Jaki serwomechanizm wybrać do swojego modelu RC?

Artykuł ten powstał z myślą o modelarzach którzy zaczynają swoją przygodę z modelarstwem RC. Omówię jednak temat dość obszernie, pogadamy o układach cyfrowych i analogowych, o tym co tam w środku piszczy, o komunikacji z odbiornikiem i nadajnikiem, ale też o tym jak rozumieć specyfikację serwomechanizmów i kilku innych ważnych kwestiach. Mam nadzieję że doświadczeni modelarze też znajdą tu coś dla siebie. Wybór właściwego serwomechanizmu do Twojego modelu jest znacznie łatwiejszy niż myślisz. Zaczynajmy!
 

Serwomechanizmy to w przenośni “mięśnie” które poruszają każdą ruchomą częścią w Twoim modelu RC (jeżeli je do tych części podepniesz oczywiście), czy to jest model samolotu czy łodzi, makieta czy cokolwiek innego. Serwa sterują tym wszystkim co potrzebuje wykonać określony ruch, a jest poza naszym fizycznym zasięgiem - np w powietrzu. Może to być na przykład podwozie samolotu, lotki sterujące, przepustnica, otwierana kabina pilota, zwrotnica torowa makiety, ster statku i wiele więcej, ogranicza nas jedynie wyobraźnia. Jednakże istnieją różne typy serwomechanizmów, każdy nadaje się do innego typu zastosowań i każdy oczywiście ma swoje wady i zalety. Pomogę Ci zrozumieć różnice między nimi i poznać ich rodzaje, abyś sam mógł wybrać dla swoich zdalnie sterowanych modeli odpowiedni serwomechanizm.


 

Serwomechanizm modelarski i jego specyfikacja

Zazwyczaj gdy kupujemy jakiś zestaw modelarski do zdalnego sterowania, producent lub sklep modelarski z góry proponują nam konkretny serwomechanizm i zwykle konkretnego producenta - i to jest okej, wtedy nie musisz się o nic martwić, w końcu ktoś już wybrał za Ciebie optymalne wyposażenie Twojego modelu, wystarczy złożyć, wszystkie mechanizmy podłączyć i do lotu.
 

To jest bezpieczne rozwiązanie, ale co jeżeli chcesz do swojego radia podłączyć inny serwomechanizm? Taki którego moment obrotowy (Torque) da Ci możliwość poruszać dużo bardziej precyzyjnie różnymi elementami modelu? Albo gdy sam chcesz zdecydować o modelu serwa? Lub wybrać innego producenta? - Musisz potrafić czytać specyfikacje.

Serwa modelarskie (i nie tylko), określają następujące parametry:
 

• Moment obrotowy (Torque)
• Prędkość (Speed)
• Wymiary (Dimensions lub Size)
• Waga (Weight)

Jak widać w specyfikacji przykładowego serwa powyżej, moment obrotowy i prędkość zależą od podanego napięcia przez baterię którą posiadasz w swoim modelu zdalnie sterowanym.
 

Generalnie większość serwomechanizmów zasilana jest napięciem 4.8V, jeżeli serwo stosowane przez Ciebie pozwala na podanie większego napięcia 6.0V, to jest to świetny sposób na zwiększenie wydajności takiego mechanizmu i ewentualnie wydłużenie czasu lodu modelu. Jednak decydując się zainstalować większą baterię, nie zapomnij że zwiększy się również masa Twojego modelu. Coś za coś.
 

Moment obrotowy (Torque)

Moment obrotowy jest miarą siły serwomechanizmu. Jego wartość dla danego urządzenia to pomnożenie siły działającej na ramię serwa przez odległość od środka serwa. Jak to się ma do naszych modeli?
 

Powietrze przepływające przez samolot zawsze stara się poruszać powierzchniami sterującymi, takimi jak lotki. Serwa muszą „walczyć” z tym oporem powietrza, aby przesunąć lub utrzymać przyjętą, neutralną powierzchnię kontrolną. Budując większe modele zdalnie sterowane będziesz prawdopodobnie potrzebować serwomechanizmów z większym momentem obrotowym, ponieważ w locie na większe powierzchnie sterujące będą działać większe siły.
 

Jednak wielkość Twojego modelu to nie jedyny czynnik który powinien określać jaka ilość momentu obrotowego będzie Ci potrzebna. Rodzaj posiadanego modelu, ale także styl latania powinny być kolejnymi czynnikami które ostatecznie pozwolą określić ile momentu obrotowego wymaga serwomechanizm.
 

