A lo largo de estos últimos años los servos han evolucionado enormemente en cuanto a prestaciones suministradas, ósea, tamaño, velocidad de posicionamiento y par. El último paso adelante en la evolución de los servos es el nacimiento de los conocidos como servos digitales
Los servos digitales tienen sensibles ventajas sobre los servos convencionales incluidos aquellos que incorporan motores "coreless" en cuanto a prestaciones, pero a cambio también muestran algunas pequeñas desventajas, en este documento intentaré exponer los pros y contras de los servos digitales a la vez que aclarar algunos aspectos de su funcionamiento.
Para empezar, un servo digital es lo mismo que un servo estándar excepto que el primero incorpora un cristal de cuarzo y un microprocesador el cual analiza la señal enviada por el receptor a la vez que se encarga de controlar el funcionamiento del servomotor. Es incorrecto pensar que un servo digital es completamente diferente a un estándar en cuanto a arquitectura hardware. un servo digital incorpora el mismo motor ,piñones y caja que los estándar, e incluso y lo más importante es que también disponen de un potenciómetro para la realimentación de posición.
Por tanto la diferencia principal entre ambos tipos reside en la manera en la que se procesa la señal recibida desde el receptor, y en como controla el envío de potencia al servomotor de posicionamiento consiguiendo reducir la banda muerta, incrementando la resolución y generando unos valores de par estático y dinámico mucho más elevados.
Principio de funcionamiento de un servo estándar
Para poder comprender mejor el funcionamiento de estos dispositivos empezaremos por describir brevemente el funcionamiento de una emisora FM de las habitualmente usadas en nuestro hobby; En función de la posición del palote, volante o gatillo se generará un pulso por cada canal de ancho constante y proporcional a dicha posición, de forma que a igualdad de posición corresponda igualdad de ancho de pulso.
Estos pulsos serán “encadenados” consecutivamente de forma que tendremos un tren de pulsos formado por un pulso de cada canal de la emisora y luego un espacio sin señal para realizar la sincronía y así conseguir que el receptor “entienda” que ha finalizado un envío y se prepare para recibir el siguiente, en la siguiente figura vemos tres señales de control, una por cada canal y el espacio de sincronismo entre ellas
Servos analógicos y digitales
en donde el color amarillo representaría al canal 1, el verde al 2, el azul al tercer canal y el espacio libre entre los dos grupos de pulsos sería el sincronismo, esa señal al ser recibida en el receptor, se decodificaría a su vez en tres trenes de pulsos independientes para controlar por separado cada uno de los servos conectados a cada canal. El ancho de pulso oscilará dependiendo del fabricante entre 500 y 2500 msg de forma que aproximadamente un pulso de 1500 msg se le denomina pulso neutro ya que lleva el brazo a posición 0º en caso no estar ya en dicha posición, un pulso de 500 msg representa un posicionamiento a –90º y uno de 2500msg provoca un posicionamiento a +90º, vemos por tanto que el ancho de pulso determina el ángulo de giro del servo, es por eso que a veces cuando usamos un servo de una marca con un receptor de otra tenemos que trimmar la dirección ya que los pulsos neutros no coinciden, en la siguiente tabla vemos las correspondencias de algunos fabricantes:
Estos pulsos son recibidos e interpretados en el receptor y transferidos a la electrónica del servo, esta última es la encargada de realizar dos tareas fundamentales, el control de posicionamiento (detectar si hay diferencia entre la posición actual y la requerida, para ello usa el potenciómetro de posicionamiento) y la gestión de la potencia enviada al motor, es por ello que diferenciaremos entre electrónica de control y de potencia.
En un servo convencional cuando este se encuentra en espera (definiéndose posición de espera como aquella en la cual el servomotor permanece detenido porque ha alcanzado y mantiene la posición solicitada por la emisora, nótese que no tiene porque coincidir obligatoriamente con la posición 0 del servomotor) no se envía tensión al motor de posicionamiento, cuando varía el ancho de pulso enviado por la emisora o se ejerce una fuerza sobre el brazo del servo que provoca la variación de posición del mismo, la electrónica de control responde ordenando a la electrónica de potencia que alimente al servomotor para mantener o alcanzar una nueva posición.
El control de la potencia enviada consiste en “chopear” la tensión nominal de alimentación del servo a una frecuencia de 50 ciclos por segundo (Herzios), esto es lo que se conoce como control de potencia por ancho de pulso, ósea un control “PWM”, imaginaros que nuestro equipo de radio esta alimentado con una batería que por propiedades constructivas genera 4,8Vcc, pues bien, esa tensión no es enviada al motor tal cual, sino que es tratada, este tratamiento conocido como modulación del ancho de pulso consiste en suministrar esa tensión pero no constante en el tiempo sino que lo haremos a intervalos regulares de tiempo constantes con lo cual lo que le esta llegando al motor son pulsos de tensión continua y modulo 4,8, como hemos dicho que este proceso se realiza a 50 ciclos por segundo, los pulsos de alimentación le estarán llegando al motor cada 1/50 segundos, es decir, cada 20 milisegundos.
