+7-960-0655211 (Билайн)
+7-987-4207734 (МТС)

интернет-магазин
РОБОТОТЕХНИКА
доставка по России и СНГ

Многоликие серво

art_servo01.gif      Каждый из нас был в такой ситуации, когда нужно выбрать, стараясь сделать все от нас зависящее, в магазине для хобби или интернет магазине робототехники - из целого моря запасных частей именно то, что нам нужно. Например, серво. Сколько существует фирм производителей, модификаций и характеристик? Очень много! Давайте разберемся, чем нужно руководствоваться при выборе серво. Начнем с самого начала – что это такое и как оно работает? 

    В энциклопедии «Кругосвет» определение звучит так:
«СЕРВОМЕХАНИЗМ, следящая система автоматического регулирования, которая работает по принципу обратной связи и в которой один или больше системных сигналов, сформированных в управляющий сигнал, оказывают механическое регулирующее воздействие на объект. Термин "серво-" (от лат. servus — слуга) используется для обозначения механизмов и систем, выходная величина которых поступает на вход, где сравнивается с задающим воздействием. Сервосистемы обладают, как правило, двумя особенностями: способностью усиливать мощность и информационной обратной связью. Усиление необходимо потому, что требуемая на выходе энергия обычно велика (берется от внешнего источника), а на входе незначительна. Обратная связь представляет собой замкнутый контур, в котором рассогласование сигналов входа и выхода используется для управления. Следовательно, в прямом направлении контур передает энергию, а в обратном обеспечивает информацию, необходимую для точного управления.»
 
art_servo02.gif

На первый взгляд схема кажется довольно сложной. Я предлагаю взглянуть на эту схему на другом примере:
Представьте, что перед Вами стоит задача ехать на автомобиле со скоростью 55 км/ч. Именно это будет у нас задающим воздействием. Преобразование скорости в цифровую форму (например, дорожный знак) это – первый прямоугольник. Ногой (усилитель) мы давим на педаль – это сервопривод. Скорость автомобиля растет. Соответственно начинает поворачиваться стрелка спидометра – это обратная связь, преобразование скорости в угол стрелки спидометра – это квадрат (преобразование) . А вот перечеркнутый кружок это место где наш мозг сравнивает показания спидометра и дорожного знака и в зависимости от величины и знака выдает сигнал для ноги (усилителя) отпустить педаль или нажать на нее.
Вот так работает система автоматического регулирования с обратной связью.
А для модельного серво эта картинка будет такая:
 
art_servo03.gif
art_servo04.gif


У серво на вход с приемника подается прямоугольный импульс, длительность которого определяет угол поворота качалки серво. Значение через которое повторяются импульсы в стандарте PPM – 20 mсек. Длительность меняется от 1 до 2 mсек.

art_servo05.gif

 



Питание и цоколевка разъемов:

Все серво, используемые в радиоуправлении имеют обычно 3 провода:
1. Питание, обычно 4,8 -6 В
2. Земля
3. Сигнальный провод, по которому поступает управляющий импульс.


 Фирма   Универсальность цвет провода "+" цвет провода "-"  цвет сигнального проводаРисунок 
 Airtronics
(старые)

нет  красный левый черный средний

 черный или белый или

гоубой правый

 art_servo06.gif
 Airtronics/Sanwa T
(старые)


 нет красный правый черный средний белый или желтый левый art_servo07.gif
 Airtronics/Sanwa Z да красный средний черный правый голубой или желтый левый art_servo08.gif
 Futaba J нет красный средний черный правый белый левый art_servo09.gif
 Hitec S да красный средний черный правый желтый левый art_servo10.gif
 Japan Radio (JR) да красный средний коричневый правый оранжевый левый art_servo11.gif
 Tower Hobbies да красный средний черный правый белый левый
 Futaba G
(старый)


 нет 
 
 
 art_servo12.gif

Габариты:

