Servomotory: Preciznost a síla v malém balení

Co je to servomotor?

Servomotor je uzavřený systém (tzv. "closed-loop" systém) s integrovanou zpětnou vazbou, který umožňuje přesné řízení polohy, rychlosti a zrychlení. Zatímco běžný motor se prostě otáčí, když je napájen, servomotor je schopen se otočit na přesně definovaný úhel a na této pozici setrvat. K tomuto účelu využívá kombinaci motoru (často DC nebo AC), převodovky, řídicí elektroniky a senzoru (např. potenciometru nebo enkodéru), který neustále informuje řídicí jednotku o aktuální pozici hřídele.

Části servoro motoru - zdroj: sparkfun.com

• Motor: Obvykle se jedná o stejnosměrný (DC) nebo střídavý (AC) motor.
• Převodovka: Sníží rychlost otáčení motoru a zároveň výrazně zvýší točivý moment.
• Senzor (enkodér nebo potenciometr): Měří aktuální polohu hřídele a posílá tuto informaci zpět do řídicí jednotky.
• Řídicí elektronika: Porovnává požadovanou polohu s tou skutečnou a na základě toho ovládá motor.

Tato zpětná vazba je klíčová – právě díky ní servo motor pozná, jestli se nachází ve správné pozici, a dokáže ji aktivně udržovat i proti vnější síle.

Výhody a nevýhody servomotorů

Výhody:

• Vysoká přesnost: Servomotory jsou ideální pro aplikace, kde je klíčová přesná kontrola polohy, rychlosti a zrychlení. Díky zpětné vazbě mohou udržet požadovanou pozici i proti vnější zátěži.

• Vysoký točivý moment při nízkých otáčkách: Díky integrovaným převodovkám dokážou vyvinout velký točivý moment i při velmi nízkých otáčkách, což je užitečné pro zvedání těžkých břemen nebo udržení polohy.

• Jednoduché řízení: Většina malých servomotorů se řídí jednoduchým PWM (Pulse Width Modulation) signálem, což zjednodušuje jejich integraci do mikrokontrolérových projektů (např. s Arduinem).

• Vysoká účinnost: Při udržování stálé pozice spotřebovávají servomotory jen minimum energie.

• Kompaktní design: Díky integraci motoru, převodovky a řídicí elektroniky do jednoho pouzdra jsou servomotory kompaktní a snadno se instalují.

Nevýhody:

• Složitější konstrukce: Oproti běžným DC motorům mají složitější konstrukci (převodovka, řídicí elektronika, senzor), což se odráží v jejich ceně.

• Omezený rozsah otáčení: Běžné hobby servomotory mají často omezený úhel otáčení (např. 180° nebo 360° s pevnou pozicí). Servomotory s kontinuální rotací jsou sice k dispozici, ale jejich řízení polohy je složitější.

• Citlivost na přetížení: Pokud dojde k přetížení (příliš velká zátěž, která brání pohybu), může dojít k poškození převodovky nebo elektroniky.

• Vibrace a hluk: Zejména u menších hobby servomotorů může být slyšet bzučení nebo vibrace, když se snaží udržet pozici.

Typy servomotorů a jejich principy

1. DC servomotory (stejnosměrné)

Jedná se o nejběžnější typ, který se používá od malých hobby modelů až po průmyslové aplikace. Motor je řízen stejnosměrným proudem a zpětnou vazbu zajišťuje nejčastěji potenciometr nebo optický enkodér.

• Potenciometr (analogový): V menších servomotorech se používá potenciometr, který mění odpor v závislosti na úhlu hřídele. Řídicí elektronika měří tento odpor a porovnává ho s požadovanou hodnotou.

• Enkodér (digitální): Pro vyšší přesnost se používají enkodéry. Ty mohou být inkrementální, které generují pulzy při každém pohybu (řídicí jednotka počítá pulzy od referenční polohy), nebo absolutní, které poskytují unikátní kód pro každou pozici (není nutná kalibrace při zapnutí).

2. AC servomotory (střídavé)

Tyto motory jsou robustnější, spolehlivější a výkonnější než jejich DC protějšky. Jsou často bezkartáčové (brushless), což snižuje opotřebení a zvyšuje životnost. Používají se v náročných průmyslových aplikacích.

• Princip: Střídavý proud generuje rotační magnetické pole, které otáčí rotorem. Přesné řízení se provádí pomocí komplexních algoritmů a zpětné vazby z enkodéru, což umožňuje dosáhnout vysokých rychlostí a přesnosti.

Jednotky a jejich význam

Točivý moment (Torque)

Točivý moment je klíčový parametr, který udává, jakou silou dokáže motor otočit objektem nebo jakou zátěž je schopen unést.

• Jednotky: Nejčastěji se udává v kg·cm (kilogram-centimetr), N·m (newton-metr) nebo oz-in (unce-palec).

