ce este un servomotor?
servomotoarele (sau servomotoarele) sunt dispozitive electrice autonome (a se vedea Figura 1 de mai jos) care rotesc sau împing părți ale unei mașini cu mare precizie. Servo-urile se găsesc în multe locuri: de la jucării la electronice de uz casnic până la mașini și avioane. Dacă aveți un model de mașină, avion sau elicopter controlat radio, utilizați cel puțin câteva servo-uri. Într-o mașină sau aeronavă model, servo-urile deplasează pârghiile înainte și înapoi pentru a controla direcția sau a regla suprafețele aripilor., Prin rotirea unui arbore conectat la accelerația motorului, un servo reglează viteza unei mașini sau aeronave alimentate cu combustibil. Servo-urile apar, de asemenea, în spatele scenei în dispozitivele pe care le folosim în fiecare zi. Dispozitivele electronice, cum ar fi playerele DVD și Blu-ray DiscTM, utilizează servomecanisme pentru a extinde sau retrage tăvile de discuri. În automobilele din secolul 21, servo-urile gestionează viteza mașinii: pedala de gaz, similară cu controlul volumului de pe un radio, trimite un semnal electric care spune computerului mașinii cât de departe este apăsat., Computerul mașinii calculează informațiile și alte date de la alți senzori și trimite un semnal servo atașat la accelerație pentru a regla turația motorului. Aeronavele comerciale folosesc servo-uri și o Tehnologie hidraulică aferentă pentru a împinge și trage aproape totul în avion.
Figura 1. Acest sortiment de servo-uri este disponibil în magazine și prin comandă prin poștă. Servo gama de preț și de aplicare. și, desigur, roboții ar putea să nu existe fără servo-uri., Vedeți roboți controlați servo în aproape fiecare film (acele marionete animatronice complexe au zeci de servo-uri) și probabil ați văzut o serie de jucării robotizate pentru animale de vânzare. Roboții de laborator mai mici folosesc, de asemenea, servo-uri pentru a-și mișca articulațiile. Hobby servo vin într-o varietate de forme și dimensiuni pentru diferite aplicații. Poate doriți unul mare și puternic pentru a mișca brațul unui robot mare sau unul mic pentru a face sprâncenele unui robot să urce și să coboare. Figura 2 de mai jos prezintă două dimensiuni pe care le puteți găsi într— un magazin de hobby-o dimensiune comună ieftină și una miniaturală mai scumpă.,
Figura 2. Două dimensiuni servo comune. Servo-ul standard din stânga poate varia în putere sau viteză pentru a mișca ceva rapid sau poate găzdui o sarcină mai grea, cum ar fi conducerea unui camion monstru mare controlat radio sau ridicarea lamei pe o jucărie de pământ controlată radio. Servo-ul miniatural este de aproximativ dimensiunea unui trimestru din SUA și este destinat aplicațiilor în care micimea este un factor critic, dar nu există multă putere.
cum funcționează un servomotor?,simplitatea unui servo se numără printre caracteristicile care le fac atât de fiabile. Inima unui servo este un mic motor de curent continuu (DC), similar cu ceea ce ați putea găsi într-o jucărie ieftină. Aceste motoare funcționează cu energie electrică de la o baterie și se rotesc la turații mari (rotații pe minut), dar pun un cuplu foarte mic (o forță de răsucire folosită pentru a lucra— aplicați cuplul atunci când deschideți un borcan). Un aranjament de angrenaje ia viteza mare a motorului și îl încetinește, crescând în același timp cuplul. (Legea fundamentală a fizicii: munca = forța x distanța.,) Un motor electric mic nu are mult cuplu, dar se poate roti foarte repede (forță mică, distanță mare). Designul angrenajului din interiorul carcasei servo transformă ieșirea într-o viteză de rotație mult mai lentă, dar cu un cuplu mai mare (forță mare, distanță mică). Cantitatea de muncă reală este aceeași, doar mai utilă. Angrenajele dintr-un servomotor ieftin sunt în general fabricate din plastic pentru a-l menține mai ușor și mai puțin costisitor (vezi Figura 3 de mai jos). Pe un servo conceput pentru a oferi mai mult cuplu pentru lucrări mai grele, angrenajele sunt realizate din metal (vezi Figura 4 de mai jos) și sunt mai greu de deteriorat.,
Figura 3. Angrenajele dintr-un servo tipic de dimensiuni standard sunt fabricate din plastic și convertesc mișcarea rapidă, cu putere redusă a motorului (din dreapta) la arborele de ieșire (din stânga).
