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Archiv   Das Servo und seine Technik
29.04.2006 von Fennec



Sinn dieser Seite ist es, einen Überblick zu schaffen wie Servos funktionieren, wie man mit ihnen umgeht und das Protokoll kurz anspricht. Ich möchte auch betonen das es sich ausschließlich um so genannte analoge RC-Servos oder auch Modellbauservos handelt.


Servos werden gesteuert, indem man ihnen einen Impuls in variabler Breite schickt. Dazu wird die Steuerleitung benutzt. Die Parameter für diesen Impuls sind; Ein minimaler Impuls, ein maximaler Impuls und die Wiederholungsrate.
Die neutrale Stellung legt die Position fest, in die der Servo die gleiche Bewegung in einer Richtung zurücklegt, sowie auch in die Gegenrichtung.
Es ist wichtig zu wissen, dass unterschiedliche Servos unterschiedliche Begrenzungen haben, aber alle gemeinsam haben eine Mittelstellung in der Position 1,5ms.



Der Drehwinkel wird durch die Dauer des Impulses der Steuerleitung festgelegt. Dieser wird Pulsbreitenmodulation genannt. Der Servo erwartet einen Impuls von 18-25ms. Die Länge des Impulses legt fest, wie weit sich der Motor dreht.
Zum Beispiel läßt ein Impuls mit 1.5ms den Motor an die 90-Grad-Position "Mittel- oder Neutralstellung" fahren.

Erhält der Servo ein Signal sich auf eine bestimmte Position zu bewegen, zieht der Servo dort hin und hält diese. Wenn eine externe Kraft gegen das Servo drückt, während der Servo eine Position hält, widersteht der Servo. Die maximale Stärke die der Servo aufbringen kann, ist das Drehmoment des Servos. Servos halten ihre Position nur wenn der Zyklusimpuls wiederholt wird, um das Servo anzuweisen in Position zu bleiben.

Ist der zum Servo geschickte Impuls kleiner als 1,5ms, dreht sich der Servo gegen 0°. Ist der Impuls größer als 1,5ms dreht der Servo entgegengesetzt.

Die minimale und die maximale Breite des Impulses, um an eine gültige Position zu drehen, sind Grundfunktionen eines Servos.
Unterschiedliche Marken und sogar unterschiedliche Servos der gleichen Marke, haben ein unterschiedliches Maximum und Minimum. Im Allgemeinen ist der minimale Impuls ungefähr 1ms weit und der maximale Impuls 2ms.



Ein anderer Parameter, der von Servo zu Servo schwankt, ist die Umdrehungsrate. Dies ist die Zeit, die der Servo braucht um von einer Position zur anderen zu drehen. Diese wird in den Datenblättern in s/° angegeben. Die Größe eines Servos, oder das Übersetuungsverhältnis, haben mit der Geschwindigkeit nichts zu tun.



Als Beispiel die technischen Daten eines Graupner Stellservos C 4821



Technische Daten
Typ C 4821
Betriebsspannung 4,8 ... 6*
Leerlauf- Stromaufaufnahme 12 mA
Stromaufnahme 1,1 A
Stellmoment 100 Ncm (10000) (cmg)
Drehbereich bis 120°
Stellzeit 0,32 s/120°
Gewicht 44 g
Abmessungen (L x B x H) 39 x 19 x 40 mm
Kugellager 2 Stück
Poti mit Mehrfachschleifer 6fach
Stecker mit Goldkontakten ja
*4,8V = 4 NC-Zellen, 6V = 4 Trockenbatterien 1,5 V


Die Hardware:



