Servomotores, la solución al movimiento absoluto de precisión

Ficha técnica elaborada por José Henríquez Consultor Técnico y Marcelo Leiva Experto Electrónico.

SIMOTICS S 1FK7

¿Qué es y cómo funciona un motor servo?

El motor servo es un motor que tiene un estator bobinado similar a un motor tipo jaula de ardilla y un rotor que en su superficie lleva imanes de forma longitudinal; la cantidad de imanes depende del número de polos que lleva el estator.

Este tipo de motor está pensado para trabajar en posicionamiento, sincronismo y velocidad con 0 error, remplazando al motor paso a paso, que se utiliza para trabajar en posición.

Lo más usado para controlar dicho motor es un accionamiento electrónico que le indica a qué velocidad moverse y en qué dirección, hasta llegar a la posición deseada. Para ello, al motor se le instala un resolver o encoder, usado como realimentación al accionamiento, así entonces, el accionamiento le dice al motor donde tiene que ir a posicionarse y el resolver o encoder le informa la posición real del eje.

Estos motores tienen una alta dinámica, tanto sea en aceleración, como desaceleración, logrando llegar de 0 a su máxima velocidad en pocos mili segundos.

Diferencias del servomotor respecto de otros motores

El servomotor posee diferencias de operación, rendimiento y mantenimiento en comparación a los motores de corriente continua y de jaula ardilla tradicional (motor asíncrono).

Respecto de un motor alterno tipo jaula de ardilla, sus diferencias son:

  1. Los servomotores poseen altos torques en las partidas y baja inercia mecánica en detenciones bruscas en altas velocidades. Su alta dinámica tanto en aceleración como en desaceleración, le permite llegar de 0 a máximo y viceversa, en un par de milisegundos.

El motor alterno no puede hacerlo ya que tiene una muy mala dinámica, sobretodo en bajas frecuencias y porque requiere mayor tiempo de magnetización y corriente en las partidas.

  • El servo motor se comporta como un generador sincrónico, por lo tanto, genera una señal de seno – coseno, permitiéndole al accionamiento saber la posición exacta del rotor o eje en todo momento. Los otros motores permiten conocer la posición del eje solo en baja velocidad.
  • Otra diferencia significativa es el tamaño compacto de los servomotores. En anclajes mecánicos para instalación y puesta en marcha se requiere un espacio mucho menor comparado con un motor tradicional de jaula ardilla. El servomotor puede poseer altos torques manteniendo un tamaño reducido y en ocasiones sin cajas reductoras, no así el motor estándar de jaula ardilla que requiere una caja mecánica para mantener su torque.

Diferencias del servomotor respecto de un motor paso a paso

Motores Paso-Paso

Este tipo de motor, como lo indica su nombre, tiene la particularidad de tener movimiento o giro del eje con grados ya definidos de fábrica (el giro del eje es el paso o grado definido de fabricación).

Ejemplo:   Motor de 2° grados.

por cada impulso aplicado al motor su giro de eje será de 2° grados.

La principal ventaja de estos motores es su gran precisión, torque y baja inercia; pero por contrapartida su mayor desventaja es que puede destinarse solo a aplicaciones en baja velocidad. Se utilizan en aplicaciones dedicadas donde la precisión de avance y torque es más importante que la velocidad.

Respecto del servomotor, la gran diferencia está dada por sus diferentes configuraciones, aplicaciones y velocidad de trabajo. El servomotor también es altamente preciso, de torque constante y con baja inercia, pero puede reemplazar al motor paso a paso porque soporta altas velocidades de trabajo, se puede configurar con el paso de avance que el cliente requiera y posee un diseño compacto.

Diferencias de los servomotores con los motores de corriente continua

Los motores de corriente continua, utilizan dos fuentes de potencia en forma separada: campo o excitación y la armadura o inducido. Esto permite tener un torque y flujo constante en el motor, logrando su movimiento o giro a plena carga en todo momento.

Esto se debe a que la excitación siempre tiene un flujo constante logrando tener una magnetización en todo momento y al aplicar tensión a la armadura o inducido el flujo magnético es siempre parejo, logrando sacar el 100 % del torque nominal del motor.

