Servoer









PowerBox Sensor Electronic Switch


Turnigy Min Power Distributor

Denne beskrivelse af servoer's funktionsmåde skal hjælpe til at forstå servoerne's betydning for modelflyvning.

STANDARD SERVOER

En servo styres af pulser fra senderen, der via modtageren sendes videre via en kanal til servoen. Pulsbredden på signalet styrer hvor servoen kører hen.

Servoen består af elektronik og en elektrisk/mekanisk del. En motor sørger for, at der via et gear, kan styres en spindel, der forsynes med en 'arm'. Armen forbindes mekanisk til hhv. flyets rorflader og karburator på brændstof fly. Potentiometer og motor er 'linket' til hinanden så elektronikken kan 'føle' hvor servoen er i cirklen. Gearet sørger for motorens lille trækkraft/moment øges til flere Kg/cm. Gearet kan være af kunststof, metal eller begge dele. Kuglelejer på spindelen findes i de lidt 'bedre' servoer.

Standard servoer har ofte glidelejer, som er OK til mange opgaver.

Pulsene er centreret om 1,5 (1,52) ms og tegningen til højre viser hvorledes dette giver vinkeludslag på servoen. Udslagenes størrelse kan og er forskellig på hver servo, men vil altid være centreret over 1,5 ms. Den såkaldt pulsbredde modulation kontrollerer vinkelen på servo spindelen/arm. Servoen skal have information for hver 20 ms. (millisekund) Der vil være et 'pulstog' for hver kanal, i sender/modtager systemet, der har en servo tilsluttet. Servoen vil holde positionen til næste 'tog' kommer med ny information og ændre vinkelen i hht. dette 'tog’s' information. Pulsbredder over og under 1,5 ms vil få servoen til at flytte sig fra center positionen. Præcis hvor meget vil afhænge af servoens motor, gear og elektronik.

NB: Sendere med computertyring kan ændre center og udslag, men det er kun en manipulation med servoens egentlige egenskaber!

Man er interesseret i egenskaber som:

Trækkraft = hvor store rorflader kan den trække

Positioneringshastighed = hvor hurtigt drejer den og til hvor vægt og størrelse, mekaniske egenskaber i for lejer, kugle/glide/lejer/bronze/nylon varianter/komposit materialer, præcision etc.

Helikoptere kræver hurtige servoer og de skal være mekanisk robuste. Fastvingede fly er mere tolerante og specielt servoen til motorens karburator er nedprioteret  i mange fly.

Servoer og driftsspænding:

Servoer er ofte udviklet til 4,8 Volt nominelt. I mange år har det været almindeligt at anvende 4 celler NiCd eller NiMH til drift af modtager og servoer. Ønsket om hurtigere og kraftigere servoer har gjort det nødvendigt at indføre en ekstra celle og derved 6 Volt nominelt. Det har medført at servoer's data ofte er angivet ved både 4,8 og 6,0 volt. Ved 6 volt er der mere kraft og hurtigere hastigheder end ved 4,8 Volt, men der er også mulighed for, at kompensere for spændingsfald over lange ledninger. Ledningernes tykkelse er ofte et kompromis mellem vægt og ledningsevne. (tykke ledninger vejer mere)

I udviklingen og anvendelse af LiPo, LiFe og LiOn er der ofte anvendt 2 celler med 3.7, 3.3 og 3.6 Volt pr celle. Det giver spændinger på 7.4, 6.6 og 7.2 Volt nominelt fra batteriet til modtager og servoer, hvis det bruges direkte.

Maksimum spændingen efter fuld opladning er højere og i de samme tilfælde 8.4 Volt ved LiPo og 7,2 Volt ved LiFe. LiOn anvendes sjældent i modelfly.

