No todos los tipos de servomotores son iguales, ya que existen en una amplia gama de formas y tamaños, y cada tipo es adecuado para aplicaciones diferentes.
Bueno, quizá la gama de formas no sea tan amplia, ya que todas tienden a tener una forma aproximadamente cilíndrica o rectangular, dependiendo de si son rotativas o lineales.
Pero los servomotores se presentan en una gran variedad de tamaños y tipos y, lo que es más importante, difieren en su funcionamiento desde el punto de vista electromecánico.
Entonces, ¿qué tipo de servomotor es el más adecuado para su caso de uso concreto? Siga leyendo para obtener más información.
¿Qué es un servomotor?
Los motores eléctricos normales (como los motores de CA que se encuentran en un ventilador de sobremesa) funcionan energizando un conjunto de bobinas situadas en un estator, que producen un campo magnético que interactúa con un rotor, produciendo un movimiento giratorio en un eje.
En términos de control, no son dispositivos especialmente inteligentes y suelen ser de bucle abierto, con los controles más básicos (como un potenciómetro) para ajustar la velocidad.
En general, el motor eléctrico medio de este tipo no tiene capacidad de control de posición, necesaria en los sistemas avanzados de control de movimiento.
Si desea un alto nivel de controlabilidad en un motor eléctrico, querrá invertir en un servomotor de algún tipo.
Mientras que los principios de cómo el movimiento en un servomotor El par generado sigue siendo en gran medida el mismo que el de un motor eléctrico normal, pero la incorporación de sistemas de realimentación permite al sistema controlar sus resultados en términos de velocidad, par y posición.
La realimentación se consigue mediante un sensor (como un encóder o un resolver) dentro del motor, que detecta el estado del hardware y envía una señal a un servoaccionamiento o controlador, que comprueba que la salida medida coincide con el valor ordenado. A continuación, el controlador procesa la señal, corrige cualquier desviación (error) y ajusta el funcionamiento del motor en consecuencia.
La corrección se realiza mediante algoritmos de control como el control PID (Proporcional-Integral-Derivativo), que permite un funcionamiento estable y preciso del motor (y de lo que éste accione).
Esto se conoce como sistema de control de bucle cerrado, y es el quid de la diferencia entre un servomotor y un motor tradicional con control de bucle abierto.
¿Cuáles son los distintos tipos de servomotores?
Los servomotores pueden dividirse en dos categorías en función de su movimiento. Se trata de los servomotores lineales y los servomotores rotativos. Los servomotores lineales y los servomotores rotativos son muy variados.
En concreto, estos sabores pueden subdividirse según el tipo de corriente (CC o CA), el tipo de conmutación (con escobillas o sin escobillas) o el tipo de control (paso a paso o inducción).
Veamos con más detalle qué define a estos tipos de motor.
Servomotores lineales
Los servomotores lineales, como su nombre indica, proporcionan un movimiento de traslación (adelante y atrás o de lado a lado) sin necesidad de hardware adicional, como husillos, engranajes o correas.
Consiguen este movimiento gracias a un componente denominado "primario" (también conocido como "forzador" o "estator") que contiene bobinados alineados en una trayectoria recta, que se magnetizan al aplicar corriente.
A continuación, las bobinas magnetizadas interactúan con un conjunto de imanes permanentes situados en el "secundario" (denominado "pista" o "pletina"), produciendo una fuerza de Lorentz e impulsando así el forzador a lo largo de la pista. Éste es el movimiento lineal.
Características:
- Los servomotores lineales son altamente precisos, capaces de alcanzar una exactitud posicional de hasta niveles submicrónicos.
- Gracias a su funcionamiento de accionamiento directo, son altamente eficientes con mínimas pérdidas de energía.
- Son capaces de responder rápidamente en términos de aceleración y deceleración, lo que las hace ideales para aplicaciones dinámicas.
Ventajas:
- Los servomotores lineales son capaces de movimiento lineal directo, no requieren hardware adicional. Esto los hace ligeros y requieren un mantenimiento mínimo.
- Son suaves y silenciosos, gracias a la ausencia de contacto entre las piezas móviles. Esto también significa que no hay holgura, como se encontraría en una configuración basada en tornillos de plomo.
- Los servomotores lineales tienen un alto grado de escalabilidad, lo que significa que pueden diseñarse para proporcionar movimiento en distancias largas y cortas.
Aplicaciones:
- Sistemas de pick and place, máquinas de medición por coordenadas, sistemas ópticos, automatización de laboratorios.
Servomotores rotativos
La mayoría de los servomotores empleados en aplicaciones comerciales e industriales son rotativos.
Están disponibles en versiones de CA y CC, y suelen utilizar un codificador para proporcionar información al controlador/accionamiento. El movimiento se genera mediante un sistema de estator y rotor.