Una vez sentadas las bases del movimiento de un servomotor analizaremos un parámetro importante, la velocidad de posicionamiento, si variamos el ancho de los pulsos generados en la electrónica de potencia lo que estamos haciendo es aumentar el ciclo de trabajo (definimos ciclo de trabajo como el resultado de dividir el tiempo durante el cual aplicamos tensión al motor entre el tiempo total del ciclo, es decir si el pulso tiene un ancho de 10 msg y el ancho total del ciclo es de 20msg, tendremos un ciclo de trabajo del 50%) ya que estamos aplicando tensión durante más tiempo, luego cuanto más alto sea el ciclo de trabajo, más velocidad desarrollará el servomotor y por tanto el posicionamiento será más rápido.
El segundo parámetro característico de un servo es el posicionamiento ¿cómo sabe que ha llegado a la posición que le esta solicitando la emisora?, es fácil, por el potenciómetro de realimentación, la electrónica de control recibe pulsos del receptor de un ancho correspondiente a la posición deseada, a través del potenciómetro y de otros elementos obtenemos los pulsos con ancho correspondiente a la posición actual, comparándolos se obtiene el error de posicionamiento, si existe error se activa la electrónica de potencia para corregirlo, a mayor error en la posición mayor ciclo de trabajo y por tanto mayor velocidad, a medida que disminuye el error la electrónica de potencia disminuye también el ciclo de trabajo hasta alcanzar ciclo de trabajo 0.
Analizaremos ahora el tercer parámetro de funcionamiento de un servo, la banda muerta, en ingles “Deadband”, tras la explicación anterior será fácil comprender que un pulso muy estrecho, es decir, un ciclo de trabajo muy bajo, no proporcionará prácticamente ningún desplazamiento, ya que la tensión aplicada durante un lapso tan breve de tiempo no será capaz de vencer la fuerza contraelectromotriz, pues bien, definimos banda muerta como el recorrido mínimo de palote, volante o gatillo de emisora necesario para que observemos desplazamiento en el brazo del servo.
El último parámetro es la resolución, la cual se define como la mínima variación de posición alcanzable por el servo, aquí ya intervienen varios factores como son la precisión del potenciómetro de realimentación de posición y sobre todo la frecuencia de trabajo, ya que la posición no se variará con periodos inferiores a 20 milisegundos, es decir, cada 20 msg se generará un pulso de ancho x para llevar el brazo hasta la posición deseada.
Ciclo de trabajo del 50% en un servo estándar a 50 Hz
Principio de funcionamiento de un servo digital
En primer lugar al llevar integrado un microprocesador, es capaz mediante la aplicación de parámetros de funcionamiento de variar la forma en la que se envía potencia al servomotor, esto significa que modifica el ancho de los pulsos y por tanto el ciclo de trabajo en función de unos parámetros de funcionamiento internos (ya no solo en función de la señal enviada por el receptor)de forma que optimice el rendimiento del servomotor, también es posible modificar el funcionamiento de nuestro servo en función de nuestras necesidades, por ejemplo, invertir el sentido de giro, la velocidad de desplazamiento, ancho de pulso neutro, etc, etc, etc.
En segundo lugar es capaz de aumentar la frecuencia de trabajo, si con un servo estándar teníamos 50 ciclos por segundo ahora podremos tener hasta 300 ciclos por segundo con lo cual la duración del periodo baja hasta los 1/300 = 3,33 msg, lógicamente al disminuir el periodo proporcionalmente también disminuirá el ancho de pulso manejable, pero el ciclo de trabajo permanecerá constante, con lo cual conseguimos enviar pulsos mucho mas estrechos pero con más frecuencia, Con este aumento de potencia no solo se consigue aumentar la velocidad de respuesta ante una variación del comando de posicionamiento si no que la variación del aumento o disminución de la potencia suministrada al aumentar la frecuencia proporciona una disminución de la banda muerta, una aceleración / deceleración mucho más rápida y suave, mayor resolución en el posicionamiento y un mayor par, dicho aumento de par se ve reflejado tanto en funcionamiento estático como dinámico, es decir, cuando el servo esta detenido en una posición, la fuerza que hay que ejercer sobre el brazo del mismo para conseguir que gire es muy superior a la de un servo estándar, asimismo el par de giro suministrado cuando está realizando un desplazamiento es tres veces superior al de un servo estándar.
Ciclo de trabajo del 50% en un servo digital a 300 Hz
En resumen, es totalmente recomendable disponer de uno o más de estos fantásticos cacharros si lo que quieres es:
Mayor resolución en el posicionamiento.
Menor ancho de banda muerta.
Mayor eficacia en el posicionamiento (Repetitibilidad).
Respuesta más rápida ante ordenes del control.
Mayor par en cualquier situación.
