Introduzione ai servomotori

Che cos’è un servomotore?

I servomotori (o servi) sono dispositivi elettrici autonomi (vedi Figura 1 sotto) che ruotano o spingono parti di una macchina con grande precisione. I servi si trovano in molti luoghi: dai giocattoli all’elettronica domestica alle auto e agli aerei. Se si dispone di un radiocomandato modello di auto, aereo o elicottero, si sta utilizzando almeno un paio di servi. In un modello di auto o aereo, servi spostare le leve avanti e indietro per controllare lo sterzo o regolare le superfici alari., Ruotando un albero collegato all’acceleratore del motore, un servo regola la velocità di un’auto o di un aereo alimentato a carburante. I servi appaiono anche dietro le quinte nei dispositivi che usiamo ogni giorno. Dispositivi elettronici come lettori DVD e Blu-ray DiscTM utilizzano servi per estendere o ritrarre i vassoi del disco. Nelle automobili del 21 ° secolo, i servi gestiscono la velocità dell’auto: il pedale del gas, simile al controllo del volume su una radio, invia un segnale elettrico che indica al computer dell’auto quanto viene premuto., Il computer dell’auto calcola tali informazioni e altri dati da altri sensori e invia un segnale al servo collegato all’acceleratore per regolare la velocità del motore. Gli aerei commerciali utilizzano servi e una tecnologia idraulica correlata per spingere e tirare quasi tutto nell’aereo.

E, naturalmente, i robot potrebbero non esistere senza servi., Vedete robot servo-controllati in quasi tutti i film (quei complessi burattini animatronici hanno dozzine di servi), e probabilmente avete visto un certo numero di giocattoli animali robotici in vendita. I robot di laboratorio più piccoli usano anche servi per spostare le loro articolazioni. Hobby servi sono disponibili in una varietà di forme e dimensioni per diverse applicazioni. Potresti volerne uno grande e potente per muovere il braccio di un grosso robot, o uno minuscolo per far salire e scendere le sopracciglia di un robot. La figura 2 di seguito mostra due dimensioni che puoi trovare in un negozio di hobby: una dimensione comune economica e una miniatura più costosa.,

Come funziona un servomotore?,

La semplicità di un servo è tra le caratteristiche che li rendono così affidabili. Il cuore di un servo è un piccolo motore a corrente continua (DC), simile a quello che potresti trovare in un giocattolo economico. Questi motori funzionano con l’elettricità di una batteria e girano ad alti giri (rotazioni al minuto) ma mettono fuori una coppia molto bassa (una forza di torsione usata per fare il lavoro— si applica la coppia quando si apre un barattolo). Una disposizione di ingranaggi prende l’alta velocità del motore e lo rallenta mentre allo stesso tempo aumenta la coppia. (Legge fondamentale della fisica: lavoro = forza x distanza.,) Un piccolo motore elettrico non ha molta coppia, ma può girare molto velocemente (piccola forza, grande distanza). Il design dell’ingranaggio all’interno della custodia del servo converte l’uscita in una velocità di rotazione molto più lenta ma con più coppia (grande forza, piccola distanza). La quantità di lavoro effettivo è la stessa, solo più utile. Gli ingranaggi in un servomotore economico sono generalmente realizzati in plastica per mantenerlo più leggero e meno costoso (vedi Figura 3 sotto). Su un servo progettato per fornire più coppia per lavori più pesanti, gli ingranaggi sono fatti di metallo (vedi Figura 4 sotto) e sono più difficili da danneggiare.,

Con un piccolo motore a corrente continua, si applica l’alimentazione da una batteria e il motore gira. A differenza di un semplice motore a corrente continua, tuttavia, l’albero motore rotante di un servo viene rallentato con gli ingranaggi. Un sensore di posizione sull’ingranaggio finale è collegato a un piccolo circuito stampato (vedi Figura 5 sotto). Il sensore dice a questo circuito quanto l’albero di uscita servo ha ruotato., Il segnale di ingresso elettronico dal computer o la radio in un veicolo telecomandato alimenta anche in quel circuito. L’elettronica sul circuito decodifica i segnali per determinare fino a che punto l’utente desidera che il servo ruoti. Quindi confronta la posizione desiderata con la posizione effettiva e decide in quale direzione ruotare l’albero in modo che raggiunga la posizione desiderata.

