Типы сервоприводов

Сборка нашего Mercedes'а уже перешла "за экватор", пришло время задуматься о сервоприводах. Штатные сервоприводы будут предоставлены нам Издательством вместе со следующими номерами журналов. Однако, быть может, имеет смысл задуматься об альтернативных вариантах? Сколько существует фирм-производителей, модификаций и характеристик сервоприводов? Очень много! Давайте разберемся в том, какие бывают сервоприводы и чем нужно руководствоваться при их выборе.

Начнем с самого начала – что это такое и как они работают?

В энциклопедии «Кругосвет» определение звучит так:
«СЕРВОМЕХАНИЗМ, следящая система автоматического регулирования, которая работает по принципу обратной связи и в которой один или больше системных сигналов, сформированных в управляющий сигнал, оказывают механическое регулирующее воздействие на объект. Термин "серво-" (от лат. servus — слуга) используется для обозначения механизмов и систем, выходная величина которых поступает на вход, где сравнивается с задающим воздействием. Сервосистемы обладают, как правило, двумя особенностями: способностью усиливать мощность и информационной обратной связью. Усиление необходимо потому, что требуемая на выходе энергия обычно велика (берется от внешнего источника), а на входе незначительна. Обратная связь представляет собой замкнутый контур, в котором рассогласование сигналов входа и выхода используется для управления. Следовательно, в прямом направлении контур передает энергию, а в обратном обеспечивает информацию, необходимую для точного управления.»

На первый взгляд схема кажется довольно сложной. Я предлагаю взглянуть на эту схему на другом примере:
Представьте, что перед Вами стоит задача ехать на автомобиле со скоростью 55 км/ч. Именно это будет у нас задающим воздействием. Преобразование скорости в цифровую форму (например, дорожный знак), это – первый прямоугольник. Ногой (усилитель) мы давим на педаль, это – сервопривод. Скорость автомобиля растет. Соответственно, начинает поворачиваться стрелка спидометра, это – обратная связь, а преобразование скорости в угол стрелки спидометра – это квадрат (преобразование). А вот перечеркнутый кружок – это место, где наш мозг сравнивает показания спидометра и дорожного знака и, в зависимости от величины и знака, выдает сигнал для ноги (усилителя) отпустить педаль или нажать на нее.
Вот так работает система автоматического регулирования с обратной связью.
А для модельного сервопривода картинка будет такая:

У сервопривода на вход с приемника подается прямоугольный импульс, длительность которого определяет угол поворота качалки серво. Значение, через которое повторяются импульсы, в стандарте PPM – 20 миллисекунд. Длительность меняется от 1 до 2 миллисекунд.




Питание и цоколевка разъемов:

Все сервоприводы, используемые в радиоуправляемых моделях, обычно имеют 3 провода:

1. Сигнальный провод, по которому поступает управляющий импульс (обычно провод белого, желтого или оранжевого цвета).
2. Питание, как правило от 4,8 В до 6 В (обычно провод красного цвета).
3. Земля (обычно провод черного или коричневого цвета).

Габариты:

По габаритам сервоприводы делятся на 3 основных размера: микро, стандартные и большие. Бывают сервоприводы и другого размера, однако перечисленные 3 вида покрывают 95% всех типоразмеров. В модели AMG Mercedes от DeAgostini применяются сервоприводы стандартного размера.

Характеристики:
Основные характеристики сервоприводов - скорость поворота и усилие на валу. Как правило, первая величина указывает за какое время, в секундах, сервопривод поворачивает качалку на 60°. Усилие измеряется кг/см т.е. какое усилие развивает сервопривод на конце качалки с рычагом от центра вращения 1 см. Например, если этот параметр у сервопривода равен 1.2 кг/см, то усилие, развиваемое сервоприводом на качалке в 2 раза длиннее (т.е. 2см), будет равно 0.6 кг.
Вообще, этот параметр зависит в первую очередь от назначения сервопривода и уже потом от передаточного числа редуктора и применяемых в приводе узлов.
Стоит заметить, что сейчас производят сервоприводы, которые работают с напряжением питания от 4.8 В до 6 В. Как правило, на 6 В, характеристики сервопривода чуть выше, чем на 4.8 В. Однако не все сервоприводы расчитаны на весь диапазон напряжений - некоторые расчитаны строго на 4.8 В, либо строго на 6 В (последние встречаются реже).