Figura 4. Într-un servo de mare putere, angrenajele din plastic sunt înlocuite cu cele metalice pentru rezistență. Motorul este de obicei mai puternic decât într-un servo cu costuri reduse, iar cuplul total de ieșire poate fi de 20 de ori mai mare decât unul din plastic mai ieftin., O calitate mai bună este mai scumpă, iar servo-urile cu randament ridicat pot costa de două sau trei ori mai mult decât cele standard. cu un motor mic de curent continuu, aplicați energie de la o baterie, iar motorul se învârte. Spre deosebire de un simplu motor DC, cu toate acestea, arborele motorului de filare al servo-ului este încetinit cu angrenaje. Un senzor pozițional pe angrenajul final este conectat la o placă de circuit mică (a se vedea Figura 5 de mai jos). Senzorul spune acestei plăci de circuit cât de departe s-a rotit arborele de ieșire servo., Semnalul electronic de intrare de la computer sau radio într-un vehicul controlat de la distanță, de asemenea, feed-uri în acea placă de circuit. Electronica de pe placa de circuit decodează semnalele pentru a determina cât de departe utilizatorul dorește ca servo-ul să se rotească. Apoi compară poziția dorită cu poziția reală și decide în ce direcție să rotească arborele astfel încât să ajungă în poziția dorită.
Figura 5. Placa de circuit și motorul DC într-un servo de mare putere. Ai observat cât de puține piese sunt pe placa de circuit?, Servo-urile au evoluat la un design foarte eficient de-a lungul multor ani. Imaginați-vă că jucați captură cu un prieten pe un teren de sport. Stai la un capăt și vrei ca prietenul tău să iasă pentru o aruncare lungă. Ai putea continua să strigi „mai departe, mai departe, mai departe” până când a ajuns cât de departe ai vrut. Dar dacă ar ieși mai departe decât poți arunca, ar trebui să strigi „mai aproape” până când s-ar întoarce la locul potrivit., Dacă ar fi un motor simplu într-un braț robot și tu ai fi microprocesorul, ar trebui să-ți petreci o parte din timp urmărind ce a făcut și dându-i comenzi pentru a o muta înapoi în locul potrivit (aceasta se numește buclă de feedback). Dacă ar fi un servomotor, ai putea spune doar „ieși exact 4, 5 metri” și știi că va găsi locul potrivit. Asta face servomotoarele atât de utile: odată ce le spui ce vrei să faci, ei fac treaba fără ajutorul tău. Acest comportament automat de căutare a servomotoarelor le face perfecte pentru multe aplicații robotizate.,
tipuri de servomotoare
servo-urile vin în mai multe dimensiuni și în trei tipuri de bază: rotație pozițională, rotație continuă și liniară.
- servo de rotație pozițională: acesta este cel mai frecvent tip de servomotor. Arborele de ieșire se rotește în aproximativ jumătate de cerc sau 180 de grade. Are opriri fizice plasate în mecanismul angrenajului pentru a preveni întoarcerea dincolo de aceste limite pentru a proteja senzorul de rotație. Aceste servo comune se găsesc în mașini controlate de radio și apă – și aeronave, jucării, roboți, și multe alte aplicații.,
- servo de rotație continuă: acest lucru este destul de similar cu servomotorul de rotație pozițional comun, cu excepția faptului că se poate întoarce în ambele direcții pe termen nelimitat. Semnalul de control, mai degrabă decât setarea poziției statice a servo, este interpretat ca direcția și viteza de rotație. Gama de comenzi posibile face ca servo-ul să se rotească în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic, după cum se dorește, la viteză variabilă, în funcție de semnalul de comandă. S-ar putea folosi un servo de acest tip pe o farfurie radar dacă ați montat unul pe un robot. Sau ai putea folosi unul ca motor de acționare pe un robot mobil.,
- Servo liniar: acest lucru este, de asemenea, ca motorul servomotor de rotație pozițional descris mai sus, dar cu angrenaje suplimentare (de obicei un mecanism de cremalieră și pinion) pentru a schimba ieșirea de la circulară la înainte și înapoi. Aceste servo-uri nu sunt ușor de găsit, dar le puteți găsi uneori la magazinele hobby, unde sunt folosite ca actuatoare în avioanele model mai mari.
