Wprowadzenie do serwosilników

Co to jest silnik serwo?

serwosilniki (lub Serwomechanizmy) to samodzielne urządzenia elektryczne (patrz rysunek 1 poniżej), które obracają lub pchają części maszyny z dużą precyzją. Serwa znajdują się w wielu miejscach: od zabawek po elektronikę domową po Samochody i samoloty. Jeśli masz sterowany radiowo model samochodu, samolotu lub helikoptera, używasz co najmniej kilku serwomechanizmów. W modelu samochodu lub samolotu Serwomechanizmy przesuwają dźwignie w przód iw tył, aby kontrolować sterowanie lub regulować powierzchnie skrzydeł., Obracając wał połączony z przepustnicą silnika, serwo reguluje prędkość samochodu lub samolotu napędzanego paliwem. Serwa pojawiają się również za kulisami w urządzeniach, z których korzystamy na co dzień. Urządzenia elektroniczne, takie jak odtwarzacze DVD i Blu-ray DiscTM, używają serwa do przedłużania lub chowania tacek na płyty. W samochodach XXI wieku, Serwomechanizmy zarządzają prędkością samochodu: pedał gazu, podobnie jak regulacja głośności w radiu, wysyła sygnał elektryczny, który mówi komputerowi samochodu, jak daleko jest wciśnięty., Komputer samochodu oblicza te informacje i inne dane z innych czujników i wysyła sygnał do serwo przymocowanego do przepustnicy, aby wyregulować prędkość obrotową silnika. Samoloty komercyjne wykorzystują serwa i związaną z nimi technologię hydrauliczną do pchania i ciągnięcia prawie wszystkiego w samolocie.

i oczywiście roboty mogą nie istnieć bez serwów., W prawie każdym filmie widać roboty sterowane serwo (te złożone lalki animatroniczne mają dziesiątki serwów) i prawdopodobnie widziałeś wiele robotów dla zwierząt na sprzedaż. Mniejsze roboty laboratoryjne również używają serwomechanizmów do poruszania stawów. Serwa Hobby są dostępne w różnych kształtach i rozmiarach dla różnych zastosowań. Możesz chcieć dużego, potężnego do poruszania ramieniem dużego robota lub małego, aby brwi robota poruszały się w górę iw dół. Rysunek 2 poniżej pokazuje dwa rozmiary, które można znaleźć w sklepie hobbystycznym— niedrogi rozmiar wspólny i droższy miniaturowy.,

Jak działa silnik serwo?,

prostota serwo jest jedną z cech, które sprawiają, że są tak niezawodne. Sercem serwo jest mały silnik PRĄDU STAŁEGO (DC), podobny do tego, co można znaleźć w niedrogiej zabawce. Silniki te działają na energii elektrycznej z akumulatora i wirują z dużą prędkością obrotową (obroty na minutę), ale gaszą bardzo niski moment obrotowy (Siła skręcająca używana do pracy— przykładasz moment obrotowy, gdy otwierasz słoik). Układ przekładni pochłania dużą prędkość silnika i spowalnia go, jednocześnie zwiększając moment obrotowy. (Podstawowe prawo fizyki: praca = Siła x Odległość.,) Mały Silnik elektryczny nie ma dużego momentu obrotowego, ale może obracać się bardzo szybko (mała siła, duża odległość). Konstrukcja przekładni wewnątrz obudowy serwo przekształca wyjście na znacznie wolniejszą prędkość obrotową, ale z większym momentem obrotowym (duża siła, niewielka odległość). Ilość rzeczywistej pracy jest taka sama, tylko bardziej przydatna. Przekładnie w niedrogim serwosilniku są zwykle wykonane z tworzywa sztucznego, aby były lżejsze i mniej kosztowne(patrz rysunek 3 poniżej). W serwo zaprojektowanym w celu zapewnienia większego momentu obrotowego przy cięższej pracy, koła zębate są wykonane z metalu (patrz rysunek 4 poniżej) i są trudniejsze do uszkodzenia.,

za pomocą małego silnika PRĄDU STAŁEGO zasilasz akumulator, a silnik obraca się. W przeciwieństwie do prostego silnika PRĄDU STAŁEGO, jednak wirujący wał silnika serwo jest spowolniony za pomocą przekładni. Czujnik położenia na biegu końcowym jest podłączony do małej płytki drukowanej(patrz rysunek 5 poniżej). Czujnik informuje tę płytkę drukowaną, jak daleko obrócił się wał wyjściowy serwo., Elektroniczny sygnał wejściowy z komputera lub radia w zdalnie sterowanym pojeździe również trafia do tej płytki drukowanej. Elektronika na płytce drukowanej dekoduje sygnały, aby określić, jak daleko użytkownik chce, aby serwo się obracało. Następnie porównuje żądaną pozycję z rzeczywistą pozycją i decyduje, w którym kierunku należy obrócić wał, aby dotarł do żądanej pozycji.

