ultimo aggiornamento 23 febbraio 2011


EasyEDA: Un servizio gratuito per disegnare circuiti, simularli, realizzarne il PCB, e visionare il file Gerber
Fornitura di Circuiti stampati: solo 2 $ per 10 pezzi 10x10cm con spedizione rapida in 24h
Il più grande negozio di componenti online della Cina, con sconti sino al 50%

 

Cos’è un servomotore

Nella robotica per gli azionamenti, sono molto utilizzati i servomotori. Di solito questi si presentano come piccoli contenitori di materiale plastico da cui fuoriesce un perno in grado di ruotare in un angolo compreso tra 0 e 180° mantenendo stabilmente la posizione raggiunta. Per ottenere la rotazione del perno è utilizzato un motore a corrente continua e un meccanismo di demoltiplica che consente di aumentare la coppia in fase di rotazione.   La rotazione del motore è effettuata tramite un circuito di controllo interno in grado di rilevare l'angolo di rotazione raggiunto dal perno tramite un potenziometro resistivo e bloccare il motore sul punto desiderato.


Struttura di un servomotore

Come si usa un Servomotore

I Servomotori sono concepiti per essere pilotati nel modo più semplice possibile, eseguendo la movimentazione senza l'ausilio di circuiterie troppo complesse o l'uso di sistemi a microprocessore.  Un servomotore dispone solitamente di soli tre fili attestati ad un connettore femmina per pin strip a passo 2.54mm.

Tabella codice colori del connettore nei più diffusi modelli di servomotore.

Tipo servo

Segnale (S)

Alimentazione (+)

Alimentazione (-)

Futaba

Bianco

Rosso

Nero

JR

Arancio

Rosso

Marrone

Hitec

Giallo

Rosso

Nero

Airtronics

Arancio

Rosso

Nero

Airtronics

Bianco

Rosso

Nero

Airtronics

Nero

Rosso

Nero

Airtronics - Z

Blu

Rosso

Nero

KO

Bianco

Rosso

Nero

DAGU

Arancio

Rosso

Marrone


Connettore servomotore

Due di questi fili sono riservati all'alimentazione in corrente continua. Il positivo è di colore rosso, il negativo di colore nero, il terzo filo, normalmente di colore bianco, è riservato per il controllo del posizionamento. Il colore di questi fili può però variare a seconda della casa costruttrice come riportato nella Tabella
Tramite il filo del controllo è necessario applicare un segnale impulsivo o PWM (Pulse Wave Modulation) le cui caratteristiche sono "quasi" univoche per qualsiasi servomotore disponibile in commercio. Per essere sicuri di riuscire a pilotare qualsiasi servomotore il nostro circuito di pilotaggio dovrà essere in grado di trasmettere al servomotore circa 50 impulsi positivi al secondo (uno ogni 20 ms) di durata variabile, in un intervallo massimo compreso tra 0.25ms e 2.75ms.
Generalmente con un impulso di durata pari a 1.5ms il perno del servomotore si pone esattamente al centro del suo intervallo di rotazione. Da questo punto, il perno può ruotare in senso antiorario se l'impulso fornito ha una durata inferiore a 1.5ms e in senso orario se l'impulso fornito ha durata superiore a 1.5ms. Il rapporto esatto tra la rotazione del perno e la larghezza dell'impulso fornito può variare tra i vari modelli di servomotore.


Diagramma temporizzazione
 

La dimensione e il fissaggio di un servo standard non cambiano, a prescindere dalla casa produttrice; ciò significa che potete procurarvelo da diversi produttori. Oltre a questi modelli di dimensioni standard esistono altri tipi di servo, che verranno illustrati più avanti in questo capitolo. All'interno del servo è presente un motore, una serie di ingranaggi che riducono la velocità del motore, un circuito di controllo e un potenziometro

