Einführung in Servomotoren

Was ist ein Servomotor?

Servomotoren (oder Servos) sind in sich geschlossene elektrische Geräte (siehe Abbildung 1 unten), die Teile einer Maschine mit großer Präzision drehen oder schieben. Servos sind an vielen Orten zu finden: von Spielzeug über Heimelektronik bis hin zu Autos und Flugzeugen. Wenn Sie ein ferngesteuertes Modellauto, Flugzeug oder Hubschrauber haben, verwenden Sie mindestens ein paar Servos. In einem Modellauto oder Flugzeug bewegen Servos Hebel hin und her, um die Lenkung zu steuern oder Flügelflächen einzustellen., Durch Drehen einer Welle, die mit der Motordrossel verbunden ist, reguliert ein Servo die Geschwindigkeit eines kraftstoffbetriebenen Autos oder Flugzeugs. Servos erscheinen auch hinter den Kulissen in Geräten, die wir jeden Tag verwenden. Elektronische Geräte wie DVD – und Blu-ray-DiscTM-Player verwenden Servos, um die Disc-Trays zu erweitern oder zurückzuziehen. Jahrhundert steuern Servos die Geschwindigkeit des Autos: Das Gaspedal sendet ähnlich wie der Lautstärkeregler eines Radios ein elektrisches Signal, das dem Computer des Autos mitteilt, wie weit es gedrückt wird., Der Computer des Fahrzeugs berechnet diese Informationen und andere Daten von anderen Sensoren und sendet ein Signal an das an die Drosselklappe angeschlossene Servo, um die Motordrehzahl einzustellen. Verkehrsflugzeuge verwenden Servos und eine verwandte hydraulische Technologie, um fast alles im Flugzeug zu drücken und zu ziehen.

Und natürlich könnten Roboter ohne Servos nicht existieren., Sie sehen servogesteuerte Roboter in fast jedem Film (diese komplexen animatronischen Puppen haben Dutzende von Servos), und Sie haben wahrscheinlich eine Reihe von Robotertierspielzeug zum Verkauf gesehen. Kleinere Laborroboter verwenden auch Servos, um ihre Gelenke zu bewegen. Hobby servos kommen in einer Vielzahl von Formen und Größen für verschiedene Anwendungen. Vielleicht möchten Sie einen großen, leistungsstarken, um den Arm eines großen Roboters zu bewegen, oder einen kleinen, um die Augenbrauen eines Roboters auf und ab zu bewegen. Abbildung 2 unten zeigt zwei Größen, die Sie in einem Hobbygeschäft finden können— eine preiswerte gemeinsame Größe und eine teurere Miniatur.,

Wie funktioniert ein Servomotor?,

Die Einfachheit eines Servos gehört zu den Eigenschaften, die sie so zuverlässig machen. Das Herzstück eines Servos ist ein kleiner Gleichstrommotor (Gleichstrom), ähnlich dem, was Sie in einem preiswerten Spielzeug finden könnten. Diese Motoren laufen mit Strom aus einer Batterie und drehen sich bei hohen Drehzahlen (Umdrehungen pro Minute), haben jedoch ein sehr geringes Drehmoment (eine Drehkraft, die für die Arbeit verwendet wird— Sie wenden beim Öffnen eines Glases ein Drehmoment an). Eine Anordnung von Zahnrädern nimmt die hohe Drehzahl des Motors auf und verlangsamt ihn, während gleichzeitig das Drehmoment erhöht wird. (Grundgesetz der Physik: Arbeit = Kraft x Entfernung.,) Ein winziger Elektromotor hat nicht viel Drehmoment, aber er kann sich sehr schnell drehen (kleine Kraft, große Entfernung). Das Zahnraddesign im Servogehäuse wandelt den Ausgang in eine viel langsamere Drehzahl um, jedoch mit mehr Drehmoment (große Kraft, wenig Abstand). Die Menge der tatsächlichen Arbeit ist die gleiche, nur nützlicher. Zahnräder in einem kostengünstigen Servomotor bestehen im Allgemeinen aus Kunststoff, um sie leichter und kostengünstiger zu halten (siehe Abbildung 3 unten). Bei einem Servo, das für mehr Drehmoment bei schwereren Arbeiten ausgelegt ist, bestehen die Zahnräder aus Metall (siehe Abbildung 4 unten) und sind schwerer zu beschädigen.,

Mit einem kleinen Gleichstrommotor wenden Sie Strom von einer Batterie an und der Motor dreht sich. Im Gegensatz zu einem einfachen Gleichstrommotor wird die sich drehende Motorwelle eines Servos jedoch mit Zahnrädern verlangsamt. Ein Positionssensor am letzten Gang ist mit einer kleinen Leiterplatte verbunden (siehe Abbildung 5 unten). Der Sensor teilt dieser Leiterplatte mit, wie weit sich die Servoausgangswelle gedreht hat., Das elektronische Eingangssignal des Computers oder des Radios in einem ferngesteuerten Fahrzeug speist sich ebenfalls in diese Leiterplatte ein. Die Elektronik auf der Leiterplatte decodiert die Signale, um zu bestimmen, wie weit der Benutzer das Servo drehen möchte. Es vergleicht dann die gewünschte Position mit der tatsächlichen Position und entscheidet, in welche Richtung die Welle gedreht werden soll, damit sie in die gewünschte Position gelangt.

