Um servomotor, ou simplesmente servo, é um dispositivo muito utilizado quando precisamos controlar mecanicamente a posição de alguma coisa.
No modelismo encontramos servos controlando:
leme de barcos;
direção de automodelos;
profundor e ailerons de aeromodelos;
mecanismos articulados
e muitas outras aplicações.
Mas será que conseguimos construir um mecanismo semelhante utilizando materiais extremamente simples?
Neste projeto fiz justamente essa experiência.
Utilizei basicamente:
um pequeno motor DC escovado, um parafuso, uma porca e uma estrutura de madeira.
O resultado é um mecanismo rudimentar que ajuda a compreender vários princípios encontrados em sistemas de atuação e posicionamento.
O que é um servo?
Antes de observar nossa construção, precisamos entender uma diferença importante.
Um motor elétrico comum recebe energia e:
gira.
Se aplicarmos tensão continuamente, ele continuará tentando girar.
Um sistema servo, por outro lado, é utilizado quando queremos controlar alguma grandeza do movimento, frequentemente a:
posição.
Em um servo RC convencional, por exemplo, não queremos simplesmente que o eixo fique girando.
Queremos poder comandar algo como:
vá para determinada posição.
O sistema movimenta o eixo até aquela posição e procura mantê-lo nela.
O problema do motor comum
Imagine que precisamos movimentar o leme de uma lancha.
Poderíamos ligar um pequeno motor diretamente ao mecanismo.
Mas teríamos imediatamente um problema:
como saber quando parar o motor?
Se ele continuar girando, o mecanismo continuará se movimentando até atingir algum limite físico.
Precisamos então de uma maneira de transformar a rotação do motor em um movimento que possa ser:
controlado e limitado.
É justamente aqui que nosso parafuso se torna interessante.
Transformando rotação em movimento linear
Um parafuso e uma porca formam um mecanismo extremamente simples.
Imagine que a porca não possa girar.
Agora fazemos o parafuso girar.
O que acontece?
A porca se desloca ao longo do parafuso.
Temos então uma transformação:
rotação do parafuso
↓
deslocamento da porca.
Se invertermos o sentido de rotação:
a porca se desloca no sentido contrário.
Esse é o princípio mecânico central utilizado neste projeto.
O motor gira o parafuso
Agora conectamos o eixo de um pequeno motor DC escovado ao parafuso.
Quando alimentamos o motor:
motor gira
↓
parafuso gira
↓
porca se desloca.
Invertendo a polaridade aplicada ao motor:
motor gira ao contrário
↓
parafuso gira ao contrário
↓
porca retorna.
Assim conseguimos produzir um movimento de:
ida e volta
utilizando um motor que originalmente apenas produz rotação.
Veja o servo rudimentar funcionando
No vídeo mostro a construção desse mecanismo utilizando materiais simples.
O objetivo não é competir com a precisão ou velocidade de um servo comercial.
A graça do projeto está justamente em observar como podemos transformar o movimento de um pequeno motor em deslocamento mecânico controlável.
Por que utilizar um parafuso?
O parafuso oferece uma vantagem mecânica muito interessante.
Para cada volta completa, a porca avança apenas uma determinada distância.
Essa distância está relacionada ao:
passo da rosca.
Portanto, podemos ter muitas rotações do motor produzindo um deslocamento relativamente pequeno.
Isso funciona como uma forma de:
redução mecânica.
Em troca de velocidade, podemos obter maior capacidade de produzir força linear, dentro das limitações do mecanismo.
Velocidade e força: existe uma troca
Esse conceito aparece constantemente em mecânica.
Imagine duas situações.
Na primeira, queremos que o mecanismo se desloque:
muito rapidamente.
Na segunda, queremos que consiga exercer:
mais força.
Frequentemente precisamos fazer uma escolha entre essas características.
Uma redução mecânica permite trocar:
velocidade
por:
torque ou força disponível.
É exatamente o princípio encontrado em sistemas de engrenagens.
