Introduction aux servomoteurs

Qu’est-ce qu’un servomoteur?

Les servomoteurs (ou servos) sont des dispositifs électriques autonomes (voir Figure 1 ci-dessous) qui font tourner ou pousser des parties d’une machine avec une grande précision. Les Servos se trouvent dans de nombreux endroits: des jouets à l’électronique domestique en passant par les voitures et les avions. Si vous avez un modèle de voiture, d’avion ou d’hélicoptère radiocommandé, vous utilisez au moins quelques servos. Dans un modèle de voiture ou d’avion, les servos déplacent les leviers d’avant en arrière pour contrôler la direction ou ajuster les surfaces des ailes., En faisant tourner un arbre connecté à la manette des gaz du moteur, un servo régule la vitesse d’une voiture ou d’un avion à carburant. Les Servos apparaissent également dans les coulisses des appareils que nous utilisons tous les jours. Les appareils électroniques tels que les lecteurs DVD et Blu-ray DiscTM utilisent des servos pour étendre ou rétracter les plateaux de disques. Dans les automobiles du 21e siècle, les servos gèrent la vitesse de la voiture: la pédale d’accélérateur, semblable au contrôle du volume sur une radio, envoie un signal électrique qui indique à l’ordinateur de la voiture à quelle distance elle est enfoncée., L’ordinateur de la voiture calcule ces informations et autres données provenant d’autres capteurs et envoie un signal au servo attaché à l’accélérateur pour ajuster le régime du moteur. Les avions commerciaux utilisent des servos et une technologie hydraulique connexe pour pousser et tirer à peu près tout dans l’avion.

et bien sûr, les robots pourraient ne pas exister sans servos., Vous voyez des robots asservis dans presque tous les films (ces marionnettes animatroniques complexes ont des dizaines de servos), et vous avez probablement vu un certain nombre de jouets d’animaux robotiques à vendre. Les robots de laboratoire plus petits utilisent également des servos pour déplacer leurs articulations. Les servos Hobby sont disponibles dans une variété de formes et de tailles pour différentes applications. Vous voudrez peut-être un grand et puissant pour déplacer le bras d’un gros robot, ou un petit pour faire monter et descendre les sourcils d’un robot. La Figure 2 ci— dessous montre deux tailles que vous pouvez trouver dans un magasin de loisirs-une taille commune peu coûteuse et une taille miniature plus chère.,

Comment fonctionne un servomoteur?,

la simplicité d’un servo fait partie des caractéristiques qui le rendent si fiable. Le cœur d’un servo est un petit moteur à COURANT CONTINU (DC), similaire à ce que vous pourriez trouver dans un jouet peu coûteux. Ces moteurs fonctionnent à l’électricité d’une batterie et tournent à un régime élevé (rotations par minute) mais émettent un couple très faible (une force de torsion utilisée pour faire le travail— vous appliquez un couple lorsque vous ouvrez un pot). Un agencement d’engrenages prend la grande vitesse du moteur et le ralentit tout en augmentant le couple. (Loi fondamentale de la physique: travail = force X distance.,) Un petit moteur électrique n’a pas beaucoup de couple, mais il peut tourner très vite (petite force, grande distance). La conception de l’engrenage à l’intérieur du boîtier du servo convertit la sortie en une vitesse de rotation beaucoup plus lente mais avec plus de couple (grande force, petite distance). La quantité de travail réel est la même, juste plus utile. Les engrenages d’un servomoteur bon marché sont généralement en plastique pour le garder plus léger et moins coûteux (voir Figure 3 ci-dessous). Sur un servo conçu pour fournir plus de couple pour un travail plus lourd, les engrenages sont en métal (voir Figure 4 ci-dessous) et sont plus difficiles à endommager.,

avec un petit moteur À COURANT CONTINU, vous appliquez l’alimentation d’une batterie, et le moteur tourne. Contrairement à un simple Moteur À COURANT CONTINU, cependant, l’arbre du moteur tournant d’un servo est ralenti avec des engrenages. Un capteur de Position sur le rapport final est connecté à une petite carte de circuit imprimé (voir Figure 5 ci-dessous). Le capteur indique à cette carte de circuit imprimé à quelle distance l’arbre de sortie servo a tourné., Le signal d’entrée électronique de l’ordinateur ou de la radio dans un véhicule télécommandé alimente également cette carte de circuit imprimé. L’électronique de la carte de circuit imprimé décode les signaux pour déterminer dans quelle mesure l’Utilisateur souhaite que le servo tourne. Il compare ensuite la position souhaitée à la position réelle et décide dans quelle direction faire pivoter l’arbre afin qu’il atteigne la position souhaitée.

