Serwo (sterowanie radiowe)
Serwa (również RC serwa ) to małe, tanie, seryjnie produkowane serwomotory lub inne elementy wykonawcze wykorzystywane do sterowania radiowego i robotyki na małą skalę .
Większość serwomechanizmów to siłowniki obrotowe , chociaż dostępne są inne typy. Czasami stosuje się siłowniki liniowe , chociaż częściej stosuje się siłownik obrotowy z korbą dzwonową i popychaczem. Niektóre typy, pierwotnie używane jako wciągarki żaglowe do modelarstwa jachtowego , mogą obracać się w sposób ciągły.
Budowa
Typowe serwo składa się z małego silnika elektrycznego napędzającego zespół przekładni redukcyjnych. Potencjometr do wałka wyjściowego. Niektóre proste układy elektroniczne zapewniają serwomechanizm w pętli zamkniętej .
Operacja
Położenie wyjścia, mierzone potencjometrem, jest w sposób ciągły porównywane z pozycją zadaną ze sterownika (tj. ze sterowania radiowego). Każda różnica powoduje sygnał błędu we właściwym kierunku, który napędza silnik elektryczny do przodu lub do tyłu i przesuwa wał wyjściowy do zadanej pozycji. Gdy serwo osiągnie tę pozycję, sygnał błędu zmniejsza się, a następnie spada do zera, w którym to momencie serwo przestaje się poruszać.
Jeśli pozycja serwomechanizmu zmieni się z zadanej, czy to z powodu zmiany polecenia, czy z powodu mechanicznego wypchnięcia serwomechanizmu z jego ustawionej pozycji, sygnał błędu pojawi się ponownie i spowoduje, że silnik przywróci wał wyjściowy serwomechanizmu do wymaganej pozycji .
Prawie wszystkie współczesne serwomechanizmy są serwomechanizmami proporcjonalnymi , gdzie ta zadana pozycja może znajdować się w dowolnym miejscu w zakresie ruchu. Wczesne serwomechanizmy i prekursorskie urządzenie zwane wychwytem mogły poruszać się tylko do ograniczonej liczby ustawionych pozycji.
Połączenie
Serwa sterowania radiowego są podłączane za pomocą standardowego połączenia trójprzewodowego: dwa przewody do zasilania prądem stałym i jeden do sterowania, przenoszący sygnał modulacji szerokości impulsu (PWM). Każde serwo ma osobne podłączenie i sygnał PWM z odbiornika sterowania radiowego. Sygnał ten jest łatwo generowany przez prostą elektronikę lub mikrokontrolery , takie jak Arduino . To, wraz z ich niskim kosztem, doprowadziło do ich szerokiego zastosowania w robotyce i obliczeniach fizycznych .
Serwonapędy RC wykorzystują trzypinowe gniazdo dystansowe 0,1 cala (żeńskie), które pasuje do standardowych kwadratowych pinów 0,025 cala. Najczęstsza kolejność to sygnał, +napięcie, masa. Standardowe napięcie wynosi 4,8 V DC, jednak w niektórych serwach stosowane jest również napięcie 6 V i 12 V. Sygnałem sterującym jest cyfrowy sygnał PWM z częstotliwością odświeżania 50 Hz. W ciągu każdego przedziału czasowego 20 ms pozycja jest sterowana aktywnym wysokim impulsem cyfrowym. Impuls nominalnie mieści się w zakresie od 1,0 ms do 2,0 ms, przy czym 1,5 ms jest zawsze środkiem zakresu. Szerokości impulsów poza tym zakresem mogą być użyte do „przekroczenia zakresu” – przesunięcia serwomechanizmu poza jego normalny zakres.
