Сервопривод (сервомашинка) – устройство, служащее для управления подвижными частями радиоуправляемых моделей и обеспечения работы различных движущихся механизмов и деталей путем преобразования сигнала от приемника управления. Например, сервоприводами обеспечивается поворот колес в автомоделях и приводятся в движение различные органы аэродинамического управления в авиамоделях (элероны, хвостовое оперение и др.)

Размеры сервоприводов

Производители выпускают широкую номенклатуру моделей сервоприводов, что обусловлено различными требованиями к ним, зависящими от задач и условий использования. Прежде всего это касается размеров. В зависимости от размера можно разделить сервоприводы на 4 вида:

  1. Микро (17-26 г.)
  2. Мини (27-39 г.)
  3. Стандарт (40-79г.)
  4. Гигант (большие) (80 г и более)

Тут стоит обозначить, что вес и размер для каждого вида сервопривода весьма условны и могут отличаться в зависимости от производителя.

Наиболее распространены размеры «стандарт», «мини» и «микро». Для больших моделей выпускаются сервоприводы большого размера «гигант», которые помимо высокой мощности имеют немалый вес. Размер и вес сервопривода зачастую пропорционально связаны с такими показателями как вес и сила крутящего момента. Поэтому с развитием моделизма и появлением моделей малого размера, а также в связи с гонкой за уменьшением веса изготовляемых моделей, стали появляться сервоприводы таких размеров как «нано» и даже «пико».

Устройство и принцип работы сервопривода

Сервоприводы в зависимости от назначения отличаются мощностью крутящего момента, весом, размером, материалами изготовления, но имеют схожую между собой конструкцию, состоящую из пластикового или алюминиевого корпуса с ушками для крепления и находящихся в корпусе необходимых элементов, обеспечивающих работу сервопривода.

В корпусе сервопривода заключены следующие элементы:

  1. Редуктор с выходным валом
  2. Потенциометр
  3. Мотор
  4. Плата управления (микроконтроллер)

Теперь давайте рассмотрим эти элементы по отдельности.

Редуктор

Редуктор в сервоприводе служит для преобразования вращающего момента и частоты вращения, т.е. высокие обороты вала маломощного мотора преобразовываются в малые обороты, имеющие большое усилие.

Редуктор сервопривода состоит обычно из 4-6 металлических или пластиковых шестеренок. Металлические шестерни имеют больший вес, но намного прочнее, чем шестерни из пластика, поэтому сервоприводы с металлическим редуктором имеют большую живучесть.

Встречаются редукторы с шестернями из сплава с добавлением титана или с напылением титана, что еще больше продлевает срок службы редуктора, позволяя сервоприводу выдерживать высокие нагрузки.

В редуктор могут устанавливаться шарикоподшипники (ВВ), что положительно влияет на точность сервопривода, снижает негативное воздействие вибраций и увеличивает рабочий ресурс сервопривода.

Выходной вал редуктора имеет шлицы для крепления качалки. Качалка – это насадка-рычаг, которая крепится на выходной вал. Количество шлицев выходного вала может быть различное, но обычно это количество соответствует 25 зубьям (25Т). Каждый сервопривод комплектуется определенным набором различных качалок.

Потенциометр.

Потенциометр - важная часть сервопривода, которая служит для обеспечения обратной связи и контроля положения вала.

Ось потенциометра находится на валу сервопривода и считывает его положение при движении. Данные от потенциометра передаются на плату управления сервоприводом.

Мотор

В сервоприводах существует 3 типа моторов для сервоприводов:

  1. Коллекторный (щеточный) мотор с сердечником (Brush motor)
  2. Коллекторный (щеточный) мотор без сердечника (Coreless motor)
  3. Бесколлекторный (бесщеточный) мотор (Brushless motor)

Коллекторный (щеточный) мотор с сердечником (Brush motor)

В простых сервоприводах применяют коллекторные электромоторы (Brush motor), состоящие из вращающейся части – ротора (якоря) с обмоткой, статора с магнитами, коллектора и щеток.

Коллекторный (щеточный) мотор без сердечника (Coreless motor)

Такой двигатель не имеет привычного тяжелого ротора, разделенного на секции. Здесь магнит статора находится внутри полой намотки в форме цилиндра. Такая конструкция двигателя помимо малого веса не подвержена вибрациям, также обладает таким преимуществом (недоступным обычным щеточным двигателям) как меньший момент инерции ротора, что положительно влияет на точность сервопривода.

Бесколлекторный (бесщеточный) мотор (Brushless motor)

Работа бесколлекторного двигателя осуществляется посредством электроники (платы управления), которая переключает ток в обмотках таким образом, чтобы создать вращающееся магнитное поле в статоре. Такие моторы обладают всеми положительными качествами моторов без сердечника, но в дополнение к этому имеют продолжительный срок службы и способность развивать высокую скорость и крутящий момент.

Плата управления (микроконтроллер)

Плата управления принимает и анализирует управляющие импульсы, соотносит их с данными потенциометра и отвечает за запуск и выключение двигателя сервопривода.

В зависимости от типа используемой электроники сервоприводы могут быть аналоговыми (Analog) и цифровыми (Digital). С развитием электронных компонентов широкое распространение получили цифровые сервоприводы, которые стали комплектоваться микроконтроллерами. Цифровые сервоприводы имеют ряд преимуществ над аналоговыми: возможность использования более сложных алгоритмов управления, высокая скорость и точность позиционирования.

Принцип работы сервопривода

Серводвигателями обычно управляют с помощью метода, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Он требует передачи на двигатель сервопривода электрического сигнала, содержащего импульсы различной длины. 

Кратко работу сервопривода можно описать следующим образом: управляющий импульс подается на двигатель сервопривода, приводя его в движение, которое передается на редуктор, а он, в свою очередь, вращает вал. Как только будет достигнуто установленное положение вала, на потенциометре появится нужный сигнал, который, перейдя на плату управления, прекратит питание электродвигателя сервопривода до появления следующих электрических импульсов.

Основные характеристики сервопривода

Основными техническими характеристиками сервоприводов стоит выделить крутящий момент и скорость поворота качалки.

Крутящий момент

Крутящий момент показывает, насколько тяжёлый груз способен удержать сервопривод на рычаге, который имеет определенную длину и находится в горизонтальном положении. Крутящий момент сервопривода обычно указывается в кг/см. Например, если в характеристиках сервопривода указан крутящий момент 6 кг/см – это значит, что сервопривод удержит в горизонтальном положении груз весом 5кг на качалке длиной 1см от ее оси.

На некоторых сервоприводах может указываться еще такой параметр как «крутящий момент при остановке». Это максимальный крутящий момент, который может обеспечить сервопривод в режиме «заблокированного вала». Другими словами, это нагрузка, которая вызывает остановку сервопривода. Стоит учесть, что крутящий момент зависит от напряжения питания: чем выше напряжение, тем больше величина крутящего момента.

Скорость сервопривода

Под скоростью сервопривода принято принимать время, которое необходимо валу сервопривода для того, чтобы повернуться на 60°. Например, скорость сервопривода указана как 0,12 с/60° - это значит, что вал сервопривода поворачивается на 60° за 0,12 секунд. Обычно сервоприводы с большим крутящим моментом имеют более низкую скорость, и, наоборот, сервоприводы с высокой скоростью обладают меньшим крутящим моментом. Скорость сервопривода также завит от величины напряжения питания.