Stellen Sie sich vor, Sie spielen fangen mit einem Freund auf einem Sportplatz. Du stehst an einem Ende und willst, dass dein Freund einen langen Wurf macht. Du könntest immer wieder „weiter, weiter, weiter“ rufen, bis sie so weit weg ist, wie du wolltest. Aber wenn sie weiter hinausging, als Sie werfen können, müssten Sie „näher“ rufen, bis sie wieder an der richtigen Stelle ist., Wenn sie ein einfacher Motor in einem Roboterarm wäre und Sie der Mikroprozessor wären, müssten Sie einen Teil Ihrer Zeit damit verbringen, zu beobachten, was sie getan hat, und ihr Befehle geben, um sie zurück an die richtige Stelle zu bewegen (dies wird als Rückkopplungsschleife bezeichnet). Wenn sie ein Servomotor wäre, könnte man einfach sagen „Geh genau 4,5 Meter raus“ und weiß, dass sie die richtige Stelle finden würde. Das macht Servomotoren so nützlich: Sobald Sie ihnen sagen, was Sie tun möchten, erledigen sie die Arbeit ohne Ihre Hilfe. Dieses automatische Suchverhalten von Servomotoren macht sie perfekt für viele Roboteranwendungen.,

Arten von Servomotoren

Servos gibt es in vielen Größen und in drei Grundtypen: Positionsdrehung, kontinuierliche Rotation und linear.

• Positions rotation servo: Dies ist die häufigste art von servo motor. Die Abtriebswelle dreht sich in etwa einem halben Kreis oder 180 Grad. Es verfügt über physische Anschläge im Getriebemechanismus, um ein Drehen über diese Grenzen hinaus zu verhindern, um den Rotationssensor zu schützen. Diese gebräuchlichen Servos finden sich in ferngesteuerten Autos und Wasser-und Flugzeugen, Spielzeug, Robotern und vielen anderen Anwendungen.,
• Kontinuierliche rotation servo: Diese ist ganz ähnlich wie die gemeinsame positions rotation servo motor, außer es kann drehen in beide richtungen auf unbestimmte zeit. Das Steuersignal, anstatt die statische Position des Servos einzustellen, wird als Richtung und Drehzahl interpretiert. Der Bereich möglicher Befehle bewirkt, dass sich das Servo je nach Befehlssignal mit unterschiedlicher Geschwindigkeit im oder gegen den Uhrzeigersinn dreht. Sie können ein Servo dieses Typs auf einer Radarschale verwenden, wenn Sie eines an einem Roboter montiert haben. Oder Sie könnten einen als Antriebsmotor für einen mobilen Roboter verwenden.,
• Linearservo: Dies ist auch wie der oben beschriebene Positions-Rotations-Servomotor, jedoch mit zusätzlichen Zahnrädern (normalerweise einem Zahnstangenmechanismus), um die Ausgabe von kreisförmig nach hin und her zu ändern. Diese Servos sind nicht leicht zu finden, aber Sie können sie manchmal in Hobbygeschäften finden, wo sie als Aktuatoren in größeren Modellflugzeugen verwendet werden.

Auswahl eines Servomotors

Wenn Sie ein Projekt starten, das Servos verwendet, sehen Sie sich Ihre Anwendungsanforderungen an. Wie schnell muss sich das Servo von einer Position zur anderen drehen? Wie schwer muss es drücken oder ziehen?, Benötige ich eine Positionsdrehung, eine kontinuierliche Drehung oder ein lineares Servo? Wie viel Überschwingen ist zulässig? Je weniger Sie für das Servo bezahlen, desto weniger mechanische Kraft muss es aufbringen und desto weniger Präzision wird es in seinen Bewegungen haben. Sie können ein bisschen mehr bezahlen und einen bekommen, der sich schnell bewegt, aber möglicherweise nicht viel Kraft hat. Sie können auch eine kaufen, die große Lasten zieht oder drückt, sich aber möglicherweise nicht schnell oder präzise bewegt. Hersteller-Websites und Online-Hobby-Führer haben eine Menge dieser Informationen, die Sie verwenden können, um Modelle zu vergleichen., Sie werden auch feststellen, dass Hobbygeschäfte eine Auswahl an Servos haben und Ihnen normalerweise bei der Entscheidung helfen können, welches für Ihr Projekt und Budget geeignet ist.