Istnieją dwa ogólne typy PWM. Każdy PWM definiuje wartość, która jest używana przez serwomechanizm do określenia jego oczekiwanej pozycji. Pierwszy typ jest „bezwzględny” i definiuje wartość na podstawie szerokości impulsu czasu aktywnego wysokiego z dowolnie długim okresem czasu niskiego. Drugi typ jest „względny” i definiuje wartość jako procent czasu, przez jaki kontrola jest aktywna – czas wysoki w stosunku do czasu niskiego. Typ „absolutny” umożliwia do ośmiu serwomechanizmów współdzielenie jednego kanału komunikacyjnego przez multipleksowanie sygnałów sterujących za pomocą stosunkowo prostej elektroniki i jest podstawą nowoczesnych serwomechanizmów RC. Typ „względny” to bardziej tradycyjne zastosowanie PWM, w którym prosty filtr dolnoprzepustowy przekształca „względny” sygnał PWM na napięcie analogowe. Oba typy to PWM, ponieważ serwomechanizm reaguje na szerokość impulsu. Jednak w pierwszym przypadku serwomechanizm może być również wrażliwy na kolejność impulsów.
Serwo sterowane jest trzema przewodami: uziemieniem, zasilaniem i sterowaniem. Serwomechanizm będzie się poruszał w oparciu o impulsy wysyłane przez przewód sterujący, który ustawia kąt ramienia siłownika. Serwo oczekuje impulsu co 20 ms w celu uzyskania poprawnej informacji o kącie. Szerokość impulsu serwomechanizmu określa zakres ruchu kątowego serwomechanizmu.
Impuls serwomechanizmu o szerokości 1,5 ms zazwyczaj ustawi serwomechanizm w pozycji „neutralnej” (zwykle połowa określonego pełnego zakresu), impuls o długości 1,0 ms ustawi go na 0°, a impuls o długości 2,0 ms na 90° ( dla serwomechanizmu 90°). Fizyczne ograniczenia i synchronizacje sprzętowe serwomechanizmu różnią się w zależności od marki i modelu, ale ogólny pełny ruch kątowy serwomechanizmu porusza się gdzieś w zakresie 90° – 180°, a pozycja neutralna (45° lub 90°) prawie zawsze wynosi 1,5 SM. Jest to „standardowy tryb serwa impulsowego” używany przez wszystkie hobbystyczne serwomechanizmy analogowe.
Cyfrowe serwo hobbystyczne jest sterowane tymi samymi impulsami „standardowego trybu serwa impulsowego”, co serwo analogowe. Niektóre hobbystyczne serwomechanizmy cyfrowe można ustawić na inny tryb, który umożliwia kontrolerowi robota odczytanie rzeczywistej pozycji wałka serwa. Niektóre hobbystyczne serwomechanizmy cyfrowe można opcjonalnie ustawić w innym trybie i „zaprogramować”, dzięki czemu mają one pożądane regulatora PID , gdy są później sterowane przez standardowy odbiornik RC.
Serwonapędy RC są zwykle zasilane przez odbiornik, który z kolei jest zasilany z akumulatorów lub elektronicznego regulatora prędkości (ESC) ze zintegrowanym lub oddzielnym obwodem eliminatora baterii (BEC). Typowe akumulatory to NiCd , NiMH lub litowo-jonowo-polimerowe (LiPo). Napięcie znamionowe jest różne, ale większość odbiorników działa przy napięciu 5 V lub 6 V.
Specyfikacja mechaniczna
Producenci i dystrybutorzy hobbystycznych serwomechanizmów RC często używają specyficznego skrótowego zapisu właściwości mechanicznych serwomechanizmów. Zazwyczaj podaje się dwie wielkości: prędkość kątową obrotu wału serwa i moment mechaniczny wytwarzany na wale. Prędkość jest wyrażona jako przedział czasu potrzebny serwomechanizmowi do obrócenia wału o kąt 60°. Moment obrotowy jest wyrażony jako ciężar, który może być podciągnięty przez serwomechanizm, jeśli zwisa z koła pasowego o określonym promieniu zamontowanego na wale.
Na przykład, jeśli model serwomechanizmu jest opisany jako „0,2 s / 2 kg”, należy to interpretować jako „To serwo obraca wał o 60° w ciągu 0,2 sekundy i jest w stanie podnieść ciężar 2 kg za pomocą 1 cm krążek promieniowy”. Oznacza to, że dany model serwa obraca wał z prędkością kątową (2π / 6) / 0,2 s = 5,2 rad /s, wytwarzając siłę 2 kg × 9,81 m/s 2 = 19,6 N na odległość 1 cm, czyli wytwarza Moment obrotowy 19,6 N × 0,01 m = 0,196 Nm.
