Curso Sensibilización Hardware Libre (Unidad 002)

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El Servo Motor

Un Servomotor es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada, al cambiar esta señal enviada al motor la posición angular cambia. Los servomotores se consideran como primer paso en la robótica.

El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro que esta conectado al eje central del servo motor. Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados.

La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control proporcional.

Características

La corriente que requiere depende del tamaño del servo. Normalmente el fabricante indica cual es la corriente que consume. La corriente depende principalmente del par, y puede exceder un amperio si el servo está enclavado, pero no es muy alto si el servo está libre moviéndose todo el tiempo.

Estos dispositivos son considerados una de las materias primas en el diseño y la construcción de los robots. Si combinamos y administramos los movimientos en un montaje mecánico adecuado, un grupo variable de servomotores puede dar motricidad y locomoción a sistemas controlados de manera local o remota. Desde pequeñas aplicaciones didácticas hasta el más complejo diseño robótico. Los límites son tu imaginación y tus ganas de aprender.

Las aplicaciones de estos sistemas esclavos se pueden observar mayormente en aeromodelismo y robótica, pero no son exclusivos de estos usos. Cualquier sistema que requiera un posicionamiento mecánico preciso y controlado dependerá de un servosistema o servomecanismo, actuado, por supuesto, por un servomotor. El zoom de una cámara, el autoenfoque de un conjunto óptico, un sistema de movilización de cámaras de vigilancia y hasta las puertas automáticas de un ascensor son sencillos ejemplos de su aplicación.

El motor posee la característica de girar a una buena velocidad, la cual disminuye por los juegos de engranajes de la caja reductora que aprovechan esta velocidad para transformarla en fuerza de trabajo. Al girar el último engranaje acoplado al eje de salida obtenemos una velocidad notablemente reducida, a pesar de que, dentro del sistema, el motor está girando a altas velocidades.

Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor Diagrama en bloques de la estructura interna de un servomotor

Además, en esta última rueda de acoplamiento encontraremos topes o límites de recorrido para entregarnos en la salida final un giro de 180° del brazo actuador. En la mayoría de los servomotores, este desplazamiento angular es “copiado” por un potenciómetro incorporado al sistema de control y solidario en forma mecánica al eje externo. Este sensor resistivo se encargará de informarle al sistema la posición que posee el actuador exterior para así controlar con exactitud que la instrucción de posicionamiento enviada esté siendo ejecutada fielmente.

La señal de control del servo Como mencionamos al principio, los servomotores se controlan mediante impulsos de ancho variable que deben refrescarse periódicamente. Esto significa que si dejamos de enviar la señal de control en el tiempo en el que el servomotor lo necesita, éste (a pesar de estar energizado) dejará de mantenerse en la posición preestablecida y adoptará cualquier orientación regida por el esfuerzo al que esté sometido. Es decir, si no mantenemos la señal de control en forma efectiva todo el tiempo que sea necesario, el sistema quedará a merced de las fuerzas externas a la que sea sometido. Por ejemplo, un brazo de palanca dejará de sostener un objeto y se dejará caer todo el trayecto mecánico que pueda recorrer, o un sistema erguido en vertical se caerá hacia atrás o hacia adelante al momento en el que el servomotor deje de “sostener” la aplicación en la posición preestablecida.

Para bloquear al servomotor en una posición es necesario, entonces, enviarle continuamente la señal con la posición deseada. De esta forma, el sistema de control seguirá operando y el servo conservará su posición y se resistirá a las fuerzas externas que intenten cambiarlo de posición.

Tiempos de duración de los impulsos y dirección obtenida del actuador Tiempos de duración de los impulsos y dirección obtenida del actuador

Si para el control de uno de estos sistemas utilizamos un microcontrolador que además de actuar sobre el servomotor deba realizar otras actividades, se nos planteará siempre el temor de no lograr actuar en los tiempos requeridos por estos sistemas. Sin embargo, la clave de un funcionamiento satisfactorio y de una realización sin mayores complicaciones se basa en la utilización de un cristal de alta frecuencia (20 Mhz) para poder ejecutar todo el trabajo adicional que sea necesario hasta que llegue el momento de refrescar nuevamente el impulso de control del servomotor. Esto debe ir acompañado, por supuesto, de la observación cuidadosa del diagrama de tiempos de nuestra aplicación.

Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señala codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia. En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. Ellos también se usan en radio control, títeres, y por supuesto, en robots.

Los Servos son sumamente útiles en robótica. Los motores son pequeños, cuando usted observa la foto de arriba, tiene internamente una circuitería de control interna y es sumamente poderoso para su tamaño. Un servo normal o Standard como el HS-300 de Hitec tiene 42 onzas por pulgada o mejor 3kg por cm. de torque que es bastante fuerte para su tamaño. También potencia proporcional para cargas mecánicas. Un servo, por consiguiente, no consume mucha energía. Se muestra la composición interna de un servo motor en el cuadro de abajo. Podrá observar la circuitería de control, el motor, un juego de piñones, y la caja.

¿Como trabaja un servo?

El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro (una resistencia variable) esta es conectada al eje central del servo motor. En la figura se puede observar al lado derecho del circuito. Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un servo normal no es mecánicamente capaz de retornar a su lugar, si hay un mayor peso que el sugerido por las especificaciones del fabricante.

La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control proporcional.

¿Cómo se debe comunicar el ángulo a cual el servo debe posicionarse?

El cable de control se usa para comunicar el ángulo. El ángulo está determinado por la duración de un pulso que se aplica al alambre de control. A esto se le llama PCM Modulación codificada de Pulsos. El servo espera ver un pulso cada 20 milisegundos (.02 segundos). La longitud del pulso determinará los giros de motor. Un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, hará que el motor se torne a la posición de 90 grados (llamado la posición neutra). Si el pulso es menor de 1.5 ms., entonces el motor se acercará a los 0 grados. Si el pulso es mayor de 1.5ms, el eje se acercará a los 180 grados.

Como se observa en la figura, la duración del pulso indica o dictamina el ángulo del eje (mostrado como un círculo verde con flecha). Nótese que las ilustraciones y los tiempos reales dependen del fabricante de motor. El principio, sin embargo, es el mismo.

Este documento trata acerca del control de servos. Estos servos tienen un amplificador, servo motor, Piñonería de reducción y un potenciómetro de realimentación; todo incorporado en el mismo conjunto. Esto es un servo de posición (lo cual significa que uno le indica a qué posición debe ir), con un rango de aproximadamente 180 grados. Ellos tienen tres cables de conexión eléctrica; Vcc, GND, y entrada de control.

controlar un servo, usted le ordena un cierto ángulo, medido desde 0 grados. Usted le envía una serie de pulsos. En un tiempo ON de pulso indica el ángulo al que debe posicionarse; 1ms = 0 grados, 2.0ms = máx. grado (cerca de 120) y algún valor entre ellos da un ángulo de salida proporcional. Generalmente se considera que en 1.5ms está el "centro." Entre límites de 1 ~ 2ms son las recomendaciones de los fabricantes; usted normalmente puede usar un rango mayor de 1.5ms para obtener un ángulo mayor e incluso de 2ms para un ángulo de rendimiento de 180 grados o más. El factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos construidos en el servo. Un sonido de zumbido normalmente indica que usted está forzando por encima al servo, entonces debe disminuir un poco. El tiempo de OFF en el servo no es crítico; puede estar alrededor de los 20ms. Hemos usado entre 10ms y 30 ms. Esto No tiene que ser de ésta manera, puede variar de un pulso a otro. Los pulsos que ocurren frecuentemente en el tiempo de OFF pueden interferir con el sincronismo interno del servo y podría escucharse un sonido de zumbido o alguna vibración en el eje. Si el espacio del pulso es mayor de 50ms (depende del fabricante), entonces el servo podría estar en modo SLEEP entre los pulsos. Entraría a funcionar en pasos pequeños y el rendimiento no sería el óptimo. Este es un ejemplo de la señal que debería tener el servo:

El tiempo de OFF está variando, como se puede observar. Esto no tiene efectos adversos con tal de que esté entre 10 ~ 30ms. El tiempo de ON determina la posición del brazo de salida. Tenga mucho cuidado que hay servos viejos que usan polaridad de pulso invertido (es decir donde tiempo de OFF es importante). Ellos son difíciles de conseguir en estos días. También, hay algunos servos que tienen el "centro" en posición diferente y rangos de tiempo diferentes. No es común. ¡Pero si usted llega a tener uno de estos servos, todo lo que tiene que hacer es cambiar su tiempo de pulso o polaridad! El resto es lo mismo.

