Сервоприводы: устройство, принцип работы и основные виды
Познакомимся поближе с сервоприводами. Что это такое и как они работают? Рассмотрим разновидности сервоприводов и их применение, дадим подсказки по подключению и управлению.
Что такое сервопривод
Сервопривод — это электродвигатель с блоком управления, который за счёт обратной связи может точно поддерживать заданное положение вала или постоянную скорость вращения.
Сервоприводы используются, чтобы аккуратно приводить в действие различные механизмы. К примеру, привод может открывать/закрывать заслонки кормушки для домашнего питомца или активировать тайник в квеструме. А ещё сервомотор даст возможность вашему роботу управлять руками или вращать головой.
Характеристики сервопривода
Крутящий момент
Крутящий момент представляет собой произведение силы на длину рычага. Другими словами, он показывает, насколько тяжёлый груз сервопривод способен удержать в покое на рычаге заданной длины.
Например, если крутящий момент равен 5 кг·см, это означает, что сервопривод удержит в горизонтальном положении рычаг длиной 1 см с подвешенным грузом 5 кг на свободном конце. Или, что равносильно, удержать рычаг длиной 5 см с подвешенным грузом 1 кг.
Скорость поворота
Скорость сервопривода выражается через время, за которое выходной вал успеет повернуться на 60°. Характеристика 0,1 с/60° означает, что сервопривод поворачивается на 60° за 0,1 с. Из неё можно вычислить скорость в оборотах в минуту, но так сложилось, что для сервоприводов чаще всего используют именно интервал времени поворота на 60°.
Форм-фактор
Сервоприводы различаются по размерам. И хотя официальной классификации не существует, производители давно придерживаются нескольких размеров с общепринятым расположением крепёжных элементов.
| Форм-фактор | Вес | Размеры |
|---|---|---|
| Микро | 9–25 г | 22×15×25 мм |
| Стандартный | 40–80 г | 40×20×37 мм |
| Большой | 50–90 г | 49×25×40 мм |
Внутренний интерфейс
Сервоприводы бывают аналоговые и цифровые. Внешне они ничем не отличаются: электромоторы, редукторы, потенциометры у них одинаковые. Главное отличие между аналоговыми и цифровыми сервоприводами состоит в способе обработки управляющего сигнала и сигнала обратной связи. В остальном их устройство и принципы работы совпадают.
В аналоговом сервоприводе входные данные анализируются логической микросхемой: сравнивается текущее и необходимое положения двигателя, и на основании разницы даётся команда изменить положение. Время реакции составляет порядка 20 мс, поскольку импульс подаётся с частотой 50 Гц. Полученный сигнал определяет, когда и в какую сторону вращать двигатель.
В цифровом сервоприводе входные данные анализируются микроконтроллером. Данное техническое решение позволяет увеличить частоту сигналов до 200 Гц и выше. Каждый импульс короче по длине, но благодаря большому количеству сигналов, двигатель становится более шустрым: быстрее реагирует на внешние воздействия и развивает необходимый крутящий момент, а мёртвые зоны становятся намного короче.
Цифровые сервоприводы решают проблемы, связанные с низкой частотой сигналов, но вместе с тем становятся сложнее в производстве, а потому и дороже. Кроме того, они потребляют чуть больше энергии, чем аналоговые.
Материалы шестерней редуктора
Шестерни редуктора могут быть пластиковые или металлические.
Пластиковые шестерни редуктора изготавливаются из силикона или нейлона, они слабо подвержены износу, мало весят и недорого стоят. Это делает их довольно популярными в любительских проектах, где не предполагаются большие нагрузки на механизм.
Металлические шестерни редуктора тяжелее и дороже, но зато способны выручить там, где предполагаются нагрузки, непосильные для пластика. Поэтому более мощные двигатели обычно оснащаются именно металлическим редуктором. Шестерни из титана — фавориты среди металлических шестерней, причём как по техническим характеристикам, так и, к сожалению, по цене.
Однако металлические шестерни быстро изнашиваются, так что придётся менять их практически каждый сезон.
Коллекторные и бесколлекторные моторы
Существует три типа моторов для сервоприводов:
Коллекторный мотор с сердечником (Brush motor).
Коллекторный мотор без сердечника (Coreless motor).
Бесколлекторный мотор (Brushless motor).