Løsningen, hvis servoerne kun kan klare 4,8 (5 volt) er, at man indfører en spændingsstyring, der nedsætter spændingen til de nominelle 5 til 6 Volt. Det relativt dyre alternativ til de gamle 5-6 Volt servoer, er servoer til 7,4 Volt direkte. Mange GYRO'er er kun til 4,8 (5-6) Volt og flere krumspring anvendes for at kunne klare højere tilslutningsspændinger. Fra 6 Volt anvendes en diode, der giver et spændingfald på 0.7 Volt.  

Modtager og servoforsyning skal dimensioneres efter det samlede maksimalforbrug. Spændingen tilpasses de anvendte servoer og kapaciteten efter hvad servoerne bruger af strøm for at udføre styring af rorflader, motor, flaps, lys og andre gimmiks man kan finde på at flyve rundt med.

Modtagerne skal derfor kunne arbejde med alle typer af servoer og kan derfor spænde over et større spændingsområde end 4.8 Volt. Ved f.eks. Spektrum(r) er der et interval fra 3,5 Volt til 9,6 Volt. Internt arbejder flere 2.4 GHz modtagere med 3,3 Volt. Det vil sige, at modtagerne har en indbygget spændingsregulator, der sikrer 3.3 Volt, uanset hvilken udvendig spænding, der tilføres. Tilslutningerne til servoerne er direkte parallelforbundet med hinanden og det er kun digitalsignalet (start og pulsbredden), der er forskellig til hver kanal. Spændingsområdet begrænses også af tabseffekt i regulatoren på modtageren.

Populært og kort kan man sige, at modtageren retter sig efter de anvendte servoer's driftsspænding.


   


Uddybende forklaring på analog og digitale servoer.

Som det kort er beskrevet, skal servoerne omdanne elektriske kommandoer fra sender, via modtageren til bevægelse. En servo skal blot tilsluttes en specifik modtagerkanal og bruges til at flytte dens specifikke del af modelflyet. Denne bevægelse er proportional betyder, at servoen kun vil flytte, f.eks. rorfladen, så meget som senderens styrepind eller kontakt er bevæget eller skiftet

Generel servoteknik

Alle servoer til fjernstyring har tre tråde i ledningen og et stik i næsten ens konfiguration uanset fabrikat. En af trådene i ledningen leverer den positive jævnspænding som typisk ligger mellem 4,8 til 6 volt. Den anden ledning er minus for spænding (jord), og den tredje ledning er signalet (pulssignalet) Modtageren "kommunikerer" til servoen gennem denne tråd ved hjælp af en simpel on/off skiftende signal.

Størrelser

Servoer leveres dybest set i 4 forskellige størrelser (mikro, mini, standard, og kæmpe (giant) eller 1/4 skala) alt efter hvad de skal monteres i. Der er små variationer, afhængigt af den konkrete anvendelse, men for at simplificere forklaringen, er disse 4 størrelser anvendt og dækker det meste af de servoer der anvendes til fjernstyring.

Hastighed og moment

Der er andre ting end den fysiske størrelse. Det næste er, at alle servoer's specifikationer anføres med hastighed og drejningsmoment. Hastigheden er en måling af den tid, det tager en servo til at rotere et vist antal grader. Dette har været standardiseret i de fleste specifikationer til 60°, med andre ord, den tid det tager servoarmen eller servohjulet, at dreje 60 grader. Jo mindre tallet er, jo hurtigere er servoen. På f.eks. en 0,12 sek/60° servo, betyder at det vil tage 0,12 sekund at rotere servo arm eller servohjul 60°. Det ville være dobbelt så hurtig som en standard servo, der typisk er langsommere end 0,24 sek/60°. En modelhelikopter vil ofte have en servo til halerotoren med hastigheder som 0,06 sek/60°.

Drejningsmomentet er den kraft der viser hvor meget servoen kan trække eller skubbe. Denne kraft eller styrke måles i kg/cm eller newton/cm. (1 newton omtrent 0,1 Kg, 10 newton ca. 1 kg.) Trækkraften måles 1 cm. fra center af servoakselen. Jo større tal jo mere trækkraft. En standardservo vil have 4 til 5 kg/cm. En servo til stormodeller vil have trækkræfter over 10 kg/cm afhængig af maksimalbelastningen på styrefladen (rorflader og flyvehastighed). Servoer kan sammenkobles til ekstra styrker eller være større i fysiske dimensioner.

Og hvad betyder så 5 kg/cm. Hvis man har en servoarm, hvor tilkoblingen er 1 cm. fra center kan servoen trække eller skubbe 5 Kg, før den ikke kan klare mere og går i stå. Øges længden af servoarmen kan den trække mindre kg, men bevæger sig hurtigere og tilsvarende ved en kortere servoarm. Trækkraft og hastighed angives også ved 2 eller flere spændinger. Samme servo kan trække mere ved den højste tilladte spænding og er hurtigere (højere effekt). Igennem tiderne er anvendt 4 til 5 celler NiCd/NiMH med en nominel spænding på 4,8 Volt og 6 Volt. (1,2 Volt pr. celle), men ved øget anvendelse af LiPo og LiFe er spændingerne øget til 6,6 og 7,4 Volt nominelt. For at kunne anvende LiPo/LiFe til de "gamle" typer servoer anvendes spændingsregulatorer der nedsætter spændingen til servoerne's angivelser. Vil man undgå denne ekstra elektronik og opnå større trækkraft og hurtighed, må man anskaffe servoer til denne driftsspænding fra 2 celler af LiPo/LiFe. De fleste 2,4 GHz modtagere kan klare fra 3,5 Volt til 9 - 10 Volt. De ældre 35 MHz modtagere er ofte med et maksimum på 6 Volt. Begrænsningerne til driftsspænding ligger ofte på GYRO'en og dens servo, hvor mange af dem ikke vil have ret meget mere end 5 Volt. Det ændre sig sikkert også med tiden.  Mange nye systemer til helikoptere uden "Flybar" (flybarless) vil ligge på 6 Volt eller derover pga. at servoerne i CCPM kan være til f.eks. 7,4 Volt.  


Futaba S9353HV High Torque High Speed Digital Servo with Full Metal Case 22.0kg / 0.06sec / 77g

Digitale servoer kontra analoge servoer

Og så kommer vi til sagen om forskellen mellem digitale og analoge servoer. I lang tid har man kun kunnet købe analoge servoer. Dvs. motoren i servoen var styret af, hvor længe der blev strømstyret og det bestemte kraften, samt hvor til servoen kørte. Nu er der også digitale servoer. Man spørger ofte sig selv om hvad der er bedst? At besvare spørgsmål om hvad der er bedst til modelbiler, modelfly eller modelhelikoptere, kan gøres mere klart ved at kende forskel på de to servoers egenskaber. For det første er der ikke nogen forskel på de fysiske dimensioner. Servoens kasse, gear og servoarmtilslutning kan være 100% identiske og selv potentiometret til servoens position kan være det samme. Forskellen ligger efter signalet fra modtageren, der iøvrigt er ens for begge typer af servoer. Motor og motorstyringen er forskellige og hvordan den elektriske strøm styrer motoren i servoen. Servoen leverer kraft via en trækarm, der drejes via et gear og med en lille elektromotor som drivkraft.

Den analoge servo

En analog servo styrer motorens hastighed ved at anvende tænde og slukke spændingssignaler eller impulser, af bestemte længder, til motoren. Denne spænding er konstant (spændingen på modtageren batteriet, spænding fra regulator eller BEC (batteri eliminator kredsløb) for at være helt præcis - fra 4,8 til 6,0 volt. Dette på sker på on/off frekvens standardiseret til 50 svingninger i sekundet (50 Hz). Jo længere hver på puls er, jo hurtigere kører motoren, drejer, vender og jo mere moment producerer den. Det er den samme måde hastigheden på de fleste jævnstrømsmotorer er kontrolleret. Som eksempel, hvis man har en loftventilator eller udsugningsventilator i huset, er den kontrolleret med en variabel drejeknap der styrer hastigheden, ventilatormotoren får ikke lavere og højere spænding for at justere hastigheden. Motoren tændes og slukkes oftere ved lave hastigheder. Jo længere den er tændt af gangen, jo hurtigere kører den. Dette er også på samme måde elektroniske hastighedsregulatorer til fly, biler og både reguleres.

