Os servos são elementos fundamentais nos projetos de mecatrônica. Sendo os "órgãos efetores" que transformam sinais elétricos em movimentos os servos são encontrados em robôs, automatismos industriais e em qualquer aplicação que envolva controle eletrônico de movimentos. Neste artigo analisamos o funcionamento dos servos (servomotores) e até damos algumas informações para elaboração de projetos práticos com finalidade didática ou experimental.
Nos projetos que envolvem movimentos controlados pela eletrônica e que são amplamente estudados pela mecatrônica, temos basicamente três tipos de dispositivos de conversão de energia elétrica em energia mecânica: os solenoides, os motores de passo e os servomotores.
Os servomotores, pela sua simplicidade e baixo custo já que podem usar motores comuns de corrente contínua ou mesmo alternada, são especialmente indicados para finalidades experimentais e didáticas.
Neste artigo vamos analisar o princípio de funcionamento dos servos ou servomotores e dar algumas aplicações que podem ser muito interessantes em robótica, controles industriais, controle remoto ou mesmo em experimentação.
O QUE É UM SERVO
O servo ou servomotor é um dispositivo que converte um sinal elétrico num movimento proporcional ou num deslocamento de um alavanca.
O servo básico consta de um motor que, por meio de um sistema de redução ou não, aciona um dispositivo de realimentação e uma alavanca. O dispositivo de realimentação serve para indicar a posição da alavanca de modo que o circuito de controle possa levá-la à posição desejada.
Na figura 1 temos a representação simbólica de um servo e que vai servir de ponto de partida para nossas explicações.
A idéia básica do servo é converte um sinal elétrico, por exemplo uma tensão, num movimento proporcional de uma alavanca ou ainda um cursor.
Se um servo pode ter uma alavanca que se movimente de 90 graus, por exemplo, quando a tensão de entrada varia de 0 à 1 volts, as tensões intermediária aplicadas na entrada do circuito podem levar a alavanca a qualquer posição intermediária cujo ângulo seja proporcional a estas tensões.
Esta proporcionalidade entre o movimento e a tensão de entrada (ou outra grandeza) também leva estes dispositivos a serem classificados como de controles proporcionais.
Em outras palavras, existe uma proporção direta entre o ângulo de giro da alavanca do servomotor e a tensão aplicada à sua entrada, conforme mostra a figura 2.
Esta característica leva este dispositivo a uma poder ser usado numa infinidade de
aplicações práticas.
Numa aplicação de controle, por exemplo, basta ter um sensor que indique na forma de uma tensão qual é a posição que deve ser levado um braço mecânico ou alavanca, para que o servo seja capaz de movimentar esta alavanca até a posição desejada.
Uma aplicação muito comum para este tipo de dispositivo é no controle remoto de brinquedos, por exemplo um barco.
Uma alavanca de controle no transmissor tem um potenciômetro que gera um sinal que corresponde à posição que desejamos levar o leme ou o acelerador.
No receptor, um circuito decodificador transforma este sinal numa tensão proporcional que é aplicada ao servo correspondente.
Desta forma, o braço do servo atua sobre o leme ou o acelerador, levando-o à posição desejada. Na figura 3 mostramos como isso funciona.
COMO FUNCIONA
Na figura 4 temos a estrutura simplificada de um servomotor que vai servir de base para nossa análise do princípio de funcionamento.
O motor gira normalmente num sentido ou noutro conforme a polaridade da tensão aplicada, pois trata-se de um motor de corrente contínua comum.
De modo a impedir que ele movimente muito rápido os demais elementos do servo, um sistema simples de engrenagens (ou mesmo correias) pode ser usado.
O motor, no nosso caso, movimenta tanto a alavanca que vai proporcionar o acionamento externo, ou seja, que vai ser acoplada ao dispositivo final como também o eixo de um potenciômetro. O potenciômetro funciona como sensor de posição para o circuito de realimentação.
O circuito de realimentação tem por base um comparador de tensão comum.
Um comparador de tensão nada mais é do que um amplificador operacional com um ganho muito alto, de modo a haver uma comutação muito rápida de sua saída em determinadas condições.
Estas condições podem ser facilmente entendidas a partir do exemplo dado a seguir.
Na entrada inversora (-) aplicamos uma tensão que vai ser a referência do circuito. Esta tensão pode ser aplicada por um divisor resistivo ou mesmo um potenciômetro, conforme mostra a figura 5.
Figura 5
A seguir, aplicamos na entrada não inversora (+) uma tensão que vai aumentando vagarosamente de valor a partir de zero.
