Introduktion till servomotorer

Vad är en servomotor?

servomotorer (eller servon) är fristående elektriska enheter (se Figur 1 nedan) som roterar eller trycker på delar av en maskin med stor precision. Servon finns på många ställen: från leksaker till hemelektronik till bilar och flygplan. Om du har en radiostyrd modell bil, flygplan eller helikopter, använder du åtminstone några servon. I en modell bil eller flygplan, servon flytta spakar fram och tillbaka för att styra styrning eller justera vingytor., Genom att rotera en axel ansluten till motorgasen reglerar en servo hastigheten på en bränsledriven bil eller flygplan. Servon visas också bakom kulisserna i enheter som vi använder varje dag. Elektroniska enheter som DVD-och Blu-ray DiscTM-spelare använder servon för att förlänga eller dra tillbaka skivfacken. I 21-talets bilar hanterar servon bilens hastighet: gaspedalen, som liknar volymkontrollen på en radio, skickar en elektrisk signal som berättar bilens dator hur långt ner den pressas., Bilens dator beräknar den informationen och andra data från andra sensorer och skickar en signal till servo som är ansluten till gasreglaget för att justera motorvarvtalet. Kommersiella flygplan använder servon och en relaterad hydraulisk teknik för att driva och dra nästan allt i planet.

och naturligtvis kan robotar inte existera utan servon., Du ser servostyrda robotar i nästan varje film (de komplexa animatroniska marionetter har dussintals servon), och du har förmodligen sett ett antal robotiska djurleksaker till salu. Mindre laboratorierobotar använder också servon för att flytta sina leder. Hobby servon finns i olika former och storlekar för olika applikationer. Du kanske vill ha en stor, kraftfull för att flytta armen på en stor robot, eller en liten för att göra en Robots ögonbryn gå upp och ner. Figur 2 nedan visar två storlekar du kan hitta i en hobbybutik— en billig gemensam storlek och en dyrare miniatyr.,

hur fungerar en servomotor?,

enkelheten i en servo är bland de funktioner som gör dem så tillförlitliga. Hjärtat i en servo är en liten likström (DC) motor, som liknar vad du kan hitta i en billig leksak. Dessa motorer körs på el från ett batteri och snurrar vid höga varvtal (rotationer per minut) men lägger ut mycket lågt vridmoment (en vridningskraft som används för att göra arbete— du applicerar vridmoment när du öppnar en burk). Ett arrangemang av växlar tar motorns höga hastighet och saktar ner samtidigt som vridmomentet ökar. (Grundläggande fysikens lag: arbete = kraft X avstånd.,) En liten elektrisk motor har inte mycket vridmoment, men det kan snurra riktigt snabbt (liten kraft, stort avstånd). Växeldesignen inuti servoväskan omvandlar utgången till en mycket långsammare rotationshastighet men med mer vridmoment (stor kraft, litet avstånd). Mängden faktiskt arbete är detsamma, bara mer användbart. Kugghjul i en billig servomotor är i allmänhet gjorda av plast för att hålla den lättare och billigare (se Figur 3 nedan). På en servo utformad för att ge mer vridmoment för tyngre arbete, är kugghjulen gjorda av metall (se Figur 4 nedan) och är svårare att skada.,

med en liten likströmsmotor använder du ström från ett batteri och motorn snurrar. Till skillnad från en enkel likströmsmotor saktas dock en servos spinnmotoraxel ner med växlar. En lägesgivare på slutväxeln är ansluten till ett litet kretskort (se Figur 5 nedan). Sensorn berättar detta kretskort hur långt servoutgångsaxeln har roterat., Den elektroniska ingångssignalen från datorn eller radion i ett fjärrstyrt fordon matar också in i kretskortet. Elektroniken på kretskortet avkodar signalerna för att bestämma hur långt användaren vill att servoen ska rotera. Den jämför sedan den önskade positionen till den faktiska positionen och bestämmer vilken riktning som ska rotera axeln så att den kommer till önskad position.

Tänk dig att du spelar fångst med en vän på ett idrottsområde. Du står i ena änden och vill att din vän ska gå ut för ett långt kast. Du kan fortsätta ropa ”längre, längre, längre” tills hon kom så långt bort som du ville. Men om hon gick ut längre än du kan kasta, skulle du behöva ringa ut ”närmare” tills hon kom tillbaka till rätt plats., Om hon var en enkel motor i en robotarm och du var mikroprocessorn, skulle du behöva spendera lite av din tid på att titta på vad hon gjorde och ge sina kommandon för att flytta tillbaka henne till rätt plats (det här kallas en återkopplingsslinga). Om hon var en servomotor kan du bara säga ”Gå ut exakt 4,5 meter” och veta att hon skulle hitta rätt plats. Det är det som gör servomotorer så användbara: när du berättar för dem vad du vill ha gjort, gör de jobbet utan din hjälp. Denna automatiska söker beteende servomotorer gör dem perfekta för många robotapplikationer.,

typer av servomotorer

servon finns i många storlekar och i tre grundläggande typer: positionsrotation, kontinuerlig rotation och linjär.