selectarea unui servomotor
când începeți un proiect care utilizează servomecanisme, consultați cerințele aplicației. Cât de repede trebuie să se rotească servo de la o poziție la alta? Cât de greu va trebui să împingă sau să tragă?, Am nevoie de o rotație pozițională, rotație continuă sau servo liniar? Cât de mult depășire este permisă? Cu cât plătiți mai puțin pentru servo, cu atât va trebui să se adune mai puțină putere mecanică și cu atât va avea mai puțină precizie în mișcările sale. Puteți plăti un pic mai mult și puteți obține unul care se mișcă rapid, dar este posibil să nu aibă multă putere. De asemenea, puteți cumpăra unul care va trage sau împinge sarcini mari, dar este posibil să nu se miște rapid sau precis. Site-urile web ale producătorilor și ghidurile online de hobby vor avea o mulțime de informații pe care le puteți utiliza pentru a compara modelele., Veți găsi, de asemenea, că magazinele hobby au o selecție de servo-uri și, de obicei, vă pot ajuta să decideți care este potrivit pentru proiectul și bugetul dvs.
controlul unui servomotor
Servo preia comenzi dintr-o serie de impulsuri trimise de la computer sau radio. Un impuls este o tranziție de la joasă tensiune la înaltă tensiune, care rămâne ridicată pentru o perioadă scurtă de timp și apoi revine la joasă. În dispozitivele cu baterii, cum ar fi servo-urile, „low” este considerat a fi împământat sau 0 volți, iar „high” este tensiunea bateriei. Servo-urile tind să funcționeze într-un interval de 4, 5 până la 6 volți, deci sunt extrem de pasionați de computer., ați luat vreodată un capăt al unei frânghii care era legată de un copac sau a ținut un capăt al unei frânghii de salt în timp ce un prieten îl ținea pe celălalt? Imaginați-vă că, în timp ce țineți capătul frânghiei, v-ați mișcat brațul în sus și în jos. Frânghia ar face o cocoașă mare care ar călători de la capătul tău la celălalt. Ceea ce ați făcut este aplicat un puls, și a călătorit în jos coarda ca un val. Pe măsură ce ridici mâna în sus și în jos, dacă ții mâna în aer mai mult timp, cineva care urmărește acest experiment din lateral ar vedea că pulsul din frânghie ar fi mai lung sau mai lat., Dacă vă aduceți mâna mai devreme, pulsul este mai scurt sau mai îngust. Aceasta este lățimea pulsului. Dacă vă mențineți capătul în sus și în jos, făcând o grămadă de aceste impulsuri unul după altul, ați creat un tren de impulsuri (vezi Figura 6 de mai jos). Cât de des ți-ai ridicat și coborât capătul? Aceasta este frecvența trenului dvs. de impulsuri și este măsurată în impulsuri pe secundă sau Hz (abrevierea „hertz”). notă: microprocesorul din computerul dvs. utilizează impulsuri de la circuite speciale de ceas pentru a face treaba. Ați auzit de viteza computerului menționată ca ceva de genul 1.,7 gigahertzi (GHz)? Acesta este un mod de a spune că impulsurile vin la 1,7 miliarde de impulsuri pe secundă, sau 1,700,000,000 Hz. Imaginați-vă că încercați să vă mișcați frânghia atât de repede!