Observe que a fonte de alimentação usada neste circuito é simétrica, ou seja, temos uma tensão positiva em relação ao ponto de zero volt e uma tensão negativa a partir de zero volt. Lembre-se que o motor gira num sentido quando aplicamos uma tensão positiva e gira no sentido oposto quando aplicamos uma tensão negativa, conforme mostra a figura 6.
Figura 6
Partindo então da tensão nula na entrada do comparador de tensão, como ela é inferior à tensão de referência, a saída deste circuito se mantém negativa, com o valor máximo dado pela fonte.
A tensão vai subindo então suavemente, mas mantendo-se inferior à referência nada acontece com saída que se mantém negativa. Chega então o instante em que a tensão de entrada iguala a tensão de referência. Neste momento, o comparador comuta e sua tensão de saída tende a zero.
No entanto, o ganho do comparador é muito grande, da ordem de 100 000 vezes ou mais, o que quer dizer que será muito difícil ele se manter exatamente neste ponto, e com a subida da tensão de entrada para um valor maior que a referência, a saída também sobe para o máximo positivo.
Em suma, quando a tensão de entrada supera o valor de referência, a tensão de saída passa do máximo negativo para o máximo positivo, conforme mostra a figura 7.
Figura 7
No caso do servo, a tensão de referência é a tensão aplicada ao controle, ou seja, a tensão que um potenciômetro de controle determina quando ligado como divisor de tensão.
A tensão de entrada, por outro lado, é determinada pelo potenciômetro que está ligado à alavanca, conforme mostra a figura 8.
Quando então colocamos o potenciômetro de controle numa determinada posição, ele determinada a tensão de referência no comparador.
Supondo que o potenciômetro da alavanca não esteja na mesma posição, é aplicada uma tensão diferente da referência e portanto a saída do comparador pode ser positiva ou negativa.
Conforme sua polaridade esta tensão vai fazer com que o motor gire num sentido ou no outro movimentando o potenciômetro de realimentação.
À medida que o potenciômetro se movimenta a tensão que ele aplica se aproxima rapidamente da tensão de referência até o momento em que elas se igualam. Quando elas se igualam o motor inverte sua rotação e passando gora a girar no sentido oposto ele rapidamente alcança novamente o ponto de comutação.
Oscilando então em torno da tensão de referência, o motor praticamente para na posição desejada, conforme mostra a figura 9.
Esta oscilação vai depender da inércia do circuito que pode ser ajustada tanto por meios elétricos como mecânicos para que não ocorram vibrações fortes. Podemos usar capacitores no circuito de realimentação ou mesmo recursos mecânicos para esta finalidade.
Se o potenciômetro de controle for mudado de posição, muda a tensão de referência. Imediatamente o comparador comuta no sentido de fazer o motor girar levando o potenciômetro de realimentação a uma posição que gere a tensão que iguala à referência.
Evidentemente, em lugar do potenciômetro de controle podemos usar qualquer circuito que gere a tensão na faixa de atuação desejada.
O circuito pode ser um conversor digital/analógico (DAC), por exemplo, para se obter um controle digital a partir de um computador, conforme mostra a figura 10.
Podemos usar sensores resistivos como um LDR para movimentar uma janela para que a intensidade de luz chegue exatamente a um nível pré determinado, ou mesmo um segundo sensor de posição.
PROJETOS SIMPLES DE SERVOS
Usando a caixa de redução que vendemos pelo correio é possível montar servos bastante simples.
Uma idéia de projeto que pode ser alterada à vontade pelo leitor conforme a aplicação desejada é a mostrada na figura 11.
Um potenciômetro linear comum é acoplado ao eixo da caixa de redução. A faixa de controle do dispositivo poderá ser tanto a faixa de giro completa do potenciômetro como pode ser alterada em função da tensão de entrada ou referência.
O circuito de controle é mostrado na figura 12 para o caso de um motor de 6 volts.
Os transistores devem ser dotados de radiadores de calor e se for usada fonte de alimentação externa deve ser simétrica com o circuito mostrado na figura 13.
Para este circuito, a faixa de tensões de entrada varia de -6 a +6 volts e comparadores de tensão equivalentes podem ser usados sem problemas.
O capacitor C1 de entrada deve ter seu valor obtido experimentalmente em função do motor e do sistema mecânico de modo a se minimizar o efeito das oscilações no ponto de ajuste.
Para os transistores usados, o motor pode ter até 1 ampère de corrente e eventualmente podem ser usados motores de 12 volts com a mesma corrente máxima, bastante alterar a fonte de alimentação.
Deve-se lembrar a lei da conservação da energia, o que quer dizer que podemos obter maior força com menor deslocamento, ou menos força com maior deslocamento, mas nunca mais força com maior deslocamento.