По габаритам серво делятся на 3 основных размера: микро, стандартные, большие для масштаба 1:4. Бывают и другого размера серво, однако перечисленные 3 вида покрывают 95% всех типоразмеров.
Характеристики:
Скорость поворота и усилие на валу – являются основными характеристиками серво. Как правило, первая величина указывает, за какое время, в секундах, серво поворачивает качалку на 60°. Усилие измеряется кг/см т.е. какое усилие развивает серво на конце качалки с рычагом от центра вращения 1 см. Например, если этот параметр у серво равен 1.2 кг/см, то усилие развиваемое серво на качалке в 2 раза длиннее, т.е. 2см будет равно 0.6 кг. 
Вообще, этот параметр зависит в первую очередь от назначения серво и уже потом, от передаточного числа редуктора и применяемых в серво узлов. 
Стоит заметить, что сейчас производят серво, которые работают с напряжением питания от 4.8 до 6 В. Как правило, на 6 В, характеристики серво чуть выше, чем на 4.8 В.

Аналоговые или цифровые:


Несколько лет назад, единственным типом серво был – аналоговый. Сейчас этих типов два – аналоговые и цифровые. В чем же разница между этими двумя типами? Давайте обратимся к официальной информации предоставленной фирмой Futaba.
За последние несколько лет, серво стали обладать значительно лучшими характеристиками, чем ранее – меньшими габаритами, более высокими скоростями вращения и более высокими значениями крутящих моментов. Последний виток развития – появление цифровых серво. У цифровых серво есть существенные эксплуатационные преимущества перед аналоговыми серво, даже с коллекторными моторами. Хотя существуют и некоторые недостатки. Давайте рассмотрим и сравним достоинства и недостатки:
art_servo13.gif

Внешне аналоговые и цифровые серво практически не отличаются. Отличия заметны на платах. Теперь вместо специализированной микросхемы мы можем увидеть на плате микропроцессор, который анализирует сигнал с приемника и управляет двигателем. Неверно полагать, что аналоговые и цифровые серво решительно отличаются в физическом исполнении, они могут иметь одинаковые двигатели, механизмы и потенциометры (переменные резисторы). Основное же отличие заключается в способе обработки сигнала приемника и управления двигателем.

art_servo14.gif

Двигатель аналогового (стандартного) сервомотора получает сигнал от усилителя сервомотора (в сервомоторе) в 50 раз в секунду. Этот сигнал определяет, когда начать вращаться двигателю и в какую сторону. Так как это только случается 50 раз в секунду, это - минимальное время реакции. Другими словами, если Вы, отклонили ручку на передатчик чуть – чуть, то на двигатель серво начали поступать короткие импульсы между которыми чуть меньше 20 мсек. Между этими импульсами на мотор ничего не поступает и не может изменить положение исполнительного механизма – этот промежуток времени называется «мертвой зоной». Цифровые серво используют более высокую частоту, сигнал в двигатель сервомотора поступает 300 раз в секунду. Так как этот сигнал получен двигателем сервомотора чаще, он в состоянии реагировать намного быстрее и держать его позицию лучше. Это означает лучшее центрирование и значительно более высокий момент. Однако такой метод управления двигателем увеличивает потребление энергии, поэтому батарея, которая использовалась раньше для питания аналоговой серво будет разряжена быстрее с цифровым серво.
 
art_servo15.gif

На графике сравниваются две практически идентичные серво с точки зрения механики. Как мы видим из графика, цифровая серво S9450 гораздо быстрее аналоговой S9002 реагирует на управляющий сигнал и вращающий момент выше, а значит более точно положение исполнительного механизма.
Но за все приходится платить (в том числе и в прямом смысле). Стоимость цифровых серво значительно выше, чем стоимость стандартных серво. Кроме того цифровые серво, обладая всеми своими преимуществами имеют и большее энергопотребление. При использовании цифровых серво стандартная бортовая аккумуляторная батарея 600-700mA долго не выдержит, требуется более мощные аккумуляторные батареи 1000mA и больше. Но это не является проблемой, поскольку современные аккумуляторные батареи большой емкости выпускаются разными производителями и продаются в хобби-магазинах.