Коллекторный мотор с сердечником обладает плотным железным ротором с проволочной обмоткой и магнитами вокруг него. Ротор имеет несколько секций, поэтому когда мотор вращается, ротор вызывает небольшие колебания мотора при прохождении секций мимо магнитов. В результате получается, что сервопривод вибрирует и не отличается точностью, зато это самый доступный по цене тип двигателей.
Коллекторный мотор с полым ротором обладает единым магнитным сердечником с обмоткой в форме цилиндра или колокола вокруг магнита. Конструкция без сердечника легче по весу и не разделена на секции, что приводит к более быстрому отклику и ровной работе без вибраций. Такие моторы дороже, но они обеспечивают более высокий уровень контроля, крутящего момента и скорости по сравнения с мотором с сердечником.
Бесколлекторный мотор обладает всеми положительными качествами моторов без сердечников, но к тому же способен развивать в тех же условиях более высокую скорость и крутящий момент. Такой тип двигателей самый дорогой.
Виды сервоприводов
Сервоприводы отличаются по сигналу управления и способу преобразования электрической энергии в механическую.
Сервоприводы PDM с удержанием угла
Сервоприводы с интерфейсом PDM (PWM), которые преобразуют управляющие сигналы в установку и удержание заданного угла.
Сервоприводы PDM постоянного вращения
Сервоприводы с интерфейсом PDM (PWM), которые преобразуют управляющие сигналы, чтобы поддерживать заданную скорость вращения вала в любом направлении без ограничений по углу поворота.
Сервоприводы SCS
Сервоприводы с интерфейсом SCS, которые преобразуют управляющие сигналы в установку и удержание заданного угла.
Сервоприводы STS
Сервоприводы с интерфейсом STS, которые преобразуют управляющие сигналы, чтобы поддерживать заданную скорость вращения вала в любом направлении без ограничений по углу поворота.
Список сервоприводов
| Модель | Форм-фактор | Сигнал управления | Обратная связь | Назначение | Внутренний интерфейс | Диапазон вращения |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Feetech FS90 / Документация | Микро | PDM | Нет | Удержание угла | Аналоговый | 0–180° |
| Feetech FS90R / Документация | Микро | PDM | Нет | Постоянное вращение | Аналоговый | 360° |
| Feetech FT90B / Документация | Микро | PDM | Нет | Удержание угла | Цифровой | 0–180° |
| Feetech FT90R / Документация | Микро | PDM | Нет | Постоянное вращение | Цифровой | 360° |
| Feetech FS0403-FB / Документация | Микро | PDM | Да | Удержание угла | Аналоговый | 0–180° |
| Feetech FS90-FB / Документация | Микро | PDM | Да | Удержание угла | Аналоговый | 0–180° |
| Feetech FS5103R | Стандарт | PDM | Нет | Постоянное вращение | Аналоговый | 360° |
| Feetech FS5106B | Стандарт | PDM | Нет | Удержание угла | Аналоговый | 0–180° |
| Feetech FS5109M | Стандарт | PDM | Нет | Удержание угла | Аналоговый | 0–180° |
| Feetech FS5113R | Стандарт | PDM | Нет | Постоянное вращение | Аналоговый | 360° |
| Feetech FT5519M | Стандарт | PDM | Да | Удержание угла | Цифровой | 180° |
| Feetech FB5317M-360 / Документация | Стандарт | PDM | Да | Постоянное вращение | Цифровой | 360° |
| Feetech FB5118M / Документация | Стандарт | PDM | Да | Удержание угла | Цифровой | 0–300° |
| Feetech FT6335M / Документация | Стандарт | PDM | Нет | Удержание угла | Цифровой | 0–360° |
В заключение
Сервоприводы бывают разные: получше или подешевле, надёжнее или точнее. И перед тем, как купить сервопривод, стоит учесть, что он может не обладать лучшими характеристиками, но главное, чтобы он подходил именно для вашего проекта. Удачи в ваших начинаниях!
Чем отличается цифровой сервопривод от аналогового
Большое спасибо…я с радостью почитал статью!