Las únicas desventajas de estos motores son las mantenciones y las altas temperaturas de operación. Como están siempre con una excitación permanente, necesitan una turbina de refrigeración.

La armadura o inducido utiliza escobillas o porta carbones, por lo que necesita mantenimiento periódico que corresponde a la limpieza del porta carbones del colector de potencia y reemplazo de carbones por desgaste del uso diario. Sin estos mantenimientos, los motores sufrirán daños graves.

Servomotores

Los servomotores corresponden a un mejoramiento tecnológico de estos motores. El bobinado de excitación fue remplazado por un rotor de imanes permanentes y el estator es un bobinado dedicado y calculado para coincidir con los campos magnéticos de los imanes instalados en el rotor.  

Con estas características se obtiene también el 100 % del torque del motor en todo momento, con altas velocidades y baja dinámica de inercia por tratarse de un rotor de imanes permanente más liviano.

La gran ventaja de los servomotores es su mantención mínima debido a que están diseñados para operar o trabajar a temperaturas elevadas. Adicionalmente, las mantenciones se realizan según su aplicación o cambios de rodamiento después de 4 años de operación exigente y continua más. Finalmente, logra una precisión mayor y posee un diseño compacto que lo hace más dúctil.

Importancia de una mantención especializada

El servomotor es un motor de precisión absoluta, por lo tanto, posee un accionamiento dedicado que lo controla para su uso y conexión. Debe existir una compatibilidad de encoder o resolver según fabricante. Dicho resolver o encoder ayuda a controlar y monitorear el ángulo del eje del motor, generando como resultado una posición exacta con 0 error.

Existen señales seno y coseno, las señales básicas son dos, que van totalmente en fase con el bobinado de potencia del servomotor, por esto mismo, el mantenimiento tiene que ser efectuado por personal técnico especializado.

Habitualmente se comete el error de realizar cambio de rodamientos y se pierde la posición del resolver. Se debe realizar una calibración y sintonía entre el resolver y motor utilizando instrumental dedicado.

No se recomienda la mantención en servicios estándar de motores, ya que generalmente mantienen motores de jaula de ardilla asíncronos, desconociendo los detalles técnicos de mantenimiento de servomotores. La mantención de estos motores, sin los conocimientos adecuados, siempre resulta errónea, perdiendo la calibración del mismo y en la puesta en marcha daña el accionamiento que controla dicho servo.

Finalmente, existen líneas de servomotores que al ser mantenidos de manera indebida quedan con daños en su encoder por mala manipulación (disco de cristal interno).

Aplicaciones de los servomotores

  • En la industria dedicada a la fabricación de envases en general.
  • En la industria dedicada a la fabricación de parte y piezas para todo tipo de maquinarias.
  • En la medicina para el control de brazos robóticos, utilizados para operaciones complejas.
  • Upgrade de maquinarias.
  • En la industria de alimentos en dosificación y envasado.
  • Industria metalúrgica y minera, en manipulación, diseño y movimiento de piezas.

Por ejemplo, una máquina que está compuesta por una unidad de desbobinado, en donde se instala la bobina a procesar. Una unidad de arrastre para el tiro del material compuesta de un árbol de levas, un volante, una cremallera, un plato de freno y un plato de embrague entre otras cosas, los cuales dan la pausa y arrastre del material a la mesa de salida y apilado del material en proceso.

Pues bien, todo lo utilizado en el proceso de arrastre del material (árbol de levas, un volante, una cremallera, un plato de freno y un plato de embrague entre otras cosas) se eliminan y se remplaza por un servomotor acoplado directamente a los rodillos de arrastre. Las partes mecánicas de movimientos de las máquinas, quedan más simples para realizar mantenimientos, evitando fallas continuas por desgaste y mejorando la precisión del control del proceso.

Pruebas de funcionamiento de servomotor de 94 Kw

Pruebas de funcionamiento de servomotor de 94 Kw, luego de mantención que consistió en cambio de rodamientos y revisión de encoder. Esta prueba se realiza para poner el encoder a punto. Se trabaja con un equipo Sinamic de la marca Siemens y con su respectivo programa donde se cambian valores en su parametrización y se  realizan pruebas de funcionamiento del servomotor.

https://youtu.be/eS6zl9SBflU