Imaginez que vous jouez à la balle avec un ami sur un terrain de sport. Vous vous tenez à une extrémité et voulez que votre ami sorte pour un long lancer. Vous pourriez continuer à appeler « plus loin, plus loin, plus loin » jusqu’à ce qu’elle soit aussi loin que vous le vouliez. Mais si elle sortait plus loin que vous ne pouvez lancer, vous devrez appeler « plus près » jusqu’à ce qu’elle revienne au bon endroit., Si elle était un simple moteur dans un bras de robot et que vous étiez le microprocesseur, vous auriez à passer une partie de votre temps à regarder ce qu’elle a fait et à lui donner des ordres pour la ramener au bon endroit (c’est ce qu’on appelle une boucle de rétroaction). Si elle était un servomoteur, vous pourriez simplement dire « sortez exactement à 4, 5 mètres » et savoir qu’elle trouverait le bon endroit. C’est ce qui rend les servomoteurs si utiles: une fois que vous leur dites ce que vous voulez faire, ils font le travail sans votre aide. Ce comportement de recherche automatique des servomoteurs les rend parfaits pour de nombreuses applications robotiques.,

Types de servomoteurs

Les servomoteurs sont disponibles en plusieurs tailles et en trois types de base: rotation positionnelle, rotation continue et linéaire.

• servo de rotation de position: il s’agit du type de servomoteur le plus courant. L’arbre de sortie tourne dans environ la moitié d’un cercle, ou 180 degrés. Il a des butées physiques placées dans le mécanisme d’engrenage pour éviter de tourner au-delà de ces limites pour protéger le capteur de rotation. Ces servos communs se trouvent dans les voitures radiocommandées et l’eau-et les avions, les jouets, les robots et de nombreuses autres applications.,
• servo à rotation continue: ceci est assez similaire au servomoteur à rotation de position commun, sauf qu’il peut tourner indéfiniment dans les deux sens. Le signal de commande, plutôt que de définir la position statique du servo, est interprété comme la direction et la vitesse de rotation. La gamme de commandes possibles fait tourner le servo dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, à une vitesse variable, en fonction du signal de commande. Vous pouvez utiliser un servo de ce type sur une antenne parabolique radar si vous en avez monté un sur un robot. Ou vous pouvez en utiliser un comme moteur d’entraînement sur un robot mobile.,
• servo linéaire: c’est aussi comme le servomoteur à rotation de position décrit ci-dessus, mais avec des engrenages supplémentaires (généralement un mécanisme à crémaillère) pour changer la sortie de circulaire en va-et-vient. Ces servos ne sont pas faciles à trouver, mais vous pouvez parfois trouver chez hobby magasins où ils sont utilisés comme actionneurs dans les grands modèles d’avions.

sélection d’un servomoteur

lors du démarrage d’un projet utilisant des servos, examinez les exigences de votre application. À quelle vitesse le servo doit-il tourner d’une position à l’autre? Comment dur il faut pousser ou tirer?, Ai-je besoin d’une rotation positionnelle, d’une rotation continue ou d’un servo linéaire? Combien de dépassement est autorisé? Moins vous payez pour le servo, moins il aura de puissance mécanique et moins il aura de précision dans ses mouvements. Vous pouvez payer un peu plus et obtenir un qui se déplace rapidement, mais il peut ne pas avoir beaucoup de puissance. Vous pouvez également en acheter un qui tirera ou poussera de grosses charges, mais il peut ne pas se déplacer rapidement ou précisément. Les sites Web des fabricants et les guides de passe-temps en ligne auront beaucoup de ces informations que vous pouvez utiliser pour comparer les modèles., Vous constaterez également que les magasins hobby ont une sélection de servos et peuvent généralement vous aider à décider lequel convient le mieux à votre projet et à votre budget.

