Un servomotor es un motor de lazo cerrado que mide y corrige por sí mismo su velocidad y posición. El encoder situado en el extremo del eje mide continuamente el ángulo y la velocidad de giro; el servoaccionamiento compara esta información con la orden recibida y, si existe una diferencia, corrige la corriente de inmediato. Gracias a esta realimentación, el motor puede mantener la posición deseada con una precisión del orden de una milésima de grado incluso cuando cambia la carga. Por este motivo, los servomotores se utilizan en máquinas CNC, brazos robóticos, máquinas de embalaje y todas las líneas de automatización que requieren posicionamiento preciso.
¿Qué es un servomotor?
Un servomotor no es una sola pieza, sino un sistema cuyos componentes trabajan conjuntamente. El sistema cuenta con tres componentes principales:
- Cuerpo del motor: Estructura de rotor, normalmente con imanes permanentes, diseñada para una baja inercia y una respuesta rápida.
- Encoder (unidad de realimentación): Sensor que mide la posición angular y la velocidad del eje y puede generar miles de pulsos por vuelta.
- Servoaccionamiento: Unidad de control que recibe la orden, la compara con los datos del encoder y corrige en milisegundos la corriente enviada al motor.
Cuando se pone en marcha un motor asíncrono convencional, simplemente gira; no sabe cuánto ha girado ni si se ha detenido en el punto correcto. La característica que distingue al servomotor es su capacidad para medir y corregir su propio movimiento. Por ello, un servomotor se define más como un «sistema que controla el movimiento» que como un simple «motor que genera potencia».
¿Cómo funciona un servomotor?
El principio de funcionamiento se basa en el control de lazo cerrado . En los sistemas de lazo abierto se envía una orden y se supone que el resultado es correcto; en un sistema de lazo cerrado, el resultado se mide y cualquier error se corrige de inmediato.
El ciclo funciona mediante los siguientes pasos:
- Orden. El PLC o la unidad de control comunica al servoaccionamiento la posición, velocidad o par objetivo.
- Movimiento. El servoaccionamiento suministra corriente al motor y comienza a hacer girar el eje.
- Medición. El encoder informa continuamente al servoaccionamiento de la posición real del eje.
- Comparación. El servoaccionamiento calcula la diferencia entre el valor objetivo y el valor real. Esta diferencia se denomina señal de error.
- Corrección. La corriente se aumenta o se reduce hasta que el error llega a cero. El ciclo se repite miles de veces por segundo.
En la práctica, esto significa lo siguiente: cuando aumenta la carga de la máquina, por ejemplo cuando un carro de transporte recoge una pieza pesada, el motor comienza a disminuir su velocidad. El encoder detecta esta reducción en milisegundos, el servoaccionamiento aumenta la corriente y la velocidad se mantiene constante. El mismo comportamiento se aplica durante la parada: el motor se detiene en el ángulo objetivo y sigue generando par para mantener esa posición si una fuerza externa intenta mover el eje. A esto se le denomina par de mantenimiento.
Los sistemas servo pueden ejecutar este ciclo en tres modos diferentes: control de posición (ir a un punto determinado), control de velocidad (girar a una velocidad determinada) y control de par (aplicar una fuerza determinada). Según la aplicación, se selecciona uno de estos modos o se utilizan varios de forma secuencial.
Tipos de servomotores
Los servomotores se dividen en dos grupos principales según el tipo de alimentación. Ambos funcionan con el mismo principio de realimentación; la diferencia está en la estructura eléctrica del motor.
| Comparación | Servomotor AC | Servomotor DC |
|---|---|---|
| Estructura | Sin escobillas; la conmutación se realiza electrónicamente | Principalmente con escobillas; conmutación mecánica |
| Necesidad de mantenimiento | Baja; no hay escobillas que se desgasten | Las escobillas y el colector se sustituyen periódicamente |
| Rango de potencia | Desde cientos de vatios hasta decenas de kilovatios | Generalmente potencias bajas y medias |
| Complejidad de control | Requiere un servoaccionamiento avanzado | Estructura de accionamiento más sencilla |
| Uso típico | Automatización industrial, CNC, robótica | Sistemas móviles y alimentados por batería, montajes de laboratorio |
Actualmente, en la maquinaria industrial se utilizan principalmente servomotores AC sin escobillas; su baja necesidad de mantenimiento en líneas de funcionamiento continuo constituye una ventaja decisiva. Los servomotores DC, por su parte, se prefieren en equipos móviles de baja tensión; en este contexto, nuestro artículo sobre las características de los motores DC de 24 V puede resultar útil para comparar. En aplicaciones de velocidad fija alimentadas desde la red, en lugar de un servo, los motores AC con reductor ofrecen una alternativa más económica.
