Čo je to modelárske servo, a ako si vybrať to správne.

18.10.2021
Od prvého kontaktu s RC modelárstvom sa stretnete so slovom servo. Plným názvom servomotor sa v modelárstve používa na ovládanie modelov áut, tankov, lodí, lietadiel či vrtuľníkov. Jeho úlohou je otáčať nápravy, kormidlá, smerovky, či iné mechanizmy modelu. V železničnom modelárstve slúži napríklad na prehadzovanie výhybiek, či otváranie vrát na depe.
Popis modelárskeho serva

Servo je obvykle konštrukčne riešené ako malá krabička ukrývajúca prevodovku, elektromotor, potenciometer (snímač polohy) a riadiacu elektroniku. Z krabičky vystupuje vrúbkovaný hriadeľ, na ktorý sa nasunie páka slúžiaca na pripojenie ovládanej časti modelu. Prípojný 3-žilový kábel je ukončený konektorom, ktorým sa servo zapája do RC prijímača, alebo iného zariadenia dodávajúceho servu energiu a ovládajúci signál. Žily kábla sú farebne označené. Červená a čierna (hnedá) slúžia pre napájanie serva energiou, biela (žltá, oranžová) slúži na prenos riadiaceho signálu. Konektor serva sa zasúva do RC prijímača tak, aby bola čierna žila kábla nad znamienkom "-", čo je záporný pól napájania. Ak zasuniete konektor opačne, teda bielu žilu zapojíte do "-" pólu, nemusíte mať obavu, nič sa nepokazí. Len servo nebude reagovať na povely. Vtedy stačí konektor vytiahnuť, otočiť a zapojiť správne.



Obvykle je servo napájané energiou cez prijímač, do ktorého prichádza energia buď z akumulátora 4,8 - 6,0V, alebo cez ESC regulátor, či BEC stabilizátor, alebo iné zariadenie dodávajúce najviac 6 voltov. Sú servá, ktoré pracujú aj pri vyššom napätí, tým sa budeme venovať neskôr

Na ovládanie serva sa využíva PWM signál, čiže signál využívajúci pulzno-šírkovú moduláciu. Signál má konštantnú frekvenciu 50Hz a uhol natočenia sa ovláda šírkou impulzu. