Introduktion til servomotorer

Hvad er en servomotor?

servomotorer (eller servoer) er selvstændige elektriske enheder (se figur 1 nedenfor), der roterer eller skubber dele af en maskine med stor præcision. Servoer findes mange steder: fra legetøj til hjemmeelektronik til biler og fly. Hvis du har en radiostyret model bil, fly eller helikopter, bruger du mindst et par servoer. I en modelbil eller fly flytter servoer håndtag frem og tilbage for at styre styring eller justere vingeflader., Ved at dreje en aksel, der er forbundet med motorens gashåndtag, regulerer en servo hastigheden på en brændstofdrevet bil eller fly. Servoer vises også bag kulisserne på enheder, vi bruger hver dag. Elektroniske enheder som DVD – og Blu-ray DiscTM-afspillere bruger servoer til at udvide eller trække diskbakker tilbage. I biler fra det 21. århundrede administrerer servoer bilens hastighed: gaspedalen, der ligner lydstyrkekontrollen på en radio, sender et elektrisk signal, der fortæller bilens computer, hvor langt ned den trykkes., Bilens computer beregner disse oplysninger og andre data fra andre sensorer og sender et signal til servoen, der er fastgjort til gashåndtaget for at justere motorhastigheden. Kommercielle fly bruger servoer og en relateret hydraulisk teknologi til at skubbe og trække næsten alt i flyet.

og selvfølgelig findes robotter muligvis ikke uden servoer., Du ser servostyrede robotter i næsten alle film (de komplekse animatroniske dukker har snesevis af servoer), og du har sikkert set en række robot dyrelegetøj til salg. Mindre laboratorierobotter bruger også servoer til at flytte deres led. Hobby servoer kommer i forskellige former og størrelser til forskellige applikationer. Du vil måske have en stor, kraftig til at flytte armen på en stor robot, eller en lille til at få en robots øjenbryn til at gå op og ned. Figur 2 nedenfor viser to størrelser, du kan finde i en hobbybutik— en billig fælles størrelse og en dyrere miniature.,

Hvordan fungerer en servomotor?,

enkelheden ved en servo er blandt de funktioner, der gør dem så pålidelige. Hjertet i en servo er en lille jævnstrømsmotor (DC), svarende til hvad du måske finder i et billigt legetøj. Disse motorer kører på elektricitet fra et batteri og drejer ved høje omdrejninger pr.minut (rotationer pr. minut), men slukker meget lavt drejningsmoment (en vridningskraft, der bruges til at arbejde— du anvender drejningsmoment, når du åbner en krukke). Et arrangement af gear tager motorens høje hastighed og bremser den ned, samtidig med at drejningsmomentet øges. (Fysikens grundlov: arbejde = kraft x afstand.,) En lille elektrisk motor har ikke meget drejningsmoment, men det kan dreje rigtig hurtigt (lille kraft, stor afstand). Geardesignet inde i servokassen konverterer udgangen til en meget langsommere rotationshastighed, men med mere drejningsmoment (stor kraft, lille afstand). Mængden af det faktiske arbejde er det samme, bare mere nyttigt. Gear i en billig servomotor er generelt lavet af plast for at holde den lettere og billigere (se figur 3 nedenfor). På en servo, der er designet til at give mere drejningsmoment til tungere arbejde, er gearene lavet af metal (se figur 4 nedenfor) og er sværere at beskadige.,

med en lille DC-motor anvender du strøm fra et batteri, og motoren drejer. I modsætning til en simpel DC-motor er en servos spindemotoraksel imidlertid bremset ned med gear. En positionsføler på det endelige gear er forbundet til et lille printkort (se figur 5 nedenfor). Sensoren fortæller dette printkort, hvor langt servoudgangsakslen har drejet., Det elektroniske indgangssignal fra computeren eller radioen i et fjernstyret køretøj føres også ind i printkortet. Elektronikken på printkortet afkoder signalerne for at bestemme, hvor langt brugeren ønsker, at servoen skal rotere. Derefter sammenligner den ønskede position med den faktiske position og bestemmer hvilken retning der skal drejes akslen, så den kommer til den ønskede position.

Forestil dig, at du spiller fangst med en ven på en sportsplads. Du står i den ene ende og vil have din ven til at gå ud i et langt kast. Du kunne fortsætte med at kalde “længere, længere, længere”, indtil hun kom så langt væk, som du ville. Men hvis hun gik ud længere end du kan kaste, du bliver nødt til at kalde “tættere”, indtil hun kom tilbage til det rigtige sted., Hvis hun var en simpel motor i en robotarm, og du var mikroprocessoren, skulle du bruge noget af din tid på at se, hvad hun gjorde og give hendes kommandoer til at flytte hende tilbage til det rigtige sted (Dette kaldes en feedback loop). Hvis hun var en servomotor, kunne du bare sige” gå ud nøjagtigt 4, 5 meter ” og vide, at hun ville finde det rigtige sted. Det er det, der gør servomotorer så nyttige: når du fortæller dem, hvad du vil have gjort, gør de jobbet uden din hjælp. Denne automatiske søgeadfærd hos servomotorer gør dem perfekte til mange robotapplikationer.,

typer af servomotorer

servoer kommer i mange størrelser og i tre grundlæggende typer: positionel rotation, kontinuerlig rotation og lineær.

