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Como funcionam os servos (MEC066a)

Um dos dispositivos mais importantes no controle de robôs e automatismos é o servomotor, ou simplesmente servo. Como funciona este tipo de dispositivo e quais são os seus circuitos básicos é o que veremos neste artigo.

O movimento suave de um braço de robô até uma posição, ou ainda o deslocamento de uma parte móvel de uma máquina até o local exato desejado não precisa necessariamente ser feito com a ajuda de motores de passo ou outros dispositivos sofisticados.

A solução simples representada pelo servo já é conhecida há muito tempo pelos praticantes de rádio-controle, utilizando dispositivos denominados servos para movimentar com precisão lemes e flaps de barcos e aeromodelos.

A simplicidade de tais dispositivos torna-os ideais para o controle de automatismos e robôs.

Neste artigo analisaremos o princípio de funcionamento e como podem ser usados os servos.

 

O SERVO BÁSICO

O tipo mais comum de servo empregado em controle remoto é o exemplificado na figura 1, que contém em seu interior um circuito de controle e um pequeno motor com redução que movimenta uma alavanca.

 

 

Um servo usado em controle remoto
Um servo usado em controle remoto

 

A partir de um sinal de entrada (uma tensão) aplicada à entrada deste dispositivo podemos movimentar o braço até uma posição determinada de modo proporcional.

Por exemplo, se variarmos a tensão de 0 a 6 V, o braço tem seu ângulo de movimentação variado entre 0 e 90 graus, conforme mostra a figura 2.

 

A faixa de ângulos em que o servo pode posicionar-se.
A faixa de ângulos em que o servo pode posicionar-se.

 

Isso significa que podemos usar este dispositivo para colocar na posição desejada um leme, um flap ou ainda uma roda de direção simplesmente emitindo um sinal que corresponde à posição desejada, observe a figura 3.

 

Um controle de direção de um auto-modelo usando servo.
Um controle de direção de um auto-modelo usando servo.

 

Para os adeptos de Robótica e Mecatrônica esta possibilidade é fantástica, pois basta, por exemplo, ligar na saída de um PC um conversor analógico digital (A/D) como o ilustrado na figura 4, e através de software posicionar a alavanca do servo para qualquer ângulo desejado.

 

Usando um conversor D/A para controlar um servo a partir de um PC.
Usando um conversor D/A para controlar um servo a partir de um PC.

 

Pode-se utilizar os canais da porta paralela para enviar a posição desejada e também, num sistema de multiplexação, controlar mais de um servo.

Um conjunto deles pode ser usado para controlar um braço de robô ou qualquer outro automatismo, conforme se vê na figura 5.

 

Cinco servos para dar movimento a um braço de robô.
Cinco servos para dar movimento a um braço de robô.

 

Mas, para fazer tudo isso é interessante começar analisando o princípio de funcionamento dos servos, porque a partir desse princípio é possível até construir o próprio dispositivo com uma potência maior do que a disponível na maioria dos modelos comerciais.

 

COMO FUNCIONA

Na figura 6 temos o circuito básico de um servo que utiliza um amplificador operacional ligado como comparador, dois transistores de potência e um motor de corrente contínua acoplado a uma caixa de redução.

 

Um circuito típico de servo.
Um circuito típico de servo.

 

No eixo da caixa de redução temos acoplado um potenciômetro de realimentação, que funciona como um sensor de posição da alavanca.

A caixa de redução é um elemento muito importante no servo, pois ela tem diversas funções:

a) Reduzir a velocidade de ação de modo que o potenciômetro acoplado não envie variações de posição muito rápidas ao circuito a ponto de causar sua instabilidade de funcionamento, e do próprio dispositivo mecânico externo que vai ser controlado.

b) Aumentar o torque (força) de modo que a alavanca possa movimentar pesos maiores.

 

A taxa de redução desta caixa depende da aplicação. Há no comércio caixas de redução com taxa elevada de redução que, a partir de um pequeno motor de corrente contínua de 3 ou 6 V, podem movimentar grandes pesos sendo, portanto, recomendada para este tipo de aplicação (figura 7). Com ela é possível elaborar bons servos para aplicações em Robótica e Mecatrônica.

 

Caixa de redução para robótica e montagem de servos.
Caixa de redução para robótica e montagem de servos.

 

O funcionamento do circuito é simples de entender.

Quando ligamos a alimentação do circuito (observe que a fonte de alimentação deve ser simétrica) na entrada do comparador de tensões, que é o amplificador operacional, aparecem duas tensões.

Uma delas é a tensão aplicada por um potenciômetro de controle externo ou de um circuito que envia ao servo a informação sobre a posição em que seu braço deve ser levado.

A outra é a tensão aplicada pelo potenciômetro ligado ao eixo da caixa de redução, que diz em que posição o braço do servo se encontra.

Se a tensão aplicada pelo potenciômetro sensor for maior do que a aplicada pelo comando, indicando que o braço está além da posição desejada, o comparador envia um sinal que faz com que o transistor Q1 conduza o braço e o motor gire no sentido de trazer de volta à posição desejada.

