Servomecanismo

En ingeniería mecánica y de control , un servomecanismo (también llamado sistema servo o simplemente servo ) es un sistema de control para la posición y sus derivadas temporales , como la velocidad , de un sistema mecánico . A menudo incluye un servomotor y utiliza control de lazo cerrado para reducir el error en estado estacionario y mejorar la respuesta dinámica. ^{[ 1 ]} En el control de lazo cerrado, se utiliza retroalimentación negativa con detección de errores para corregir la acción del mecanismo. ^{[ 2 ]} En aplicaciones controladas por desplazamiento, generalmente incluye un codificador incorporado u otro mecanismo de retroalimentación de posición para asegurar que la salida logre el efecto deseado. ^{[ 3 ]} Seguir una trayectoria de movimiento específica se denomina servocontrol , ^{[ 4 ]} donde "servo" se usa como verbo . El prefijo servo proviene de la palabra latina servus, que significa "esclavo". ^{[ 1 ]}

El término se aplica correctamente solo a sistemas donde las señales de retroalimentación o corrección de errores ayudan a controlar la posición mecánica, la velocidad, la actitud o cualquier otra variable medible. ^{[ 5 ]} Por ejemplo, el control de un elevalunas eléctrico de un automóvil no es un servomecanismo, ya que no hay retroalimentación automática que controle la posición; el operador lo hace mediante observación. En cambio, el control de crucero de un automóvil utiliza retroalimentación de bucle cerrado, lo que lo clasifica como un servomecanismo.

Un servomotor es un tipo específico de motor que se combina con un codificador rotatorio o un potenciómetro para formar un servomecanismo. Este conjunto puede, a su vez, formar parte de otro servomecanismo. Un potenciómetro proporciona una señal analógica simple para indicar la posición, mientras que un codificador proporciona información sobre la posición y, generalmente, sobre la velocidad. Mediante un controlador PID, esto permite un control más preciso de la posición y, por lo tanto, un logro más rápido de una posición estable (para una potencia de motor determinada). Los potenciómetros son susceptibles a la deriva cuando cambia la temperatura, mientras que los codificadores son más estables y precisos.

Los servomotores se utilizan tanto en aplicaciones de alta gama como de baja gama. En la gama alta se encuentran componentes industriales de precisión que emplean un codificador rotatorio. En la gama baja se encuentran servomotores de radiocontrol (servos RC) económicos, utilizados en modelos radiocontrolados , que emplean un motor de giro libre y un sensor de posición de potenciómetro simple con un controlador integrado. El término servomotor generalmente se refiere a un componente industrial de alta gama, mientras que el término servo se usa con mayor frecuencia para describir los dispositivos económicos que emplean un potenciómetro. Los motores paso a paso no se consideran servomotores, aunque también se utilizan para construir servomecanismos más grandes. Los motores paso a paso tienen posicionamiento angular inherente, debido a su construcción, y generalmente se utilizan en modo de lazo abierto sin retroalimentación. Generalmente se utilizan para aplicaciones de precisión media. ^{[ 6 ]}

Los servomotores RC se utilizan para accionar diversos sistemas mecánicos, como la dirección de un coche, las superficies de control de un avión o el timón de un barco. Gracias a su asequibilidad, fiabilidad y sencillez de control mediante microprocesadores, se emplean con frecuencia en aplicaciones de robótica a pequeña escala . Un receptor RC estándar (o un microcontrolador) envía señales de modulación por ancho de pulso (PWM) al servomotor. La electrónica interna del servomotor traduce el ancho del pulso en una posición. Cuando se ordena al servomotor que gire, el motor se alimenta hasta que el potenciómetro alcanza el valor correspondiente a la posición deseada.

El regulador de la máquina de vapor de James Watt se considera generalmente el primer sistema de retroalimentación motorizada. La cola del astillero es un ejemplo anterior de control automático, pero como no tiene amplificador ni ganancia , no suele considerarse un servomecanismo.

