SERVOMOTORES

Antnio M. S. Francisco Dezembro de 2004

Servomotores

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NDICE1. Introduo .............................................................................................. 2 2. Princpio de Funcionamento dos Servos ....................................................... 3 3. Controlo do ngulo de Rotao dos Servos ................................................... 3 4. Ficha tcnica do servo Hitec HS-311 ............................................................ 5 5. Ficha tcnica do servo Futaba S3003 ........................................................... 6 6. Tenso de Alimentao dos Servos ............................................................. 7 7. Binrio dos Servos .................................................................................... 7 8. Utilizao dos Servos ................................................................................ 7 9. Servos Modificados para Rotao Continua ................................................... 7 10. Controlo dos Servos Modificados ............................................................. 10 11. Servos Digitais ..................................................................................... 10 12. Servos Verso Motores Passo a Passo ....................................................... 11 13. Cabo de Ligao dos Servos ................................................................... 12 14. Circuito de Comando para Servos ........................................................... 13

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1. INTRODUOOs servomotores (servo motors) ou servos RC (Rdio Controle) ou simplesmente servos, figura seguinte, so pequenos dispositivos constitudos basicamente por: um motor DC, um circuito electrnico de controlo, um pequeno potencimetro que roda solidrio com o eixo do servo, um conjunto de engrenagens e trs condutores exteriores de ligao; dois para a alimentao DC e outro para ligao do sinal de comando.

O motor do servo ao ser alimentado faz rodar uma srie de engrenagens (redutoras) que amplificam e transferem o binrio do motor ao eixo externo, onde esto ligados os dispositivos a movimentar. Obtm-se assim uma fora considervel custa da reduo da velocidade.

Se o motor fosse ligado directamente ao eixo de controlo, para movimentar a mesma carga, o tamanho fsico do motor teria que ser vrias vezes superior ao que os servos utilizam. Tambm no seria possvel obterem-se baixas rotaes. Um servo utilizado para controlar movimentos angulares, tipicamente, entre 0 e 180 pois no mecanicamente capaz de rodar muito mais devido existncia de um potencimetro e de um batente mecnico na engrenagem de sada A utilizao dos servos muito interessante uma vez que pequenos motores so capazes de deslocar massas considerveis, tornando-os poderosos para o seu tamanho.

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Um servo vulgar (standard), como o HS-311 da Hitec, tem um binrio de 3 kg.cm, o que bastante para o seu tamanho, apesar de um consumo de energia baixo.

2. PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO DOS SERVOSO circuito electrnico de controlo e o potencimetro formam um sistema interno de realimentao (feedback) para controlo da posio do eixo do servo. Tipicamente, o eixo de um servo roda entre 0 e 180 e pode ser posicionado, entre estes dois valores angulares, pela aplicao de um sinal na entrada de controlo. Aplicado e mantido o sinal, o servo manter a posio angular do seu eixo. Se o sinal mudar, ento a posio angular do eixo tambm muda. Caso no seja aplicado sinal, s as foras de atrito mantm o servo na sua posio angular. O sistema interno de realimentao faz com que o servo rode para uma determinada posio em resposta a um determinado trem de impulsos. O potencimetro de feedback, que est conectado mecanicamente ao eixo do servo, funciona como sensor que indica a posio do eixo a diviso de tenso no potencimetro produz uma tenso proporcional ao ngulo do eixo do servo uma vez que a sua resistncia varia em funo do ngulo de rotao do motor. O circuito electrnico compara o valor da resistncia do potencimetro com os impulsos que recebe pela linha de controlo, activando o motor para corrigir qualquer diferena que exista entre ambos. Isto , o potencimetro permite ao circuito de controlo verificar a todo o momento o ngulo de rotao do servomotor. Se o eixo est no ngulo correcto, o motor no roda. Se o circuito verifica que o ngulo no o correcto, o motor roda, no sentido adequado, at alcanar o ngulo correcto. A comparao entre o valor do potencimetro e a amplitude dos impulsos, e as correces que origina, so as componentes de um processo de controlo designado por controlo em malha fechada. A tenso aplicada ao motor do servo proporcional distncia que o eixo necessita de rodar. Logo, se o eixo precisa de rodar muito, o motor roda velocidade mxima. Se precisa de rodar pouco, o motor roda a uma velocidade mais baixa. A isto chama-se controlo proporcional.