La Señal PWM

La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. Expresado matemáticamente:

• D = \frac{\tau}{T}
• D es el ciclo de trabajo
• τ es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso)
• T es el período de la función

La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la señal dientes de sierra, y el ciclo de trabajo está en función de la portadora.

La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Éstas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación.

El refresco se realiza habitualmente con una frecuencia de 50 veces por segundo, pero es normal y efectivo trabajar entre los 10 y los 30 milisegundos. Por otro lado, el ancho del impulso, es decir, su tiempo de duración, dará la posición u orientación del actuador mecánico. En este punto en particular, se cuando se está constantemente atento a enviar un impulso de duración exacta para evitar oscilaciones mecánicas indeseadas, se centra la complejidad y la cautela al trabajar con servomotores.

Control de PWM con Arduino

Conexión del Servo

Conectando un servo las conexiones son de tres cables, y se basan en una normativa de colores que involucran al Rojo como positivo de la alimentación principal, junto a otro cable que puede ser de color Negro o Marrón y que refiere al negativo de alimentación. Un tercer cable, correspondiente al control de posicionamiento del actuador mecánico, es Amarillo o Blanco.

Con respecto a la tensión de trabajo de los servomotores suele estar comprendida entre los 3 y los 7 Volts, siendo 5 Volts la tensión más utilizada.

Prácticas

Para esta actividad con la señal PWM se diseñaron dos prácticas, donde se trabaja con la señal PWM del arduino, utilizando la "salida analógica" del arduino, en realidad se refiere a la salida PWM, con el inconveniente que esta salida esta pre-configurada

Trabajo con servo motores con librería de arduino

// Controlling a servo position using a potentiometer (variable resistor) 
// by Michal Rinott <http://people.interaction-ivrea.it/m.rinott> 

#include <Servo.h> 
 
Servo myservo;  // create servo object to control a servo 
 
int potpin = 0;  // analog pin used to connect the potentiometer
int val;    // variable to read the value from the analog pin 
 
void setup() 
{ 
  myservo.attach(7);  // attaches the servo on pin 9 to the servo object 
} 
 
void loop() 
{ 
  val = analogRead(potpin);            // reads the value of the potentiometer (value between 0 and 1023) 
  val = map(val, 0, 1023, 0, 179);     // scale it to use it with the servo (value between 0 and 180) 
  myservo.write(val);                  // sets the servo position according to the scaled value 
  delay(15);                           // waits for the servo to get there 
} 

Sin Librería Arduino

Este nos permite nodificar la frecuencia de la PWM

int potpin = 0;  // analog pin used to connect the potentiometer
int motorpin=9;
//int val;    // variable to read the value from the analog pin
int sensorval;
float val;



void setup()
{
//  myservo.attach(7);  // attaches the servo on pin 9 to the servo object
pinMode (motorpin,OUTPUT);

  TCCR1A = 0x00;  // esto es para setear el timer en uno de los modos de
generación de PWM
  TCCR1B = 0x13; // esto setea el "prescaler" (N), de la siguiente manera:

  // TCCR1B=0x11 --> N=1;  TCCR1B=0x12 -->N=8;  TCCR1B=0x13 -->N=64, etc.
  // N, el famoso "prescaler", es un divisor del clock de la Arduino (16MHz)

  ICR1 = 3000; //  ICR1 es el valor máximo del analogWrite, lo que le
llaman el "TOP"

}

void loop()
{
  sensorval = analogRead(potpin);            // reads the value of the
potentiometer (value between 0 and 1023)
  val = map(sensorval, 0, 1023, 75, 360);     // scale it to use it with
the servo (value between 0 and 180)
//  myservo.write(val);                  // sets the servo position
according to the scaled value
  analogWrite (motorpin,val);
  delay(15);                           // waits for the servo to get there
}