imaginea arată un grafic care are trei vârfuri de egală înălțime distanțate uniform în afară. Aceste vârfuri sunt impulsuri care se repetă la fiecare douăzeci de milisecunde.figura 6. Un exemplu de tren de impulsuri pe care l-ați putea genera pentru a controla un servo, așa cum se arată într-o captură de ecran de la un osciloscop digital ieftin, un instrument pentru observarea tensiunilor)., Aici, un impuls este generat o dată la 20 de milisecunde sau la aproximativ 50 Hz. În acest exemplu, lățimea impulsului este de aproximativ 2 milisecunde, ceea ce ar avea un servo roti aproape tot drumul la un capăt al rotației sale. Un osciloscop este incredibil de util pentru testarea și depanarea sistemelor care utilizează servo-uri. servo-ul dvs. trebuie să fie conectat la o sursă de alimentare (4,5 până la 6 volți), iar semnalul de control trebuie să provină de la un computer sau de la alte circuite. Cerințele fiecărui servo variază ușor, dar un tren de impulsuri (ca în Figura 6 de mai sus) de aproximativ 50 până la 60 Hz funcționează bine pentru majoritatea modelelor., Lățimea impulsului va varia de la aproximativ 1 milisecundă la 2 sau 3 milisecunde (o milisecundă este 1/1000 de secundă). Calculatoare populare hobbyist, cum ar fi ArduinoTM au comenzi software în limba pentru generarea acestor trenuri de impulsuri. Dar orice microcontroler poate fi programat pentru a genera aceste forme de undă. Un sistem care transmite informații bazate pe lățimea impulsurilor utilizează modulația lățimii impulsului (sau PWM) și este un mod foarte comun de a controla vitezele motorului și luminozitatea LED-urilor, precum și poziția servomotorului.,
resurse
următorul ghid de selecție vă poate ajuta să determinați ce Servo Futaba® se potrivește nevoilor dvs.:
- Hobbico, Inc. (2012). Futaba ® selecție servo. Retrieved September 13, 2012, from 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
Figura 3. Angrenajele dintr-un servo tipic de dimensiuni standard sunt fabricate din plastic și convertesc mișcarea rapidă, cu putere redusă a motorului (din dreapta) la arborele de ieșire (din stânga).
Figura 4. Într-un servo de mare putere, angrenajele din plastic sunt înlocuite cu cele metalice pentru rezistență. Motorul este de obicei mai puternic decât într-un servo cu costuri reduse, iar cuplul total de ieșire poate fi de 20 de ori mai mare decât unul din plastic mai ieftin., O calitate mai bună este mai scumpă, iar servo-urile cu randament ridicat pot costa de două sau trei ori mai mult decât cele standard. cu un motor mic de curent continuu, aplicați energie de la o baterie, iar motorul se învârte. Spre deosebire de un simplu motor DC, cu toate acestea, arborele motorului de filare al servo-ului este încetinit cu angrenaje. Un senzor pozițional pe angrenajul final este conectat la o placă de circuit mică (a se vedea Figura 5 de mai jos). Senzorul spune acestei plăci de circuit cât de departe s-a rotit arborele de ieșire servo., Semnalul electronic de intrare de la computer sau radio într-un vehicul controlat de la distanță, de asemenea, feed-uri în acea placă de circuit. Electronica de pe placa de circuit decodează semnalele pentru a determina cât de departe utilizatorul dorește ca servo-ul să se rotească. Apoi compară poziția dorită cu poziția reală și decide în ce direcție să rotească arborele astfel încât să ajungă în poziția dorită.