3. CONTROLO DO NGULO DE ROTAO DOS SERVOSO ngulo de rotao do motor dos servos determinado pela durao do impulso (tempo ON) que se aplica na entrada de comando. O servo funciona em PWM (Pulse Width Modulation, modulao por largura de impulso), sistema que consiste em gerar uma onda quadrada em que se varia a durao do impulso, mantendo o perodo da onda. A largura mnima e mxima do impulso depende do tipo de servo. No entanto, e no caso geral, se o servo receber na sua entrada impulsos com a durao de 1.5ms, o seu eixoAntnio Francisco

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roda at ficar estvel no centro do intervalo de rotao, a que corresponde o ngulo de 90. Se receber impulsos com a durao de 1ms, roda, no sentido anti-horrio, at atingir o limite do intervalo de rotao correspondente a 0. Se receber impulsos com a durao de 2ms, roda, no sentido horrio, at atingir o outro limite do intervalo de rotao correspondente a 180 ou um pouco mais. Impulsos ente 1ms e 1.5ms faro com que o servo rode para posies intermdias entre 0 e 90, enquanto impulsos entre 1.5ms e 2ms faro com que o servo rode para posies intermdias entre 90 e 180.

Os impulsos, para que o servo funcione correctamente, devem ser aplicados a cada 20 ms (50 Hz) mas valores entre 10 ms e 30 ms tambm so possveis.

Se um mesmo impulso for aplicado ciclicamente na entrada do servo ele mantm-se na mesma posio angular. Ao tentar-se rodar manualmente a engrenagem do servo, o circuito de controlo detecta uma diferena entre o valor do potencimetro e a amplitude dos impulsos e activa o motor para a tentar corrigir. Este processo to rpido que apenas se sente o servo a resistir tentativa de se alterar a sua posio. Note-se que a durao dos impulsos e os valores angulares de rotao do eixo dependem dos fabricantes. Os valores indicados atrs so valores mdios.

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4. Ficha tcnica do servo Hitec HS-311(http://www.hitecrcd.com)

Tenso de alimentao Impulso de comando Binrio Velocidade Corrente (4,8 V) Corrente (6 V) Mnimo do impulso Impulso posio neutra Mximo do impulso Frequncia de repetio dos impulsos Dimenses Peso Cdigo de cores do cabo

4,8 - 6 VDC 3 - 5 V (pico a pico) 3 kg.cm a 4.8 V 3,7 kg.cm a 6 V 0.19 s / 60 a 4.8 V (sem carga) 0.15 s / 60 a 6 V (sem carga) 7,4 mA (repouso) 160 mA (operao sem carga) 7,7 mA (repouso) 180 mA (operao sem carga) 0,9 ms (0) 1,5 ms (90) 2,1 ms (180) 50 Hz (20 ms) 40 x 20 x 37mm 43 g +V - vermelho GND - preto Sinal de controlo - amarelo

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5. Ficha tcnica do servo Futaba S3003(http://www.futaba-rc.com)

Tenso de alimentao Impulso de comando Binrio Velocidade Corrente (4,8 V) Corrente (6 V) Mnimo do impulso Impulso posio neutra Mximo do impulso Frequncia de repetio dos impulsos Dimenses Peso Cdigo de cores do cabo

4,8 - 6 VDC 3 - 5 V (pico a pico) 3,2 kg.cm a 4.8 V 4,1 kg.cm a 6 V 0.23 s / 60 a 4.8 V (sem carga) 0.19 s / 60 a 6 V (sem carga) 7,2 mA (repouso) 8 mA (repouso) 0,34 ms (0) 1,32 ms (90) 2,3 ms (180) 50 Hz (20 ms) 41 x 20 x 36mm 37,2 g +V - vermelho GND - preto Sinal de controlo - branco

