Servomotorer

Allmänt

En servomotor är en motor med ett inbyggt styrsystem som känner till motorns position, och använda informationen för att styra den. Detta gör att servomotorer kan arbeta mer precist än vanliga DC-motorer, och t.ex. positionera en arm till en exakt vinkel över 180°. Servots utgångsaxel har ett kugghjul, på vilket man kan fästa olika armar och hjul.

Istället för att direkt styra motorn i servon, så berättar man för styrelektroniken i servot vad man vill ha för resultat, och så sköter den resten. Servon styrs genom att man bestämmer en vinkel. En sensor i servot vet vilken vinkel utgångsaxeln har, och jämför den verkliga vinkeln med den önskade. Om de inte inte stämmer startas motorn, som vrider axeln åt rätt håll tills rätt vinkel har uppnåtts. Därefter stannar motorn och servot vilar.

Om någon yttre kraft skulle flytta axeln känner servot av det och rättar till felet. Ett servo kan alltså bromsa, eller hålla uppe en tyngd kontinuerligt, genom att hela tiden rätta till felet.

Automatiken i servomotorer gör det lätt att bygga robotar och maskiner som kan göra saker. Det kan handla om att öppna och stänga en lucka, rita bilder, vinkla om en kamera, m.m. Genom att använda olika sorters armar och kugghjul kan man enkelt göra mängder av olika rörelser, och med flera servon kan man röra saker i flera dimensioner.

Servomotorer kallas ofta för servon, hobbyservon eller RC-servon.

Styrsignalen

Eftersom servon fungerar på ett annat sätt än vanliga motorer, så styrs de också på ett annat sätt. Styrsignalen för vanliga servon består av en digital PWM-signal (Pulse Width Modulation), där andelen hög puls motsvarar den vinkel man vill att servots arm ska vridas till. Pulsens totala period brukar vara 20ms (50Hz), och den höga andelen mellan 1-2ms lång. En 1ms lång hög puls brukar motsvara en vinkel på -90°, medan 2ms motsvarar +90°. 1.5ms är normalläget (0°).

Ofta skriver man pulslängderna som mikrosekunder, alltså t.ex. 1500uS som mittläge.

Det finns också servon med annan vinkel än 180°, t.ex. 120°. Styrningen är dock densamma.

Elektroniken i servot

Själva motorn i servon är vanliga dc-motorer, som har ganska höga varvtal. Motorn är kopplad till en växellåda, som växlar ner rotationerna för att få mer precision och högre vridmoment. I andra änden av växellådan sitter utgångsaxeln – den vi kan fästa armar, hjul och annat i. På den axeln sitter också en potentiometer, som ger en varierande spänning när dess ”ratt” vrids av utgångsaxeln. Spänningen motsvarar servots position.

Elektroniken jämför axelns faktiska position med den önskade positionen. Om dessa inte stämmer överens driver elektroniken motorn åt det håll som behövs, tills axeln (och potentiometern) har rätt position. När axeln har hamnat rätt slutar motorn rotera.

Det finns två olika typer av elektronik, som kallas för analog eller digital – läs mer om dem längre ner.

Servokontakter

Servomotorer behöver tre saker för att fungera: en matningsspänning, jord, samt styrsignalen. Dessa ansluts med en standardiserad servokontakt, som är en vanlig honkontakt med 2.54mm benavstånd. Kontakten går bra att ansluta till till kopplingsdäck för experiment, särskilda servokontakter på styrenheter, eller förlänga med särskilda förlängningssladdar för servon.

För att man ska ansluta kontakten åt rätt håll är sladdarna färgkodade. Oftast är färgerna brun, röd och orange. En annan kombination är svart, röd och vit. Brun (eller svart) är jord, röd är spänningsmatning, och orange/vit är styrsignal.

Det finns även andra kontakter för servon. En heter Futaba J, och är lik de vanliga med 2.54mm bendelning, men den har en utstickande del för att man inte ska kunna koppla in dem fel. Vissa stora avancerade servon har cirkulära kontakter med många stift.

Specifikationer och typer av servon

Spänningsmatning

Servon drivs alltid på likspänning (DC). Det vanliga är att spänningsmatningen anges som ett intervall. Vissa spänningar har standardiserats, vilket gör att nästan alla servon är kompatibla, i alla fall vad gäller spänningsmatningen.

