SERVOMOTORES

Para la realización de este prototipo experimental se utilizará servomotores que son pequeños dispositivos utilizados tradicionalmente para proyectos donde se requiera precisión en el giro y un torque pequeño . Su pequeño tamaño, bajo consumo, además de una buena robustez y notable precisión, los hacen ideales para cualquier construcción de robots.

Figura. servomotor

2.5.1 TIPOS DE SERVOMOTORES

Hay tres tipos de servomotores:

Servomotores de CC

Servomotores de AC

Servomotores de imanes permanentes o Brushless

Figura 2. partes de un servomotor.

Motor de corriente continua

Es el elemento que le brinda movilidad al servo. Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales, este motor gira en un sentido a su velocidad máxima. Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso, el sentido de giro también se invierte.

Engranajes reductores

Se encargan de convertir gran parte de la velocidad de giro del motor de corriente continua en torque.

Circuito de control

Este circuito es el encargado del control de la posición del motor. Recibe los pulsos de entrada y ubica al motor en su nueva posición dependiendo de los pulsos recibidos.Tiene además de los circuitos de control un potenciómetro conectado al eje centraldel 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 correcto, el motor volverá a la dirección correcta, hasta llegar al ángulo que es 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.

Los servomotores tienen 3 terminales:

Terminal positivo: Recibe la alimentación del motor (4 a 8 voltios)

Terminal negativo: Referencia tierra del motor (0 voltios)

Entrada de señal: Recibe la señal de control del motor

Los colores del cable de cada terminal varían con cada fabricante: el cable del terminal positivo siempre es rojo; el del terminal negativo puede ser marrón o negro; y el del terminal de entrada de señal suele ser de color blanco, naranja o amarillo.

figura 2.5.2 terminales de un servomotor

FUNCIONAMIENTO DEL SERVOMOTOR

Control PWM

La modulación por anchura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation), es una de los sistemas más empleados para el control de servos. Este sistema consiste en generar una onda cuadrada en la que se varía el tiempo que el pulso está a nivel alto, manteniendo el mismo período (normalmente), con el objetivo de modificar laposición del servo según se desee.

Para la generación de una onda PWM en un microcontrolador, lo más habitual es usar un timer y un comparador (interrupciones asociadas), de modo que el microcontrolador quede libre para realizar otras tareas, y la generación de la señal.sea automática y más efectiva. El mecanismo consiste en programar el timer con el ancho del pulso (el período de la señal) y al comparador con el valor de duración del pulso a nivel alto. Cuando se produce una interrupción de overflow del timer, la subrutina de interrupción debe poner la señal PWM a nivel alto y cuando se produzca la interrupción del comparador, esta debe poner la señal PWM a nivel bajo.

Figura 2.5.3.1 onda PWM

El sistema de control de un servo se limita a indicar en que posición se debe situar. Esto se lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del pulso indica el ángulo de giro del motor. Cada servo tiene sus márgenes de operación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que el servo entiende. Los valores más generales se corresponden con pulsos de entre 1 ms y 2 ms de anchura, que dejarían al motor en ambos extremos (0 y 180º). El valor 1.5 ms indicaría la posición central o neutra (90º), mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen ser lo recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 ms o mayores de 2 ms, pudiéndose conseguir ángulos mayores de 180º. Si se sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comenzará a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. El factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos constructivos.

Figura. potenciómetro

El período entre pulso y pulso (tiempo de OFF) no es crítico, e incluso puede ser distinto entre uno y otro pulso. Se suelen emplear valores ~ 20 ms (entre 10 ms y 30 ms). Si el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo, puede interferir conla temporización interna del servo, causando un zumbido, y la vibración del eje desalida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo pasará a estado dormido entre pulsos. Esto provoca que se mueva con intervalos pequeños.

Es importante destacar que para que un servo se mantenga en la misma posicióndurante un cierto tiempo, es necesario enviarle continuamente el pulso correspondiente. De este modo, si existe alguna fuerza que le obligue a abandonar esta posición, intentará resistirse. Si se deja de enviar pulsos (o el intervalo entre pulsos es mayor que el máximo) entonces el servo perderá fuerza y dejará de intentar mantener su posición, de modo que cualquier fuerza externa podría desplazarlo.

El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro conectadoal eje central del 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 correcto, el motor volverá a la dirección correcta, hasta llegar al ángulo que es 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 0º y 180º 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.

El 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 todavelocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor girará amenor velocidad. A esto se le denomina control proporcional.

PLC(Controlador Lógico Programable)

Figura. Esquema general

El PLC es un dispositivo de estado sólido, diseñado para controlar procesos secuenciales (una etapa después de la otra) que se ejecutan en un ambiente industrial. Es decir, que van asociados a la maquinaria que desarrolla procesos de producción y controlan su trabajo.Como puedes deducir de la definición, el PLC es un sistema, porque contiene todo lo necesario para operar, y es industrial, por tener todos los registros necesarios para operar en los ambientes hostiles que se encuentran en la industria.