I hvile, er der ingen spænding der går til motoren i servoen. Hvis man trykker lidt på servohornet vil motoren få strøm pga. føleren opdager, at den flyttes til et forkert punkt. Retningen styres ved at vende strømmen og styrken ved at styre længden. Servoen vel forsøge at holde positionen. Hvis der styres på senderen vil servoen forsøge at styre til udslaget er "neutraliseret" og holde positionen dér, til næste styreudslagsposition er modtaget. Jo længere styreudslaget er jo længere vil spændingen blive tilført servomotoren som vil køre hurtigst muligt til positionen. Pulsene repeteres 50 gange i sekundet. Det betyder, at der på et sekund er 50 pulstog (frames eller vinduer), som hver består af 20 millisekunder (50 x 20 = 1000 ms = 1 sekund) Jo længere hver spænding puls er i hvert af disse halvtreds 20 millisekunder frames, jo hurtigere kører servomotoren og jo mere moment (kraft) producerer den. Det er det grundliggende for den analoge servo. Heldigvis behøver man ikke at vide hvordan den fungerer, men det er dette der får servoen til at positionere servoarmen. Når der modtages instrukser fra senderen og de ikke er på servoens "neutral" position vil motoren få pulser til at flytte til denne position og servoen "slukker" for motoren. Servoens tolerance for, hvornår den giver motoren strømpuls igen kaldes "dead band". I dette område er servoen inaktiv.

En stor del af RC styring og især med fjernstyrede helikoptere udføres med små hurtige pind bevægelser, der flytter servo frem og tilbage i meget små intervaller. Der er også mange skiftende belastninger på rotorerne i systemet (både hoved og hale), der altid forsøger at tvinge servoen ud af "slukket tilstand" og skifte sit greb og holdning. Det er ikke blevet mindre med helikoptere uden "flybar". De nye tendenser med 3D gyroer eller elektroniske flybarless systemer, sender hundredvis af små rettelsesændringer til RC servoerne hvert sekund. Korrektioner og justeringer sker ofte inden for "dead band" området på en analog servo og det ville aldrig fungere på en analog servo. Det er ikke et problem for mennesker, men kun for lyn hurtige GYROer og elektroniske systemer til flybarless (FBL) helikoptere og 3D piloter der har bedre reflekser end gennemsnitlige RC piloter.

Den digitale servo

Som før nævnt er der ingen forskel på det ydre, om en servo er digital eller analog. Begge tilsluttes på samme måde til modtagerne, via en ledning med 3 ledere. Forskellen ligger i, hvordan strømmen sendes til motoren i den digitale servo. En lille mikroprocessor inde i servoen analyserer modtagerens signaler og behandler disse i en meget høj frekvens af  spændingspulser til servomotoren. I stedet for 50 pulser pr. sekund vil motoren nu modtage op imod 300 pulser pr. sekund. Pulserne vil blive kortere i længden, men med så mange spændingspulser, vil bliver motoren hurtigere og giver et mere konstant moment.

I øvrigt, hvis du nogensinde har spekuleret over hvorfor digitale servoer "synger", når der er meget lidt belastning på dem. Det du hører er den korte og høje frekvens af spændingspulser, der styrer servoens motor. Resultatet er et meget mindre "dead band", hurtigere respons, hurtigere og smidigere acceleration og meget bedre holde styringen på plads (holdekraft). Du kan teste dette meget nemt, ved at tilslutte en digital servo og en analog servo til din modtager. Prøv at dreje servoarmen på den analoge RC servo. Bemærk hvordan du vil være i stand til at flytte det lidt, før servoen begynder at reagere og modstå den kraft - det føles lidt gummiagtigt. Gør det samme med den digitale RC servo. Det føles som servoarmen og akslen er låst i stillingen - den reagerer så hurtigt og på så lidt påvirkning.