Oavsett vilket spann ett servo har, så brukar det alltid gälla att servon har betydligt mer vridmoment när de matas med högre spänningar. Många servon fungerar på lägre spänningar än det angivna intervallet, men betydligt lägre kraft och hastighet.

Den vanligaste matningsspänningen för servon är spannet 4.8 till 6V. Både 4.8 och 6V är ”logiska” om man använder NiMH-batterier, och fås med fyra respektive fem celler i serie. NiMH-batterier och servon används ofta tillsammans, nämligen i radiostyrda bilar, flygplan och liknande.

Ett annat vanligt spänningsintervall är 4 till 8.4V.

Strömförbrukning

Strömförbrukningen hos servon beror på hur hårt motorn arbetar. Ofta anges tre olika förbrukningar: en där servot inte arbetar (idle current), en där motorn drivs utan belastning (running current) och en när motorn går för full effekt och bromsas helt utifrån (stall current). Viloströmmen handlar om styrelektronikens strömförbrukning.

Många servon kan dra flera ampere när de arbetar hårt, vilket gör att ordentliga strömförsörjningar krävs.

Vridmoment

En av de viktigare specifikationerna för servon är vridmomentet (eng. torque). Ett högre vridmoment innebär att ett servo är starkare. Vridmoment anges normalt med den kraft som krävs för att stoppa servot, hållstyrka eller stall torque på engelska. Oftast ges två värden, exempelvis för 4.8 och 6V. Enheten är Kg/cm, och visar hur många kilo ett servo klarar av att lyfta med en 1cm radie (t.ex. med ett snöre fäst på en arm 1cm ut från axelns mittpunkt.

Om man dubblerar längden i cm får man istället halva vikten, osv. Ett servo med 10kg/cm kan alltså lyfta 1kg med en arm som är en decimeter lång, osv. Att veta exakt vad man behöver kan kräva lite matematik, men är egentligen inte så komplicerat. Vad gäller vridmoment så är mer alltid bättre.

Hastighet

Hastigheten anges som den tid ett servo tar på sig att vrida axeln 60° utan last. Små servon med mindre utväxling (och sämre vridmoment) är ofta snabbare. Vanliga hastigheter är från ungefär 0.1 till 0.25 sekunder.

Digitala och analoga servon

Servon delas ibland in i analoga och digitala. Det har inte att göra med seriella protokoll (mer om det längre ner) – båda servon kan styras med samma PWM-signal. Principen är densamma, servona ser likadana ut, finns i samma storlekar och med samma axel. Skillnaden ligger i hur elektroniken bearbetar styrsignalen och återkopplingen från potentiometern:

Analoga servon styr motorn med en PWM-signal med pulsfrekvenser kring 50Hz (20ms period på pulserna). Den relativt låga hastigheten innebär att servoteletroniken har låg ”upplösning” i tiden. Effekten är att att analoga servon inte kan reagera lika snabbt på en förändrad signal eller att axeln vrids utifrån. 20ms är inte så lång tid för oss, men för ett servo som ska korrigera rörelser är det relativt lång tid. Analog elektronik ger även långsammare reaktionstid, försämrad precision och lägre förmåga att bromsa yttre krafter, helt enkelt för att de servona reagerar långsammare.

Digitala servon arbetar mycket snabbare internt. En vanlig frekvens är 300Hz, men även högre uppåt 500Hz finns. Elektroniken fungerar alltså på samma sätt, bara snabbare. Resultatet är kortare reaktionstid, bättre förmåga till små justeringar – högre precision – och mycket bättre hållstyrka.

Allt är dock inte bättre med digitala servon. De kostar mer, drar mer ström i genomsnitt, och särskilt stötvis drar kan de dra väldigt mycket mer. Kraven på strömförsörjningen blir därför högre, med medföljande kostnad, vikt och platskrav. För allmänt bruk är därför ofta vanliga analoga servon fullt tillräckliga och kanske ett bättre val.

Storlekar

Servon finns i flera olika storlekar. Enkelt uttryckt finns det liten, mellan och stor. Större servon är mer kraftfulla, men såklart också tyngre och mer platskrävande. Det finns vissa storlekar som är vanliga, de exakta måtten kan skilja något mellan tillverkare. Måtten som anges är för kroppen, alltså borträknat axel och fästen. Det finns ofta extra kraftfulla servon i en viss storlek, som har samma mått vad gäller fästen, men är större på höjden.