Steuerung eines Servomotors

Servos übernehmen Befehle aus einer Reihe von Impulsen, die vom Computer oder Radio gesendet werden. Ein Impuls ist ein Übergang von Niederspannung zu Hochspannung, der für kurze Zeit hoch bleibt und dann zu niedrig zurückkehrt. In Batteriegeräten wie Servos wird“ low „als Masse oder 0 Volt und“ high “ als Batteriespannung angesehen. Servos neigen dazu, in einem Bereich von 4,5 bis 6 Volt zu arbeiten,so dass sie extrem computerfreundlich sind.,

Haben Sie jemals ein Ende eines Seils aufgenommen, das an einen Baum gebunden war, oder ein Ende eines Springseils gehalten, während ein Freund das andere hielt? Stellen Sie sich vor, während Sie Ihr Seilende halten, bewegen Sie Ihren Arm auf und ab. Das Seil würde einen großen Buckel machen, der von Ihrem Ende zum anderen reisen würde. Was Sie getan haben, ist einen Puls angewendet, und es reiste das Seil wie eine Welle. Wenn Sie Ihre Hand auf und ab heben und Ihre Hand länger in der Luft halten, würde jemand, der dieses Experiment von der Seite aus beobachtet, sehen, dass der Puls im Seil länger oder breiter wäre., Wenn Sie Ihre Hand früher senken, ist der Puls kürzer oder schmaler. Dies ist die Pulsbreite. Wenn Sie Ihr Ende auf und ab gehen lassen und eine ganze Reihe dieser Impulse nacheinander erzeugen, haben Sie einen Impulszug erstellt (siehe Abbildung 6 unten). Wie oft hast du dein Ende angehoben und gesenkt? Dies ist die Frequenz Ihres Impulszuges und wird in Impulsen pro Sekunde oder Hz (Abkürzung für „Hertz“) gemessen.

Hinweis: Der Mikroprozessor in Ihrem Computer verwendet Impulse von speziellen Taktschaltungen, um die Arbeit zu erledigen. Haben Sie von Ihrer Computergeschwindigkeit gehört, die als etwas wie 1 bezeichnet wird?,7 gigahertz (GHz)? Dies ist eine Art zu sagen, dass die Impulse mit 1,7 Milliarden Impulsen pro Sekunde oder 1.700.000.000 Hz kommen. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, Ihr Seil so schnell zu bewegen!

Der Screenshot zeigt ein Diagramm mit drei Spitzen gleicher Höhe im gleichmäßigen Abstand. Diese Spikes sind Impulse, die sich alle zwanzig Millisekunden wiederholen.

Abbildung 6. Ein Beispiel für einen Impulszug, den Sie erzeugen könnten, um ein Servo zu steuern, wie in einer Bildschirmaufnahme von einem preiswerten digitalen Oszilloskop gezeigt, ein Instrument zur Beobachtung von Spannungen)., Hier wird einmal alle 20 Millisekunden oder bei etwa 50 Hz ein Impuls erzeugt. In diesem Beispiel beträgt die Impulsbreite etwa 2 Millisekunden, wodurch sich ein Servo fast bis zu einem Ende seiner Drehung drehen würde. Ein Oszilloskop ist unglaublich nützlich zum Testen und Debuggen von Systemen, die Servos verwenden.

Ihr Servo muss an eine Stromquelle (4,5 bis 6 Volt) angeschlossen sein und das Steuersignal muss von einem Computer oder einer anderen Schaltung kommen. Die Anforderungen jedes Servos variieren geringfügig, aber ein Impulszug (wie in Abbildung 6 oben) von etwa 50 bis 60 Hz funktioniert für die meisten Modelle gut., Die Pulsbreite variiert von ungefähr 1 Millisekunde bis 2 oder 3 Millisekunden (eine Millisekunde ist 1/1000 Sekunde). Beliebte Hobbycomputer wie der ArduinoTM verfügen über Softwarebefehle in der Sprache zur Erzeugung dieser Impulszüge. Aber jeder Mikrocontroller kann programmiert werden, um diese Wellenformen zu erzeugen. Ein System, das Informationen basierend auf der Breite von Impulsen weitergibt, verwendet Pulsweitenmodulation (oder PWM) und ist eine sehr gebräuchliche Methode zur Steuerung von Motordrehzahlen und LED-Helligkeit sowie Servomotorposition.,

Ressourcen

Mit der folgenden Auswahlanleitung können Sie bestimmen, welches Futaba ® Servo Ihren Anforderungen entspricht:

• Hobbico, Inc. (2012). Futaba servo Auswahl. Abgerufen September 13, 2012, von 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