Torque y velocidad del servomotor
Calcule el par, la velocidad, la eficiencia y la contraelectromotriz del servomotor a partir de los parámetros eléctricos y de carga.
Fórmula
P_out = T × ω, η = P_out/P_in × 100%
Cómo Funciona
Un servomotor es un actuador rotativo de circuito cerrado que combina un motor de corriente continua o sin escobillas con un codificador de posición y un controlador de retroalimentación. El controlador compara la posición ordenada (mediante el ancho del pulso de la señal PWM) con el ángulo real del eje y acciona el motor para minimizar el error. El par de salida viene determinado por el par nominal de parada del motor y la tensión aplicada, mientras que la velocidad se rige por las RPM en vacío y por el ciclo de trabajo de la señal de control. La señal de control PWM estándar utiliza un marco de 50 Hz con anchos de pulso de entre 1 ms (0°) y 2 ms (180°).
Ejemplo Resuelto
Un servo hobby tiene una potencia nominal de 6 V, un par de parada de 3 kg · cm y una velocidad sin carga de 0,10 s/60°. Paso 1: Convierte el par de parada en N·m: 3 kg·cm × 0,0981 N·m/ (kg·cm) = 0,294 N·m Paso 2 — Determine la velocidad angular sin carga: 60° en 0,10 s → 600 °/s → 600/360 × 2π = 10,47 rad/s Paso 3 — Estime la potencia mecánica máxima: P = T × ω/2 (la potencia máxima se produce con el par medio de bloqueo) P = (0,294/2) × (10,47/2) = 0,770 W Paso 4 — Compruebe el pulso de control: Para una posición de 90°: pulso = 1 ms + (90/180) × 1 ms = 1,5 ms a 50 Hz Resultado: el servo suministra hasta 0,77 W de potencia mecánica. Ajuste el tamaño de la fuente para que proporcione al menos 1,5 veces la corriente de parada para evitar caídas de tensión durante los movimientos rápidos.
Consejos Prácticos
- ✓Agregue una capacitancia volumétrica de 100 a 470 µF cerca de los pines de alimentación del servo para absorber los picos de entrada y evitar el restablecimiento de la MCU
- ✓Para un posicionamiento preciso, utilice servos digitales con engranajes metálicos; los servos analógicos con engranajes de plástico muestran una resistencia y un cumplimiento notables
- ✓Mida la corriente real sin carga con el voltaje de funcionamiento antes de finalizar su presupuesto de energía; los valores de las hojas de datos suelen medirse a un voltaje diferente
Errores Comunes
- ✗Alimentación del servo desde el riel de 5 V del microcontrolador: las corrientes de bloqueo (hasta 1,5 A) bloquearán el suministro de la MCU
- ✗Ignorando la velocidad de fotogramas PWM: la mayoría de los servos analógicos requieren exactamente 50 Hz; los servos digitales toleran hasta 333 Hz
- ✗Suponiendo que el par de parada es continuo, los servoengranajes y bobinados se sobrecalientan si el par de parada se aplica durante más de unos segundos
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre los servos analógicos y digitales?
Los servos analógicos actualizan su bucle PID interno a ~50 Hz (la velocidad de fotogramas PWM). Los servos digitales toman muestras de la entrada PWM y actualizan el variador del motor a una frecuencia de 300 a 400 Hz, lo que proporciona una respuesta más rápida, un par de retención más alto y una mejor resolución, a costa de una mayor corriente de ralentí.
¿Cómo calculo el par necesario para mi aplicación de servo?
Multiplique la masa de la carga (kg) por la aceleración gravitacional (9,81 m/s²) por la longitud del brazo en el momento (m) para obtener el par requerido en N·m. Aplique un factor de seguridad de al menos 2 veces para cargas dinámicas y para mantener la posición en condiciones de vibración.
¿Puedo ejecutar un servo desde un pin PWM de un microcontrolador de 3,3 V?
La mayoría de los servos aceptan una señal PWM de niveles lógicos tan bajos como 3,3 V mientras funcionan con una fuente de alimentación independiente de 4,8 a 6 V. Conecte la señal a tierra, mantenga el riel de alimentación separado y nunca obtenga la alimentación del servo desde el propio pin de la MCU.
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