Större kan ha större motorer och växellådor samt rejälare fästen, och är allt annat lika starkare än de mindre.

Nano: ca. 20x8.6x17 mm

Micro: ca. 22x12x27 mm

Standard: ca. 40x20x38 mm

Jätte: ca. 59x29x50 mm

Växellådan

Växellådans uppgift är att sänka hastigheten och öka vridmomentet från den lilla, snabba och svaga DC-motorn som sitter i servot. Växellådor tillverkas av flera olika material, med olika egenskaper. Servon levereras med växellåda, men går också att byta ut om den förra slits ut, eller om man vill uppgradera.

Den främsta skillnaden mellan de olika materialen är slitstyrkan – växellådan nöts inte bara av medvetna laster, utan också av krafter utifrån som bromsas. En annan skillnad är ljudnivån, som kan vara värd att ha i åtanke för servon som kommer användas i hemmet och andra inomhusmiljöer. 3D-skrivare och robotar av olika slag är trevligare att ha igång om de inte låter så mycket.

Det vanligaste materialet i servo-växellådor är nylon. Nylon är lätt, billigt, har låg friktion och ändå relativt starkt. Det finns i billiga servon för allmänt bruk, och har relativt lång livslängd. Det klarar dock inte höga vridmoment.

En annan typ av plast som används i växellådor är karbonit, som är mer slitstarkt än nylon.

Växellådor tillverkas också av olika metaller metall. Både aluminium och mässing (eller kombinationer av dem) är vanliga. De är mycket tåligare än växellådor i nylon och karbonit, men också något tyngre. Växellådor i metall är normalt tystare än de i plast.

Nästa steg upp är växellådor helt i stål. De är ännu kraftfullare än de i mässing/aluminium, och tyngre. Till sist finns växellådor av titan, som är lättare men starkare än stål – men också väldigt dyra.

Horn och axeltyper

På utgångsaxelns kugghjul kan man fästa armar och hjul av olika slag. De kallas gemensamt för horn, eller servohorn. Ofta ingår en uppsättning horn med servon, men inte alltid. De finns i både plast och metall, i olika länger och utformning. Hornen monteras på utgångsaxeln, och kan vinklas relativt fritt. Även om vi talar om vinklar när vi diskuterar styrningen, så handlar det ju om utgångsaxeln och inte hornen – servot kan såklart inte veta vad som är fäst vid axeln.

Det finns flera olika storlekar på utgångsaxelns kugghjul. På engelska kallas de olika fästena för splines – något förvirrande eftersom det också är vad själva kuggarna heter. Oftast kallas kuggarna dock för teeth, vilket minskar förvirringen.

Axeltyperna delas in efter antal kuggar och axelns ytterdiameter. Vilken axel ett servo har beror bland annat på storleken – små servon har oftast liten axel – men också på hur kraftfullt servot är. Här listas några av de vanligaste utgångsaxlarna, från liten till stor:

Diameter (mm)	Antal kuggar	Namn
4	15	A15T / A1
5	25	B25T / B1
5.6	24	C24T / C1
6	25	H25T / 3F
7.6	15	D15T / D1

Förutom de vanliga fästena som ofta följer med servon, så kan man köpa till olika specialfästen. Det kan handla om hjul (för användning med kontinuerliga servon), gripklor och kugghjul i olika storlekar. Också fästen för andra servon finns, så att man kan skapa rörelser i flera dimensioner.

Motortyp

Det finns tre huvudsakliga motorer i servon - alltså den DC-motor som sitter inuti servo. Vanligast är en vanlig likströmsmotor (DC-motor) med borst, kärna, stator och rotor. De finns i alla olika storlekar, och är en billig kompetent allroundmotor.

En annan typ är kärnfria motorer (eng. coreless), som är en typ av motor utan järnkärna. De fungerar enligt samma princip som DC-motorer, med borstar och kommutatorer, men är lättare eftersom järnkärnans vikt har sparats in. Kärnfria motorer har lägre tröghet, vilket ger snabbare start och stopp, högre precision och lägre ljud. En nackdel är att de överhettas lättare än vanliga borstade DC-motorer.