Aplicaciones de los servomotores
Un servomotor se utiliza allí donde importa no solo que se produzca el movimiento, sino también exactamente dónde y a qué velocidad se produce.
Máquinas CNC. En el mecanizado, la trayectoria de la herramienta de corte se define a nivel micrométrico. En los accionamientos de los ejes, el servomotor mantiene la coordenada ordenada incluso cuando cambia la fuerza de corte. Para generar el movimiento lineal de los ejes, suele utilizarse junto con un mecanismo de cremallera .
Robótica y manipuladores. Cada articulación de un brazo robótico constituye un eje servo independiente. Mantener el extremo del brazo en la posición correcta depende del funcionamiento sincronizado de todas las articulaciones.
Máquinas de envasado y embalaje. La alimentación de la película, la cuchilla de corte y la unidad de llenado deben funcionar de forma sincronizada. En líneas que producen cientos de paquetes por minuto, las desviaciones de milisegundos se convierten en desperdicio. Papel y embalaje es uno de los sectores en los que los servoaccionamientos se utilizan con mayor intensidad.
Máquinas textiles. El mantenimiento constante de la tensión del hilo, el control del patrón y la sincronización de la alimentación se consiguen mediante ejes servo. Textil es un ámbito en el que el modo de control de par cobra especial importancia.
Líneas generales de automatización. Las estaciones de etiquetado, apilado, corte, posicionamiento y transferencia funcionan con servoaccionamientos. Para la arquitectura del sistema y las comunicaciones, puede consultar nuestra página de automatización .
Relación entre el servomotor y el reductor
Los servomotores funcionan a alta velocidad y con un par relativamente bajo. Sin embargo, la mayoría de las máquinas en campo requieren lo contrario: baja velocidad y alto par. El componente que cubre esta diferencia es el reductor y, en las aplicaciones servo, el reductor no es un accesorio, sino una parte del sistema.
El reductor aporta cuatro ventajas principales al sistema servo:
| Aportación | Efecto en el sistema |
|---|---|
| Aumento del par | El par se multiplica según la relación de reducción, lo que permite seleccionar un motor más pequeño y con menor consumo de corriente |
| Reducción de velocidad | La alta velocidad a la que el motor trabaja de forma eficiente se reduce a la velocidad de funcionamiento que necesita la máquina |
| Adaptación de inercia | La inercia de la carga reflejada al motor se reduce por el cuadrado de la relación de reducción; el sistema funciona de forma más estable y con menos vibraciones |
| Aumento de resolución | Cada grado del eje del motor corresponde a un ángulo menor en el eje de salida tras dividirse por la relación de reducción |
La adaptación de inercia es uno de los aspectos que más se pasan por alto en las aplicaciones servo. Cuando la inercia de la carga es mucho mayor que la inercia del motor, el sistema oscila, aumenta el tiempo de estabilización y la máquina vibra mientras la realimentación del encoder intenta corregir continuamente el error. Elegir la relación de reducción correcta resuelve el problema desde su origen.
El tipo preferido en los accionamientos servo es el reductor planetario. La razón es estructural: la carga se distribuye entre varios engranajes planetarios en lugar de concentrarse en un único par de engranajes. Esta distribución proporciona una alta capacidad de transmisión de par, bajo juego (backlash) y elevada rigidez torsional en una carcasa compacta. Como la precisión de posicionamiento depende directamente del juego, en las aplicaciones servo se utilizan reductores planetarios con bajo juego angular. Para conocer en detalle el principio de funcionamiento, consulte nuestro artículo sobre el funcionamiento de los reductores planetarios .
Durante la selección hay dos cálculos determinantes: el par de salida que requiere la aplicación y la relación de reducción necesaria. Para estos cálculos se pueden aplicar directamente las fórmulas de nuestros artículos sobre el cálculo de par y el cálculo de velocidad del reductor .