Аналоговые или цифровые:

Несколько лет назад все сервоприводы были аналоговыми. Сейчас этих типов два – аналоговые и цифровые. В чем же разница между этими двумя типами? Давайте обратимся к официальной информации, предоставленной фирмой Futaba.
За последние несколько лет, сервоприводы стали обладать значительно лучшими характеристиками, чем ранее – меньшими габаритами, более высокими скоростями вращения и более высокими значениями крутящих моментов. Последний виток развития – появление цифровых сервоприводов. У цифровых сервоприводов есть существенные эксплуатационные преимущества перед аналоговыми, даже с коллекторными моторами. Хотя существуют и некоторые недостатки. Давайте рассмотрим и сравним их:

Внешне аналоговые и цифровые сервоприводы практически не отличаются. Отличия заметны на платах. Теперь вместо специализированной микросхемы мы можем увидеть на плате микропроцессор, который анализирует сигнал с приемника и управляет двигателем. Неверно полагать, что аналоговые и цифровые серво решительно отличаются в физическом исполнении, они могут иметь одинаковые двигатели, механизмы и потенциометры (переменные резисторы). Основное же отличие заключается в способе обработки сигнала приемника и управления двигателем.

Оба сервопривода получают одинаковый сигнал с приемника. В случае аналогового сервопривода, получаемый сигнал сравнивается с текущим положением сервомотора и, затем, на двигатель аналогового сервомотора поступает сигнал от специального усилителя сервомотора, который вызывает перемещение двигателя в определенную позицию. Это происходит с частотой 50 раз в секунду. Получаемый сигнал определяет когда начать вращаться двигателю и в какую сторону. Так как это случается 50 раз в секунду, то это - минимальное время реакции. Другими словами, если Вы отклонили ручку на передатчике, то на двигатель сервопривода начали поступать короткие импульсы, промежуток между которыми - чуть меньше 20 мсек. Между этими импульсами на мотор ничего не поступает и, вообще говоря, внешнее воздействие может изменить положение исполнительного механизма в любую сторону – такой промежуток времени называется «мертвой зоной». Цифровые сервоприводы используют специальный процессор, работающий на высокой частоте, который обрабатывает получаемый от приемника сигнал и посылает управляющие импульсы в двигатель сервомотора с частотой 300 (и более) раз в секунду. Так как этот сигнал получен двигателем сервомотора чаще, он в состоянии реагировать намного быстрее и держать заданную позицию лучше. Это означает лучшее центрирование и значительно более высокий крутящий момент. Однако такой метод управления двигателем увеличивает потребление энергии, поэтому батарея, которая использовалась раньше для питания аналогового сервопривода, в случае использования цифрового будет разряжаться быстрее.

На графике сравниваются два практически идентичных сервопривода с точки зрения механики. Как мы видим, цифровой сервопривод S9450 гораздо быстрее аналогового S9002 реагирует на управляющий сигнал. Вращающий момент выше, а, значит, более точно устанавливается положение исполнительного механизма.
Но за все приходится платить (в том числе и в прямом смысле). Стоимость цифровых сервоприводов значительно выше, чем стоимость стандартных. Кроме того, цифровые сервоприводы, обладая всеми своими преимуществами, имеют заметно большее энергопотребление. Это вызывает необходимость увеличения емкости используемых батарей, что, в свою очередь, приводит к увеличению веса модели.

Однако многие из тех, кто хоть однажды использовал цифровые сервоприводы, отмечают, что различие с аналоговыми настолько существенно, что они никогда не вернулись бы к аналоговым серво, если есть возможность использовать цифровые.