• Positional rotation servo: dette er den mest almindelige type servomotor. Udgangsakslen roterer i cirka halvdelen af en cirkel eller 180 grader. Det har fysiske stop placeret i gearmekanismen for at forhindre at dreje ud over disse grænser for at beskytte rotationssensoren. Disse fælles servoer findes i radiostyrede biler og vand – og fly, legetøj, robotter, og mange andre applikationer.,
• kontinuerlig rotation servo: dette er meget lig den fælles positionelle rotation servomotor, undtagen det kan dreje i begge retninger på ubestemt tid. Styresignalet, snarere end at indstille servoens statiske position, fortolkes som rotationsretningen og omdrejningshastigheden. Rækkevidden af mulige kommandoer får servoen til at rotere med eller mod uret efter ønske, med varierende hastighed, afhængigt af kommandosignalet. Du kan bruge en servo af denne type på en radarskål, hvis du monterede en på en robot. Eller du kan bruge en som drivmotor på en mobil robot.,
• lineær servo: dette er også som den ovenfor beskrevne positionsrotationsmotor, men med yderligere Gear (normalt en rack-og tandhjulsmekanisme) for at ændre output fra cirkulær til frem og tilbage. Disse servoer er ikke lette at finde, men du kan undertiden finde dem i hobbybutikker, hvor de bruges som aktuatorer i større modelfly.

valg af en servomotor

Når du starter et projekt, der bruger servoer, skal du se på dine applikationskrav. Hvor hurtigt skal servoen rotere fra en position til en anden? Hvor svært skal det skubbe eller trække?, Har jeg brug for en positionel rotation, kontinuerlig rotation eller lineær servo? Hvor meget overskridelse er tilladt? Jo mindre du betaler for servoen, jo mindre mekanisk kraft skal den mønstre, og jo mindre præcision vil den have i sine bevægelser. Du kan betale lidt mere og få en, der bevæger sig hurtigt, men det kan ikke have en masse magt. Du kan også købe en, der vil trække eller skubbe store belastninger, men det kan ikke bevæge sig hurtigt eller præcist. Producentens hjemmesider og online hobby Guider vil have en masse af disse oplysninger, du kan bruge til at sammenligne modeller., Du vil også opdage, at hobbybutikker har et udvalg af servoer og normalt kan hjælpe dig med at beslutte, hvilken der passer til dit projekt og budget.

styring af en servomotor

servoer tag kommandoer fra en række impulser sendt fra computeren eller radioen. En puls er en overgang fra lav spænding til høj spænding, som forbliver høj i kort tid og derefter vender tilbage til lav. I batterienheder som servoer anses ” lav “for at være jordet eller 0 volt, og” høj ” er batterispændingen. Servoer har en tendens til at arbejde i en rækkevidde på 4, 5 til 6 volt, så de er ekstremt hobbyistiske computervenlige., har du nogensinde hentet den ene ende af et reb, der var bundet til et træ eller holdt den ene ende af et hoppetov, mens en ven holdt den anden? Forestil dig, at mens du holdt din ende af rebet, flyttede du din arm op og ned. Rebet ville gøre en stor pukkel, der ville rejse fra din ende til den anden. Hvad du har gjort er anvendt en puls, og det rejste ned rebet som en bølge. Når du løfter din hånd op og ned, hvis du holder din hånd i luften længere, vil nogen, der ser dette eksperiment fra siden, se, at pulsen i rebet ville være længere eller bredere., Hvis du bringer din hånd ned før, er pulsen kortere eller mere smal. Dette er pulsbredden. Hvis du holder din ende går op og ned, hvilket gør en hel masse af disse impulser ene efter den anden, du har oprettet en puls tog (se figur 6 nedenfor). Hvor ofte har du hæve og sænke din ende? Dette er frekvensen af dit pulstog og måles i pulser per sekund eller H. (forkortelse af “Hert.”).

Bemærk: mikroprocessoren i din computer bruger impulser fra specielle urkredsløb for at få arbejdet gjort. Har du hørt om din computer hastighed benævnt noget lignende 1.,7 gigahert? (GH?)? Dette er en måde at sige, at pulserne kommer på 1,7 milliarder pulser per sekund, eller 1,700,000,000 h.. Forestil dig at prøve at flytte dit reb så hurtigt!

skærmbilledet viser en graf, der har tre pigge med lige højde fordelt jævnt fra hinanden. Disse pigge er impulser, der gentages hver tyve millisekunder.

figur 6. Et eksempel på en puls tog du kan generere til at styre en servo, som vist i en screen capture fra en billig digital oscilloskop, et instrument til at observere spændinger)., Her genereres en puls en gang hver 20 millisekunder eller ved omkring 50 h.. 2 millisekunder, hvilket ville have en servo rotere næsten hele vejen til den ene ende af dens rotation. Et oscilloskop er utroligt nyttigt til test og debugging-systemer, der bruger servoer.

din servo skal være tilsluttet en strømkilde (4,5 til 6 volt), og styresignalet skal komme fra en computer eller et andet kredsløb. Hver servos krav varierer lidt, men et pulstog (som i figur 6 ovenfor) på omkring 50 til 60 h.fungerer godt for de fleste modeller., Pulsbredden varierer fra cirka 1 millisekund til 2 eller 3 millisekunder (et millisekund er 1/1000 af et sekund). Populære hobbyistcomputere som ArduinoTM har soft .arekommandoer på sproget til generering af disse pulstog. Men enhver mikrocontroller kan programmeres til at generere disse bølgeformer. Et system, der passerer information baseret på pulsbredden, bruger pulsbreddemodulation (eller P .m) og er en meget almindelig måde at kontrollere motorhastigheder og LED-lysstyrke samt servomotorposition.,

ressourcer

følgende valgvejledning kan hjælpe dig med at bestemme, hvilken Futaba Serv servo der passer til dine behov:

• Hobbico, Inc. (2012). Futaba Serv servo valg. Hentet 13. September 2012, fra www.futaba-rc.com/servos/servo-select.,n, Science Buddies

  Explore Our Science Videos

  Paper Rockets – STEM Activity

  How to make an anemometer (wind speed meter)

  Slow Motion Craters – STEM Activity