Seleccionemos juntos el reductor adecuado para su aplicación servo
En una máquina accionada por servo, el rendimiento no depende únicamente de la potencia del motor, sino de la correcta compatibilidad entre motor, reductor y carga. Una relación de reducción mal seleccionada o un reductor con demasiado juego provocará errores de posicionamiento y vibraciones incluso con el mejor servomotor.
Desde 1987, Remak Redüktör fabrica reductores y cajas de engranajes. En función de los valores de par, velocidad e inercia de su aplicación, podemos determinar juntos la serie de reductores planetarios adecuada. Puede consultar nuestra gama de productos en la página de reductores planetarios y ponerse en contacto con nosotros a través de la página de contacto para compartir los detalles técnicos de su proyecto.
Preguntas frecuentes sobre servomotores
¿Cuál es la diferencia entre un servomotor y un motor paso a paso?
La diferencia principal está en la realimentación. Un motor paso a paso funciona en lazo abierto; gira el número de pasos indicado, pero no puede comprobar si realmente se ha movido. Si la carga es mayor de lo previsto, puede perder pasos sin detectarlo. Un servomotor, en cambio, conoce en todo momento su posición mediante el encoder y corrige inmediatamente las desviaciones. Los motores paso a paso son económicos a bajas velocidades y con cargas constantes; los servomotores se utilizan cuando se requieren alta velocidad, cargas variables y precisión en la parada.
¿Por qué se añade un reductor a un servomotor?
Por cuatro motivos: aumentar el par del motor según la relación de reducción, reducir la alta velocidad del motor hasta la velocidad de trabajo de la máquina, llevar la inercia de la carga a un nivel que el motor pueda manejar para evitar vibraciones y mejorar la resolución de posicionamiento. Sin reductor, sería necesario utilizar un motor mucho más grande y caro para obtener el mismo par; además, una elevada inercia de la carga puede volver inestable el sistema.
¿Con qué precisión puede posicionarse un servomotor?
La precisión depende de tres factores: la resolución del encoder, el juego angular del reductor y la rigidez de los elementos de transmisión mecánica. Los encoders industriales pueden generar cientos de miles de pulsos por vuelta, por lo que la resolución teórica puede alcanzar aproximadamente una milésima de grado. Sin embargo, en la práctica el factor limitante suele ser la conexión mecánica y no el motor. Si se utiliza un reductor con mucho juego, aparecerá una desviación en el eje de salida independientemente de la precisión del encoder.
¿Cuándo debe preferirse un motor normal (asíncrono) frente a un servomotor?
Si no importa el punto exacto en el que se detiene el movimiento y la velocidad puede mantenerse constante, un motor asíncrono es suficiente. En ventiladores, bombas, mezcladores, transportadores de funcionamiento continuo y aplicaciones similares, no se utiliza la capacidad de posicionamiento del sistema servo, por lo que el coste adicional no aporta beneficios. Si basta con disponer de velocidad variable, un motor asíncrono accionado por un variador de frecuencia ofrece una solución mucho más económica. El servo solo tiene sentido económico cuando realmente se necesita precisión de posicionamiento o sincronización.
¿Puede funcionar un servomotor sin servoaccionamiento?
No. El servoaccionamiento es la unidad que alimenta los bobinados del servomotor en la secuencia y con la corriente correctas, al tiempo que lee y procesa la señal del encoder. Aplicar tensión directamente al motor no produce un movimiento controlado. Además, el motor y el servoaccionamiento deben ser compatibles; si la capacidad de corriente del accionamiento, el tipo de encoder y el protocolo de comunicación no coinciden con el motor, el sistema no funcionará.
¿Mantiene un servomotor su posición cuando se corta la alimentación?
Cuando se corta la alimentación, el motor deja de producir par de mantenimiento, por lo que en los ejes verticales la carga puede descender por su propio peso. En aplicaciones con este riesgo se utiliza un freno electromagnético que se activa cuando no hay alimentación. Para conservar la información de posición se prefiere un encoder absoluto; con una batería de respaldo, este tipo de encoder recuerda la posición tras un corte de alimentación y elimina la necesidad de volver a referenciar la máquina.