Il motore e il potenziometro sono collegati al circuito di controllo e l'insieme di questi tre elementi definisce un sistema di feedback ad anello chiuso. Il circuito e il motore vengono alimentati da una tensione continua stabilizzata, in genere di valore compreso tra 4,8 V e 6,0 V, anche se molti motori sono in grado di accettare input di alimentazione fino a 7,2 V
Per far girare il motore dovete inviare uri segnale digitale al circuito di controllo. In questo modo si attiva il motore che, attraverso una serie di ingranaggi, è collegato al potenziometro. La posizione dell'albero dei potenziometro indica una misura della posizione dell'albero motore del servo. Quando il potenziometro raggiunge la posizione desiderata, il circuito di controllo spegne il motore.
È facile dedurre che i servomotori vengono progettati in genere per effettuare una rotazione parziale piuttosto che impostare un moto rotatorio continuo, come nel caso di un motore in continua o passo-passo. Anche se è possibile configurare un servo R/C perché ruoti in modo continuo, l'impiego fondamentale di un servo consiste nel raggiungere una posizione accurata dell'albero del motore, con movimenti compresi nell'intervallo tra 90° e 180'. Anche se questo movimento non sembra considerevole, può risultare più che sufficiente per manovrare un robot, per sollevare e abbassare le gambe, per ruotare un sensore che deve esaminare ciò che le circonda e molto altro ancora. La rotazione precisa di un angolo da parte di un servo in risposta a determinati segnali digitali rappresenta una delle funzionalità più sfruttate in tutti i campi della robotica.

Servo e modulazione PWM

L'albero del motore di un servo R/C viene posizionato utilizzando una tecnica PWM (Pulse Width Modulation). In un sistema di questo tipo, il servo risponde alla durata di un segnale definito all'interno di un treno di impulsi a frequenza fissa, simile a quello rappresentato nella Figura. In particolare, il circuito di controllo risponde a un segnale digitale i cui impulsi hanno una durata variabile da circa 1 ms a circa 2 ms. Questi impulsi vengono trasmessi alla velocità di 50 al secondo. La durata esatta di un impulso, espressa in frazioni di millisecondo, stabilisce la posizione del servo. Alcuni servo consentono di variare la frequenza del segnale PWM, altri invece non funzionano correttamente oppure "tremano" nel caso in cui gli impulsi vengano inviati a frequenze diverse da 50 al secondo. Per garantire il corretto funzionamento di un servo, verificate sempre che ci siano 20 ms tra l'inizio di un impulso e quello successivo.

Diagramma temporizzazione per posizionamento al centro

Diagramma temporizzazione per rotazione antioraria

Diagramma temporizzazione per rotazione oraria

Alla durata di 1 ms, il servo viene comandato di ruotare completamente in una direzione, per esempio in senso antiorario; a 2 ms il servo ruota completamente nella direzione opposta. Di conseguenza, un impulso di 1,5 ms comanda il servo in modo da posizionarlo nella sua posizione centrale, o di riposo. È già stato detto che la posizione angolare del servo è stabilita dalla larghezza (più precisamente, dalla durata, dell'impulso di comando. Questa tecnica ha assunto negli anni parecchi nomi. Uno dei nomi più diffusi è probabilmente quello di segnale digitale proporzionale, in quanto il movimento del servo è proporzionale al segnale digitale con il quale viene attivato.
L'alimentazione fornita al motore all'interno del servo è anche proporzionale alla differenza tra la posizione attuale dell'albero e la posizione che deve raggiungere. Se il servo deve effettuare un movimento breve per raggiungere la nuova posizione, il motore viene guidato con una velocità di rotazione bassa. Inquesto modo si garantisce che il motore non superi la posizione desiderata. Al contrario, se il servo deve effettuare un movimento più accentuato per raggiungere la nuova posizione, il motore viene pilotato alla massima velocità consentita, in modo da arrivare appena possibile. Il motore rallenta quando il servo si avvicina alla posizione finale. Questo processo in apparenza abbastanza complesso avviene in un breve intervallo di tempo; in genere un servo di medie dimensioni è in grado di percorrere un angolo di 60° in un tempo variabile da un quarto a mezzo secondo.

Limiti di rotazione

I servo modificano la rotazione che effettuano anche in funzione del segnale variabile da 1 ms a 2 ms che viene applicato dall'esterno. La maggior parte dei servo standard viene progettata in modo da ruotare
questo modo si garantisce che il motore non superi la posizione desiderata. Al contrario, se il servo deve effettuare un movimento più accentuato per raggiungere la nuova posizione, il motore viene pilotato alla massima velocità consentita, in modo da arrivare appena possibile. Il motore rallenta quando il servo si avvicina alla posizione finale. Questo processo in apparenza abbastanza complesso avviene in un breve intervallo di tempo; in genere un servo di medie dimensioni è in grado di percorrere un angolo di 60° in un tempo variabile da un quarto a mezzo secondo.

