Wat is een servo

Vorige | Volgende

Onder redactie van: BeneluxSpoor.net / Auteur: Fred Eikelboom

Modelbouw-servo

Een servomechanisme (vaak afgekort tot servo), is een apparaat om automatisch een mechanisch systeem te regelen, zonder directe mechanische verbinding. Bijvoorbeeld, de cruisecontrol van een auto; de positie van het hoogteroer van een modelvliegtuig; enzovoort. De verbinding gebeurt via een elektrische, hydraulische of pneumatische actuator. Het servomechanisme gebruikt het concept van tegenkoppeling uit de regeltechniek: de output van het mechanisme is een functie van het verschil tussen de gewenste, en de gemeten stand van het mechanisch systeem.

Op de modelspoorbaan kunnen we prima gebruikmaken van modelbouw-servo's, voor bijv. wisselaandrijving, het openen van de deuren van een lokloods, of voor het bedienen van overwegbomen.


Afbeelding: 01	Afbeelding: 02	Afbeelding: 03
ModelCraft-servo 230500	ModellCraft-standaardservo 233751	ModelCraft-miniservo met glijlagers 209089
Bron: Conrad.nl	Bron: Conrad.nl	Bron: Conrad.nl

Servo's zijn tegenwoordig verkrijgbaar in diverse afmetingen, zoals op de afbeeldingen 01 t/m 03 te zien is. Er zijn meerdere uitvoeringen van de Servo's verkrijgbaar.
Er bestaan servo's;

met kogellagers
met glijlagers
met kunststof tandwielen
met metalen tandwielen

Het hoeft geen betoog, dat servo's, die voorzien zijn van kogellagers en metalen tandwielen, een langere levensduur hebben.

Onderdelen

Een servo bestaat uit de volgende onderdelen:

Servomotor
Vertragingskast
Besturingselektronica
Potentiometer
Aansluitkabel

Afbeelding: 04

Het inwendige van een Servo

Bron: WikiPedia.org

De functie van de diverse onderdelen
De Servomotor is een miniatuurelektromotor. Deze zorgt voor de aandrijving van de servo.
De vertragingskast (set tandwielen) zorgt voor het terugbrengen van het hoge motortoerental naar een veel lage snelheid van de hefboom.
De besturingselektronica c.q. de besturings-IC's in de servo, zetten de ontvangen signalen (PBM), om in een elektrische aandrijfspanning voor de motor.
De potentiometer (afgekort: potmeter) is mechanische verbonden aan een as van de tandwieloverbrenging van de servo. De potmeter zorgt er, in samenwerking met de besturings-IC's voor dat de servo niet blijft ronddraaien, maar op een gewenste positie kan blijven staan.
De aansluitkabel (of voedingskabel) zorgt voor het transporteren van de spanning en het stuursignaal voor de servo. De kabel bestaat uit drie draden met verschillende kleuren. De voedingsspanning (+) is altijd rood of bruin. De massa (-) is altijd zwart. De signaaldraad is altijd geel of wit.

De hoofd-onderdelen van een Servo;

de motor met het aandrijftandwiel
de loper van de potmeter
de tandwieloverbrenging (vertragingskast)
de hefboom

Voedingsspanning

Het koppel (de trekkracht) van de servo, wordt bepaald door de aangelegde spanning. Hoe hoger dat deze spanning is, hoe groter het koppel zal zijn. Het werkspanningsbereik van een servo ligt tussen 4,8 Volt en maximaal 6 Volt. Bij 6 Volt zal de levensduur van de servo korter worden. De ruststroom (dat is wanneer de servo niets doet) van een standaardservo bij 5 Volt bedraagt ongeveer 60 tot 70 mA. In belaste toestand (dus wanneer de arm van de servo beweegt), wordt er een stroom uit de voeding getrokken tussen de 300 mA en 500 mA. Let dus op bij het parallel schakelen van servo's. Bij het tegelijkertijd gebruiken van meerdere servo's, kan er dus een behoorlijk grote stroom uit de voeding getrokken worden.

De draaihoek van de hefboom

Een servo vanaf de fabriek kan ca 300 graden uitslaan (ongeveer 150 graden vanuit de middenpositie). Op het internet staan echter modificaties om een servo gewoon rondjes te laten draaien. zie: 'Meer informatie'.

De draaisnelheid van de hefboom

De draaisnelheid van de hefboom kan verlaagd worden door minder spanning op de sevo te zetten, maar dit is niet zinvol. Dan gaat het om een winst van een paar microseconden waarin de servo kan bewegen. Bij de minimum spanning van 4 volt is de draaisnelheid maar enkele microseconden trager, dan bij de maximum spanning van ongeveer 6 volt. Om de draaisnelheid toch te kunnen verlagen, met behoud van het koppel, zal er een ingreep in de elektronica van de servo gedaan moeten worden.