• Příklad: Servo s točivým momentem 10 kg·cm znamená, že dokáže zvednout břemeno o hmotnosti 10 kg na konci ramene o délce 1 cm. Nebo 1 kg na konci ramene o délce 10 cm.

• Převod: 1 kg·cm ≈ 0.098 N·m ≈ 13.89 oz-in.

Rychlost (Speed)

Udává se ve stupních za sekundu (°/s) nebo v sekundách na 60° (s/60°).

• Příklad: Servo s rychlostí 0.12 s/60° se otočí o 60 stupňů za 0.12 sekundy. Čím je tato hodnota menší, tím je servo rychlejší.

Zpětná odezva: Jak motor ví, kde je?

Klíčový rozdíl mezi servomotorem a běžným motorem je právě zpětná odezva (feedback). Servomotor má vestavěný senzor (např. potenciometr, enkodér), který neustále monitoruje aktuální polohu hřídele.

1. Řídicí signál: Z mikrokontroléru (např. Arduino) pošlete signál, který říká: "Otoč se na úhel 90°."

2. Porovnání: Řídicí elektronika v servomotoru porovná požadovanou pozici (90°) s aktuální pozicí, kterou detekuje senzor.

3. Akce: Pokud se aktuální pozice liší od požadované, elektronika začne napájet motor, aby se začal otáčet správným směrem.

4. Korekce: Jakmile se hřídel přiblíží k 90°, motor se zpomalí a zastaví přesně v cílové pozici.

5. Udržování pozice: Pokud se na hřídel působí vnější síla, která se ho snaží vychýlit, senzor to okamžitě zaznamená a řídicí elektronika aktivuje motor, aby si pozici udržel. Tento proces se opakuje neustále a s velkou rychlostí.

Příklady servomotorů a jejich použití

1. Domácí kutil / hračička / doplněk k výukovým stavebnicím

• Příklady servo motorů: TowerPro SG90, MG996R. Jsou to levné a rozšířené modely. SG90 je malý a plastový, ideální pro lehké aplikace. MG996R je větší, s kovovými převody, což mu dává větší sílu a odolnost.

• Příklady použití:

  • Hobby robotika: Pohyb robotických ramen, otevírání kleští.
  • Modelářství: Ovládání kormidel v modelech letadel nebo lodí.
  • Výukové projekty: Ovládání senzorů, otevírání a zavírání dveří v chytrých domech na bázi Arduina.

2. Lepší servomotory (pro vážnější DIY projekty)

• Příklady servo motorů: Futaba S3003, Savöx SC-1258TG. Tyto servomotory nabízejí vyšší spolehlivost, přesnost a točivý moment. Mají kvalitnější komponenty a jsou odolnější. Savöx má titanové převody a je velmi rychlý.

• Příklady použití:

  • CNC stroje: Přesné polohování nástrojů v menších CNC frézkách.
  • Větší robotická ramena: Pro manipulaci s těžšími předměty.
  • Prototypy dronů: Řízení kamerových gimbalů.

3. Profesionálnější motory (pro individuální řešení)

• Příklady servo motorů: Dynamixel AX-12A (pro robotiku), Teknic ClearPath. Tyto motory často komunikují digitálně přes sériové rozhraní, mají pokročilé řídicí funkce a jsou určené pro komplexní systémy.

• Příklady použití:

  • Servisní roboti: Pro pokročilé pohyby, kde je potřeba vysoká přesnost a komunikace.
  • Vlastní výrobní linky: Pro přesné polohování dílů.
  • Lékařská technika: Například v laboratorních automatech.

4. Automotive a průmysl

• Příklady servo motorů: Speciální AC servomotory od výrobců jako Yaskawa, Siemens nebo Fanuc. Jsou to robustní systémy s vysokým výkonem, určené pro nepřetržitý provoz v náročném prostředí.

• Příklady použití:

  • Robotická ramena v automobilovém průmyslu: Svařování, lakování, montáž komponent.
  • Balicí stroje: Rychlé a přesné polohování balených výrobků.
  • CNC stroje: Pohyb os v obráběcích strojích.

Závěr

Servomotory jsou esenciálním prvkem moderní automatizace, ať už se jedná o jednoduché hobby projekty nebo sofistikované průmyslové roboty. Jejich schopnost přesně řídit polohu díky zpětné vazbě je to, co je odlišuje od ostatních typů motorů. Při výběru servomotoru je klíčové zvážit nejen jeho cenu, ale i parametry jako je točivý moment, rychlost a způsob řízení, aby byl motor správně dimenzován pro danou aplikaci. Správně zvolený servomotor dokáže proměnit neřízený pohyb v precizní a spolehlivou akci.

Poznámka: Všechny uvedené příklady jsou reálné modely, ale jejich dostupnost a specifikace se mohou časem měnit. Pro detailní informace o konkrétních produktech je vždy nejlepší navštívit stránky výrobců nebo specializovaných prodejců.