Notas: Os impulsos no desejados, que possam ocorrer no tempo OFF do sinal aplicado ao servo, podem interferir com o sincronismo interno e provocarem zumbido ou vibrao no eixo; Se o servo receber impulsos cuja durao, mnima e mxima, corresponda ultrapassagem dos limites mecnicos de rotao, entra em vibrao. As engrenagens esto a ser foradas. Nesta situao, deve-se alterar a durao dos impulsos de modo a eliminar-se a vibrao; Se o servo apresenta rudo e o seu movimento for irregular, pode significar que algum dente da engrenagem esteja defeituoso; Se o perodo dos impulsos for demasiado elevado, em relao ao valor indicado pelo fabricante, o eixo do servo pode mover-se devido ao peso da carga que suporta. Se o perodo for demasiado pequeno, o servo pode emitir zumbido e aparecer vibrao no eixo de sada; A corrente absorvida pelos servos proporcional carga mecnica a que esto sujeitos. Um servo com pouca carga no consome muita energia.Antnio Francisco

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6. TENSO DE ALIMENTAO DOS SERVOSA tenso de alimentao dos servos est normalmente compreendida entre 4,8 V e 6 V, sendo recomendvel a tenso de 5 V. Quanto mais baixa a tenso mais lenta a resposta do servo e menor o seu binrio. A corrente de alimentao depende da potncia do servo. Normalmente o fabricante indica o valor da corrente. Esta depende, principalmente, do binrio do servomotor e pode exceder 1 A se o servo se encontrar bloqueado.

7. BINRIO (TORQUE) DOS SERVOSO binrio dos servos permite avaliar a fora que os mesmos so capazes de exercer. Por exemplo, o servo Hitec 311 apresenta um binrio de 3 kg.cm a 4,8 V. Isto significa que com uma polia, engrenagem ou brao de 1 cm de comprimento ligado ao eixo do servomotor, o mesmo est apto a levantar at 3 kg. Caso a polia, engrenagem ou brao possua, por exemplo, 2,5 cm, o servo ser capaz de levantar at 1,2 kg. Da, para os tamanhos que possuem, os servos so extremamente potentes.

8. UTILIZAO DOS SERVOSOs servos so utilizados principalmente em modelismo e na robtica, so exemplos de utilizao em modelismo: telecomando de avies, carros, barcos. Em robtica so utilizados para efectuar deslocamentos e posicionamentos.

9. SERVOS MODIFICADOS PARA ROTAO CONTINUAUm servo normalmente usado para controlar um movimento angular entre de 0 e 180. No capaz (a menos que modificado) de rodar muito mais que isso. Isto deve-se existncia do potencimetro ligado mecanicamente ao eixo de sada e tambm a um batente mecnico na engrenagem. Para que um servo rode continuamente, como um simples motores DC, ter que ser modificado. Para isso, ter de ser removido o batente existente na engrenagem.

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Retirado o batente, como o potencimetro efectua um deslocamento angular de pouco mais de 180 e roda solidrio com o eixo do servo, a rotao livre ainda no possvel. Para que seja possvel a rotao, duas hipteses se colocam: ou se retira o potencimetro ou se arredonda o furo, da roda dentada, onde o veio do potencimetro encaixa.

Opo 1Caso a opo seja arredondar o encaixe da roda dentada, o que no o mais aconselhado porque se pode inutilizar a roda, executar esta operao com muito cuidado e com o auxlio de uma broca de dimetro ligeiramente superior ao dimetro do eixo do potencimetro. Ver figuras seguintes.

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Resultado:

Ao realizar-se esta operao, ter em conta que ao rodar-se o servo, o eixo do potencimetro no deve tocar na abertura efectuada na roda dentada. Executada a operao mecnica, depois h que efectuar a operao elctrica. Para isso, regular o eixo do potencimetro para metade do valor da resistncia e fixar o veio eficazmente com super cola, de forma a impossibilitar a sua rotao.

