Inleiding tot servomotoren

Wat is een servomotor?

servomotoren (of servo ‘ s) zijn onafhankelijke elektrische apparaten (zie Figuur 1 hieronder) die delen van een machine met grote precisie draaien of duwen. Servo ’s zijn op veel plaatsen te vinden: van speelgoed tot huiselektronica tot auto’ s en vliegtuigen. Als u een radiogestuurde modelauto, vliegtuig of helikopter hebt, gebruikt u ten minste een paar servo ‘ s. In een modelauto of vliegtuig bewegen servo ‘ s hendels heen en weer om het stuur te regelen of vleugeloppervlakken aan te passen., Door een op het motorgas aangesloten as te draaien, regelt een servo De snelheid van een op brandstof aangedreven auto of vliegtuig. Servos verschijnen ook achter de schermen in apparaten die we dagelijks gebruiken. Elektronische apparaten zoals DVD-en Blu-ray DiscTM-spelers gebruiken servo ‘ s om de schijfbakken uit te breiden of in te trekken. In de 21e-eeuwse auto ’s beheren servo’ s De snelheid van de auto: het gaspedaal, vergelijkbaar met de volumeregeling op een radio, stuurt een elektrisch signaal dat de computer van de auto vertelt hoe ver hij wordt ingedrukt., De computer van de auto berekent die informatie en andere gegevens van andere sensoren en stuurt een signaal naar de servo aangesloten op het gaspedaal om het motortoerental aan te passen. Commerciële vliegtuigen gebruiken servo ‘ s en een bijbehorende hydraulische technologie om zowat alles in het vliegtuig te duwen en te trekken.

en natuurlijk bestaan robots niet zonder servo ‘ s., Je ziet servo-gestuurde robots in bijna elke film (die complexe animatronische poppen hebben tientallen servo ‘ s), en je hebt waarschijnlijk een aantal robotachtige dieren speelgoed te koop gezien. Kleinere laboratoriumrobots gebruiken ook servo ‘ s om hun gewrichten te verplaatsen. Hobby servo ‘ s zijn er in verschillende vormen en maten voor verschillende toepassingen. Je wilt misschien een grote, krachtige om de arm van een grote robot te bewegen, of een kleine om de wenkbrauwen van een robot op en neer te laten gaan. Figuur 2 hieronder toont twee maten die u kunt vinden in een hobbywinkel— een goedkope gemeenschappelijke maat en een duurdere miniatuur.,

Hoe werkt een servomotor?,

de eenvoud van een servo is een van de functies die ze zo betrouwbaar maken. Het hart van een servo is een kleine gelijkstroom (DC) motor, vergelijkbaar met wat je zou kunnen vinden in een goedkoop speelgoed. Deze motoren draaien op elektriciteit van een batterij en draaien bij hoog toerental (rotaties per minuut), maar zetten een zeer laag koppel uit (een draaikracht die wordt gebruikt om werk te doen— je oefent koppel uit wanneer je een pot opent). Een opstelling van versnellingen neemt de hoge snelheid van de motor en vertraagt het terwijl op hetzelfde moment het verhogen van het koppel. (Basiswet van de fysica: werk = kracht X afstand.,) Een kleine elektromotor heeft niet veel koppel, maar het kan echt snel draaien (kleine kracht, grote afstand). Het tandwielontwerp in de servo-behuizing zet de output om naar een veel lagere rotatiesnelheid maar met meer koppel (grote kracht, weinig afstand). De hoeveelheid werk is hetzelfde, alleen nuttiger. Tandwielen in een goedkope servomotor zijn over het algemeen gemaakt van kunststof om het lichter en goedkoper te houden (zie Figuur 3 hieronder). Bij een servo die is ontworpen om meer koppel te leveren voor zwaardere werkzaamheden, zijn de tandwielen van metaal gemaakt (zie Figuur 4 hieronder) en zijn ze moeilijker te beschadigen.,

met een kleine gelijkstroommotor wordt stroom van een batterij gebruikt en de motor draait. In tegenstelling tot een eenvoudige gelijkstroommotor is de draaiende motoras van een servo echter vertraagd met tandwielen. Een positiesensor op de laatste versnelling wordt aangesloten op een kleine printplaat (zie Figuur 5 hieronder). De sensor vertelt deze printplaat hoe ver de servo-uitgang is gedraaid., Het elektronische ingangssignaal van de computer of de radio in een op afstand bestuurbaar voertuig voert ook naar die printplaat. De elektronica op de printplaat decoderen de signalen om te bepalen hoe ver de gebruiker de servo wil draaien. Het vergelijkt vervolgens de gewenste positie met de werkelijke positie en bepaalt welke richting de as moet draaien zodat deze de gewenste positie bereikt.