Nosso parafuso também produz uma relação mecânica entre o movimento do motor e o deslocamento final.
Quanto a porca anda a cada volta?
Isso depende da rosca utilizada.
Se um mecanismo possuir avanço de, por exemplo:
1 mm por volta,
então, aproximadamente:
1 volta → 1 mm
10 voltas → 10 mm
20 voltas → 20 mm.
Esse exemplo ajuda a visualizar por que um motor relativamente rápido pode produzir um movimento linear muito mais lento.
O valor real depende do tipo de parafuso e de sua rosca.
A madeira serve como estrutura
Neste projeto, a madeira possui uma função essencialmente:
mecânica.
Precisamos manter as peças alinhadas e criar uma estrutura capaz de sustentar:
motor;
parafuso;
porca
e os pontos de apoio.
Isso mostra uma coisa que gosto bastante nos projetos caseiros:
nem tudo precisa começar com uma peça industrial especialmente fabricada para aquela finalidade.
Materiais simples podem ser excelentes para:
prototipagem e experimentação.
O alinhamento é muito importante
Embora o mecanismo seja simples, existe um detalhe que pode fazer uma enorme diferença:
o alinhamento.
O eixo do motor e o parafuso precisam trabalhar de maneira razoavelmente alinhada.
Caso contrário, podemos gerar:
vibração;
atrito;
esforço lateral no eixo;
travamentos;
perda de eficiência.
Quanto melhor o alinhamento, mais suave tende a ser o movimento.
Como ligar o motor ao parafuso?
Precisamos de algum tipo de:
acoplamento mecânico.
Em uma construção artesanal existem diferentes maneiras de fazer isso.
O importante é que o movimento do eixo do motor consiga ser transmitido ao parafuso sem provocar desalinhamento excessivo.
Em projetos mais elaborados existem componentes específicos chamados:
acopladores de eixo.
Mas em uma experiência rudimentar podemos estudar o princípio utilizando soluções muito mais simples.
Como fazemos o mecanismo andar para os dois lados?
Um motor DC escovado possui uma característica muito útil.
Se aplicarmos:
+ e −
em determinada orientação, ele gira para um lado.
Se invertermos:
− e +
ele gira no sentido contrário.
Portanto:
polaridade A → movimento para um lado
polaridade invertida → movimento para o outro.
Essa reversibilidade é justamente o que precisamos para deslocar a porca para frente e para trás.
Podemos fazer isso eletronicamente?
Sim.
Um circuito muito utilizado para controlar o sentido de rotação de motores DC é a:
ponte H.
Ela permite aplicar ao motor:
uma polaridade
ou:
a polaridade inversa
sem precisarmos trocar os fios manualmente.
De maneira simplificada:
comando 1 → motor gira para frente
comando 2 → motor gira para trás
comando 3 → motor para.
A partir daí, nosso mecanismo mecânico simples começa a poder ser controlado eletronicamente.
Mas isso já é um servo verdadeiro?
Aqui precisamos fazer uma distinção importante.
Não necessariamente.
Até agora construímos um:
atuador eletromecânico reversível.
Podemos mandar o motor girar para um lado ou para o outro.
Mas um verdadeiro sistema servo normalmente possui algo fundamental:
realimentação.
Ou, em inglês:
feedback.
O que é feedback?
Imagine que eu diga:
“vá até a posição 50%”.
Para fazer isso corretamente, o sistema precisa saber:
onde está agora.
Depois movimenta o motor.
Enquanto se movimenta, verifica novamente:
onde estou?
Quando chega à posição desejada:
para.
Temos então:
posição desejada
↓
comparação
↓
movimento do motor
↓
medição da posição atual
↓
nova comparação
↓
correção
↓
posição desejada atingida.
Isso é um sistema de controle em:
malha fechada.
É assim que funciona um servo RC
Um servo RC convencional reúne vários componentes em uma pequena caixa.
De maneira simplificada, encontramos:
motor DC;
engrenagens;
sensor de posição;
circuito eletrônico de controle.
O motor gira muito rapidamente.