Los servomotores rotativos también pueden utilizarse como parte de sistemas lineales, mediante el uso de husillos de avance o husillos de bolas, para convertir el movimiento rotativo en movimiento lineal.
Sin embargo, a efectos de este artículo, consideraremos los servomotores lineales como unidades autónomas que generan movimiento lineal sin necesidad de hardware adicional.
Características:
- Los servomotores rotativos destacan por su elevada relación par-inercia, que permite acelerar y decelerar con rapidez.
- Tienen un alto rendimiento, lo que ayuda a reducir el calor y las pérdidas de energía.
- Los servomotores rotativos tienen una excelente respuesta dinámica, lo que les permite hacer frente a rápidos cambios de velocidad en condiciones de carga variables.
Ventajas:
- Los servomotores rotativos son muy versátiles y pueden utilizarse en multitud de aplicaciones. Con hardware adicional (tornillos de cabeza/de bolas), también pueden convertirse para proporcionar movimiento lineal.
- Son muy adaptables y adecuadas tanto para aplicaciones pesadas como ligeras.
- Este tipo de motor es capaz de realizar operaciones increíblemente precisas, permitiendo el control de posición hasta niveles de precisión por debajo del grado e incluso del segundo de arco.
Aplicaciones:
- Los servomotores rotativos son habituales en la industria aeroespacial, la automatización industrial, la fabricación de semiconductores, los dispositivos médicos, las máquinas CNC y las impresoras 3D, entre otros.
Servomotores de CA
Los servomotores también pueden clasificarse en función del tipo de corriente que utilizan (CA o CC).
Para aplicaciones industriales, Servomotores de CA Son los más comunes, debido al amplio rango de voltajes y niveles de potencia que pueden manejar.
Los servomotores de CA están disponibles en versión lineal y rotativa.
Servomotores de CA de baja y media tensión
Al igual que existen servomotores de alto voltaje, también hay variantes de "bajo" voltaje que, para el beneficio de este artículo, clasificaremos como un servomotor de CA con un voltaje inferior a 480v. Sí, por baja tensión entendemos "relativamente" baja. Naturalmente, una descarga eléctrica de 480 voltios sería bastante dañina para el cuerpo humano, pero en términos de máquinas industriales, es bastante baja.
Estos servomotores tienen un tamaño reducido y son ideales para aplicaciones que requieren un espacio reducido. A pesar de su diminuto tamaño, siguen siendo capaces de proporcionar cantidades razonables de potencia en el rango de kW.
Por lo general, se presentan en variedades trifásicas, ofrecen una alta densidad de par para su tamaño y son robustas, fiables y ofrecen un alto grado de precisión y eficiencia.
Características:
- Voltajes más bajos disponibles, desde 12v hasta 480v.
- Están disponibles en menor volumen, para aplicaciones con limitaciones de espacio.
- Los servomotores de baja tensión pueden proporcionar potencias superiores a 20 kW.
Ventajas:
- Ofrecen un buen equilibrio entre rendimiento y asequibilidad en comparación con los sistemas de mayor tensión.
- Debido a la menor tensión, existe un menor coste operativo que el asociado a los servomotores de mayor tensión, gracias a la reducción de las necesidades de infraestructura eléctrica (transformadores, etc.).
- Al trabajar con servomotores de baja tensión, se reduce el riesgo de peligros de alta tensión (como arcos eléctricos y fallos del equipo).
Aplicaciones:
- Robots industriales, cobots, sistemas de manipulación de materiales, máquinas de embalaje, imprentas
Servomotores de CA de alta tensión
Los servomotores de CA de alta tensión suelen funcionar en el rango de 300 V a 480 V y son idóneos para aplicaciones industriales como el mecanizado CNC, donde se requieren fuerzas elevadas.
Estos motores, junto con servoaccionamientos especializados de alto voltaje, pueden proporcionar una gran potencia de salida (en la gama de kW) sin necesidad de aumentar significativamente el tamaño del motor, lo que los hace ideales para maquinaria compacta de alto rendimiento.
Características:
- Los servomotores de CA de alta tensión suelen ser muy resistentes y duraderos, lo que se requiere en entornos industriales de trabajo pesado.
- Los sistemas de mayor tensión suelen venir equipados con sistemas de refrigeración activos, como sistemas de refrigeración líquida o ventiladores.
- Pueden requerir costes iniciales y operativos más elevados debido a la necesidad de una infraestructura eléctrica avanzada y a los requisitos de la electrónica de potencia.
Ventajas:
- El funcionamiento a tensiones más altas significa que se requieren corrientes más bajas para la misma potencia de salida. Esto es especialmente beneficioso para reducir las pérdidas
- Las menores necesidades de corriente reducen la generación de calor. Se pueden utilizar cables de menor calibre, lo que reduce los costes.