Duże samoloty 3D, makiety, półmakiety, to modele które mają duże powierzchnie sterujące, wymagają więc znacznie większego momentu obrotowego niż proste modele 3D o tym samym rozmiarze. Co więcej, Twój styl latania również ma znaczenie. Jeżeli latasz spokojnie, robisz delikatnie płynne manewry, potrzebny moment obrotowy będzie znacznie mniejszy niż w przypadku gdy latasz wyczynowo, wykonując niesamowite, dynamiczne zwroty.
 

Szybkość serwa (Speed)

Szybkość serwomechanizmu RC, jest definiowana jako minimalny czas potrzebny na obrót ramienia serwa o 60 stopni przy maksymalnym znamionowym momencie obrotowym.
 

Oczywiście jeżeli będziesz używał serwa do kontrolowania elementów sterujących modelem, prawdopodobnie chciałbyś mieć do dyspozycji jak największy “speed”, co innego gdy serwo to będzie sterować podwoziem, wtedy prawdopodobnie wolałbyś by zadziałało znacznie wolniej. Trzeba też pamiętać że “prędkość maksymalna” serwa to nie to samo co czas reakcji. Szybkość jest bardzo ważną specyfikacją, ale są też inne czynniki, które omówimy poniżej, a które określają jak szybko i dokładnie serwomechanizm reaguje na twoje ruchy drążkiem radia RC.
 

Wymiary i waga serwomechanizmu

Wymiary i waga są wprost proporcjonalne do wielkości momentu obrotowego serwomechanizmu. Można do tego podejść dość intuicyjnie biorąc pod uwagę rozmiary tworzonego modelu RC, czy to jest samolot, helikopter, czy łódź. Micro model będzie musiał być wyposażony w micro serwo, a więc i moment obrotowy będzie niewielki. Co innego gdy musimy wyposażyć ogromny model w skali GIANT, ta skala wymaga bardzo dużych serwomechanizmów, będą one duże i dość ciężkie, ale za to dadzą znacznie większy moment obrotowy.
 

Przy wyborze serwa pierwszym dla nas krokiem jest znalezienie serwomechanizmu spełniającego wymagania dotyczące momentu obrotowego, a następnie upewnić się, że ciężar i wymiary są odpowiednie dla naszego samolotu.
 

Łożyska w serwach RC

Wał serwa RC podtrzymywany jest przez łożysko kulkowe, lub przez tuleję. Serwa których mechanizmy wspierają łożyska kulkowe są znacznie trwalsze i cechują się większa precyzją pracy niż serwomechanizmy w których pracują tuleje.
 

Większość serwomechanizmów o standardowych rozmiarach ma obecnie 1 lub 2 łożyska na wale wyjściowym, tym który wychodzi z obudowy serwa. Warto jednak wiedzieć że wiele mikro serwomechanizmów nie posiada łożysk kulkowych, ponieważ obciążenia przy ich pracy są zbyt małe aby uzasadnić stosowanie łożysk, które defacto znacznie zwiększą ciężar mechanizmu. Natomiast większość serwomechanizmów w skali większej niż micro potrzebuje dwóch łożysk do obsługi potencjalnie dużych obciążeń.
 

Przekładnie wewnątrz serwomechanizmów RC

Silniki napędzające przekładnie wewnątrz naszych małych mechanizmów obracają się znacznie szybciej niż kiedykolwiek byśmy potrzebowali przy budowie modeli. Znacznie szybciej niż to bezpieczne, dla czasami bardzo delikatnych połączeń konstrukcyjnych. Z tego powodu każde serwo składa się z zestawu kół zębatych które zmniejszają prędkość obrotu wału u jego wyjścia. I jak to w przypadku każdego reduktora biegów, powoduje to również, że moment obrotowy wału wyjściowego jest znacznie wyższy niż moment obrotowy silnika.
 

Większość serwomechanizmów do modeli zdalnie sterowanych jest wykonana z tworzywa sztucznego o nazwie nylon. Zastosowanie tworzywa sztucznego wpływa zdecydowanie na redukcję wagi, ale niesie ze sobą również kilka wad. Czasami przy nadmiernym momencie obrotowym koła zębate zaczynają się “rozchodzić”, jeżeli będziesz miał szczęście Twój model będzie dawał o tym podczas pracy sygnały ostrzegające przed katastrofą (np ślizganie się zębatek wewnątrz). Ale nie mało jest przecież przypadków że serwomechanizm rozleciał się w locie, no a wtedy kraksa gwarantowana.
 