Il ruolo del potenziometro

Il potenziometro del servo svolge un ruolo fondamentale che consente di stabilire l'istante in cui il motore ha impostato l'albero nella posizione desiderata. Questo potenziometro è fisicamente collegato all'albero di uscita del motore; in alcuni servo, l'albero del potenziometro coincide con l'albero stesso del motore. In questo modo, la posizione del potenziometro coincide precisamente con quella dell'albero del motore. Nei servo il potenziometro è configurato come un partitore di tensione e fornisce al circuito di controllo una tensione che varia in funzione della variazione dell'uscita del servo.
Il circuito di controllo del servo mette in relazione questa tensione con la temporizzazione degli impulsi digitali di ingresso e genera un segnale di errore nel caso in cui debba correggere la tensione da inviare al motore. Questo segnale di errore è proporzionale alla differenza rilevata tra la posizione del potenziometro e la temporizzazione definita dal segnale in ingresso. Per compensare questa differenza, il circuito di controllo applica al motore un segnale che tiene conto di questo errore. Quando la tensione del potenziometro e la temporizzazione degli impulsi digitali coincidono, il segnale di errore viene annullato e il motore si ferma.

Limiti di rotazione

I servo modificano la rotazione che effettuano anche in funzione del segnale variabile da 1 ms a 2 ms che viene applicato dall'esterno. La maggior parte dei servo standard viene progettata in modo da ruotare avanti e indietro da 90° a 180, in funzione degli impulsi di temporizzazione. Gran parte dei servo è in grado di effettuare una rotazione completa a 180°, o molto vicina a questo valore. Se provate a superare i limiti meccanici di un servo, l'albero del motore si blocca internamente; ciò provoca lo sfregamento o la vibrazione degli ingranaggi. Se questi effetti proseguono per più di qualche secondo, gli ingranaggi del motore e il motore stesso possono danneggiarsi in modo irreparabile. Di conseguenza, quando provate il funzionamento di un servo prestate particolare attenzione a non superare i suoi limiti naturali di rotazione.
La durata degli impulsi è definita nell'intervallo da 1 ms a 2 ms come standard adottato dalla maggior parte dei produttori, anche se dovete ricordare che i servo compatibili Futaba prevedono una durata degli impulsi variabile da 1 ms a 1,5 ms. Può risultare un problema applicare un impulso di 2 ms a un servo Futaba, in particolare se questo impulso spinge il servo verso la sua posizione di blocco; il servo può rovinarsi facilmente. Invece di provare subito con impulsi da 1 ms a 2 ms, quando avete a che fare con un servo di cui non conoscete le caratteristiche, impiegate prima impulsi di durata non superiore a 1,5 ms; aumentate la durata degli impulsi fino a 2 ms solo quando verificate che il servo si muove solo di 45 gradi.

Gruppo di ingranaggi e driver di potenza

Il motore di un servo R/C ruota a una velocità di parecchi giri/m. Questa velocità è troppo elevata per essere impiegata direttamente nei modelli di aeroplani e automobili, per non parlare dei robot. Tutti i servo prevedono pertanto la presenza di ingranaggi che riducono l'uscita del motore a una velocità equivalente compresa tra 50 giri/m e 100 giri/m. Gli ingranaggi di un servo possono essere in plastica, nylon oppure metallo, in genere ottone o alluminio.
Gli ingranaggi in metallo durano più a lungo, ma aumentano sensibilmente il costo del servo. Potete trovare ingranaggi di ricambio per molti servo, in particolare quelli di prezzo medio o più alto. Se verificate che uno o più ingranaggi non funziona più bene, potete disassemblare il servo e sostituire gli ingranaggi rovinati. In alcuni casi potete anche rimpiazzare gli ingranaggi in plastica di un servo economico con quelli in metallo di un servo di qualità migliore.
Oltre agli ingranaggi motrici, anche l'albero del servo è soggetto alla stessa usura e a rotture. Nei servo più economici l'albero di uscita è sostenuto da un cuscinetto in plastica, che è ovviamente destinato a logorarsi rapidamente se il servo viene utilizzato a fondo. In effetti, questo cuscinetto è costituito in sostanza da una boccola, un manicotto o un collare che sostiene l'albero rispetto al contenitore esterno del servo. 1 cuscinetti in metallo, in genere realizzati in ottone lubrificato, durano più a lungo ma aumentano il costo del servo. 1 servo migliori (e più costosi) sono dotati di cuscinetti a sfera che garantiscono una durata maggiore. Per alcuni modelli di servo potete trovare cuscinetti a sfera di ricambio.