Chociaż nie jest to zgodne ani z układem jednostek SI, ani imperialnym, skrótowa notacja jest w rzeczywistości całkiem przydatna, ponieważ polecenia obrotu wału o 60 °, korby wału o długości 1 cm, a także „siły” drążka sterującego w zakresie kilogramów siły są typowe w hobbystycznym świecie RC.
Serwa o ciągłej rotacji
Serwomechanizmy z ciągłym obrotem to serwa, które nie mają ograniczonego kąta ruchu, zamiast tego mogą obracać się w sposób ciągły. Można je traktować jako silnik i skrzynię biegów ze sterowaniem wejściowym serwomechanizmu. W takich serwach impuls wejściowy skutkuje prędkością obrotową, a typowa wartość środkowa 1,5 ms to pozycja zatrzymania. Mniejsza wartość powinna obracać serwo zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a wyższa przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
wychwyty
Najwcześniejszą formą sekwencyjnego (choć nie proporcjonalnego) siłownika do sterowania radiowego był wychwyt . Podobnie jak urządzenie używane w zegarach, ten wychwyt steruje uwalnianiem zmagazynowanej energii ze sprężyny lub gumki. obrót dwu- lub czteropłatowej zapadki . Zapadka, podobnie jak zegar, ma dwie palety , dzięki czemu zapadka może obracać się tylko o jedną pozycję płatka na impuls sygnału. Mechanizm ten pozwala prostemu nadajnikowi z kluczem na sterowanie sekwencyjne, tj. wybór pomiędzy pewną liczbą zdefiniowanych pozycji w modelu.
Typowy czteropłatowy wychwyt używany do sterowania sterem jest ustawiony w taki sposób, że pierwsza i trzecia pozycja są „na wprost”, a pozycje druga i czwarta to ster „lewy” i „prawy”. Pojedynczy impuls z pierwszej pozycji do jazdy na wprost pozwala mu przesunąć się w lewo lub trzy impulsy wybrałyby prawo. Kolejny pojedynczy impuls powraca do jazdy na wprost. Taki system jest trudny w użyciu, ponieważ wymaga od operatora zapamiętania, w jakiej pozycji znajduje się wychwyt, a więc czy następny obrót wymaga jednego czy trzech impulsów z aktualnej pozycji. Rozwinięciem tego była zapadka z dwoma płatami, w której ciągłe kluczowanie nadajnika (a tym samym utrzymywanie palety elektromagnesu na miejscu) mogło być używane do wybierania pozycji skrętu z tą samą sekwencją kluczowania, bez względu na poprzednią pozycję.
Wychwyty były małej mocy, ale lekkie. Były więc bardziej popularne w modelach samolotów niż w modelach łodzi. odbiornik kontaktronowy z kluczem częstotliwościowym ), można było użyć wielu wychwytów razem, po jednym dla każdego kanału. Nawet w przypadku radia jednokanałowego sekwencja wychwytów może czasami być kaskadowana. Przesuwanie jednego wychwytu dawało impulsy, które z kolei napędzały drugi, wolniejszy wychwyt. Wychwyty znikały ze sterowania radiowego na rzecz serwomechanizmów na początku lat siedemdziesiątych.
Odśrodkowy siłownik fly-ball
Siłownik Fly-Ball został wprowadzony do modelowania RC w 1951 roku przez Braytona Paula i składał się z silnika elektrycznego i regulatora odśrodkowego połączonego z osią swobodną, która przy pracującym silniku mogła pociągnąć drążek sterujący steru poprzez zmianę stopni. Używany z kluczowanym systemem radiowym, pozwalało to na pewną kontrolę nad pozycją steru poprzez zmianę czasu naciśnięcia klawisza. Ster byłby odciągany przez sprężynę, gdy prędkość silnika spadała.