Nu er intet er gratis og denne forbedring i hastighed, moment, og holdekraft kommer kun med en 'lille' ulempe nemlig øget strømforbrug! Ja digitale servoer bruger mere strøm pga. disse mange og gentagne strømpulser og det er mere end tilsvarende analoge servoer.

Det er dog ikke noget problem i disse dage og siden batteripakker har mindst fordobblet eller tredobblet kapacitet af, hvad en batteripakke i samme størrelse/vægt, netop har nu.

Du kan stadig flyve en fjernstyret helikopter med analoge servoer, men når du skifter over til digital, vil du sandsynligvis aldrig skifte tilbage.


BMS-303CL Mikro servo
Vægt 3,7 gram
Hastighed 0,11 sek / 60 grader ved 4,8 Volt
Trækkraft 0,7 kg/cm

Så ja! Digitale RC servoer er meget bedre end analoge.

Husk: Er det fly med gyro eller elektroniske flybarless helikoptersystemer - så skal de forsynes med hurtige digitale servoer, for at fungere korrekt - uden undtagelse!

Et punkt, der også skal afklares her:

Hvorfor investere i en langsom digitalservo, kontra en hurtig analog servo. Husk hastighed og drejningsmoment specifikationerne som nævnt tidligere. Man vil kunne finde analoge servoer, der har bedre hastighed og drejningsmoment angivelser end nogle digitale servoer, så hvorfor ikke købe nogle af ​​dem i stedet for en dyrere og langsommere digital servo?

Den analoge servo er langsom til at reagere og giver kun lidt moment i små og hurtige kommandoer fra senderen. De gode specifikationer er givet ved fuld bevægelse på styrepinden og når analogservoen har en puls til fuld hastighed (til samtlige 60 grader) og drejningsmoment!

Den langsommere specificerede digital servo vil stadig give meget mere fart og moment, der hvor der er størst behov for det!

 

Coreless og Brushless servomotorer

De fleste billige og standard servoer (analog eller digital) bruger, hvad der kaldes en 3-polet elmotor med kulkommutatorer. Dette er blot en standard 3-polet trådviklet jævnstrømsmotor med magneter - og den er den mest almindelige type af jævnstrømsmotorer der findes. Et fremskridt er fra 3-polede til 5-polede servomotorer. Som man kan forestille sig, vil yderligere to trådviklinger give en 5-polet motor hurtigere acceleration og mere moment på opstart. Vi ved nu, at jo hurtigere servoen accelererer i 'framen' og med 'ramperne' op i fart og samtidigt mere moment den producerer med flere poler, jo bedre er det for de fleste applikationer. Det, at forbedre den elektriske motor i sig selv vil producere mere hastighed og drejningsmoment og kombineret med digital teknologi, resulterer i hastighed og drejningsmoment der faktisk er ret imponerende.

Coreless Servo Motors

En standard 3-polet trådviklet servomotorer bruger en stålkerne med kobbertråde viklet omkring kernen (rotoren). Det er denne rotor der omgives af permanente magneter. Rotoren med stål og kobber vejer lidt. Når der sættes spænding/strøm på for at få motoren til at dreje rundt, skal den først overvinde denne vægt for at få tingene dreje - det sløver accelerationen og decellationen efterfølgende.

I et design uden jernkerne, er den 'tunge' stålkerne erstattet et trådramme, som drejer rundt om ​​magneterne i stedet. Denne motors rotor er meget lettere og det resulterer i hurtigere acceleration og decelleration. Resultatet er jævnere drift, mere moment og hurtigere respons tid.

