Actuador. Accionador. Dispositivo para proveer movimiento mecánico controlado a distancia.

Actuador: La parte de una válvula reguladora que convierte el fluido mecánico, la energía térmica o la energía eléctrica, en movimiento mecánico para abrir o cerrar la válvula.

Actuadores y Sistemas de Control de Movimiento.

Definición General de Actuador.

Un actuador es un dispositivo que convierte una señal de entrada (eléctrica, neumática, hidráulica o térmica) en un movimiento físico o mecánico. Es un componente esencial en los sistemas automatizados modernos, ya que ejecuta la acción que la unidad de control (como una computadora o ECU en un automóvil) le ordena. Este movimiento puede ser lineal o rotativo, dependiendo del diseño del actuador y su aplicación.

Los actuadores son responsables del trabajo efectivo dentro de un sistema de control, permitiendo que una instrucción lógica se transforme en una acción concreta, como el movimiento de una válvula, un brazo robótico, una compuerta o un motor.

Ejemplos :

Figura : Este actuador lineal de servicio liviano basado en un motor paso a paso con imán permanente tiene un eje que avanza o se retrae.

Figura : Se muestran las funciones de atracción y expulsión de un solenoide. El extremo A del émbolo se expulsa cuando el solenoide está energizado, mientras que el extremo con horquilla B se retrae.

Figura : Este actuador rotativo bidireccional tiene un disco de imán permanente montado en su armadura que interactúa con los polos del solenoide. Cuando el solenoide está desenergizado (a), la armadura busca y mantiene una posición neutra, pero cuando el solenoide está energizado, la armadura gira en la dirección indicada. Si se invierte la tensión de entrada, la rotación de la armadura también se invierte (c).

Clasificación de los Actuadores

1. Actuadores Eléctricos

Funcionan mediante motores eléctricos que convierten la energía eléctrica en movimiento rotativo o lineal. Se utilizan ampliamente en automatización industrial, robótica, aeroespacial, automotriz y electrónica de consumo.

Ejemplos:

• Motores paso a paso (stepper motors)
• Servomotores DC y brushless
• Solenoides
• Relés e interruptores automáticos

Utilizan aire comprimido para mover un pistón o diafragma. Son rápidos, ligeros y económicos, ideales para aplicaciones que requieren velocidad y simplicidad.

Utilizan un fluido a presión para generar gran fuerza. Se emplean en maquinaria pesada, como grúas, excavadoras y sistemas de dirección hidráulica.

Funcionan mediante la expansión o contracción de materiales por cambio de temperatura. Son usados en dispositivos de protección o válvulas termostáticas.

En un vehículo moderno, los actuadores reciben señales de la unidad de control electrónico del motor (ECU). Esta evalúa datos de múltiples sensores (posición, temperatura, velocidad, presión) y envía comandos al actuador adecuado.

Ejemplos de uso automotriz:

• Un motor para controlar el ventilador de refrigeración.
• Un solenoide que regula el paso de combustible en un inyector.
• Relés para accionar el sistema de encendido o luces de cortesía.

Tipos de Actuadores en Sistemas de Control de Movimiento

Servomotores

Los servomotores se utilizan para aplicaciones que requieren control preciso de posición, velocidad y aceleración. Están disponibles en variantes con escobillas (brush-type) y sin escobillas (brushless).

• Brush-Type PM DC Motors: Utilizan un conmutador mecánico para conmutar las bobinas del rotor. Tienen buena linealidad en la curva velocidad-par.
• Brushless PM DC Motors: Usan sensores electrónicos (como sensores Hall) para la conmutación. Son más eficientes, requieren menos mantenimiento y permiten velocidades más altas.

Ambos tipos están disponibles en formatos especiales como:

• Motores de disco: Ligeros, con inercia baja, usados en robótica.
• Motores tipo copa o shell: Con núcleo sin hierro y baja inductancia, ideales para aceleración rápida.

Convertidores de pulsos digitales en movimiento rotacional. Su principal característica es la precisión del posicionamiento sin necesidad de sensores de retroalimentación (modo open-loop).

Tipos:

• Imán permanente (PM): Con núcleo magnético fijo, buena capacidad de par.
• Reluctancia variable (VR): Multidentados, ideales para torque de retención elevado.
• Híbridos: Combinan ventajas de PM y VR. Alta resolución (hasta 0.72° por paso), múltiples fases.

Actuadores Lineales

Figura : Control de Movimiento: Conjuntos de Tornillos de Bolas Laminados.