stel je voor dat je vangbal speelt met een vriend op een sportveld. Je staat aan de ene kant en wilt dat je vriend een lange worp maakt. Je kon blijven roepen “verder, verder, verder” totdat ze zo ver weg was als je wilde. Maar als ze verder ging dan je kunt gooien, zou je “dichterbij” moeten roepen tot ze terug op de juiste plek was., Als ze een eenvoudige motor in een robotarm was en jij de microprocessor, zou je een deel van je tijd moeten besteden aan wat ze deed en haar opdrachten moeten geven om haar terug te brengen naar de juiste plek (dit heet een terugkoppelingslus). Als ze een servomotor was, kon je gewoon zeggen “ga precies 4,5 meter uit” en weet dat ze de juiste plek zou vinden. Dat is wat servomotoren zo nuttig maakt: als je ze vertelt wat je gedaan wilt hebben, doen ze het werk zonder jouw hulp. Dit automatische zoekgedrag van servomotoren maakt ze perfect voor vele robottoepassingen.,

soorten servomotoren

servo ‘ s zijn er in vele groottes en in drie basistypes: positionele rotatie, continue rotatie en lineair.

• positionele rotatie servo: Dit is het meest voorkomende type servomotor. De uitgaande as draait in ongeveer de helft van een cirkel, of 180 graden. Het heeft fysieke stops geplaatst in het tandwielmechanisme om te voorkomen dat het draaien voorbij deze grenzen om de rotatiesensor te beschermen. Deze gemeenschappelijke servo ’s worden gevonden in radiogestuurde auto’ s en water-en vliegtuigen, speelgoed, robots, en vele andere toepassingen.,
• continue rotatie servo: dit is vrij vergelijkbaar met de gewone positionele rotatie servomotor, behalve dat deze oneindig in beide richtingen kan draaien. Het besturingssignaal, in plaats van het instellen van de statische positie van de servo, wordt geïnterpreteerd als de richting en de snelheid van de rotatie. Het bereik van mogelijke commando ‘ s zorgt ervoor dat de servo naar wens met de klok mee of tegen de klok in draait, met wisselende snelheid, afhankelijk van het commandosignaal. Je zou een servo van dit type op een radarschotel kunnen gebruiken als je er een op een robot monteerde. Of je kunt er een gebruiken als aandrijfmotor op een mobiele robot.,
• Lineaire servomotor: dit is ook zoals de positionele draaiservomotor zoals hierboven beschreven, maar met extra tandwielen (meestal een tandheugelmechanisme) om de output van cirkelvormig naar heen en weer te veranderen. Deze servo ‘ s zijn niet gemakkelijk te vinden, maar je kunt ze soms vinden bij hobbywinkels waar ze worden gebruikt als actuators in grotere modelvliegtuigen.

het selecteren van een servomotor

wanneer u een project start dat servos gebruikt, kijk dan naar de vereisten van uw toepassing. Hoe snel moet de servo van de ene positie naar de andere draaien? Hoe hard zal het moeten duwen of trekken?, Heb ik een positionele rotatie, continue rotatie of lineaire servo nodig? Hoeveel overschrijding is toegestaan? Hoe minder je betaalt voor de servo, hoe minder mechanisch vermogen het zal moeten opbrengen en hoe minder precisie het zal hebben in zijn bewegingen. U kunt een beetje meer betalen en krijgen een die snel beweegt,maar het kan niet veel macht. U kunt er ook een kopen die grote ladingen trekt of duwt, maar het kan niet snel of precies bewegen. Websites van fabrikanten en online hobby gidsen zullen veel van deze informatie die u kunt gebruiken om modellen te vergelijken., U zult ook merken dat hobby winkels hebben een selectie van servo ‘ s en kan meestal helpen u beslissen welke geschikt is voor uw project en budget.