Любой, кто использовал цифровые серво скажет Вам, что различие настолько существенно, что он никогда не возвратился бы к стандартным серво, если имеются цифровые. 

Итак, если Вы нуждаетесь в: 

• более высокой разрешающей способности 
• минимальных "мертвых зонах", более точном позиционировании 
• быстром реагировании на команды 
• постоянном усилии на валу в процессе его поворота 
• увеличенной мощности 
• и при этом имеете достаточно средств

Цифровые серво - решение ваших проблем!

Коллекторные и бесколлекторные двигатели в серво.

В основном в серво использовались 3 полюсные коллекторные двигатели в которых тяжелый ротор с обмотками вращается внутри магнитов. 
art_servo18.gif


Первое усовершенствование, которое было применено – увеличение количества обмоток до 5. Таким образом, вырос вращающий момент и скорость разгона. Второе усовершенствование – это изменение конструкции мотора. Стальной сердечник с обмотками очень сложно раскрутить быстро. Поэтому конструкцию изменили - обмотки находятся, снаружи магнитов и исключено вращение стального сердечника.
 
art_servo16.gif

 Таким образом, уменьшился вес двигателя, уменьшилось время разгона и возросла стоимость.
Ну и наконец, третий шаг – применение бесколлектроных двигателей. У бесколлекторных двигателей выше КПД т.к. нет щеток, и трущихся частей. Они более эффективны, обеспечивают большую мощность, скорость, ускорение, вращающий момент.

Шарикоподшипник против втулки
 
art_servo17.gif

В серво есть одна ось, на которой крепятся качалка. Именно на нее ложатся все нагрузки. Эта ось проходит через шарикоподшипник или втулку. Использование шарикоподшипника уменьшает
потери на трение, предупреждает образование люфта и…. естественно повышает стоимость серво.


Материал шестерней редуктора

art_servo19.gif
Нейлоновые шестерни - больше всего распространены в серво. Они имеют отличное качество поверхности, малый вес, однако не выдерживают больших нагрузок и недолговечны. 

Карбоновые шестерни – появились относительно недавно на рынке. Они почти в пять раз прочнее нейлоновых и у них выше износостойкость. После более чем 300 000 циклов фактически не видно следов износа. Серво с этими механизмами более дороги, но это окупается большой долговечностью. Карбоновые шестерни тоже легкие, однако металлические все равно прочнее.

Металлические шестерни – являются самыми тяжелыми. У них самый высокий уровень износа, однако, они обеспечивают беспрецедентную прочность. Если у Вас достаточно средств, Вы можете приобрести серво с механизмом из титана. 

Таким образом, выбор серво с шестернями из определенного материала зависит от назначения серво. Для этого надо ответить на вопрос - где и для чего предполагается использовать серво? Например, для микро серво главное – это вес. И скорее всего Вы не будете использовать серво с металлическими шестернями. Идеальный пример с сервоприводом, в котором обоснованно используется металлический редуктор, будет рулевое серво радиоуправляемого внедорожного автомобиля или багги. 

Вы этой статье мы рассмотрели принципы работы, разновидности узлов, и характеристики серво. И все таки остался один вопрос.

Идеальное серво, существует ли оно? Ответ зависит от того для чего Вы хотите использовать его. Вообще, идеальное серво это серво, которое поворачивается так быстро как Вам это нужно и в тоже время обладает высоким крутящим моментом, силой удержания, высокой точностью, малым весом и в тоже время дешевое. Как Вам известно, такое серво еще не изобретено! Каждая компания производитель будет делать все от них зависящее, что бы убедить Вас в том, что их серво превосходят по характеристикам все остальные. В конце концов, выбор серво сводится к области опыта использования и Ваших личных потребностей, потому, что независимо от того насколько хорошие показатели или цена написана на упаковке серво, Вы не будете использовать серво, если оно не выполняет свою задачу и не может сохранить Вашу модель в воздухе или робототехнический механизм в синхронизированном движении.