Servo bedeutet nichts anderes als ein "Stellbarer Motor". Dies kannsowogl ein Wechselspannungs- sowie ein Gleichspannungsmotor sein. Der Motor dient nur dazu den Hebel des Servos in Position zu fahren. Eine Auswerteelektronik überwacht dann nur noch die Stellung des Hebels.
In unserem Fall, also bei den RC-Servos übernimmt diese Aufgabe ein direkt auf der Hebelchase befestigtes Potentiometer (einstellbarer Widerstand).
Da das Potentiometer immer mechanisch mit dem Hebel verbunden ist, kann die Elektronik so den SOLL und IST Wert bestimmen.
Der Drehwinkel des Hebels ist somit NUR durch den Drehwinkel des Potentiometers UND einem mechanischen Hindernis bestimmt.
Diese mechanische Sperre befindet sich an dem Zahnrad des Hebels. Feilt man diesen ab, ist das Servo nur noch durch den Drehwinkel und dem elektrischen Widerstand des Potentiometers bestimmt.
Würde man nun das original Potentiometer z.B. gegen ein 10-Gang Potentiometer tauschen, dreht der Servohebel sich 10x um seine eigene Achse. Dies kann man auch durch verändern des Spannungsteilers (Elektrisches Widerstandverhältnis des Potis) erreichen.
Natürlich ist es auch möglich die Pulslänge kürzer, bzw. länger zu machen um dadurch einen anderen Drehwinkel zu bekommen.

Dazu habe ich eine einfache Schaltung aufgebaut:*



Auf ein Layout habe ich verzichtet, weil man sowas eben auf Lochraster basteln kann.
Der NE555 ist ein Timer IC. Durch die Standardbeschaltung, wie sie in jedem Datenblatt zu finden ist, wurde diese Schaltung so aufgebaut, dass Impulse von 1-2ms erreicht werden.
Es soll Servos geben die auch mit einer negativen Flanke arbeiten, daher der negative Ausgang zusätzlich.

Die Servoelektronik sieht wie folgt aus:*


Auch hier habe ich wieder auf ein Layout verzichtet, weil es sich einfach nicht lohnt ihn selbst zu erstellen. Den Bausatz gibt es bei Conrad für 8 Euro.

Kabelfarben einiger Servos.*



*Angaben ohne Gewähr
Die Schaltungen sind getestet und funktionieren. Wir distanzieren uns aber aus rechtlichen Gründen von Folgeschäden, durch Einsatz, Richtigkeit dieser Schaltungen oder Daten.

Robbe Servo Mod



Hier ein Beispiel wie man ein RC-Servo auf mehr als 180° Drehwinkel bringen kann und was dabei zu beachten ist.

Ich habe mit Absicht ein etwas komplizierteres Servo rausgesucht um zu demonstrieren wie einfach solch ein Hardwaremod ist.
Ebenfalls habe ich darauf verzichtet jeden einzelnen Vorgang zu bebildern. Denn wer sich nicht zutraut ein Servo zu zerlegen und wieder zusammenzusetzen, sollte sich spaetstens hier das Thema aus em Kopf schlagen.

Man kann den aktuellen Drehwinkel seines Servos leicht rausfinden, indem man den Hebel von Anschlag zu Anschlag dreht. Die meissten Servos haben 180°.
Diese Methode sollte man allerdings NUR dafuer benutzen, ansonsten gilt:

Niemals ein Servo an seinem Stellhebel drehen !

Dies hat zwei Gruende. Die Servouebersetzung liegt bei etwa 100:1. Bei den Billiggetrieben ist so schnell mal ein Zahn abgebrochen. Das Servo könnt ihr dann wegwerfen.
Der zweite Grund ist, durch die hohe Uebersetzung wird mit einer halben Stellhebeldrehung der Motor 50x gedreht. Ein Kollektorläufermotor, wie sie in Servos verbaut sind wirken dann wie ein Generator der Strom erzeugt. Die Servoelekronik bekommt also Spannung VOM Motor. Das kann die H-Bruecke zerstören. Also bitte langsam drehen wenn es unbedingt nötig ist.

Wir nehmen uns ein Robbe standard Servo RS 10. Ein Markenservo welches aber meiner Meinung nach billigster Herkunft ist. Und das schon vor 27 jahren, wo es angeblich noch Qualitaet gab. Das Servo ist Baujahr 1980.

Alles hängt vom Drehwinkel des Potis selbst ab. Das Servo kann nur maximal so weit drehen wie auch das Poti.
Hier die Schleifbahn des zerlegten Potis. Den Schleifer selbst seht ihr weiter unten.



Um den maximalen Drehwinkel eines Servos zu erhöhen muss meisst eine mechanische Sperre entfernt werden, die sich fast immer am Zahnrad des Servohebels befindet.



Diese muss entfernt werden, damit sie hier nicht mehr anschlägt und durch drehen kann.