Un PLC realiza, entre otras, las siguientes funciones:• Recoger datos de las fuentes de entrada a través de las fuentes digitales y analógicas.• Tomar decisiones en base a criterios pre programados.• Almacenar datos en la memoria.• Generar ciclos de tiempo.• Realizar cálculos matemáticos.• Actuar sobre los dispositivos externos mediante las salidas analógicas y digitales.• Comunicarse con otros sistemas externos.

Los PLC se distinguen de otros controladores automáticos, en que pueden ser programados para controlar cualquier tipo de máquina, a diferencia de otros controladores (como por ejemplo un programador o control de la llama de una caldera) que, solamente, pueden controlar un tipo específico de aparato.Además de poder ser programados, son automáticos, es decir son aparatos que comparan las señales emitidas por la máquina controlada y toman decisiones en base a las instrucciones programadas, para mantener estable la operación de dicha máquina.Puedes modificar las instrucciones almacenadas en memoria, además de monitorizarlas.

Figura. Mapa de pines

Las ventajas de los PLC son las siguientes:1. Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que: No es necesario dibujar el esquema de contactos. No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas ya que, por lo general, la capacidad de

almacenamiento del modulo de  memoria es lo suficientemente grande como para almacenarlas.

La lista de materiales a emplear es mas reducida y, al elaborar el presupuesto correspondiente, se elimina parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega, etc.

2. Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado y añadir aparatos.3. Mínimo espacio de ocupación4. Menor coste de mano de obra de la instalación5. Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar

contactos móviles, los mismos autómatas pueden detectar e indicar posibles averías.6. Posibilidad de gobernar varias maquinas con un mismo autómata.7. Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el

tiempo de cableado.8. Si por alguna razón la maquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil

para controlar otra maquina o sistema de producción.

Inconvenientes de los PLC:

1. Hace falta un programador, lo que exige la preparación de los técnicos en su etapa de formación.

2. La inversión inicial es mayor que en el caso de los relés, aunque ello es relativo en función del proceso que se desea controlar. Dado que el PLC cubre de forma correcta un amplio espectro de necesidades, desde los sistemas lógicos cableados hasta el microprocesador, el diseñador debe conocer a fondo las prestaciones y limitaciones del PLC. Por tanto, aunque el coste inicial debe ser tenido en cuenta a la hora de decidirnos por uno u otro sistema, conviene analizar todos los demás factores para asegurarnos una decisión acertada.

FUNCIONAMIENTO DE UN PLC

Una vez que se pone en marcha, el procesador realiza una serie de tareas según el siguiente orden:a)      Al encender el procesador ejecuta un auto-chequeo de encendido y bloquea las salidas. A continuación, si el chequeo ha resultado correcto, el PLC entra en el modo de operación normal.b)      El siguiente paso lee el estado de las entradas y las almacena en una zona de la memoria que se llama tabla de imagen de entradas (hablaremos de ella mas adelante).c)      En base a su programa de control, el PLC actualiza una zona de la memoria llamada tabla de imagen de salida.d)      A continuación el procesador actualiza el estado de las salidas "copiando" hacia los módulos de salida el estado de la tabla de imagen de salidas (de este modo se controla el estado de los módulos de salida del PLC, relay, triacs, etc.).e)      Vuelve a ejecutar el paso b)Cada ciclo de ejecución se llama ciclo de barrido (scan), el cual normalmente se divide en:

• Verificación de las entradas y salidas• Ejecución del programa

Los PLC pueden clasificarse, en función de sus características en:1         PLC Nano:Generalmente es un PLC de tipo compacto (es decir, que integra la fuente de alimentación, la CPU y las entradas y salidas) que puede manejar un conjunto reducido de entradas y salidas, generalmente en un número inferior a 100. Este PLC permite manejar entradas y salidas digitales y algunos módulos especiales.2         PLC CompactoEstos PLC tienen incorporada la fuente de alimentación, su CPU y los módulos de entrada y salida en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas entradas y salidas hasta varios cientos (alrededor de 500 entradas y salidas), su tamaño es superior a los PLC tipo Nano y soportan una gran variedad de módulos especiales, tales como:

• entradas y salidas análogas• módulos contadores rápidos• módulos de comunicaciones• interfaces de operador• expansiones de entrada y salida

3         PLC Modular:Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el controlador final. Estos son:

El Rack La fuente de alimentación CPU Los módulos de entrada y salida

De estos tipos de PLC existen desde los denominados Micro-PLC que soportan gran cantidad de entradas y salida, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar miles de entradas y salidas.