As engrenagens reduzem essa velocidade e aumentam o torque disponível no eixo de saída.
O sensor informa ao circuito a posição atual.
E a eletrônica compara essa posição com aquela que foi comandada.
O potenciômetro como sensor de posição
Em muitos servos RC tradicionais, o sensor utilizado é um:
potenciômetro.
O eixo de saída está mecanicamente relacionado a esse componente.
Conforme o eixo muda de posição:
o potenciômetro também muda.
Isso produz uma informação elétrica correspondente à posição.
O circuito consegue então saber aproximadamente:
onde está o eixo.
Sem essa informação, ele saberia apenas que mandou o motor girar.
Não saberia necessariamente:
onde o mecanismo chegou.
Como transformar nosso projeto em um sistema de posição?
Agora nosso mecanismo rudimentar fica muito mais interessante.
Poderíamos acrescentar algum tipo de sensor capaz de informar a posição da porca.
Por exemplo, dependendo do projeto:
potenciômetro;
encoder;
sensor magnético;
sensor óptico
ou outro sistema de medição.
Então poderíamos ter:
posição desejada
↓
controlador
↓
ponte H
↓
motor
↓
parafuso
↓
porca
↓
sensor de posição
↓
controlador novamente.
Agora temos um verdadeiro sistema de controle de posição.
Também precisamos saber onde termina o percurso
Existe outro problema importante.
Imagine que a porca chegue ao final do parafuso e o motor continue tentando girar.
O mecanismo pode:
travar;
forçar o motor;
aumentar muito a corrente;
danificar alguma peça.
Por isso, mecanismos lineares frequentemente utilizam:
fins de curso.
São sensores ou interruptores que indicam que o mecanismo chegou ao limite permitido.
O que acontece quando o motor trava?
Quando um motor DC está girando normalmente, sua corrente possui determinado valor.
Quando impedimos mecanicamente sua rotação, podemos chegar à condição chamada:
stall, ou rotor bloqueado.
Nessa situação, a corrente pode aumentar bastante.
Isso pode provocar:
aquecimento;
sobrecarga do circuito;
danos ao motor;
danos à ponte H;
danos à fonte ou bateria.
Por isso não é uma boa ideia simplesmente deixar o motor pressionando indefinidamente o final do mecanismo.
Um fim de curso pode resolver parte do problema
Podemos colocar um pequeno interruptor em cada extremidade.
Quando a porca atingir um dos limites:
aciona o fim de curso.
O circuito então impede que o motor continue tentando movimentá-la naquela direção.
Teríamos:
fim de curso esquerdo
← percurso →
fim de curso direito.
Isso já torna o mecanismo muito mais interessante e seguro.
Esse mecanismo lembra um atuador linear
Embora eu tenha chamado o projeto de servo rudimentar, mecanicamente ele se aproxima bastante do princípio encontrado em alguns:
atuadores lineares de fuso.
Neles, um motor produz rotação e um sistema de parafuso transforma essa rotação em:
movimento linear.
Encontramos mecanismos desse tipo em diversas aplicações, como:
automação;
robótica;
máquinas;
móveis motorizados;
sistemas de posicionamento.
Naturalmente, um atuador comercial possui uma construção muito mais robusta e precisa.
Mas o princípio mecânico pode ser semelhante.
Parafuso comum e fuso não são exatamente a mesma coisa
Para uma experiência caseira, um parafuso convencional funciona muito bem para demonstrar o princípio.
Em máquinas projetadas especificamente para movimento linear, entretanto, encontramos componentes chamados:
fusos.
Eles são projetados pensando justamente em:
movimento;
carga;
precisão;
desgaste;
eficiência.
Existem inclusive fusos de esferas utilizados em máquinas de alta precisão.
Nosso parafuso comum é a versão simples e didática desse conceito.
E a folga da porca?
Se movimentarmos a porca para um lado e depois invertermos imediatamente o sentido, pode existir uma pequena folga antes de o movimento realmente começar no sentido contrário.