Wielu modelarzy i konstruktorów dużych modeli 3D decyduje się stosować w swoich modelach serwa z metalowymi zębatkami. Są one nieco droższe i cięższe od nylonowych odpowiedników, ale wytrzymują znacznie większy moment obrotowy. Trzeba zaznaczyć że tak samo metalowe wyposażenie serwomechanizmów, jak i nylonowe - z czasem się zużywa, a to prowadzi to rosnących odchyleń w precyzji działania. Zużycie to zachodzi powoli i daje wiele sygnałów, w przeciwieństwie do zestawu nylonowych kół zębatych, które mają potencjał zdzierania się przy każdym przeciążeniu.


 

Na szczęście jest cała masa, łatwo dostępnych zestawów wymiennych dla kół zębatych do serwomechanizmów. Tak więc gdy wyeksploatujesz swoje koła zębate to na pewno taniej będzie kupić taki zestaw niż kompletny, nowy serwomechanizm.



 

Serwomechanizm cyfrowy czy analogowy? Jaki wybrać?

Fizyczna część robocza serwomechanizmu cyfrowego jest zasadniczo dokładnie taka sama jak standardowe serwo RC. Oba mają tę samą wtyczkę i oba mogą być używane przez standardowy odbiornik. Jedyną różnicą jest to, że cyfrowe serwo ma na pokładzie mikroprocesor, który modyfikuje częstotliwość impulsów sterujących, podawanych do silnika.
 

No dobrze, ale jak to z grubsza działa? Załóżmy że chcesz poruszyć serwem minimalnie w prawo, dosłownie odrobinę przesunąć drążek nadajnika poza jego zerową pozycję. Standardowe serwo analogowe, odbierze serię bardzo krótkich impulsów pełnego napięcia 50 razy na sekundę. Te “drobne”, chwilowe impulsy napięcia będą tak ekstremalnie krótkie że silnik serwomechanizmu nawet na nie nie zareaguje. Takie zachowanie, ma swoją nazwę. Ilość ruchu drążka nadajnika od pozycji środkowej wymagana do uruchomienia serwomechanizmu nazywa się strefą nieczułości serwomechanizmu (tzw. deadband).
 

Jakie to ma w praktyce znacznie? I tutaj znowu - to zależy. Jeżeli latasz modelem treningowym, lub prostymi sportowymi konstrukcjami to ta strefa nieczułości nie jest tak ważna podczas zabawy, ale jeżeli pod Twoimi sterami jest helikopter, albo model do lotów wyczynowych, wtedy liczy się precyzja i podatność na najmniejszy ruch drążkiem. Zbyt duża strefa nieczułości może czasami doprowadzić do katastrofy.
 

Mikroprocesor serwomechanizmu cyfrowego przekształca sygnał na impulsy o znacznie krótszej długości robiąc to z częstotliwością 300 razy na sekundę, w przeciwieństwie do analogowych 50 razy na sekundę. Silnik jest w stanie reagować na mniejsze ruchy drążka, ponieważ odbiera te bardzo krótkie impulsy 6 razy częściej. Daje to również cyfrowemu serwu znacznie większą siłę trzymania elementów sterujących, ponieważ reaguje znacznie szybciej w przypadku wypychania ich z pozycji.



 

Żeby lepiej tę logikę zrozumieć, możesz myśleć o tym jak o filmie z konkretną ilością klatek na sekundę. Wiele szczegółów nam umknie gdy patrzymy na film z niewielką ilością klatek, im więcej klatek na sekundę tym obraz jest płynniejszy, w ciągu każdej sekundy jest w stanie przekazać więcej informacji. Tak też działają serwa cyfrowe, zapewniając znacznie bardziej precyzyjną kontrolę nad samolotem RC.
 

Silniki. Czyli to co napędza Twoje serwo modelarskie.

Podczas szukania serwa na pewno zauważyłeś różne dostępne typy serwosilników. Takie jak 3P, 5P, bezrdzeniowy i bezszczotkowy. Czym się od siebie różnią i który w końcu wybrać?
 

Serwosilniki 3P i 5P

Większość serwomechanizmów RC na rynku to silniki 3-biegunowe (3p) lub 5-biegunowe (5p). O tym jak działają silniki powiedziano już bardzo wiele, przypomnę tylko że wszystkie silniki prądu stałego mają zestaw magnesów trwałych, do których przyciągane są elektromagnesy (uzwojenia). Te magnesy trwałe są nazywane biegunami.
 