het besturen van een servomotor

servo ’s nemen commando’ s aan van een reeks pulsen die worden verzonden vanaf de computer of radio. Een puls is een overgang van laagspanning naar hoogspanning die korte tijd hoog blijft en vervolgens terugkeert naar laag. In batterijapparaten zoals servo ‘ s,” laag “wordt beschouwd als aarding of 0 volt en” hoog ” is de batterijspanning. Servo ‘ s werken meestal in een bereik van 4,5 tot 6 volt, dus ze zijn uiterst hobbyistisch computervriendelijk.,

heeft u ooit een uiteinde van een touw gepakt dat aan een boom was vastgebonden of het ene uiteinde van een springtouw vasthield terwijl een vriend het andere vasthield? Stel je voor dat je, terwijl je het touw vasthield, je arm op en neer bewoog. Het touw zou een grote bult maken die van jouw kant naar de andere kant zou reizen. Wat je hebt gedaan is een puls toegepast, en het reisde langs het touw als een golf. Als je je hand op en neer steekt, als je je hand langer in de lucht houdt, zou iemand die dit experiment vanaf de zijkant bekijkt zien dat de puls in het touw langer of breder zou zijn., Als je je hand eerder naar beneden brengt, is de pols korter of smaller. Dit is de pulsbreedte. Als je je einde op en neer houdt en een hele hoop van deze pulsen achter elkaar maakt, heb je een pulstrein gemaakt (zie Figuur 6 hieronder). Hoe vaak heb je verhoogd en verlaagd uw einde? Dit is de frequentie van uw pulstrein en wordt gemeten in pulsen per seconde, of Hz (afkorting van “hertz”).

Opmerking: De microprocessor in uw computer gebruikt pulsen van speciale klokcircuits om de klus te klaren. Heb je gehoord van uw computer snelheid aangeduid als iets als 1.,7 gigahertz (GHz)? Dit is een manier om te zeggen dat de pulsen komen op 1,7 miljard pulsen per seconde, of 1.700.000.000 Hz. Stel je voor dat je je touw zo snel probeert te bewegen!

de schermafbeelding toont een grafiek met drie pieken van gelijke hoogte die gelijkmatig uit elkaar liggen. Deze pieken zijn pulsen die elke twintig milliseconden herhalen.

Figuur 6. Een voorbeeld van een pulstrein die je zou kunnen genereren om een servo te besturen, zoals te zien is in een schermopname van een goedkope digitale oscilloscoop, een instrument voor het observeren van spanningen)., Hier wordt eens in de 20 milliseconden een puls gegenereerd, of bij ongeveer 50 Hz. In dit voorbeeld is de pulsbreedte ongeveer 2 milliseconden, die een servo zou hebben die bijna helemaal tot het ene einde van zijn rotatie draait. Een oscilloscoop is ongelooflijk nuttig voor het testen en debuggen van systemen die servos gebruiken.

uw servo moet aangesloten zijn op een voedingsbron (4,5 tot 6 volt) en het stuursignaal moet afkomstig zijn van een computer of een ander circuit. De eisen van elke servo variëren enigszins, maar een pulstrein (zoals in Figuur 6 hierboven) van ongeveer 50 tot 60 Hz werkt goed voor de meeste modellen., De pulsbreedte zal variëren van ongeveer 1 milliseconde tot 2 of 3 milliseconden (een milliseconde is 1/1000 van een seconde). Populaire hobbyisten computers zoals de ArduinoTM hebben software commando ‘ s in de taal voor het genereren van deze pulstreinen. Maar elke microcontroller kan geprogrammeerd worden om deze golfvormen te genereren. Een systeem dat informatie doorgeeft op basis van de breedte van pulsen maakt gebruik van pulsbreedtemodulatie (of PWM) en is een veel voorkomende manier om motortoerentallen en LED-helderheid en servomotorpositie te regelen.,

Resources

De volgende selectiegids kan u helpen bepalen welke Futaba® servo aan uw behoeften voldoet:

• Hobbico, Inc. (2012). Futaba ® servo selectie. Geraadpleegd op 13 September 2012, van 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