Figura 5. Placa de circuit și motorul DC într-un servo de mare putere. Ai observat cât de puține piese sunt pe placa de circuit?, Servo-urile au evoluat la un design foarte eficient de-a lungul multor ani. Imaginați-vă că jucați captură cu un prieten pe un teren de sport. Stai la un capăt și vrei ca prietenul tău să iasă pentru o aruncare lungă. Ai putea continua să strigi „mai departe, mai departe, mai departe” până când a ajuns cât de departe ai vrut. Dar dacă ar ieși mai departe decât poți arunca, ar trebui să strigi „mai aproape” până când s-ar întoarce la locul potrivit., Dacă ar fi un motor simplu într-un braț robot și tu ai fi microprocesorul, ar trebui să-ți petreci o parte din timp urmărind ce a făcut și dându-i comenzi pentru a o muta înapoi în locul potrivit (aceasta se numește buclă de feedback). Dacă ar fi un servomotor, ai putea spune doar „ieși exact 4, 5 metri” și știi că va găsi locul potrivit. Asta face servomotoarele atât de utile: odată ce le spui ce vrei să faci, ei fac treaba fără ajutorul tău. Acest comportament automat de căutare a servomotoarelor le face perfecte pentru multe aplicații robotizate.,
tipuri de servomotoare
servo-urile vin în mai multe dimensiuni și în trei tipuri de bază: rotație pozițională, rotație continuă și liniară.
- servo de rotație pozițională: acesta este cel mai frecvent tip de servomotor. Arborele de ieșire se rotește în aproximativ jumătate de cerc sau 180 de grade. Are opriri fizice plasate în mecanismul angrenajului pentru a preveni întoarcerea dincolo de aceste limite pentru a proteja senzorul de rotație. Aceste servo comune se găsesc în mașini controlate de radio și apă – și aeronave, jucării, roboți, și multe alte aplicații.,
- servo de rotație continuă: acest lucru este destul de similar cu servomotorul de rotație pozițional comun, cu excepția faptului că se poate întoarce în ambele direcții pe termen nelimitat. Semnalul de control, mai degrabă decât setarea poziției statice a servo, este interpretat ca direcția și viteza de rotație. Gama de comenzi posibile face ca servo-ul să se rotească în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic, după cum se dorește, la viteză variabilă, în funcție de semnalul de comandă. S-ar putea folosi un servo de acest tip pe o farfurie radar dacă ați montat unul pe un robot. Sau ai putea folosi unul ca motor de acționare pe un robot mobil.,
- Servo liniar: acest lucru este, de asemenea, ca motorul servomotor de rotație pozițional descris mai sus, dar cu angrenaje suplimentare (de obicei un mecanism de cremalieră și pinion) pentru a schimba ieșirea de la circulară la înainte și înapoi. Aceste servo-uri nu sunt ușor de găsit, dar le puteți găsi uneori la magazinele hobby, unde sunt folosite ca actuatoare în avioanele model mai mari.
selectarea unui servomotor
când începeți un proiect care utilizează servomecanisme, consultați cerințele aplicației. Cât de repede trebuie să se rotească servo de la o poziție la alta? Cât de greu va trebui să împingă sau să tragă?, Am nevoie de o rotație pozițională, rotație continuă sau servo liniar? Cât de mult depășire este permisă? Cu cât plătiți mai puțin pentru servo, cu atât va trebui să se adune mai puțină putere mecanică și cu atât va avea mai puțină precizie în mișcările sale. Puteți plăti un pic mai mult și puteți obține unul care se mișcă rapid, dar este posibil să nu aibă multă putere. De asemenea, puteți cumpăra unul care va trage sau împinge sarcini mari, dar este posibil să nu se miște rapid sau precis. Site-urile web ale producătorilor și ghidurile online de hobby vor avea o mulțime de informații pe care le puteți utiliza pentru a compara modelele., Veți găsi, de asemenea, că magazinele hobby au o selecție de servo-uri și, de obicei, vă pot ajuta să decideți care este potrivit pentru proiectul și bugetul dvs.