wyobraź sobie, że grasz z przyjacielem na boisku sportowym. Stoisz na jednym końcu i chcesz, aby twój przyjaciel wyszedł na długi rzut. Możesz ciągle wołać „Dalej, Dalej, dalej”, dopóki ona nie oddali się tak daleko, jak chciałeś. Ale jeśli poszła dalej, niż możesz rzucić, będziesz musiał zawołać „bliżej”, dopóki nie wróci do właściwego miejsca., Gdyby była prostym silnikiem w ramieniu robota, a ty byłeś mikroprocesorem, musiałbyś spędzić trochę czasu na obserwowaniu tego, co zrobiła i wydawaniu jej poleceń, aby przenieść ją z powrotem w odpowiednie miejsce (nazywa się to pętlą sprzężenia zwrotnego). Gdyby była serwomotorem, mógłbyś po prostu powiedzieć „wyjdź dokładnie 4,5 metra” i wiedzieć, że znajdzie odpowiednie miejsce. To właśnie sprawia, że serwosilniki są tak przydatne: gdy powiesz im, co chcesz zrobić, wykonają pracę bez twojej pomocy. To automatyczne zachowanie serwosilników sprawia, że są idealne do wielu zastosowań robotycznych.,

typy serwomotorów

Serwomotory występują w wielu rozmiarach i w trzech podstawowych typach: obrót pozycyjny, obrót ciągły i liniowy.

• pozycyjne serwo obrotowe: jest to najczęstszy typ serwomotoru. Wał wyjściowy obraca się w około połowie okręgu, czyli o 180 stopni. Posiada fizyczne ograniczniki umieszczone w mechanizmie zębatym, aby zapobiec przekroczeniu tych granic w celu ochrony czujnika obrotów. Te typowe Serwomechanizmy znajdują się w samochodach sterowanych radiem i wodzie – i samolotów, zabawek, robotów i wielu innych zastosowań.,
• serwo do ciągłego obracania: jest to dość podobne do zwykłego serwo obrotowego silnika pozycyjnego, z wyjątkiem tego, że może obracać się w dowolnym kierunku w nieskończoność. Sygnał sterujący, zamiast ustawiania statycznej pozycji serwo, jest interpretowany jako kierunek i prędkość obrotu. Zakres możliwych poleceń powoduje, że serwo obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, z różną prędkością, w zależności od sygnału polecenia. Możesz użyć serwa tego typu na talerzu radaru, jeśli zamontujesz go na robocie. Albo możesz użyć go jako silnika napędowego w robocie mobilnym.,
• serwo liniowe: jest to również podobne do opisanego powyżej pozycyjnego silnika serwo obrotowego, ale z dodatkowymi przekładniami (Zwykle mechanizmem zębatkowym i zębatkowym), aby zmienić wyjście z kołowego na tam i z powrotem. Serwa te nie są łatwe do znalezienia, ale czasami można je znaleźć w sklepach hobbystycznych, gdzie są używane jako siłowniki w większych modelach samolotów.

wybór serwomotoru

rozpoczynając projekt wykorzystujący Serwomotory, zapoznaj się z wymaganiami aplikacji. Jak szybko serwo musi obracać się z jednej pozycji na drugą? Jak mocno będzie musiał naciskać lub ciągnąć?, Czy potrzebuję obrotu pozycyjnego, ciągłego lub liniowego serwo? Ile przekroczenia jest dopuszczalne? Im mniej zapłacisz za serwo, tym mniej energii mechanicznej będzie musiał zgromadzić i tym mniej precyzji będzie miał w swoich ruchach. Możesz zapłacić trochę więcej i dostać taki, który porusza się szybko, ale może nie mieć dużo mocy. Możesz również kupić taki, który pociągnie lub popchnie duże ładunki, ale może nie poruszać się szybko lub precyzyjnie. Strony internetowe producentów i Przewodniki hobbystyczne online będą zawierały wiele tych informacji, które możesz wykorzystać do porównania modeli., Przekonasz się również, że sklepy hobbystyczne mają wybór serwa i zazwyczaj mogą pomóc Ci zdecydować, który z nich jest odpowiedni dla Twojego projektu i budżetu.