А теперь с радостью почитайте и другие, много полезных… Эх, еще бы статью про поиск…
Здравствуйте уважаемые авиамоделисты! Чем отличаются аналоговые серво от цифровых? Заранее спасибо…
Технически во многом — а практически в цене
Ну мне на первое время хватит и аналоговой пока:) так что все еще раз спасибо за доброту:)
Лучше брать самые хорошие аналоговые серво от JR, Futaba, Hitec, чем непонятно что, но цифровые, от HobbyCity, Align, Corona, GWS итп. Конечно когда цифровые просто необходимы то надо брать цифровуе от тех же ребят -JR, Futaba, Hitec (Multiplex не обозначаю так как он стал Hitec)
плюсы аналога — малый ток, низкая цена.
плюсы цифры — высокие скорость и усилие.
соответственно цифра дороже и жрёт больше току, а аналог часто менее быстр и силён чем цифра.
но в подавляющем большинстве случаев — проверенный по качеству аналог может оказаться надёжнее неопробованной цифры.
это исключительно имхо.
я вообще пробую рукой отклонять качалку от нейтрали.
цифра большее количество раз в секунду производит коррекцию качалки у нейтрали, и мало того — она делает эту коррекцию ощутимо сильнее.
но это мои личные ощущения — на основании конкретно мной эксплуатируемых серв 9 граммового диапазона.
так называемый 55 формат.
В чем разница сервомашинок?
Сервопривод с металлическим редуктором CS238MG 4.6кг/ 22г/ 0.14с
Товар http://www.parkflyer.ru/product/318836/ Эта дешевле.
Corona DS238MG цифровой сервопривод с металлическим редуктором 4.6kg/ 22g/ 0.14sec
Товар http://www.parkflyer.ru/product/192470/ Эта дороже.
Так в чем разница между ними? Фирма одна. Характеристики и размеры одни.
В избранное 0
Комментарии
Загрузка отзывов. Пожалуйста, подождите.
Владимир Сидоров , Наро-Фоминск , 25 июн. 2015 г., 23:47:44 +5
В том что первая машинка аналоговая а вторая цифровая.
Никита Манукян , Саратов , 26 июн. 2015 г., 0:05:28 0
спасибо за ответ. +
Тимур Ганиев , Реж , 26 июн. 2015 г., 6:52:19 0
Тоже всегда интересовало, чем аналоговые сервы отличаются от цифровых.
Аналоговая серва берет PWM сигнал, и выставляет положение в соответствии с уровнем сигнала (1500 — середина). Цифровая делает то же самое.
Наверное — в разнице по «самоопределению». Аналоговая серва — определяет положение выходной шестерни по номиналу переменного резистора. То есть движок переменника соединен с шестеренками редуктора сервы механически.
А как определяется это в цифровых сервах?
Юрий Васюков , Тула , 26 июн. 2015 г., 12:14:37 0
Разберите и посмотрите — точно так же.
Тимур Ганиев , Реж , 26 июн. 2015 г., 12:19:42 0
А в чём тогда заключается «аналоговость» или «цифра»? Пошел гуглить.
Тимур Ганиев , Реж , 26 июн. 2015 г., 12:28:41 0
Почитал. НДА.
Получается действительно, как в фильме Кин-Дза-Дза.
Если сервомашинка работает быстрее, точнее, сильнее (быстрее выше сильнее) — то она цифровая.
Юрий Васюков , Тула , 27 июн. 2015 г., 6:33:23 0
Ща тоже гляну. По моему я такой не видел.
Юрий Васюков , Тула , 27 июн. 2015 г., 9:17:33 +2
А, нет. Видел.
Ну вот пример статьи, которая дает совершенно неправильное представление «почему цифровая машинка лучше аналоговой». Просто говорит (но не объясняет почему), что какая то цифровая машинка лучше какой то аналоговой, и все.
Ну хорошо. Если в двух словах, то. Самое главное это то, что любой сервопривод состоит из четырех основных частей — сервоусилителя, электродвигателя, редуктора, ПОС (потенциометра обратной связи). Они соеденены в замкнутый контур регулирования. И тут даже «невооруженным взглядом» видно, что даже если принять равное влияние каждого компонента на функционирование сервопривода, то влияние сервоусилителя — 25%. В статье же описывается тольео сервоусилитель, а про остальные компоненты умалчивается. А ведь в основном качество сервопривода определяется качеством механических узлов, а вот уже электроника подгоняется под эту механику (потому как электронику можно стелать какую угодно). И не столь важно цифровая она или аналоговая. Единственное преимущество цифрового сервоусилителя — отсутствие температурно зависимых элементов. В аналоговом сервоусилителе присутствуют времязадающие RC цепи, ТКЕ (температурный коэффициет емкости) которых и влияет на температурную стабильность сервоусилителя. Хотя если микроконтроллер цифрового сервоусилителя используется в режиме внутреннего RC генератора, т.е. без кварца (а в простых цифровых машинках он используется именно так), то тепературная зависимост опять появляется. Таким образом цифровой сервоусилитель лучше аналогового ТОЛЬКО в части темперетурной стабильноси, при условии, что смотехника аналогового сделана правильно.