Die Zapfen im Gehäuse dürfen auf keinen Fall verändert werden, da dies die Lagerung des Antriebszahnrades ist. Man sieht sehr gut das hier bei ca. 170° schluss ist. Ich habe dem Zapfen grosszuegige 10° spendiert.

Da der Sperrnippel nicht wie bei vielen anderen Servos auf dem Zahnrad sitzt, sondern in einer Rille, ist dem nicht leicht beizukommen. Das Material ist aber relativ weich und so habe ich es erst mit einem Cuttermesser grob bearbeitet. Den feineren "Schliff" habe ich dann mit einem Dremel und kleinem Fraeskopf gemacht. Wer keinen Dremel hat, kann das auch mit einem heissen Schraubenzieher oder aenlichem abschmelzen. So genau muss das nicht sein.
Wichtig dabei ist, das die abgetragene Flaeche keine Kanten mehr hat, denn sonst koennte das Zahnrad auf der Führung haengen bleiben.
Es sollte dann ungefähr so aussehen.



Nun macht man irgendwo am Zahnrad, dort wo der Hebel aufgesetzt wird eine Markierung. Diese sollte mit dem Mittelpunkt des Potis übereinstimmen. Ebenfalls kann man so nach dem Zusammenbau in etwa sehen wo sich der Schleifer befindet, der sich ja jetzt überdrehen laesst !



Den Mittelpunkt kann man auch finden indem man das Servo mit 1,5ms ansteuert (Mittelstellung). Ich fand es so einfacher.

Nun können wir eigentlich alles wieder zusammensetzen.
Hier ist es wichtig auf Sauberkeit zu achten. Ruhig die Zahnräder mit Spülmittel, was die Herren unter uns ja nie haben, also habe ich Schampoo und eine alte Zahnbürste genommen, abschrubben.
Vor und nach dem zusammensetzen sollte mit ordentlich Vaseline gearbeitet werden. Keine Angst, es ist elektrich nicht leitfähig. Dabei gilt, viel ist mehr. Kostet ja auch nichts, sowas hat Frau immer irgendwo.
Bitte nehmt keine Oele oder Fette. Viele harzen oder sind für Kunststoffe ungeeignet.
Auch die Schleifbahn vom Poti damit reinigen und einschmieren. Das ist übrigens auch ein guter Trick alte kratzende Potis im Audio/Video Bereich zu reinigen. Mit einer Spritze einfach etwas Vaseline eindrücken und es funktioniert wieder. Besser als jedes Kontaktspray.

Das alles sollte dann in etwa so aussehen.



Nun noch zusammenschrauben und sich über den erweiterten Drehwinkel freuen.

NA, was denkt ihr, wie weit dreht er sich jetzt ?

Ganz einfach. Seht euch nochmal das Bild der Schleifbahn an.
Er kann sich NUR in dem Winkel drehen wie auch die Schleifbahn lang ist !

Der grosse Nachteil ist jetzt aber; wenn die Ansteuerungsimpulse zu klein oder zu gross werden, dreht das Poti
über die Schleifbahn hinaus, was das Poti nicht oft mit macht.
Man sollte sich also vorher überlegen ob man diese paar Grad mehr unbedingt braucht.

Und was hat es uns gebracht. Seht selbst.



Ich würde sagen etwa 30° mehr. Also unsere 180° + 2x 30 sind gute 240°. Vergleich mit dem Schleifer des Potis ?! Passt.

Wer jetzt meint "Nun habe ich 240° Drehwinkel" hat falsch gemeint.
Das Servo könnte wenn es richtig angesteuert wird 240°. Steckt ihr es aber in einen normalen RC-Empfänger behält es die üblichen 90°.

Den Grund könnt Ihr im Artikel Archiv nachsehen. Aber auch das kann man mit etwas Geschick ändern. Guckt ab und zu mal hier rein.

Demnächst kommen noch mehr Mods und auch wie man es besser machen kann. Welche Servo geeignet sind, welche nicht. Wie man einen Servo als Robotermotor modifiziert und allerlei bebilderte Infos.
Wer sich daran beteiligen möchte, Ideen oder Probleme hat, einfach posten. Wer nicht fragt bleibt dumm.


Diese Seite wurde zuletzt bearbeitet am: 3. Mai 2015

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