commande d’un servomoteur

Les Servos prennent des commandes à partir d’une série d’impulsions envoyées par l’ordinateur ou la radio. Une impulsion est une transition de basse tension à haute tension qui reste élevée pendant une courte période, puis revient à basse tension. Dans les appareils à batterie tels que les servos, » faible « est considéré comme la masse ou 0 volts et » élevé  » est la tension de la batterie. Les Servos ont tendance à fonctionner dans une plage de 4,5 à 6 volts, ils sont donc extrêmement faciles à utiliser par ordinateur.,

avez – vous déjà ramassé une extrémité d’une corde attachée à un arbre ou tenu une extrémité d’une corde à sauter pendant qu’un ami tenait l’autre? Imaginez que, tout en tenant votre extrémité de la corde, vous avez déplacé votre bras de haut en bas. La corde ferait une grosse bosse qui voyagerait de votre bout à l’autre. Ce que vous avez fait est appliqué une impulsion, et il a voyagé sur la corde comme une vague. Lorsque vous levez la main de haut en bas, si vous gardez votre main en l’air plus longtemps, quelqu’un qui regarde cette expérience de côté verrait que le pouls dans la corde serait plus long ou plus large., Si vous abaissez votre main plus tôt, le pouls est plus court ou plus étroit. C’est la largeur de l’impulsion. Si vous continuez à monter et descendre, en faisant tout un tas de ces impulsions l’une après l’autre, vous avez créé un train d’impulsions (voir Figure 6 ci-dessous). À quelle fréquence avez-vous augmenté et abaissé votre extrémité? C’est la fréquence du train d’impulsions et est mesurée en impulsions par seconde, ou Hz (abréviation de « hertz »).

Remarque: Le microprocesseur de votre ordinateur utilise des impulsions provenant de circuits d’horloge spéciaux pour effectuer le travail. Avez-vous entendu parler de la vitesse de votre ordinateur appelée quelque chose comme 1.,7 gigahertz (GHz)? C’est une façon de dire que les impulsions arrivent à 1,7 milliard d’impulsions par seconde, ou 1 700 000 000 Hz. Imaginez essayer de déplacer votre corde aussi vite!

La capture d’écran montre un graphique qui a trois pointes d’égale hauteur également espacées. Ces pointes sont des impulsions qui se répètent toutes les vingt millisecondes.

la Figure 6. Un exemple de train d’impulsions que vous pourriez générer pour contrôler un servo, comme le montre une capture d’écran à partir d’un oscilloscope numérique peu coûteux, un instrument d’observation des tensions)., Ici, une impulsion est générée une fois toutes les 20 millisecondes, soit à environ 50 Hz. Dans cet exemple, la largeur d’impulsion est d’environ 2 millisecondes, ce qui ferait tourner un servo presque jusqu’à une extrémité de sa rotation. Un oscilloscope est incroyablement utile pour tester et déboguer les systèmes qui utilisent des servos.

Votre servo doit être connecté à une source d’alimentation (4,5 à 6 volts) et le signal de commande doit venir à partir d’un ordinateur ou d’autres circuits. Les exigences de chaque servo varient légèrement, mais un train d’impulsions (comme sur la Figure 6 ci-dessus) d’environ 50 à 60 Hz fonctionne bien pour la plupart des modèles., La durée d’impulsion varie d’environ 1 milliseconde à 2 ou 3 millisecondes (une milliseconde est 1/1000 de seconde). Les ordinateurs amateurs populaires tels que L’ArduinoTM ont des commandes logicielles dans le langage pour générer ces trains d’impulsions. Mais n’importe quel microcontrôleur peut être programmé pour générer ces formes d’onde. Un système qui transmet des informations basées sur la largeur des impulsions utilise la modulation de largeur d’impulsion (ou PWM) et est un moyen très courant de contrôler la vitesse du moteur et la luminosité des LED ainsi que la position du servomoteur.,

ressources

Le guide de sélection suivant peut vous aider à déterminer quel servo Futaba® correspond à vos besoins:

• Hobbico, Inc. (2012). Sélection de servo Futaba®. Extrait le 13 septembre 2012 de www.futaba-rc.com/servos/servo-select.,n, Science Buddies

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