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Servo

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Der Servo (auch Rudermaschine oder Aktor, Aktuator) hat die Aufgabe, entsprechend dem vom Empfänger kommenden Signal, die Ruder (oder andere Komponenten am Modell) zu stellen. Die Kraftübertragung geschieht dabei typischerweise mittels Gestänge oder Seil, welches am Servoarm eingehängt wird.

Servo Hitec 5945MG

Fälschlicherweise hat sich die Bezeichnung 'das Servo' eingebürgert. Das darf aber nicht darüber hinwegtäuschen, dass es korrekt 'der Servo' heißt. Schließlich ist ein Servo ein 'Kraftverstärker' und der ist nun mal männlich, folglich ist auch der Servo männlichen Geschlechts!


Inhaltsverzeichnis

Aufbau

Ein Servo besteht aus folgenden drei Hauptkomponenten:

Servo Robbe FS 110 BB MG
Elektronik
PWM-Signal beispielhaft, wie es ein Servo verarbeitet
Die Elektronik dient dazu, das PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) vom Empfänger in eine Stellgröße für den Motor umzuwandeln. Das Potentiometer, das in Servos eingebaut ist, braucht die Elektronik zur Kontrolle, ob sich der Servomotor in die richtige Richtung dreht und wann der Servohebel die gewünschte Position erreicht hat. Potentiometer leiden immer unter mechanischem Abrieb und den damit verbundenen möglichen Kontaktschwierigkeiten. Hochwertige Servos haben hochwertige Potentiometer mit sechs und mehr Schleifern. Im Idealfall sind die Potentiometer stoß- und vibrationsgeschützt aber ohne Spiel an der Abtriebsachse des Servos angekoppelt.
Alternativen zum Potentiometer sind berührungslose Aufnehmer, wie z. B. Hallsensoren, mit der die mechanischen Probleme der Potentiometer vermieden werden können.
Die Elektronik bestimmt, ob es sich um ein Analogservo oder ein Digitalservo handelt.
Motor
Der Motor dient zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie. Dies wird i. d. R. von einem kleinen Gleichstrommotor übernommen. Auf dem Weg zu schnelleren Servos werden Glockenanker Motoren eingesetzt, denen der Eisenkern im Anker fehlt, und die somit bei weniger Trägheit schneller anlaufen können.
Seit neuestem gibt es Servos mit Brushlessmotor (bürstenlose Motoren mit elektronischer Kommutierung). Da Bürsten (Schleifkontakt) vermieden werden können ohne Verluste (Abbrand) leichter hohe Ströme an den Motor geliefert werden. Dadurch sollen Brushless Servos noch schneller und stärker sein; sie finden beispielsweise in der 3D-Helifliegerei Anwendung.
Getriebe
Ein Getriebe dient dazu, Drehmomente zu übertragen sowie Drehzahlen umzuwandeln. Im Fall des Servos wird die hohe Drehzahl (des Motors) in ein großes Drehmoment (des Servohebels) übersetzt. Die Umwandlung ist proportional. Ein modernes Getriebe besteht aus hoch belastbaren Kunststoffen, z. B. aus Nylon oder Karbonite bzw. aus Metall, z. B. Messing oder Titan. Die Zahnräder von Servogetrieben sind i. d. R. gerade verzahnt. Bei Hochleistungsservos kommen auch schon zum Teil schrägverzahnte Getriebeteile zum Einsatz. Diese Verzahnungart hat den Vorteil, größerer Laufruhe und einer gleichmäßigeren Kraftübertragung, hat aber den Nachteil radialer Kräfte auf die Lager.

Kenngrößen

Angaben für Servos sind typischerweise Stellmomente und Drehgeschwindigkeiten, wobei diese Werte teilweise bei 4,8V und bei 6V angegeben werden. Bei Hochvolt Servos, die mit bis zu 8,4 Volt (2S LiPo) betrieben werden können, werden die entsprechenden Daten natürlich bei den jeweiligen höheren Versorgungsspannungen angegeben.

Digitalservos haben ein höheres Haltemoment, deshalb werden hier meistens Stell- und Haltemoment angegeben.

Die Halte- bzw. Stellkraft ist abhängig vom Hebelarm des Servohorns, d.h. bei längerem Servohorn verringert sich die Stellkraft.

Die Stellkraft kann man ausrechnen aus:

  {F} = \frac{M} {l}

mit F = Stellkraft [N], M = Dreh- bzw. Stellmoment [Ncm] und l = Länge des Hebelarms [cm]

Stellmoment

Stellmomente werden in kg·cm oder in N·cm angegeben, wobei 1 kg·cm = 9,81 N·cm

Drehgeschwindigkeit

Die Drehgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit ω) wird zumeist als die Zeit (in Sekunden) angegeben, die der Dreharm benötigt, um einen bestimmten Drehwinkel zu durchlaufen. Die Angabe der Drehgeschwindigkeit variiert von Hersteller zu Hersteller, hier sind Angaben in s/45° und s/60° üblich. Auch diese Daten kann man umrechnen:

 \omega [\mathrm{s/60^\circ}] = \omega [\mathrm{s/45^\circ}] \cdot \frac{60} {45}

oder

 \omega [\mathrm{s/60^\circ}] = \omega [\mathrm{s/45^\circ}] \cdot 1,333


Innere Werte

Digitalservo

Die Auswerteelektronik ist digital "aufgemotzt". Damit ist eine deutlich stabilere Regelung auf die gesteuerte Position möglich. Dabei wird die Position häufiger ausgewertet und angesteuert als bei analogen Servos. Außerdem kann die momentane Position "festgehalten" werden, was bei Digitalservos zu einem im Vergleich zum maximalen Drehmoment erhöhtem Haltemoment führen kann (aber nicht muss). Allerdings geht diese Regelung zu Lasten des Stromverbrauchs.