Immagina di giocare a pesca con un amico su un campo sportivo. Ti trovi a un’estremità e vuoi che il tuo amico esca per un lungo lancio. Potresti continuare a gridare “più lontano, più lontano, più lontano” finché non è arrivata quanto volevi. Ma se uscisse più lontano di quanto tu possa lanciare, dovresti chiamare “più vicino” fino a quando non tornerà nel posto giusto., Se lei fosse un semplice motore in un braccio robotico e tu fossi il microprocessore, dovresti passare un po ‘ del tuo tempo a guardare quello che ha fatto e dare i suoi comandi per spostarla di nuovo nel punto giusto (questo è chiamato un ciclo di feedback). Se fosse un servomotore, potresti semplicemente dire “esci esattamente 4,5 metri” e sapere che avrebbe trovato il posto giusto. Questo è ciò che rende i servomotori così utili: una volta che dici loro cosa vuoi fare, fanno il lavoro senza il tuo aiuto. Questo comportamento di ricerca automatica dei servomotori li rende perfetti per molte applicazioni robotiche.,

Tipi di servomotori

I servi sono disponibili in molte dimensioni e in tre tipi di base: rotazione posizionale, rotazione continua e lineare.

• Servo di rotazione posizionale: questo è il tipo più comune di servomotore. L’albero di uscita ruota in circa la metà di un cerchio, o 180 gradi. Ha arresti fisici posizionati nel meccanismo ad ingranaggi per evitare di girare oltre questi limiti per proteggere il sensore di rotazione. Questi servi comuni si trovano in auto radiocomandate e acqua-e aerei, giocattoli, robot, e molte altre applicazioni.,
• Servo di rotazione continua: questo è abbastanza simile al servomotore di rotazione posizionale comune, tranne che può girare in entrambe le direzioni indefinitamente. Il segnale di controllo, piuttosto che impostare la posizione statica del servo, viene interpretato come la direzione e la velocità di rotazione. La gamma di comandi possibili fa sì che il servo ruoti in senso orario o antiorario a piacere, a velocità variabile, a seconda del segnale di comando. È possibile utilizzare un servo di questo tipo su una parabola radar se ne è stato montato uno su un robot. Oppure si potrebbe usare uno come motore di azionamento su un robot mobile.,
• Servo lineare: questo è anche come il servomotore di rotazione posizionale descritto sopra, ma con ingranaggi aggiuntivi (di solito un meccanismo a cremagliera) per cambiare l’uscita da circolare a avanti e indietro. Questi servi non sono facili da trovare, ma a volte puoi trovarli nei negozi di hobby dove vengono utilizzati come attuatori in aeromodelli più grandi.

Selezione di un servomotore

Quando si avvia un progetto che utilizza servi, esaminare i requisiti dell’applicazione. Quanto velocemente deve ruotare il servo da una posizione all’altra? Quanto sarà difficile spingere o tirare?, Ho bisogno di una rotazione posizionale, rotazione continua o servo lineare? Quanto overshoot è ammissibile? Meno si paga per il servo, meno potenza meccanica dovrà radunare e meno precisione avrà nei suoi movimenti. Si può pagare un po ‘ di più e ottenere uno che si muove rapidamente, ma non può avere un sacco di potenza. È inoltre possibile acquistare uno che tirerà o spingere grandi carichi, ma potrebbe non muoversi rapidamente o con precisione. I siti Web dei produttori e le guide per hobby online avranno molte di queste informazioni che puoi utilizzare per confrontare i modelli., Troverete anche che i negozi di hobby hanno una selezione di servi e di solito può aiutare a decidere quale è giusto per il vostro progetto e budget.