Sist finns borstlösa likströmsmotorer (BLDC). De har inga borst, vilket ger lång livslängd och tyst gång. BLDC-motorer har ofta hög precision och hög verkningsgrad (effektivitet). Nackdelarna är främst att de kräver mer komplicerad kringelektronik och därmed kostar betydligt mer.

Mer om styrning

Det vanliga är som sagt PWM-styrning med 1000-2000 mikrosekunder, med 1500us som mittenläge. Vissa servon väntar sig andra intervall, t.ex. 900 - 2100uS, vilket kan kräva att styrningen programmeras om. Många servon klarar större vinkel än angivet, t.ex. 190°, genom att man helt enkelt skickar kortare eller längre pulser än 1000-2000 millisekunder. Det kan dock skada servot, så man får vara försiktig när man testar detta.

Pulsens period kan också variera, och olika servon kan hantera olika intervall. Perioden brukar anges i ms, och kan vara väldigt kort, neråt 3ms i digitala servon, eller uppåt 30ms eller mer. På engelska kallas perioden för frame rate.

Dödbandet

Alla servon har en viss ”upplösning”, en minsta förändring i pulsbredd som krävs för att servot ska flytta på motorn. Namnet på detta är dödbandet (eng. dead band), och brukar vara i storleksordningen 3-5us. Om pulsbredden är 1500 mikrosekunder och ökar till 1502us kommer de flesta servon alltså inte göra något alls – det krävs en större förändring för att det ska uppfattas som en ny vinkel.

Utan dödbandet skulle små variationer i pulsbredd (brus) göra att motorn konstant gjorde små justeringar, vilket både skulle dra ström och orsaka slitage.

Seriell styrning

Det finns även servon som kan styras seriellt. En variant är att använda CAN bus, som används i fordon och många andra sammanhang. Några varianter som bygger på CAN är t.ex. DroneCAN och UAVCAN. Servotillverkaren Futaba har även tagit fram ett eget seriellt protokoll för servon, S.Bus, samt S.Bus2 som är bidirektionellt (kan hämta data från bl.a. sensorer). Det finns även servon som styrs med RS485.

En stor fördel med seriella protokoll är att det blir mindre kablage att hantera, vilket förutom att spara tid och pengar också sparar på vikten, vilket är värt mycket när servona sitter i drönare och annat som flyger. Förutom servon kan också andra sensorer som mäter tryck, varvtal eller batterispänning samsas på en bidirektionell servobuss. Seriella protokoll kräver inte heller så många utgångar på en styrenhet som när varje servo ska ha en egen utgång.

360°-servon

Det vanliga är som sagt att servon vrider utgångsaxeln 180°, eller någon annan vinkel som 120° Gemensamt för dessa är att det finns två stopp och ett mittläge mitt emellan dessa.

Det finns också servon utan stopp, som roterar 360° grader kontinuerligt. De använder samma styrning som vanliga servon, men istället för att bestämma en vinkel så bestämmer PWM-signalen varierande hastighet framåt eller bakåt. Kontinuerliga servon kan t.ex. användas ihop med annan elektronik som ersätter sensorn i servot, eller helt enkelt med manuell styrning.

I mittenläget (1500us) ska kontinuerliga servon stå still, men många har inget riktigt noll-läge utan roterar alltid sakta åt något håll. På vissa 360°-servon finns dock ett hål för att justera noll-läget med en skruvmejsel. Man skruvar helt enkelt tills servot står still samtidigt som det får en konstant 1500us-signal.

Servon med extern återkoppling

Vissa servon har en extra kabel, kopplad till potentiometern. Med en sådan får man tillgång till servoarmens position i form av en spänning, som varierar med några volt. Exakt vilka spänningar den rör sig mellan beror på matningsspänningen.

Servon håller ju själva reda på sin vinkel, men man kan ha mycket nytta av den när man programmerar t.ex. robotar och andra maskiner. Till exempel kan man ”spela in” rörelser och spara dem, genom att helt enkelt röra på servoarmen medan det vilar (utan styrsignal). Återkoppling från servot gör det också möjligt att styra servon med högre precision, skapa långsamma rörelser utan hackighet, eller använda informationen för att t.ex. beräkna hur hårt ett servo arbetar, hur snabbt det klarar av att röra sig, eller om det klarar av motståndet.

Med servon utan återkoppling får man helt enkelt lita på att servot klarar av uppgiften, och får ingen information om hur det faktiskt går.