Coreless Motor

Der Anker des Servomotors ist ohne Eisen aufgebaut. Dies hat im Normalfall einen geringeren magnetischen Fluss (am gewünschten Ort) zur Folge, führt aber bei Servos durch das geringere Trägheitsmoment zu schnellerem Ansprechverhalten. Allerdings fehlt auch der mechanisch stabilisierende Anker, der auch wesentlich zur Wärmeabfuhr beiträgt. Damit verträgt ein Coreless Motor weniger Strom als ein vergleichbarer Eisenkernmotor; Das kann sich positiv auf den Stromverbrauch und die Akku Lebensdauer auswirken.

Brushless Motor

Der Fortschritt hat auch vor Servomotoren nicht halt gemacht, die Vorteile der Brushless-Motoren sind auch in der Servotechnik angekommen. Ermöglicht durch die digitale und integrierte Regelung ist die Ansteuerung dieser Motoren auch in kleinen Servos möglich. Die Vorteile sind dieselben, wie bei allen brushless Motoren: geringere Reibung, höhere Ströme.

Servoauswahl

Servo Futaba BLS 351

Neben dem Gewicht ist vor allem das Stellmoment bzw. die Stellkraft das wichtigste Kriterium für die Auswahl geeigneter Servos. Bei Kunstflug-Anwendungen spielt allerdings auch die Drehgeschwindigkeit eine Rolle.

Unterdimensioniert ist ein Servo spätestens dann, wenn die Luftkräfte an den zu bewegenden Steuerflächen bei der Übertragung auf die Anlenkung die Haltekraft des Servos übersteigen. Erfolgen diese Kraftübertragungen schnell (z.B. beim Ruderflattern, kann bei einfachen Servos mit Nylonzahnrädern das Getriebe Schaden nehmen, was sehr wahrscheinlich zum Absturz des Modells führt.

Überdimensioniert ist ein Servo dann, wenn die Kräfte und Geschwindigkeit bei weitem nicht benötigt werden, dafür aber der Stromverbrauch und das Gewicht des Servos für den Verwendungszweck zu hoch sind.

Die Angaben des Modellherstellers sollte man also beachten.


Ebenso sollte man bedenken, dass der Servo zumeist über die Lebensdauer des Modells hinweg in diesem verbleibt; soll ein Modell oft und lange geflogen werden, empfehlen sich schon deswegen Servos mit Metallgetriebe und Kugellagern.

Anschluss

Ein Servo wird an den Empfänger angeschlossen und wird durch ihn mit Spannung (Strom) und den Steuersignalen versorgt. Die üblicherweise 3 Leiter des Servokabels müssen also verpolsicher gesteckt werden. Heute gibt es fast nur noch zwei Stecksysteme, das Uni- und das Nasensystem (siehe Bilder). Da ein Servo leicht 1 Ampere und mehr benötigt und ein zu großer Spannungsabfall von der Versorgung zum Servo nicht toleriert werden kann, sind die Versorgungskabel des Servo entsprechend zu wählen. Im Wiki-Artikel AWG werden Kabelquerschnitte behandelt.


Kürzelerklärung bei Servos

Manche Hersteller versehen ihre Servos mit bestimmten Abkürzungen, um damit Aussagen über eine mögliche Belastungsgrenze geben zu können. Nachfolgend werden einige Kürzel aufgeführt: Servos von HiTEC z.B. das HS56HB

  • HD ⇒ Karbonite Gear Heavy Duty
  • HB ⇒ Karbonite Gear, Ball Bearings
  • BB ⇒ Ball Bearings ⇒ kugelgelagert
  • MG ⇒ Metal Gear ⇒ Metallgetriebe
  • TG ⇒ Titanium Gear
  • WP ⇒ Water Proof ⇒ Wassergeschützt
  • xH ⇒ High Voltage ⇒ Erlaubt hohe Versorgungsspannung (x ist wahlweise M, S, T, für Metall-, Stahl-, Titangetriebe)



Montage

Servos werden üblicherweise mit ihren Befestigungsflanschen im Modell auf einem Servobrett angeschraubt. Gerade für die Befestigung in Tragflächen werden gerne sogenannte Servorahmen verwendet, aber auch das Einkleben, oft nach vorherigem Einschrumpfen des Servos in Schrumpfschlauch, ist eine gängige Methode. Unter den Tipps und Tricks hier im RCN-Wiki sind weitere Hinweise zum Servo-Einbau zu finden.



Weblinks