- Los servos de CA de alto voltaje son capaces de producir un par extremadamente alto.
Aplicaciones:
- Robótica pesada, actuadores aeroespaciales, CNC industrial, maquinaria textil, control de paso de aerogeneradores, sistemas de seguimiento solar`.
Servomotor síncrono de CA
La mayoría de los servomotores de CA son de este tipo, lo que significa que el rotor gira exactamente a la misma velocidad que el campo magnético giratorio (RMF) del estator, lo que significa que no hay desfase (conocido como "deslizamiento") entre el RMF y el rotor. Son síncronos (de ahí su ingenioso nombre).
- Características: Los servomotores síncronos de CA son conocidos por su alta densidad de par y su velocidad constante.
- Debido a la ausencia de deslizamiento, tienen una excelente precisión de posicionamiento utilizando los medios de control habituales.
- Ventajas: Eficacia, fiabilidad con cargas variables y control preciso de la velocidad.
- Aplicaciones: Ampliamente utilizado en robótica, máquinas de envasado y automatización industrial que requieren un rendimiento constante.
Servomotores asíncronos de CA
La mayoría de los servomotores de CA normales son síncronos, como se ha comentado en la sección anterior. También suelen ser de imanes permanentes o de corriente continua sin escobillas (BLDC).
Sin embargo, existen servomotores de CA asíncronos, que son básicamente motores de inducción a los que se han añadido funciones de control. Al ser asíncronos, experimentan una diferencia de velocidad entre la velocidad síncrona del estator y la velocidad del rotor. Esta diferencia suele representarse en porcentaje y se denomina "deslizamiento".
Los motores de inducción son un subconjunto de los motores de CA, que utilizan la inducción generada a partir de corrientes inducidas en el rotor. Esto se opone a los motores de imanes permanentes, que generan par a partir de los imanes y el campo electromagnético del estator.
Para alcanzar los mismos niveles de precisión que los servomotores de CA tradicionales, los servomotores de CA asíncronos deben ser capaces de realizar un control vectorial complejo, como el control orientado al campo (FOC), en combinación con codificadores o resolvers para la realimentación. Este control adicional permite controlar dinámicamente el deslizamiento del motor de CA asíncrono.
Características:
- Los servomotores de CA asíncronos pueden tener una jaula de ardilla o un rotor bobinado con anillos rozantes.
- Por lo general, requieren un control FOC para lograr cualquier tipo de precisión.
Ventajas:
- No son propensos a la desmagnetización, a diferencia de los motores de imanes permanentes.
- Los servomotores asíncronos de CA pueden ser más baratos de fabricar que los motores de imanes permanentes.
Aplicaciones:
- Sistemas transportadores, bombas, manipulación de materiales, ascensores.
Servomotores de CC
Servomotores de CC Generalmente funcionan con los mismos principios que los servomotores de CA, aunque utilizan corriente continua en lugar de corriente alterna. Suelen ser más ligeros y pequeños que sus homólogos de CA más robustos y, en general, también son más económicos.
A pesar de su bajo(er) coste, siguen siendo muy capaces en términos de eficacia y precisión, y tienen una baja inercia, lo que permite rápidos cambios de dirección y cambios de velocidad. Son intrínsecamente bidireccionales, lo que permite girar el eje tanto en el sentido de las agujas del reloj como en sentido contrario, con la misma eficacia.
Características:
- Los servomotores de CC son muy eficientes y tienen pocas pérdidas de calor.
- Pueden funcionar con baterías, como las de Li-poly o las de plomo-ácido.
- Son capaces de una rotación bidireccional eficaz.
Ventajas:
- Los servomotores de CC pueden funcionar eficazmente en una amplia gama de velocidades, lo que los hace idóneos para aplicaciones de velocidad variable.
- Son menos complejos que los servomotores de CA, lo que se refleja en su menor coste.
- Los servomotores de CC son ideales para operaciones de bajo consumo.
Aplicaciones:
- Sistemas de cámaras, cardanes, vehículos eléctricos, prótesis, reproductores ópticos (DVD/Blu-ray, etc.)
Servomotores de escobillas
Los servomotores de CC están disponibles con escobillas y sin escobillas, y difieren en el modo en que gestionan la conmutación. La conmutación es el proceso de cambiar la dirección de la corriente en los devanados del motor para mantener la rotación continua y la generación de par.
Los servomotores de CC con escobillas utilizan la conmutación mecánica, en la que las escobillas entran en contacto físico con un conmutador (un anillo segmentado unido al rotor). A medida que el rotor gira, los segmentos del conmutador conmutan secuencialmente el flujo de corriente en los devanados del inducido, garantizando que la interacción del campo magnético siga produciendo par en la dirección correcta.
En un servosistema, los mecanismos de realimentación, como los codificadores o los potenciómetros, permiten un control preciso de la velocidad, el par y la posición, lo que distingue a los servomotores de CC de los motores de CC normales.