Specifiche tipiche di un servo

I motori dei servo R/C rispettano una serie di caratteristiche standard, in particolare per quanto riguarda i servo di dimensioni standard, che hanno un ingombro di circa 40x20x35 mm. Altri tipi di servo possono avere dimensioni differenti, dato che vengono realizzati per applicazioni particolari.
La Tabella 21.1 riporta le specifiche tipiche di diversi servo, tra cui le dimensioni, il peso, la coppia motore e il tempo transitorio. Ovviamente, a parte le dimensioni standard, queste specifiche possono variare in funzione del modello e del produttore. Alcuni termini utilizzati per indicare le specifiche richiedono una spiegazione dettagliata. Nel Capitolo 18 è stata definita la coppia motore, o momento torcente, come una misura della forza esercitata da un motore. L'unità di misura standard dei servo R/C è espressa in once per pollice, ovvero dal numero di once che il servo è in grado di sollevare quando l'albero del suo motore viene spostato di 1 pollice. 1 servo evidenziano una considerevole coppia motore, soprattutto grazie agli ingranaggi di riduzione della velocità del motore.
Il transitorio (o slew rate) esprime una misura approssimativa del tempo richiesto dal servo per ruotare il motore di un determinato angolo, in genere di 60 °. I servo di piccole dimensioni impiegano circa un quarto di secondo per ruotare di 60°, mentre quelli più grandi tendono a essere più lenti. Più è piccolo il transitorio e più veloce risulta il funzionamento del servo.
Potete calcolare la velocità equivalente espressa in giri/m moltiplicando il transitorio relativo a un angolo di 60° per 6 (in modo da ottenere il transitorio di una rotazione a 360°), poi dividete il risultato per 60. Considerate per esempio il motore di un servo che ha un transitorio a 60° di 0,20 s; questo tempo corrisponde a una rotazione in 1,2 s (0,2 x 6 = 1,2), da cui si ricava una velocità di 50 giri/m (60 / 1,2 = 50). Dovete comunque tenere presente che le specifiche standard possono subire variazioni di ogni genere.

Tipo servo  

Lunghezza
(cm)  

Larghezza
(cm)

Altezza
(cm)

Peso
(gr)

Coppia
(N*cm)  

Velocità

Esempio servo Hitec
Standard 4 2 3,6 48,5 36,3 0,19 s/60° HS 311
Scala 1/4 5,8 2,8 2,8 110 129,4 0,23 s/60° HS 755HB
Mini/micro 2,2 1 2 8 11,7 0,12 s/60° HS 45HB
Basso profilo 4 2 2 49 70 0,12 s/60° HS-7775MG

 

Servo standard Hitec HS 311 Servo scala 1/4 Hitec HS 755HB Servo mini/micro Hitec HS 45HB Servo basso profilo Hitec HS-7775MG

Tipi di collegamenti

Anche se molti aspetti dei servo possono essere considerati standard, esistono molte differenze tra i prodotti di case diverse per quanto riguarda la forma e i contatti elettrici dei convettori impiegati per collegare il servo a un ricevitore. Nonostante queste differenze, in genere potete collegare i servo a un unico convettore a tre terminali, da saldare su un circuito stampato oppure da inserire in una breadboard. Se la presenza del convettore originale dovesse rappresentare un problema, tagliate i fili di collegamento del servo e collegateli direttamente al circuito di controllo. Questa soluzione può essere valida come le altre, anche se rende più difficile l'eventuale sostituzione del servo, se necessaria.

Elenco revisioni
04/06/2012 Emissione preliminare