sterowanie serwomotorem

Serwomotory pobierają polecenia z serii impulsów wysyłanych z komputera lub radia. Impuls to przejście od niskiego napięcia do wysokiego napięcia, które pozostaje wysokie przez krótki czas, a następnie powraca do niskiego. W urządzeniach akumulatorowych, takich jak Serwomechanizmy, „niski” jest uważany za uziemienie lub 0 woltów, a „wysoki” to napięcie akumulatora. Serwomechanizmy mają tendencję do pracy w zakresie od 4,5 do 6 woltów, więc są niezwykle hobbystycznie przyjazne dla komputera.,

Czy kiedykolwiek podniosłeś jeden koniec liny, który był przywiązany do drzewa lub trzymał jeden koniec skakanki, podczas gdy przyjaciel trzymał drugi? Wyobraź sobie, że trzymając koniec liny, poruszałeś ręką w górę iw dół. Lina zrobiłaby wielki garb, który podróżowałby od Twojego końca do drugiego. To, co zrobiłeś, to zastosowany impuls, a on podróżował po linie jako fala. Gdy podnosisz rękę w górę iw dół, jeśli trzymasz rękę w powietrzu dłużej, ktoś Obserwujący ten eksperyment z boku zobaczy, że puls w linie byłby dłuższy lub szerszy., Jeśli przyniesiesz rękę w dół wcześniej, puls jest krótszy lub bardziej wąski. To jest szerokość impulsu. Jeśli twój koniec idzie w górę iw dół, tworząc całą masę tych impulsów jeden po drugim, stworzyłeś pociąg impulsowy(patrz rysunek 6 poniżej). Jak często podnosiłeś i opuszczałeś swój koniec? Jest to częstotliwość twojego pociągu impulsowego i jest mierzona w impulsach na sekundę, lub Hz (Skrót „hertz”).

Uwaga: mikroprocesor w komputerze wykorzystuje impulsy ze specjalnych obwodów Zegara, aby wykonać zadanie. Czy słyszałeś o prędkości komputera określanej jako coś takiego jak 1.,7 gigaherców (GHz)? Jest to sposób na powiedzenie, że impulsy pochodzą z 1.7 miliardów impulsów na sekundę, lub 1,700,000,000 Hz. Wyobraź sobie, że tak szybko poruszasz liną!

zrzut ekranu pokazuje wykres, który ma trzy kolce o równej wysokości rozmieszczone równomiernie od siebie. Te kolce to impulsy, które powtarzają się co dwadzieścia milisekund.

Rysunek 6. Przykład impulsu, który można wygenerować do sterowania serwomechanizmem, jak pokazano na przechwytywaniu ekranu z niedrogiego oscyloskopu cyfrowego, przyrządu do obserwacji napięć)., Tutaj impuls jest generowany raz na 20 milisekund, czyli około 50 Hz. W tym przykładzie szerokość impulsu wynosi około 2 milisekundy, co miałoby serwo obracające się prawie do końca obrotu. Oscyloskop jest niezwykle przydatny do testowania i debugowania systemów, które używają serwomechanizmów.

Twoje serwo musi być podłączone do źródła zasilania (4,5 do 6 V), A sygnał sterujący musi pochodzić z komputera lub innego obwodu. Wymagania każdego serwo różnią się nieznacznie, ale układ impulsowy (jak na rysunku 6 powyżej) o częstotliwości od 50 do 60 Hz działa dobrze w większości modeli., Szerokość impulsu będzie się wahać od około 1 milisekundy do 2 lub 3 milisekundy (jedna milisekunda to 1/1000 sekundy). Popularne Komputery hobbystyczne, takie jak ArduinoTM, mają polecenia programowe w języku do generowania tych pociągów impulsowych. Ale każdy mikrokontroler może być zaprogramowany do generowania tych przebiegów. System, który przekazuje informacje na podstawie szerokości impulsów, wykorzystuje modulację szerokości impulsów (lub PWM) i jest bardzo powszechnym sposobem sterowania prędkościami silnika i jasnością LED, a także pozycją silnika serwo.,

zasoby

poniższy przewodnik wyboru pomoże Ci określić, które serwo Futaba® pasuje do Twoich potrzeb:

• Hobbico, Inc. (2012). Wybór serwa Futaba®. 13.09.2012, od 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