Los actuadores lineales convierten el movimiento rotativo del motor en movimiento rectilíneo. Se usan para tareas como posicionamiento de antenas, apertura de compuertas o manipulación de carga.

1. Actuadores eléctricos con husillo (ballscrew o Acme screw)

   • Montan motores AC o DC con reductores y frenos.
   • Usan embragues deslizantes y sensores (Hall o potenciómetros).
   • Permiten control de posición mediante retroalimentación.

2. Actuadores con motor paso a paso

   • Equipados con ejes roscados que avanzan por pasos con cada pulso.
   • Alta resolución lineal (hasta 0.001” por paso).
   • Usados en equipos de laboratorio, instrumentos de precisión, etc.

1. Ciclo de Trabajo (Duty Cycle):

   • Encendido/apagado en intervalos controlados.
   • Regula intensidad o fuerza generada.

2. Modulación por Ancho de Pulso (PWM):

   • Controla el tiempo de activación mediante pulsos variables.
   • Muy común en sistemas automotrices (inyección, climatización).

Para asegurar la precisión, los actuadores se combinan con sensores que miden posición, velocidad o desplazamiento:

• Encoders: Digitalizan posición angular o lineal.
• Potenciómetros: Ofrecen señal de voltaje proporcional.
• Resolutores: Usados en sistemas que requieren alta exactitud.
• LVDTs: Transformadores diferenciales de desplazamiento lineal.
• Interferómetros láser: Alta resolución para aplicaciones críticas.

La verificación del funcionamiento de los actuadores es clave para el mantenimiento:

• Medición de corriente: Detecta circuitos abiertos o sobrecargas.
• Osciloscopio: Visualiza la forma de onda del comando PWM.
• Herramienta de escaneo: Simula la señal de control para activar el actuador.

• Industria automotriz: Inyección electrónica, ABS, bolsas de aire, válvulas EGR.
• Robótica: Movimiento de ejes, pinzas, elevadores.
• Aeroespacial: Control de superficies móviles.
• Médico: Dispensadores automáticos, posicionamiento de equipos.
• Electrodomésticos: Lavarropas, impresoras, climatización inteligente.

Los actuadores modernos integran tecnologías electrónicas avanzadas, como:

• Controladores digitales embebidos.
• Conectividad CAN o LIN para vehículos.
• Integración de sensores en el mismo paquete del actuador.
• Materiales compuestos que aumentan eficiencia térmica y resistencia.

Al diseñar un sistema con actuadores, se deben tener en cuenta:

• Carga mecánica: Peso, fricción, aceleración deseada.
• Ambiente: Polvo, humedad, temperatura.
• Precisión requerida: Influye en la elección del sensor y el actuador.
• Tipo de control: Open-loop (sin retroalimentación) o closed-loop (con retroalimentación).

Términos destacados :

• Actuador de disco (Disk actuator)
• Actuador eléctrico (Electric actuator)
• Actuador hidráulico (Hydraulic actuator)
• Actuador lineal (Linear actuator)
• Actuador neumático (Pneumatic actuator)
• Actuador paso a paso (Stepper actuator)
• Actuadores automotrices (Automotive actuators)
• Aplicaciones industriales (Industrial applications)
• Brushless DC motor (Motor DC sin escobillas)
• Control de climatización (Climate control)
• Control de posición (Position control)
• Control de velocidad (Speed control)
• Conversión de energía (Energy conversion)
• Detección de posición (Position sensing)
• Duty cycle (Ciclo de trabajo)
• Encoder (Encoder)
• Inercia baja (Low inertia)
• Interfaz de control (Control interface)
• Modulación por ancho de pulso (Pulse width modulation)
• Motor de copa (Cup motor)
• Motor de disco (Disk motor)
• Motor paso a paso híbrido (Hybrid stepper motor)
• Motor PM DC (PM DC motor)
• Movimiento rotativo (Rotary motion)
• Movimiento lineal (Linear motion)
• Potenciómetro (Potentiometer)
• Relé (Relay)
• Retroalimentación (Feedback)
• Sensor Hall (Hall sensor)
• Solenoide (Solenoid)

Los actuadores son elementos esenciales en la automatización moderna. Transforman señales de control en movimientos físicos precisos, permitiendo que computadoras y sistemas inteligentes interactúen con el mundo real. Desde simples motores de limpiaparabrisas hasta sofisticados servomotores brushless controlados por sensores Hall, su aplicación es vasta y en constante evolución.

A medida que la tecnología progresa, los actuadores seguirán siendo protagonistas silenciosos del cambio, mejorando la eficiencia, precisión y capacidad de respuesta en todos los sectores industriales.