Los servomotores son un tipo de motor eléctrico (actuador giratorio) que permite un control preciso de la posición, la velocidad y la aceleración. Se utilizan en una amplia gama de aplicaciones industriales, máquinas y líneas de trabajo. Esta variedad hace que sea importante comprender
cómo seleccionar un servomotor y comprender los factores a considerar al hacerlo.
Los tres factores principales a la hora de elegir un servomotor
El proceso de cálculo y selección de un servomotor para una aplicación o sistema a menudo se denomina dimensionamiento. Esto se debe a que las formulaciones más críticas, las relaciones entre la velocidad y el par, de la aplicación determinan esencialmente qué tan grande debe ser el servomotor y su necesidad de fuerza relativa. Para calcularlos, se deben establecer factores de aplicación como el peso de la carga útil, la distancia y la velocidad del ciclo, así como el ciclo de trabajo. Una vez que se especifica la aplicación, identificar el par máximo, el par continuo y la velocidad requerida del servomotor reducirá drásticamente las opciones para elegir el servomotor adecuado. El par y la velocidad van de la mano al seleccionar un servomotor. Las curvas de par son una herramienta que se utiliza para representar esta relación, mostrando cuándo el par relativo y la velocidad se pueden mantener simultáneamente, tanto de forma continua como intermitente. Otros dos términos muy útiles que se debe conocer sobre el par en servomotores son la curva de par nominal y la velocidad nominal. El par nominal es el par máximo que un motor puede producir de forma continua, en la línea que divide las zonas continua e intermitente, y la velocidad nominal es la velocidad máxima a la que está disponible el par nominal.
Par continuo
El par continuo, también conocido como el torque (RMS), es un promedio ponderado en el tiempo del par durante un ciclo completo; esto necesita caer en la región continua de la curva de par para poder mantener la velocidad requerida. Una de las herramientas más importantes para dimensionar un servomotor es la curva de par-velocidad del motor, que muestra las combinaciones de par y velocidad que el motor puede producir en dos zonas de funcionamiento: funcionamiento continuo y funcionamiento pico o intermitente. Para evitar la sobrecarga térmica del motor, y del variador, es importante asegurarse de que la aplicación permanezca dentro de la zona de trabajo continuo de la curva de par-velocidad durante el funcionamiento normal y que caiga dentro de la zona de trabajo intermitente cuando se requiere un par máximo. La zona de trabajo continuo representa las combinaciones de par y velocidad que el motor puede producir indefinidamente sin sobrecalentarse. Debido a que los perfiles de movimiento del servosistema son dinámicos, lo que requiere un rango de velocidades y pares durante el movimiento, el par RMS de la aplicación se usa para determinar si el motor permanece dentro de la zona de trabajo continuo de la curva de par-velocidad. El par RMS, o raíz cuadrada media, es la cantidad de par que, si se aplicara constantemente, daría como resultado la misma cantidad de calentamiento del motor que todos los diversos requisitos de par de la aplicación durante su perfil de movimiento. Esto incluye el par de torsión debido a la aceleración, el par de torsión durante la velocidad constante, el par de torsión durante la desaceleración y el par de torsión durante la parada, que generalmente se puede suponer que es cero, a menos que la aplicación requiera un par para mantener una carga en su lugar contra una fuerza, por ejemplo, mantener una carga contra la gravedad en una aplicación vertical.
Par máximo
Se refiere al par máximo requerido en cualquier punto a lo largo del ciclo. Idealmente, el par máximo está en la región intermitente de la curva de par porque no es tan sostenible. Si el par máximo requerido por la aplicación cae en la región continua del motor, es probable que esté sobredimensionado.
Velocidad
Tan importante como el peso de la carga al seleccionar un servomotor es conocer la velocidad que se requerirá, generalmente en RPM. En términos generales, cuanto mayor sea la velocidad a la que gira un motor determinado, menor será el par posible. Cuanto más se acerque el ciclo a las limitaciones del motor, más se calentará. Se debe seleccionar un motor que no se sobrecaliente, pero que tampoco sea demasiado grande para no ser rentable. Una vez que se determinan estas relaciones, se pueden establecer otros factores importantes, pero menos críticos para la misión.
Otros factores clave a tener en cuentan antes de elegir y comprar el servomotor adecuado
Si bien la identificación de los requisitos de velocidad y par nos ayuda a identificar el servomotor correcto, existen otros factores y opciones a considerar según el entorno y la aplicación.
1. Red comunicación para accionar el servomotor
Existen dos tipos de comunicaciones en los servomotores para su accionamiento: La comunicación por pulsos con señal PWM (Pulse Width Modulation), es uno de los sistemas más empleados para el control de servomotores. 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 la posición del servo según se desee. Se utiliza en los servomotores para obligar al rotor a girar a una posición específica. Al ajustar el ciclo de trabajo, se puede ajustar la tasa de rotación. La segunda comunicación para accionar servomotores es a través de la red, por ejemplo trabajando con EtherCAT usando la tecnología de CC-Link IE TSN que aumenta el rendimiento de la comunicación, permitiendo un control de movimiento de alta precisión y un control de E/S de alta velocidad sin afectar negativamente al rendimiento operativo del servomotor. Esta red tiene la capacidad de transmisión de un Gigabit y el protocolo en tiempo real permiten una comunicación de datos fácil y confiable, además de una comunicación de E/S remota independientemente del retraso de la transmisión. Además, permite la comunicación de alta velocidad para la gestión y rastreo de información en los dispositivos, así como la transmisión de datos de control. Con esta red de comunicación, el controlador puede controlar hasta 256 ejes de transmisión en una máquina. Antes, un controlador solo podía controlar hasta 32 servomotores, así que se era necesario disponer de varios controladores, con comunicaciones entre ellos para conseguir el trabajo de la máquina.