Итак, в основном параметры сервопривода определяютя параметрами механических частей.
1. Электродвигатель (момент инерции).
2. Редуктор (люфт).
3. Потенциоментр обратной связи (шумы, износостойкость).
Ну и грамотно спроектированный под конкретную механику сервоусилитель довершает дело и не столь важно цифровой он или аналоговый. Конечно это теоретически. А как конкретно делают производители, это . «надо посмотреть».
Ну а полностью цифровой сервопривод — это совсем другая история.
Юрий Васюков , Тула , 26 июн. 2015 г., 1:36:55 +1
» . — Извините, а чатлане, пацаки это национальность?
— Нет.
— Биологический фактор?
— Нет.
— Лица с других планет?
— Нет.
— А чем же они от друг друга отличаются?
— Ты что дальтоник Скрипач? Зеленый цвет от оранжевого отличить не можешь? Турист. . «
Тимур Ганиев , Реж , 26 июн. 2015 г., 6:54:47 +5
Обожаю этот фильм. Если бы вы чуть-чуть по теме высказались, вам минусов не навтыкали бы. Один минус исправил.
У вас есть инфа по устройству цифровых серв?
Юрий Васюков , Тула , 26 июн. 2015 г., 13:44:25 +3
Уже не первый раз наступаю на эти грабли. Постоянно забываю о том, что я на ПФ, а не в кругу друзей.
Если кто то не увидел в моем комментарии ответа на поставленный вопрос, то это не значит, что его там нет.
А вот по поводу устройства . Вся инфа у меня в голове, так как по роду своей деятельности приходилось разрабатывать сервоприводы. Однажды даже для :):):) аппаратуры дистанционного управления моделями (включая двигатель с полым ротором). В интернете мне ничего путного не попадалось (применительно к моделям), не говоря уже про ПФ. И еще, все цифровые машинки, которые мне попадались живьем, по сути цифровыми то и не являются. В них только электроника (сервоусилитель) цифровая. А сервоусилитель можно и аналоговый сделать хорошо, и цифровой плохо. Подробно в коментах об этом не напишешь. Давно хотел написать статью, но пока не ясно, какая она должна быть — техническая, популярная . На кого рассчитана? Короче — не знаю .
Юрий Бутенко , Полярный , 26 июн. 2015 г., 17:10:29 0
В таком случае нужна серия статей,чтобы каждый мог найти то,что его интересует,конечно в рамках его знаний.
Обзор цифрового сервопривода
Цифровой сервопривод отличается от традиционного аналогового рулевого механизма. Аналоговый рулевой механизм должен посылать ШИМ-сигналы, чтобы удерживать его в заданном положении или вращаться с определенной скоростью, в то время как цифровому рулевому механизму требуется только один раз послать ШИМ-сигналы, чтобы удерживать его в заданном положении.
Цифровой сервопривод отличается от традиционного аналогового сервопривода. Аналоговый сервопривод должен посылать сигналы ШИМ, чтобы удерживать его в заданном положении или вращаться с определенной скоростью, в то время как цифровому сервоприводу требуется только один раз отправить сигналы ШИМ, чтобы удерживать его в заданном положении.
Таким образом, появление цифрового сервопривода позволяет реализовать 48-позиционный сервоконтроллер, который можно разделить на сервопривод на 180 градусов и сервопривод на 360 градусов в соответствии с углом поворота сервопривода. Рулевой механизм с поворотом на 180 градусов может поворачиваться только на угол от 0 до 180 градусов. Если он превышает этот диапазон, сервопривод выйдет за пределы диапазона, и шестерня будет сломана, а цепь сервопривода или двигатель в сервоприводе сгорят. Сервопривод на 360 градусов может непрерывно вращаться так же, как и обычные двигатели, но мы можем управлять только направлением и скоростью его вращения, но не можем регулировать угол поворота.