Opo 2Nesta opo o potencimetro retirado do servo e no seu lugar so soldadas duas resistncias de igual valor nominal, cuja soma seja idntica ao valor nominal do potencimetro. Assim, obtm-se um divisor de tenso com tenses iguais. Este divisor de tenso fixo convence a electrnica do servo, tal como na opo 1, que este est na posio neutra. Se o potencimetro for de 5k, as resistncias devem ser de 2,5 k ou de valor prximo, mas sempre iguais. Esta soluo prefervel uma vez que no se corre o risco de se inutilizar a roda dentada ao realizar-se a abertura, como na 1 opo. Nota: A tcnica de se colocar o servo a rodar continuamente eficiente, mas para isso o circuito do excitador do motor do servo, existente no seu circuito electrnico, ter de ser capaz de alimentar o motor permanentemente e velocidade mxima. O servo na sua utilizao normal funciona de forma intermitente e nem sempre velocidade mxima. Por isso, o circuito de controlo poder no ser capaz de suportar o esforo.

Opo 3Outra forma de utilizar os servos como simples motores DC consiste em retirar toda a electrnica (no esquecer de retirar o potencimetro) e deixar apenas o motor e os redutores mecnicos. Retirado o potencimetro elimina-se a realimentao, o potencimetro j no roda solidrio com o eixo do motor, deixa de haver sinal de feedback da posio angular do eixo. Neste caso, necessrio utilizar um circuito de controlo externo, que possibilite a utilizao de um sinal de PWM com um duty-cycle praticamente entre 0 e 100% de forma a controlar plenamente a potncia fornecida ao motor. Retirando-se a electrnica do servo, possvel ligar o motor a tenses superiores, tipicamente, at 12V. Nesta opo o motor do servo ligado directamente ao cabo de alimentao e neste so necessrios apenas dois condutores.

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10. CONTROLO DOS SERVOS MODIFICADOSModificado o servo, o seu controlo, com excepo para a opo 3, continua a ser feito de forma semelhante descrita para os servos no modificados. Enquanto num servo no alterado a durao dos impulsos determina o ngulo de rotao desejado, no caso de um servo modificado a durao dos impulsos correspondem velocidade e sentido de rotao. Assim, impulsos de durao 1 ms fazem o servo modificado rodar, no sentido anti-horrio, velocidade mxima, enquanto impulsos de durao 2 ms fazem com que o servo rode, no sentido horrio, tambm velocidade mxima. Valores intermdios de impulsos fazem o servo rodar com maior ou menor velocidade. Agora, a velocidade e o sentido de rotao do motor so relativo a uma tenso fixa, no dependem da posio angular do eixo. Deste modo, obtm-se um motor DC que roda nos dois sentidos e com controlo de velocidade. No caso de um servo modificado bem calibrado, uma amplitude de 1,5 ms far com que o mesmo se mantenha em repouso. A utilizao dos servos como simples motores DC pode parecer estranha, principalmente quando se retira toda a electrnica e se faz o controlo por fora. No entanto, esta soluo apresenta uma enorme vantagem mecnica relativamente utilizao de motores DC comuns. A forte reduo (desmultiplicao) j incorporada permite obter um bom compromisso entre fora e velocidade mantendo a potncia solicitada em nveis baixos. Por outro lado, a desmultiplicao tambm favorece o controlo de velocidade numa gama relativamente alargada, j que a velocidade do motor sempre mantida a um nvel bastante mais elevado do que a velocidade no final da reduo. Repare-se, tambm, que todos os componentes mecnicos se encontram encerrados no interior de uma pequena caixa de plstico com um eixo de sada no qual de liga directamente uma roda. Por fim, mesmo no fazendo uso de parte do contedo do servo, esta soluo das mais baratas quando comparada com outras solues do mesmo nvel de potncia e fora com desmultiplicao includa.