Esto ha simplificado mucho el diseño de control de las máquinas.
2. Relación de transmisión
No todos los servomotores tienen engranajes, pero muchos sí. Con la llegada de los motores de transmisión directa, los motores con engranajes se consideran más primitivos, pero se pueden usar para amplificar las capacidades de par de un motor con menor número de polos. En un sistema de engranajes, el servomotor hace girar un engranaje impulsor que hace girar otro engranaje que está conectado a la carga útil. (Puede haber más de un par de engranajes en un servomotor). Las proporciones del número de dientes entre los pares de engranajes forman la relación de engranajes. Una vez establecido esto, se utiliza la ecuación de par estándar para calcular el par real del motor.
3. Inercia
Cuando se trata de rotación, la forma y la masa de la carga útil generan inercia cuando el motor y la carga aceleran o cambian de dirección. El esfuerzo para mover la carga es diferente al inicio, que cuando se han dado dos o tres pasos. Hay que tener en cuenta la capacidad de inercia de cada servomotor en su seleccion. Cualquier objeto rotando tiene un momento de inercia. El momento de inercia es una medida de lo difícil que es cambiar la velocidad de rotación de un objeto. El momento de inercia de un servosistema puede dividirse en dos partes: inercia del motor e inercia de la carga. En los catálogos de servomotores Mitsubishi se incluye la inercia del motor. Sin embargo, la inercia de la carga, a menudo consiste en muchos factores. Cada uno de los componentes que mueve el motor contribuye a la inercia de carga total que se determina usando las ecuaciones apropiadas para calcularlo. Tengamos en cuenta que un servomotor es muy diferente a un motor de jaula de ardilla, aquí arrancar y parar se realiza constantemente, por lo tanto siempre se está rompiendo la inercia. Siempre hay un movimiento que empieza de cero, arranca, para y se vuelve a repetir. Al seleccionar el servomotor, puedes clasificarlos por baja inercia y media inercia. Los ratios de inercia de aproximadamente 5:1 son típicos en muchas aplicaciones. El rendimiento tiende a subir cuando el ratio de inercia baja, a menudo 2:1, 1:1 o menos. Si los demás factores no influyen, es mejor un ratio de inercia más bajo. Un ratio de inercia excesivamente bajo puede indicar que el motor es excesivamente grande y caro con poco incremento en el rendimiento. Si el ratio de inercia es el factor de dimensionado limitante, es importante comprender completamente los requerimientos de rendimiento del ratio de inercia antes de excluir un ratio de inercia más elevado.
4. Exactitud y nivel de precisión
Un motor de transmisión directa no está limitado mecánicamente en su precisión, lo que significa que el motor funcionará con la misma precisión que la retroalimentación que utiliza. Dicho esto, el codificador generalmente se selecciona más en función de lo que encaja dentro de la estructura mecánica general que como resultado del rendimiento del motor. Para tener una referencia del nivel de precisión que se puede conseguir, los servomotores de Mitsubishi Electric pueden alcanzar una resolución de 1.000.0000 a 4.000.000 pulsos por vuelta como estándar. Logrando máquinas de alta precisión. Los servomotores de última generación
MELSERVO – J5 Mitsubishi Electric pueden llegar a tener una precisión de 64.000.000 de pulsos por vuelta. Con este tipo de servomotores se pueden conseguir la mayor exactitud, de hecho este tipo de servos son los utilizados en los robots colaborativos donde se requiere una alta precisión.
5. Factores ambientales
Los factores ambientales afectan la selección general porque si el ambiente es diferente a la temperatura ambiente estándar, el rendimiento del motor cambia. Por ejemplo, cuanto mayor sea la temperatura ambiente, menor será el par continuo posible. En un entorno donde hay una temperatura ambiente alta y/o requisitos continuos de par, la refrigeración líquida es una buena opción, pero se debe evitar el contacto directo con la mecánica y la conexión de los motores. Otros factores ambientales incluyen la contaminación y la vibración, que pueden ser comunes en lugares como fábricas de papel, plataformas petrolíferas o acerías. Los motores con sellado e integración especializados y clasificados se fabrican específicamente para estas aplicaciones.
Eficiencia
La eficiencia de un servomotor es simplemente cuánta corriente se necesita para lograr un valor de par constante. Esto se conoce como constante de par (Kt) y se puede encontrar en las hojas de datos del servomotor. Los devanados se refieren a las diferentes formas en que las bobinas están conectadas entre sí (en serie o en paralelo) y las diferentes opciones de devanado ofrecen las siguientes ventajas y desventajas: los devanados con mayor eficiencia de corriente tienen capacidades de velocidad más bajas, mientras que los devanados con capacidades de velocidad más altas tienen capacidades de velocidad más bajas. Cuando se conoce la velocidad requerida, el devanado se basará en cuál es la opción más eficiente sin dejar de alcanzar las velocidades requeridas. La selección del servomotor adecuado comienza con la comprensión de la aplicación, el establecimiento de las características de lo que se mueve, cómo se mueve y a qué velocidad. A partir de ahí, se pueden establecer los requisitos clave de velocidad y par, lo que reducirá significativamente las opciones de selección de servomotores. Se deben considerar otros factores como la inercia, la eficiencia, la precisión y la transmisión. Por supuesto, el orden y la prioridad de cualquiera de estos pueden variar según la aplicación.
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