las secciones dañadas y utilice un protector de tensión adecuado.
- Errores de control: El sobreimpulso, la oscilación o la deriva de la posición pueden deberse a una desalineación del codificador, ruido eléctrico o un ajuste deficiente del PID. Realinee los dispositivos de retroalimentación, mejore el blindaje del cable y resintonice los parámetros del controlador.
¿Cómo se pueden prevenir los fallos?
- Mantenga el motor funcionando dentro de su torque, velocidad y ciclo de trabajo nominales.
- Mantener una refrigeración adecuada mediante ventilación o disipación de calor.
- Proteja el motor del polvo, la humedad y sustancias corrosivas con carcasas o cubiertas selladas.
- Reemplace las escobillas de los servomotores con escobillas antes de que se desgasten por completo.
Recalibre periódicamente los dispositivos de retroalimentación y verifique que los parámetros de control sigan siendo óptimos. - Realice inspecciones de rutina para detectar pequeños problemas antes de que provoquen fallas importantes.
¿Cuáles son las consideraciones ambientales y operativas para los servomotores de CC?
El entorno operativo tiene un impacto directo en el rendimiento y la vida útil de un servomotor de CC.
En aplicaciones donde hay polvo, humedad o exposición a sustancias químicas, los motores deben tener una clasificación IP (protección de ingreso) adecuada para evitar la contaminación de los componentes internos.
Las carcasas selladas, las juntas y los materiales resistentes a la corrosión son esenciales en instalaciones hostiles o al aire libre.
Los límites de temperatura son otro factor crítico; la mayoría de los servomotores de CC están clasificados para funcionar dentro de un rango ambiental específico y exceder estos límites puede provocar sobrecalentamiento, falla del lubricante o falla electrónica.
En condiciones de calor o frío extremos, pueden requerirse medidas adicionales como enfriamiento forzado, calentadores o recintos aislados.
Para uso en exteriores o industrial pesado, seleccionar un motor diseñado con sellado mejorado, construcción reforzada y recubrimientos adecuados garantiza un rendimiento confiable a pesar de la exposición a vibraciones, escombros o condiciones climáticas.
¿En qué se diferencian los servomotores de CC de los servomotores de CA?
Si bien los servomotores de CC y CA proporcionan un control de movimiento de alto rendimiento, difieren en su construcción, métodos de control y aplicaciones ideales.
Los servomotores de CC funcionan con corriente continua y son conocidos por su alto par de arranque y sus sencillos principios de control. Esto los hace ideales para aplicaciones que requieren aceleración rápida y posicionamiento preciso a velocidades variables, como la robótica y los dispositivos alimentados por batería.
Un servomotor de CA Funcionan con corriente alterna y suelen ser ideales para aplicaciones industriales de alta potencia y servicio continuo, donde la máxima eficiencia y densidad de potencia son cruciales. Al ser casi siempre sin escobillas, requieren muy poco mantenimiento.
Para una distinción más técnica, es útil comparar un Servomotor de CC sin escobillas (BLDC) con lo que a menudo se llama un Servomotor de CA (normalmente un motor síncrono de imanes permanentes o PMSM). Estos dos tipos de motores son estructuralmente muy similares. La principal diferencia radica en la Tecnología de accionamiento y método de conmutación:
- Sistemas servo BLDC A menudo se utiliza un método más simple. conmutación trapezoidal, que energiza los devanados del motor en un patrón escalonado, similar a un bloque.
- Sistemas servo de CA Normalmente uso conmutación sinusoidal, que proporciona una corriente suave y de variación continua a los devanados. Este método produce un movimiento más suave con menor ondulación del par, lo que lo hace ideal para las aplicaciones de alto rendimiento más exigentes.
Conclusión:
Los servomotores de CC ofrecen una regulación suave de la velocidad y una entrega rápida de par, lo que los hace ideales para aplicaciones como robótica, maquinaria CNC y líneas de producción automatizadas.
En comparación con los servomotores de CA, los diseños de CC pueden ser más fáciles de controlar a bajas velocidades, ofrecen un rendimiento más predecible en configuraciones portátiles o alimentadas por batería y se adaptan a proyectos donde la electrónica de accionamiento más simple es una ventaja.
Elegir entre versiones con escobillas y sin escobillas se reduce a un equilibrio entre las necesidades de rendimiento, el presupuesto y las expectativas de mantenimiento. Con la combinación adecuada y un mantenimiento adecuado, los servomotores de CC pueden ofrecer años de funcionamiento fiable y repetible tanto en entornos industriales como de alto rendimiento.
Preguntas frecuentes
1. ¿Pueden los servomotores de CC funcionar de forma continua?
Sí, los servomotores de CC pueden funcionar de forma continua si su capacidad nominal se ajusta al ciclo de trabajo y a los requisitos de refrigeración de la aplicación. Los modelos de servicio continuo están diseñados para soportar un funcionamiento prolongado sin sobrecalentamiento, pero un dimensionamiento correcto de la carga y una ventilación adecuada son esenciales para evitar el desgaste prematuro.
2. ¿Son los servomotores de CC adecuados para entornos exteriores?
Sí, pero solo si cuentan con la protección ambiental adecuada. Los motores diseñados para uso en exteriores deben tener una alta clasificación IP para resistir el polvo y la humedad, materiales resistentes a la corrosión y sellado contra contaminantes. En condiciones adversas, podrían requerirse medidas adicionales, como carcasas resistentes a la intemperie o revestimientos protectores.