Essa folga mecânica é conhecida como:
backlash.
Para uma experiência simples isso provavelmente não é um grande problema.
Mas em sistemas de posicionamento preciso pode ser muito importante.
Imagine uma máquina CNC tentando posicionar uma ferramenta com grande precisão.
Uma pequena folga acumulada pode produzir:
erro de posicionamento.
Madeira também possui limitações
A madeira é excelente para:
testar ideias rapidamente.
Mas ela não possui necessariamente a precisão dimensional e a estabilidade de materiais e estruturas desenvolvidos especificamente para máquinas.
Pode haver:
flexão;
folgas;
desalinhamento;
desgaste.
E isso não é um problema para este projeto.
O objetivo aqui é justamente:
compreender o princípio.
Depois podemos pensar em uma versão melhor.
Do protótipo simples para uma versão eletrônica
Uma evolução natural deste projeto seria acrescentar:
ponte H;
microcontrolador;
sensor de posição;
fins de curso.
Então poderíamos programar algo como:
posição 0%
posição 25%
posição 50%
posição 75%
posição 100%.
O microcontrolador receberia a posição desejada e movimentaria o motor até atingir aquela posição.
E podemos controlar com Arduino
Um Arduino ou outro microcontrolador poderia ser utilizado como controlador do sistema.
Ele não deve necessariamente alimentar o motor diretamente por seus pinos.
O caminho adequado seria utilizar um estágio de potência compatível, como uma ponte H dimensionada para o motor.
Teríamos:
Arduino
↓
driver / ponte H
↓
motor DC
↓
parafuso
↓
movimento linear.
E o sensor retornaria:
posição atual → Arduino.
Assim teríamos um projeto completo de:
controle eletromecânico.
Poderíamos controlar isso pelo rádio RC?
Sim, e essa ligação é especialmente interessante para modelismo.
O receptor RC fornece informações correspondentes à posição comandada pelo transmissor.
Um circuito poderia interpretar esse comando e transformá-lo em uma posição desejada para nosso atuador.
Conceitualmente:
rádio transmissor
↓
receptor RC
↓
controlador
↓
ponte H
↓
motor
↓
parafuso
↓
movimento.
Nesse ponto, aquele mecanismo construído com:
madeira + motor + parafuso + porca
começa realmente a desempenhar uma função semelhante à de um servo dentro de um projeto de modelismo.
Por que construir isso se podemos comprar um servo?
Porque o objetivo não é necessariamente economizar dinheiro.
Um pequeno servo RC comercial provavelmente será:
menor;
mais rápido;
mais preciso;
mais leve;
mais fácil de instalar.
Mas se simplesmente comprarmos um servo, enxergamos apenas:
uma pequena caixa com três fios e um eixo.
Quando construímos um mecanismo como este, começamos a perceber tudo o que precisa acontecer dentro de um sistema de posicionamento:
motor;
redução;
movimento;
sentido;
posição;
limites;
feedback;
controle.
É justamente aí que está o valor deste projeto.
Um projeto simples que ensina muita coisa
Começamos com quatro elementos extremamente simples:
madeira
motor escovado
parafuso
porca.
Mas a partir deles conseguimos estudar:
motores DC;
inversão de polaridade;
movimento rotativo;
movimento linear;
redução mecânica;
torque;
ponte H;
fim de curso;
sensores;
feedback;
controle de posição.
É um excelente exemplo de como um projeto aparentemente rudimentar pode servir para compreender sistemas muito mais sofisticados.
Quer entender melhor servos, motores e sistemas de rádio controle?
No modelismo, muitas vezes compramos um servo, conectamos os três fios ao receptor e simplesmente observamos o mecanismo funcionar.
Mas entender o que existe por trás daquele movimento muda completamente nossa capacidade de:
montar;
adaptar;
diagnosticar problemas;
criar nossos próprios projetos.
A proposta é deixar de apenas conectar:
receptor → ESC → servo → motor
e começar a compreender o papel de cada elemento dentro do sistema RC.