De aansturing

Een servo kan niet met een normale gelijkspanning of wisselspanning aangestuurd worden. Het aansturen gebeurt met een gepulste gelijkspanning. De duur (of breedte) van de puls wordt met deze techniek gewijzigd, vandaar de naam PWM, Puls Width Modulation, of in het Nederlands PBM, Puls Breedte Modulatie.
Bij de servo gebeurt het aansturen met pulsen die een herhalingstijd hebben van 20 ms. Hieruit wordt de frequentie bepaald, namelijk 1/20 ms = 50 Hz, dit wil zeggen dat de stuurpuls vijftig keer per seconde optreed. De tijdsduur van de puls noemt men de duty-cycle. Dit is de tijd dat het signaal 'aan' is. De duty-cycle van het stuursignaal kan van 5% tot 10% worden gewijzigd. Dit komt overeen met een pulsduur van 1,0 tot 2,0 ms. De grootte van de duty-cycle zorgt ervoor dat de servo uitwijkt naar links of naar rechts. Bij de neutrale stand van de servo bedraagt de duty-cycle van het signaal 7,5%, Dit komt overeen met een pulsduur van 1,5 ms. Om de servo volledig naar links te laten uitwijken moet de duty-cycle 5% of 1,0 ms zijn en voor volledig naar naar rechts 10% of 2,0 ms. Op het moment dat er geen stuurpuls meer is, blijft de servo in de laatst bereikte stand staan. Er bestaan servo's die een negatieve puls nodig hebben, maar ook typen die een positieve puls nodig hebben.

De elektronica van de servo

In de servo bevindt zich een printje dat o.a. een aantal IC.s bevat. De elektronica vertaald de stuurpulsen naar een (positieve of negatieve) spanning voor de servomotor. De lengte van de stuurpulsen bepaald naar welke stand de hefboom van de servo zal gaan bewegen.

De werking

De elektronica van een servo vergelijkt de externe puls (welke bijv. met een NE555 opgewekt wordt) met een intern opgewekte puls. De interne pulstijd is afhankelijk van de positie van een potmeter, welke gekoppeld is aan een as in de servo. Wanneer de externe puls langer is dan de intern opgewekte puls, krijgt de motor van de servo heel even een positieve spanning en draait iets verder. Is de externe puls korter dan de interne puls, dan krijgt de motor heel even een negatieve spanning, en draait een heel klein stukje terug. Alleen op het moment dat er een verschil is tussen de uitwendige en de interne pulsen, krijgt de servomotor, ofwel een positieve of een negatieve spanning. De servomotor blijft dus spanningpulsen krijgen, totdat de interne en externe pulsen gelijk zijn.

Aanstuurmethoden

Voor het aansturen kunnen we o.a. gebruikmaken van het welbekende NE555-Timer-IC. Met een paar extra onderdelen kunnen we hiermee een stuurpulsgenerator bouwen. Het spanningstabilisatie-IC 7805 zorgt voor de stabiele voeding van de servotester. De aansluitingen van beide IC's zijn aangegeven in afbeelding 08.

300px		325px
Afbeelding: 05		Afbeelding: 06
Eenvoudige servotester		Aangepaste servotester
Schema gemaakt door: Fred Eikelboom		Schema gemaakt door: Fred Eikelboom

Met het schema in afbeelding 06 kan de servo in twee van te voren instelbare posities worden gezet, afhankelijk van de stand van schakelaar S1.

450px		360px
Afbeelding: 07		Afbeelding: 08
Servotester met relais		Componenten aansluiting
Schema gemaakt door: Fred Eikelboom		Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Met het schema in afbeelding 07 kunnen we een complete wisselaandrijving bouwen, inclusief puntstukpolarisatie. Een bipolair relais schakelt de servo, en tegelijkertijd wordt de spanning van het puntstuk omgepoold. De aansluitingen 1 en 2 worden via drukschakelaars, of een wisseldecoder, op de +12 Volt voeding aangesloten. De aansluitingen A en B worden op de spoorstaven aangesloten en aansluiting C gaat naar het puntstuk.

Aangepaste fabrieks-servotester

Ook zijn er servo-testers te koop, bijv. de bouwpakket-servotester 234915 van Conrad. Hiermee kunnen we heel simpel de servo aansturen.
Willen we meer mogelijkheden, dan kunnen we zo'n servotester heel gemakkelijk aanpassen voor ons doel.


Afbeelding: 09	Afbeelding: 10	Afbeelding: 11
Standaard tester	Aangepaste tester	Tester met aangesloten schakelaar
Foto gemaakt door: André van Loe	Foto gemaakt door: André van Loe	Foto gemaakt door: André van Loe

En dat is wat André van Loe gedaan heeft. Op het BNLS-forum toonde hij een aangepaste servotester. Hiermee is het mogelijk om de servo m.b.v. twee potmeters en een schakelaar, twee van te voren ingestelde standen te laten aannemen. Hij heeft de bestaande potmeter verwijderd, en twee kleinere potmeters (met de halve waarde van de originele potmeter) gemonteerd, welke in serie staan. Over één van de potmeters heeft hij een schakelaar gemonteerd. Met de schakelaar wordt de potmeter overbrugd, zodat de servo met de andere potmeter op de ene stand wordt ingesteld. Wanneer de schakelaar onderbroken wordt, gaat de servo naar de andere stand. De beide eindstanden zijn met beide potmeters in te stellen. Hij heeft tevens twee connectoren op het printje gemonteerd, zodat de bedrading snel en eenvoudig aangesloten kan worden.

Meer informatie

Sjabloon:Link extern Sjabloon:Link extern Sjabloon:Link extern Sjabloon:Link extern

Beneluxspoor.net-forum:
Externe websites:

Hoofdpagina Categorie-index Index

Vorige | Volgende

Contact met de redactie:

Persoonlijke instellingen

Navigatie

Zoeken

Hulpmiddelen