• Positionsrotationsservo: detta är den vanligaste typen av servomotor. Utgångsaxeln roterar i ungefär hälften av en cirkel eller 180 grader. Den har fysiska stopp placerade i växelmekanismen för att förhindra att vrida bortom dessa gränser för att skydda rotationssensorn. Dessa vanliga servon finns i radiostyrda bilar och vatten-och flygplan, leksaker, robotar och många andra applikationer.,
• kontinuerlig rotation servo: detta är ganska lik den gemensamma positions rotation servomotor, förutom att det kan vända i endera riktningen på obestämd tid. Styrsignalen, snarare än att ställa in servoens statiska läge, tolkas som rotationsriktningen och rotationshastigheten. Utbudet av möjliga kommandon gör att servon roterar medurs eller moturs som önskat, med varierande hastighet, beroende på kommandosignalen. Du kan använda en servo av denna typ på en radarrätt om du monterat en på en robot. Eller du kan använda en som en drivmotor på en mobil robot.,
• linjär servo: detta är också som positionsrotationsservomotorn som beskrivs ovan, men med ytterligare växlar (vanligtvis en rack och pinionmekanism) för att ändra utgången från cirkulär till fram och tillbaka. Dessa servon är inte lätt att hitta, men du kan ibland hitta dem på hobbybutiker där de används som ställdon i större modellflygplan.

välja en servomotor

När du startar ett projekt som använder servon, titta på dina applikationskrav. Hur snabbt måste servon rotera från en position till en annan? Hur svårt måste det trycka eller dra?, Behöver jag en positionsrotation, kontinuerlig rotation eller linjär servo? Hur mycket överskridande är tillåtet? Ju mindre du betalar för servo, desto mindre mekanisk kraft måste den uppbåda och desto mindre precision kommer den att ha i sina rörelser. Du kan betala lite mer och få en som rör sig snabbt, men det kanske inte har mycket makt. Du kan också köpa en som kommer att dra eller trycka stora belastningar, men det kan inte röra sig snabbt eller exakt. Tillverkarens webbplatser och online hobby guider kommer att ha en hel del av denna information som du kan använda för att jämföra modeller., Du kommer också att upptäcka att hobbybutiker har ett urval av servon och kan vanligtvis hjälpa dig att bestämma vilken som är rätt för ditt projekt och budget.

styra en servomotor

servon ta kommandon från en serie pulser som skickas från datorn eller radion. En puls är en övergång från låg spänning till hög spänning som håller sig hög under en kort tid och återgår sedan till låg. I batterianordningar som servon anses ” låg ”vara jordad eller 0 volt och” hög ” är batterispänningen. Servon tenderar att arbeta i en rad 4,5 till 6 volt, så de är extremt hobbyist datorvänliga.,

har du någonsin plockat upp ena änden av ett rep som var bunden till ett träd eller höll ena änden av ett hopprep medan en vän höll den andra? Föreställ dig att du, medan du håller din ände av repet, rörde armen upp och ner. Repet skulle göra en stor puckel som skulle resa från din ände till den andra. Vad du har gjort appliceras en puls, och det reste ner repet som en våg. När du höjer din hand upp och ner, om du håller din hand i luften längre, skulle någon som tittar på detta experiment från sidan se att pulsen i repet skulle vara längre eller bredare., Om du tar ner handen tidigare är pulsen kortare eller smalare. Detta är pulsbredden. Om du håller din ände upp och ner, gör en hel massa av dessa pulser efter varandra, har du skapat ett pulståg (se Figur 6 nedan). Hur ofta höjde du och sänker din ände? Detta är frekvensen för ditt pulståg och mäts i pulser per sekund eller Hz (förkortning av ”hertz”).

Obs! mikroprocessorn i datorn använder pulser från speciella klockkretsar för att få jobbet gjort. Har du hört talas om din dator hastighet kallas något i stil med 1.,7 gigahertz (GHz)? Detta är ett sätt att säga att pulserna kommer vid 1.7 miljarder pulser per sekund, eller 1.700.000.000 Hz. Tänk dig att försöka flytta ditt rep så fort!

skärmbilden visar ett diagram som har tre spikar med samma höjd fördelade jämnt isär. Dessa spikar är pulser som upprepar varje tjugo millisekunder.

Figur 6. Ett exempel på ett pulståg som du kan generera för att styra en servo, som visas i en skärmdump från ett billigt digitalt oscilloskop, ett instrument för att observera spänningar)., Här genereras en puls en gång var 20 millisekunder eller vid ca 50 Hz. I detta exempel är pulsbredden ca 2 millisekunder, vilket skulle ha en servo rotera nästan hela vägen till ena änden av rotationen. Ett oscilloskop är otroligt användbart för testning och felsökning system som använder servon.

din servo måste anslutas till en strömkälla (4,5 till 6 volt) och styrsignalen måste komma från en dator eller annan krets. Varje servos krav varierar något, men ett pulståg (som i Figur 6 ovan) på ca 50 till 60 Hz fungerar bra för de flesta modeller., Pulsbredden varierar från cirka 1 millisekund till 2 eller 3 millisekunder (en millisekund är 1/1000 sekund). Populära hobbyistdatorer som ArduinoTM har programkommandon på språket för att generera dessa pulståg. Men alla mikrokontroller kan programmeras för att generera dessa vågformer. Ett system som passerar information baserad på bredden av pulser använder pulsbreddsmodulering (eller PWM) och är ett mycket vanligt sätt att styra motorhastigheter och LED-ljusstyrka samt servomotorposition.,

resurser

följande Urvalsguide kan hjälpa dig att avgöra vilken Futaba® servo som passar dina behov:

• Hobbico, Inc. (2012). Futaba® servo urval. Läst 13 September, 2012, från 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