El primer dispositivo de control de posición por retroalimentación fue el motor de dirección de los barcos , utilizado para posicionar el timón de los grandes buques en función de la posición del timón. John McFarlane Gray fue un pionero. Su diseño patentado se utilizó en el SS Great Eastern en 1866. Joseph Farcot merece igual reconocimiento por el concepto de retroalimentación, con varias patentes entre 1862 y 1868. ^{[ 7 ]}

El telemotor fue inventado alrededor de 1872 por Andrew Betts Brown , lo que permitió simplificar enormemente los complejos mecanismos entre la sala de control y el motor. ^{[ 8 ]} Los motores de dirección a vapor tenían las características de un servomecanismo moderno: una entrada, una salida, una señal de error y un medio para amplificar la señal de error utilizada para la retroalimentación negativa con el fin de reducir el error a cero. El mecanismo de inversión de potencia Ragonnet era un servoamplificador de uso general, accionado por aire o vapor, para movimiento lineal, patentado en 1909. ^{[ 9 ]}

Los servomecanismos eléctricos se utilizaron ya en 1888 en el Telautógrafo de Elisha Gray .

Los servomecanismos eléctricos requieren un amplificador de potencia. Durante la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron servomecanismos eléctricos de control de tiro , que utilizaban un amplificador de potencia. Se emplearon amplificadores de válvulas en la unidad de cinta UNISERVO del ordenador UNIVAC I. La Marina Real Británica comenzó a experimentar con el Control Remoto de Potencia ( RPC ) en el HMS Champion en 1928 y a utilizarlo para controlar los reflectores a principios de la década de 1930. Durante la Segunda Guerra Mundial, el RPC se utilizó para controlar los montajes y directores de tiro de los cañones.

Los servomecanismos modernos utilizan amplificadores de potencia de estado sólido, generalmente construidos con dispositivos MOSFET o tiristores . Los servomecanismos pequeños pueden utilizar transistores de potencia .

Se cree que el origen de la palabra proviene del francés " Le Servomoteur " o motor esclavo, utilizado por primera vez por JJL Farcot en 1868 para describir máquinas hidráulicas y de vapor utilizadas en la dirección de barcos. ^{[ 10 ]}

Los servomotores más sencillos utilizan el control de tipo bang-bang . Los sistemas de control más complejos utilizan el control proporcional, el control PID y el control de espacio de estados, que se estudian en la teoría de control moderna .

Los servomotores se pueden clasificar mediante sus sistemas de control de retroalimentación: ^{[ 11 ]}

• Servomotores tipo 0: en condiciones de estado estacionario, producen un valor constante de salida con una señal de error constante;
• Servomotores tipo 1: en condiciones de estado estacionario producen un valor constante de la salida con una señal de error nula, pero una tasa de cambio constante de la referencia implica un error constante en el seguimiento de la referencia;
• Servomotores tipo 2: en condiciones de estado estacionario, producen un valor constante de salida con una señal de error nula. Una tasa de cambio constante de la referencia implica un error nulo en el seguimiento de la misma. Una tasa de aceleración constante de la referencia implica un error constante en el seguimiento de la misma.

El ancho de banda del servomotor indica la capacidad del servomotor para seguir cambios rápidos en la señal de entrada.

• Motor de potencia fraccionaria
• Control de movimiento : campo de la automatización que estudia cómo mover con precisión las partes de las máquinas. 
• Control de servomotores – Aspectos del funcionamiento de un servomotor 
• Sincro – Transformadores variables utilizados en sistemas de control 

• Bennett, S. (1993). Historia de la ingeniería de control 1930–1955 . Londres: Peter Peregrinus Ltd. En nombre de la Institución de Ingenieros Eléctricos. ISBN 0-86341-280-7.
• Hsue-Shen Tsien (1954) Ingeniería cibernética , McGraw Hill , enlace de HathiTrust

• Ontario News: "Pioneros en tecnología de servomotores"
• Definición de referencia de Rane Pro Audio de "servo-loop"
• El artículo de la Sociedad de Robótica de Seattle titulado "¿Qué es un servomotor?" fue archivado el 11 de julio de 2007 en Wayback Machine.
• Diferentes tipos de servomotores" Archivado el 26/10/2014 en Wayback Machine