Características:
- Los servomotores de CC de escobillas tienen un diseño sencillo y un coste relativamente inferior al de los servomotores de CA.
- Los motores de CC con escobillas ofrecen un par de arranque elevado, ya que la corriente del inducido se maximiza sin contrafase, superando la inercia con eficacia.
- Las escobillas se consideran consumibles y deben sustituirse periódicamente.
Ventajas:
- Los motores de CC de escobillas son una solución rentable para aplicaciones de baja velocidad y alto par.
- La velocidad y el par pueden controlarse fácilmente ajustando la tensión o la corriente aplicadas.
Aplicaciones:
- Robótica, cintas transportadoras, pequeños equipos industriales que requieren precisión.
Servomotores sin escobillas
Los servomotores de corriente continua sin escobillas eliminan las escobillas mecánicas y los conmutadores, y utilizan la conmutación electrónica para controlar la corriente en los devanados del estator. Un mecanismo de realimentación (normalmente un sensor de efecto Hall o un codificador) controla la posición del rotor para sincronizar el campo magnético del estator con el movimiento del rotor.
El par se genera por la interacción entre el campo electromagnético del estator y los imanes permanentes del rotor, lo que permite un control preciso y eficaz de la velocidad y la posición.
Como nota al margen, la mayoría de los servomotores de CA también son "sin escobillas" por definición.
Características:
- Alta eficiencia, bajo mantenimiento, ruido reducido y tamaño compacto.
Ventajas:
- Larga vida útil, mayor rango de velocidades y mayor fiabilidad.
Aplicaciones:
- Ideal para máquinas CNC, drones y dispositivos médicos que requieren un control de movimiento de alto rendimiento.
Servomotor paso a pasoLos motores paso a paso normales son motores síncronos de corriente continua sin escobillas que se mueven en pasos discretos, lo que permite un control preciso de la posición sin necesidad de un sistema de realimentación. Sin embargo, como funcionan en un sistema de bucle abierto, no pueden detectar errores si sobrepasan o se saltan pasos.
Los servomotores paso a paso, por su parte, integran el movimiento paso a paso con un mecanismo de realimentación (normalmente un codificador), lo que permite un control en bucle cerrado para una mayor precisión, una mayor eficiencia del par y la corrección de los pasos omitidos.
Por tanto, los servomotores paso a paso son básicamente motores paso a paso, ¡pero mejores!
Características:
- Los servomotores paso a paso tienen control de bucle cerrado por definición.
- En el fondo son motores de corriente continua sin escobillas, aunque presentan algunas características de corriente alterna (son síncronos, por ejemplo).
- Algunos modelos utilizan un control sinusoidal más suave para un movimiento más silencioso y suave (también similar a los motores de CA).
Ventajas:
- Los servomotores paso a paso pueden mantener el par a velocidades más altas y reducir la resonancia, lo que permite un mejor rendimiento de velocidad y par en comparación con un paso a paso normal.
- También pueden mantener el par a velocidades más altas, a diferencia de los motores paso a paso normales.
- La retroalimentación permite realizar correcciones en tiempo real, lo que mejora la precisión.
Aplicaciones:
- Automatización industrial, máquinas CNC, impresoras 3D, robótica, aeroespacial, sistemas de satélites.
Conclusión:
En este artículo, hemos visto cómo los servomotores pueden clasificarse en amplias categorías, como por corriente de entrada (CA o CC), tipo de movimiento (rotativo o lineal), tensión (alta o baja) y tipo de conmutación (en el caso de los servomotores de CC).
Por supuesto, existen más subcategorías de servomotores especializados en las que podemos dividirlos aún más, pero esto es para otro artículo.
Comprender las diferencias entre los distintos tipos, incluso a este alto nivel, puede garantizar una selección óptima para casos de uso específicos.
Naturalmente, saber qué tipo de servomotor se adapta mejor a sus necesidades es sólo una parte de la ecuación. Saber dónde adquirir un hardware de movimiento fiable es igualmente importante. Elegir una marca de confianza puede ayudarle a reducir el tiempo de inactividad y los costes a largo plazo, especialmente en operaciones críticas. No se preocupe, porque también le cubrimos ese aspecto.
Las principales marcas, como ABB, Ametek, Allied Motion y otras, ofrecen servomotores rotativos de alta calidad que garantizan un rendimiento fiable en diversos sectores.
Y si lo suyo es el movimiento lineal, puede consultar empresas como Geeplus, H2W Technologies, Tolomatic o HyperCyl para obtener más información.
Todas estas empresas fabrican hardware que ha demostrado ser compatible con los servomotores AMC. Para obtener una lista más exhaustiva de terceros que fabrican servomotores compatibles, diríjase a a este enlace.