O ganho do comparador deve ser tal que, quando o potenciômetro chegar perto da posição desejada, a tensão caia rapidamente e o motor pare.

Se o potenciômetro sensor, por outro lado, enviar um sinal que corresponda a uma tensão que "diga" ao comparador que o braço está antes da posição desejada, a saída do comparador será invertida e o transistor Q2 é que vai conduzir avançando o braço até onde se queira.

Se o ganho for muito alto, poderá ocorrer uma oscilação, já que o circuito e o motor têm certa inércia, e o motor passará então da posição original devendo voltar conforme mostra a figura 8. O motor inverte a rotação e isso pode ocorrer diversas vezes.

 

Comportamento no ajuste de posição de um servo.
Comportamento no ajuste de posição de um servo.

 

No projeto de um servo é muito importante dotar o circuito de recursos de amortecimento rápido e de ganho do operacional para que esta oscilação não ocorra.

Quando o comando de posição do servo é mudado (o potenciômetro de controle é movimentado ou a tensão de controle muda), o comparador percebe imediatamente a diferença entre a tensão enviada pelo potenciômetro sensor e esta, e trata de fazer a correção com a condução de Q1 ou Q2,conforme o caso.

Veja que o processo é muito simples e não envolve dispositivos móveis como chaves ou relés.

 

CIRCUITO PRÁTICO

Para um pequeno motor de corrente contínua de até 12 V com corrente de até 1 ampère, é simples projetar um circuito de servo, lembrando que a caixa de redução é importante neste caso.

Na figura 9 temos um circuito prático que pode ser adaptado com facilidade para aplicações didáticas e experimentais em Robótica e Mecatrônica.

 

Servo simples com A.O.
Servo simples com A.O.

 

O ganho do amplificador operacional é determinado pelo resistor de realimentação entre a saída e a entrada inversora (pino 2). Este resistor pode ter valores entre 0 (ganho unitário) e 1 M ?. O uso de um potenciômetro de 1 M ? pode ser interessante para aplicações experimentais de modo a se ajustar o funcionamento para o ponto desejado. Depois disso, pode-se trocar o valor de resistência ajustado por um resistor fixo.

O capacitor de entrada também pode ser alterado de acordo com a aplicação. Este componente determina a inércia do circuito e depende da aplicação.

A combinação da realimentação com o capacitor vão determinar a oscilação final que o braço de comando terá quando alcançar uma determinada posição.

A sensibilidade deste circuito é excelente o que permite usar não só um potenciômetro de controle na entrada, como sinais de diversos outros tipos de circuitos.

 

Um deles é apresentado na figura 10 e consiste no uso de um LDR.

 

Servo controlado por luz ou sombra.
Servo controlado por luz ou sombra.

 

Com este tipo de sensor óptico pode-se usar um cartão com uma fenda para determinar a posição do servo, sendo o cartão acoplado em dispositivos mecânicos.

O uso de uma lente convergente diante do sensor permite que o sistema seja usado como um "olho" de robô conseguindo determinar ações em função de pontos de uma imagem detectada.

Por exemplo, se o sensor for colocado diante de um robô, ele pode controlar a sua aproximação até um local, de modo que ele pare exatamente onde exista um determinado nível de iluminação.

Na figura 11 ilustramos isso: o robô se aproxima de uma parede branca iluminada somente até uma distância em que o nível de luz captado seja aquele ajustado previamente no circuito.

 

O robô se matem a uma distância segura da parede.
O robô se matem a uma distância segura da parede.

 

Se o robô se aproximar demais, o servo "inverte" sua rotação e o robô volta, ou é posicionado de modo a ficar mais longe.

Observe que não só potenciômetros comuns podem ser adaptados ao eixo da caixa de redução, mas também os tipos multivoltas, dependendo da aplicação.

Outra aplicação é a indicada na figura 12 em que temos um conversor analógico digital que permite controlar o nosso circuito de exemplo, a partir de um computador usando a porta paralela.

 

Figura 12
Figura 12

 

Neste circuito, geram-se tensões de 0 a 6 V em 256 passos de modo a termos 256 posições diferentes para o braço do servo, dadas pelos valores digitais de 0000 0000 a 1111 1111.

Programas em Basic ou em Delphi (veja nosso Curso) podem ser desenvolvidos facilmente para levar o servo a qualquer posição desejada dentro do giro do potenciômetro de realimentação.

 

CONCLUSÃO

Como o leitor pode perceber, o acoplamento da parte eletrônica de um projeto de robô ou automação com a parte mecânica, fica sensivelmente simplificado com a ajuda dos servos.

E, para aqueles que gostam do assunto, existem duas possibilidades para se contar com servos: podem ser montados com certa facilidade, e até podem ser utilizados os tipos encontrados em casas especializadas em aeromodelos e carrinhos de controle remoto.

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