Moment obrotowy silnika można zmniejszyć, jeśli elektromagnesy znajdują się dokładnie pomiędzy dwoma biegunami, gdy serwo próbuje utrzymać pozycję. Innymi słowy, silniki 5P będą miały większy moment obrotowy trzymający przy płynniejszej pracy niż silniki 3P. Jeśli jesteś początkującym modelarzem, prawdopodobnie nie będzie to robić dla Ciebie żadnej zauważalnej różnicy na początku. Jeżel jednak chciałbyś dowiedzieć się więcej na temat pracy silników DC, to zachęcam Cię do przeczytania ciekawego artykułu TUTAJ.
 

Silniki bezrdzeniowe

W tradycyjnym silniku uzwojenia są owinięte wokół metalowego rdzenia, tworząc tym samym elektromagnes. Silnik bezrdzeniowy nie ma rdzenia. Uzwojenia składają się z siatki drucianej, która obraca się wokół magnesów trwałych.
 

Eliminuje to problem zmniejszonego momentu obrotowego w niektórych położeniach, jak omówiono powyżej, w przypadku standardowych silników „biegunowych”. Silnik bezrdzeniowy będzie również reagował znacznie szybciej na podawane dane wejściowe, ponieważ nie musi on pokonywać pędu metalowego rdzenia podczas zmiany kierunku.
 

Bezszczotkowe silniki

Szczotkowe silniki są obecnie wszędobylskie w modelarstwie, zyskały dodatkowo na popularności dzięki na przykład dronom. Są łatwo dostępne i tanie. Niestety mają swoje wady, szczotki w tych silnikach trąc o komutator zużywają się podczas pracy. Na dodatek prowadzi tu w konsekwencji do dodatkowej straty energii.
 

Problem rozwiązuje wyeliminowanie komutatora mechanicznego na rzecz takiego którym można sterować elektronicznie. I tutaj przychodzą z rozwiązaniem do serwomechanizmów silniki bezszczotkowe. Ich obecność w serwach przekłada się na dłuższą żywotność serwomechanizmu, krótszy czas reakcji, płynniejszą pracę i odporność na wibracje.

 

Wtyczki i przewody

Obecnie na rynku najpopularniejsze są dwa rodzaje wtyczek dla serwomechanizmów, są to JR i Futaba. Osoba która po raz pierwszy podejmuje się zakupu serwa modelarskiego może nie spostrzec różnicy między nimi i kupić serwo z niekompatybilną wtyczką. Wtyczkę JR poznamy przede wszystkim po jej kształcie, zobacz zdjęcie poniżej i zwróć uwagę że wtyczka ma po swoich krawędziach specyficzne “ścięcia”. Po za tym wtyk można rozpoznać po kolorze kabli tj. brązowym (-), czerwonym (+) oraz pomarańczowym kablem sygnałowym - ale przede wszystkim należy się sugerować kształtem wtyku.
 

Drugim popularnym standardem są wtyki typu Futaba. Tutaj, w odróżnieniu od standardu JR, spotykamy się z innym kolorem kabli, gdzie czarny to minus (-), czerwony to plus (+), a kabel biały to kabel sygnałowy. Dodatkowo, bardzo ważną cechą tego standardu wtyczek jest boczna “listwa” przedłużająca wtyczkę, tworząc coś w rodzaju litery “L” na jednym boku. Nie zapomnij o tym przy wyborze swoich pierwszych serwomechanizmów.

 

Co więcej, nie uda nam się podłączyć wtyczki w standardzie Futaba do gniazda w standardzie JR, no chyba że sami odetniemy wspomnianą “listwę” od wtyczki. Z kolei wejście od Futaba jest uniwersalne i bez problemu do tego gniazda włożymy wtyczkę JR.
 

Na koniec - ważne jest, aby pamiętać, że nie można od tak sobie zamieniać pozycji. (+) i neg. (-), aby odwrócić działanie serwomechanizmu. Może to spowodować uszkodzenie serwa i odbiornika. Do tego polecam kupić złącza, które działają jak odwracacz serwomechanizmu poprzez odwrócenie sygnału sterującego - to znacznie lepsze rozwiązanie, bezpieczniejsze i nie drogie.
 

Od autora
 

Serwomechanizmy silniki i ich działanie to temat niezwykle obszerny, można by małą encyklopedię rozpisać, wielu rzeczy nie poruszyłem w tym artykule, wiele jest jeszcze do omówienia, ale to już kwestie nieco bardziej zaawansowane. Mam jednak nadzieję że to co najistotniejsze dla początkujących modelarzy zostało omówione i przedstawione w przyjemny sposób. Jeżeli masz jakieś pytania to zachęcam Cię do skorzystania z komentarzy pod artykułem lub skontaktuj się z naszą obsługą klienta. Doradzimy Ci przy wyborze najlepszych podzespołów.
 

Zespół tolata.pl