Controllo di un servomotore

I servi prendono comandi da una serie di impulsi inviati dal computer o dalla radio. Un impulso è una transizione da bassa tensione ad alta tensione che rimane alta per un breve periodo e quindi ritorna a bassa. Nei dispositivi a batteria come i servi, ” basso “è considerato a terra o 0 volt e” alto ” è la tensione della batteria. Servi tendono a lavorare in una gamma di 4,5 a 6 volt, quindi sono estremamente hobbisti computer-friendly.,

Hai mai raccolto un’estremità di una corda legata a un albero o tenuto un’estremità di una corda per saltare mentre un amico teneva l’altra? Immagina che, mentre tieni la tua estremità della corda, muovi il braccio su e giù. La corda farebbe una grande gobba che viaggerebbe dalla tua parte all’altra. Quello che hai fatto è stato applicato un impulso, e ha viaggiato lungo la corda come un’onda. Mentre alzi la mano su e giù, se tieni la mano in aria più a lungo, qualcuno guardando questo esperimento dal lato vedrebbe che l’impulso nella corda sarebbe più lungo o più largo., Se abbassi la mano prima, l’impulso è più corto o più stretto. Questa è la larghezza dell’impulso. Se si mantiene la fine andando su e giù, facendo un sacco di questi impulsi uno dopo l’altro, è stato creato un treno di impulsi (vedi Figura 6 sotto). Quante volte hai alzato e abbassato la tua parte? Questa è la frequenza del tuo treno di impulsi e viene misurata in impulsi al secondo, o Hz (abbreviazione di “hertz”).

Nota: Il microprocessore nel computer utilizza impulsi da circuiti di clock speciali per ottenere il lavoro fatto. Avete sentito parlare della velocità del computer indicato come qualcosa di simile 1.,7 gigahertz (GHz)? Questo è un modo per dire che gli impulsi arrivano a 1,7 miliardi di impulsi al secondo, o 1.700.000.000 Hz. Immagina di provare a muovere la corda così velocemente!

Lo screenshot mostra un grafico con tre punte di uguale altezza distanziate uniformemente. Questi picchi sono impulsi che si ripetono ogni venti millisecondi.

Figura 6. Un esempio di un treno di impulsi si potrebbe generare per controllare un servo, come mostrato in una cattura dello schermo da un oscilloscopio digitale poco costoso, uno strumento per osservare tensioni)., Qui, un impulso viene generato una volta ogni 20 millisecondi, o a circa 50 Hz. In questo esempio, la larghezza dell’impulso è di circa 2 millisecondi, che avrebbe un servo ruotare quasi fino a un’estremità della sua rotazione. Un oscilloscopio è incredibilmente utile per testare e debugging sistemi che utilizzano servi.

Il servo deve essere collegato a una fonte di alimentazione (da 4,5 a 6 volt) e il segnale di controllo deve provenire da un computer o da altri circuiti. I requisiti di ogni servo variano leggermente, ma un treno di impulsi (come nella figura 6 sopra) di circa 50 a 60 Hz funziona bene per la maggior parte dei modelli., La larghezza dell’impulso varierà da circa 1 millisecondo a 2 o 3 millisecondi (un millisecondo è 1/1000 di secondo). I computer hobbisti popolari come l’ArduinoTM hanno comandi software nella lingua per generare questi treni di impulsi. Ma qualsiasi microcontrollore può essere programmato per generare queste forme d’onda. Un sistema che passa le informazioni in base alla larghezza degli impulsi utilizza la modulazione della larghezza di impulso (o PWM) ed è un modo molto comune di controllare la velocità del motore e la luminosità del LED, nonché la posizione del servomotore.,

Risorse

La seguente guida alla selezione può aiutarti a determinare quale servo Futaba ® si adatta alle tue esigenze:

• Hobbico, Inc. (2012). Selezione servo Futaba®. Estratto 13 settembre 2012, da www.futaba-rc.com/servos/servo-select.,n, Science Buddies

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