Итак, если Вы нуждаетесь в:

• более высокой разрешающей способности
• минимальных "мертвых зонах", более точном позиционировании
• быстром реагировании на команды
• постоянном усилии на валу в процессе его поворота
• увеличенной мощности
• и при этом имеете достаточно средств

тогда цифровые серво - решение Ваших проблем!

Коллекторные и бесколлекторные двигатели в сервоприводах:

В основном в сервоводах использовались 3-полюсные коллекторные двигатели, в которых тяжелый ротор с обмотками вращается внутри магнитов.

Первое усовершенствование, которое было применено – увеличение количества обмоток до 5. Таким образом, вырос вращающий момент и скорость разгона. Второе усовершенствование – это изменение конструкции мотора. Стальной сердечник с обмотками очень сложно раскрутить быстро. Поэтому конструкцию изменили - обмотки находятся, снаружи магнитов и исключено вращение стального сердечника.

Таким образом, уменьшился вес двигателя, уменьшилось время разгона, но также возросла и стоимость.

Ну и, наконец, третий шаг – применение бесколлектроных двигателей. У бесколлекторных двигателей выше КПД, т.к. нет щеток и трущихся частей. Они более эффективны, обеспечивают бОльшую мощность, скорость, ускорение, вращающий момент.

Шарикоподшипник против втулки:

В сервоприводе есть одна ось, на которой крепится качалка. Именно на нее ложатся все нагрузки. Эта ось проходит через шарикоподшипник или втулку. Использование шарикоподшипника уменьшает потери на трение, предупреждает образование люфта и, естественно, повышает стоимость сервопривода.

Материал шестерней редуктора:

Нейлоновые шестерни – больше всего распространены в сервоприводах. Они имеют отличное качество поверхности, малый вес, однако не выдерживают больших нагрузок и недолговечны.

Карбоновые шестерни – появились относительно недавно на рынке. Они почти в пять раз прочнее нейлоновых и у них выше износостойкость. После более чем 300 000 циклов на них фактически не видно следов износа. Сервоприводы с этими механизмами более дороги, но это окупается большей долговечностью. Карбоновые шестерни также легкие, однако металлические все равно оказываются прочнее.

Металлические шестерни – являются самыми тяжелыми. У них самый высокий уровень износа, однако, они обеспечивают беспрецедентную прочность. Если у Вас достаточно средств, Вы можете приобрести сервопривод с механизмом из титана.

Таким образом, выбор сервопривода с шестернями из определенного материала зависит от области применения. Например, для микро-сервоприводов, обычно, главное – это их вес. Скорее всего, Вы не будете использовать такой сервопривод с металлическими шестернями. Идеальный пример сервопривода, в котором обоснованно используется металлический редуктор, будет рулевое серво радиоуправляемого внедорожного автомобиля или багги.

Вы этой статье мы рассмотрели принципы работы, разновидности узлов, и характеристики сервоприводов. И, все-таки, остался один вопрос:

Существует ли идеальный сервопривод? Ответ зависит от того, для чего Вы хотите его использовать. Вообще, идеальный сервопривод - тот, который поворачивается так быстро, как Вам это нужно и, в тоже время, обладает высоким крутящим моментом, силой удержания, высокой точностью, малым весом и низкой ценой. Нетрудно догадаться, что выпустить продукт, отвечающий всем этим требованиям, еще никому не удавалось! Каждая компания-производитель будет делать все от них зависящее, чтобы убедить Вас в том, что их сервоприводы превосходят по характеристикам все остальные. В конце концов, выбор сервопривода зависит от области его применения и Ваших личных потребностей, потому что независимо от того, насколько хорошие показатели или цена написаны на упаковке сервопривода, Вы не будете его использовать, если он не выполняет свою задачу и не может обеспечить соответствующее управление для Вашей модели.

По материалам статьи Владимира Масленникова, опубликованной 22.11.2008г.