11 SERVOS DIGITAISAlm dos servos analgico, os referidos no texto, tambm existe no mercado servos digitais, figura seguinte.

A grande diferena entre um servo digital e um servo analgico a existncia de um microprocessador no servo digital. Este tem por finalidade processar a informao vinda da entrada de comando e efectua o controlo do motor. Os servos digitais oferecem a possibilidade de se configurar os parmetros de sentido de rotao, posio neutra, posio final e velocidade. As principais diferenas, entre estes dois tipos de servos, so as seguintes:Antnio Francisco

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O circuito electrnico interno de um servo digital envia para o motor DC, num mesmo tempo, mais sinais digitais que o circuito electrnico de um servo analgico. Assim, o motor do servo digital reage mais rapidamente e possui um binrio maior e constante (cerca de trs vezes superior); Os servos digitais tambm conseguem realizar ajustes mais precisos uma vez que trabalham com muitos mais passos; Os servos digitais conseguem manter a sua posio de uma forma mais eficaz; O consumo de energia de um servo digital superior ao dos servos analgicos, sendo aconselhvel, em servos digitais potentes, a utilizao de uma bateria independente para alimentao do servo.

12. SERVOS VERSO MOTORES PASSO A PASSOOs motores passo-a-passo (stepper motors ), figura seguinte, podem ser vistos como motores elctricos sem comutadores. Tipicamente todos os enrolamentos fazem parte do estator e o rotor um man permanente ou, no caso de motores de relutncia varivel, um bloco dentado de algum material ferromagntico. Toda a comutao feita pelo circuito electrnico de controlo.

Na maior parte dos steppers, o seu passo pode ser controlado com frequncias que possibilitem ao rotor rodar muito rapidamente e, com um controlador apropriado, arrancados e parados em determinadas posies com uma muito boa preciso. Para algumas aplicaes, h a opo entre usar servos ou motores passo a passo. Ambos os tipos de motor oferecem oportunidades semelhantes para posicionamento preciso, mas diferem no controlo. Enquanto o servo necessita de um controlador que gere impulsos de durao precisa para controlar a sua posio, no stepper esta operao feita pelo circuito de controlo do motor Ao fazer-se a escolha entre servos e motores passo a passo, para uma determinada aplicao, algumas questes tm de ser consideradas. Por exemplo, o posicionamento feito por stepper depende da geometria interna do seu rotor, enquanto o mesmo, com um servo, geralmente, s depende da estabilidade do potencimetro e dos componentes do circuito interno de controlo. Os steppers so usados num simples sistema de controlo de malha aberta; estes so normalmente adequados para sistemas que operam a baixas velocidades com cargas estticas. Os servos, que possuem controlo em malha fechada, podem ser utilizados em controlo para altas velocidades, particularmente em cargas variveis. Se um stepper em malha aberta estiver com uma carga excessiva, todo o conhecimento da posio do rotor perdido e o sistema tem de ser reinicializado; os servos no esto sujeitos a este problema.

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13. CABO DE LIGAO DOS SERVOSEm termos de ligao, o servo possui 3 condutores: dois para alimentao ( + e - ) e um para ligao do sinal de comando. As cores de codificao destes condutores dependem do fabricante. Conector Hitec (S)

Conector Futaba (J)

Conector JR (S)

Conector Airtronic (Z)

Conector Airtronic (T) (antigo, condutor preto a meio)

Ateno! Uma ligao incorrecta dos condutores pode danificar o servo.Antnio Francisco

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14. CIRCUITO DE COMANDO PARA SERVOSNo esquema seguinte apresenta-se uma verso de um driver realizado com base no clssico IC 555. Neste circuito, o 555 ligado como multivibrador astvel (oscilador), que gera impulsos de durao ajustvel, por meio de uma resistncia ajustvel. medida que se roda o eixo do potencimetro, a durao dos impulsos varia desde um mnimo at um mximo. Com os valores indicados no circuito electrnico, consegue-se rodar servos, de diferentes fabricantes, entre 0 e 180.

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