 

Brushless servomotorer, (vekselstrømsmotorer, AC motor med ESC)

Den seneste fornyelse er, at bruge en lille børsteløs motor i servoen. Det er nøjagtigt det samme princip som i motoren på modelfly og har da også de samme fordele som de større børsteløse motorer, der anvendes i elektriske helikoptere, modelfly og modelbiler. Der er ingen kul der kan slides op og de er generelt mere effektive.

Børsteløse motorer er mere effektive, giver mere kraft (moment), acceleration og hastighed. Igen hæves styrken til et nyt niveau på hastighed, moment, respons tid og hvordan den fungerer generelt.

Servolejer, gearmaterialer, støv og vandtæthed

Disse punkter er temmelig grundlæggende for servoer i det hele taget.

Lejer

Man vil bemærke, at når man er på servoindkøb, at der blandt de mange specifikationer i listen, at servoen har lejer og hvor mange lejer, som regel et eller to lejer. Disse lejer er brugt på det vigtigste af servoen, nemlig udgangsakselen til servoarmen og det er i stedet for en simpel bøsning. Fordelene ved at have kuglelejer på udgangsakselen i en servo er det samme som alle andre steder. Mindre friktion og slup. På grund af de mange vibrationer og mekaniske belastninger overført til servoen i fjernstyrede helikoptere, gør at en servo, der ikke er forsynet med kuglelejer, udvikler slup meget hurtigt og naturligvis, gør det kontrollen mere træg og en slap og slasket fornemmelse i styringen.

De fleste kvalitetsservoer og stadig med fokus på lave omkostninger, placeres der mindst ét kugleleje og det placeres øverst på servotrækakslen, hvor den kommer ud fra servoen, det er her de fleste af de bivirkninger fra belastninger vil forekomme. Bedre og dermed dyrere servoer vil bruge to lejer til at forbedre den samlede modvirkning af slup og slid.

 

Metal gear og metal udgangsaksler

Med høje drejningsmomenter og hurtige digitale servoer med metal gear og metal udgangsaksler er mere og mere almindelige. De er et populært valg af flere årsager, men det er styrke og holdbarhed der er det mest indlysende for valget af metal. Der er dog to ulemper ved metal gear. Deres vægt er lidt højere end plastic eller nylon gear og de slides lidt hurtigere op. De fleste servoer har udskiftelige gear sæt, så man kan udskifte gearet, hvis der opstår fejl efter styrt og eventuelt slid. De bedste metal gear servoer er  servoer, der bruger titanium gear sæt, og dermed falder vægten en hel del.

 

Vand og støvtætte servoer

Nogle servoer er lukket hermetisk for at forhindre vand og støv i at trænge ind. Servohusets halvdele har pakninger, der består bl.a. af en o-ring omkring udgangsakselen og der er siliconepakning, hvor ledningerne kommer ud fra servohuset. Det er godt ved både og biler, men ved fly er det ikke absolut nødvendigt. På et fly kan man dog have større problemer at slås med end vand og støv. På enhver model med brændstofmotor kan der sive brændstof ind i servoen. Det ødelægger ikke gearet, men kan gøre skade på elektronikken og servomotoren over tid.

 

Så meget om så lidt:

Servoer kan der skrives meget mere om, men dette der står her, er nok til at skelne mellem servotyperne. Leverandørerne af modelfly og helikoptere anviser ofte hvilke servoer der er tilstrækkelige eller bedre i deres konfiguration. Enkelte leverandører leverer også helikoptere og fly klar til at flyve (læs bare næsten klar) Samle og byggesæt levere som Combi med al elektronik, så det bare at samle det korrekt efter deres anvisning med lidt tilskud fra egne erfaringer.....

 

Denne link www.servodatabase.com kan vise informationer om mange servoer i alle fabrikater og størrelser. Lad eventuelt din forhandler vejlede dig, hvis du ikke selv kan finde nogle egnede servoer til projektet.