controlul unui servomotor
Servo preia comenzi dintr-o serie de impulsuri trimise de la computer sau radio. Un impuls este o tranziție de la joasă tensiune la înaltă tensiune, care rămâne ridicată pentru o perioadă scurtă de timp și apoi revine la joasă. În dispozitivele cu baterii, cum ar fi servo-urile, „low” este considerat a fi împământat sau 0 volți, iar „high” este tensiunea bateriei. Servo-urile tind să funcționeze într-un interval de 4, 5 până la 6 volți, deci sunt extrem de pasionați de computer., ați luat vreodată un capăt al unei frânghii care era legată de un copac sau a ținut un capăt al unei frânghii de salt în timp ce un prieten îl ținea pe celălalt? Imaginați-vă că, în timp ce țineți capătul frânghiei, v-ați mișcat brațul în sus și în jos. Frânghia ar face o cocoașă mare care ar călători de la capătul tău la celălalt. Ceea ce ați făcut este aplicat un puls, și a călătorit în jos coarda ca un val. Pe măsură ce ridici mâna în sus și în jos, dacă ții mâna în aer mai mult timp, cineva care urmărește acest experiment din lateral ar vedea că pulsul din frânghie ar fi mai lung sau mai lat., Dacă vă aduceți mâna mai devreme, pulsul este mai scurt sau mai îngust. Aceasta este lățimea pulsului. Dacă vă mențineți capătul în sus și în jos, făcând o grămadă de aceste impulsuri unul după altul, ați creat un tren de impulsuri (vezi Figura 6 de mai jos). Cât de des ți-ai ridicat și coborât capătul? Aceasta este frecvența trenului dvs. de impulsuri și este măsurată în impulsuri pe secundă sau Hz (abrevierea „hertz”). notă: microprocesorul din computerul dvs. utilizează impulsuri de la circuite speciale de ceas pentru a face treaba. Ați auzit de viteza computerului menționată ca ceva de genul 1.,7 gigahertzi (GHz)? Acesta este un mod de a spune că impulsurile vin la 1,7 miliarde de impulsuri pe secundă, sau 1,700,000,000 Hz. Imaginați-vă că încercați să vă mișcați frânghia atât de repede!
imaginea arată un grafic care are trei vârfuri de egală înălțime distanțate uniform în afară. Aceste vârfuri sunt impulsuri care se repetă la fiecare douăzeci de milisecunde.figura 6. Un exemplu de tren de impulsuri pe care l-ați putea genera pentru a controla un servo, așa cum se arată într-o captură de ecran de la un osciloscop digital ieftin, un instrument pentru observarea tensiunilor)., Aici, un impuls este generat o dată la 20 de milisecunde sau la aproximativ 50 Hz. În acest exemplu, lățimea impulsului este de aproximativ 2 milisecunde, ceea ce ar avea un servo roti aproape tot drumul la un capăt al rotației sale. Un osciloscop este incredibil de util pentru testarea și depanarea sistemelor care utilizează servo-uri. servo-ul dvs. trebuie să fie conectat la o sursă de alimentare (4,5 până la 6 volți), iar semnalul de control trebuie să provină de la un computer sau de la alte circuite. Cerințele fiecărui servo variază ușor, dar un tren de impulsuri (ca în Figura 6 de mai sus) de aproximativ 50 până la 60 Hz funcționează bine pentru majoritatea modelelor., Lățimea impulsului va varia de la aproximativ 1 milisecundă la 2 sau 3 milisecunde (o milisecundă este 1/1000 de secundă). Calculatoare populare hobbyist, cum ar fi ArduinoTM au comenzi software în limba pentru generarea acestor trenuri de impulsuri. Dar orice microcontroler poate fi programat pentru a genera aceste forme de undă. Un sistem care transmite informații bazate pe lățimea impulsurilor utilizează modulația lățimii impulsului (sau PWM) și este un mod foarte comun de a controla vitezele motorului și luminozitatea LED-urilor, precum și poziția servomotorului.,
resurse
următorul ghid de selecție vă poate ajuta să determinați ce Servo Futaba® se potrivește nevoilor dvs.:
- Hobbico, Inc. (2012). Futaba ® selecție servo. Retrieved September 13, 2012, from www.futaba-rc.com/servos/servo-select.,n, Science Buddies
Explore Our Science Videos
Paper Rockets – STEM ActivityHow to make an anemometer (wind speed meter)Slow Motion Craters – STEM Activity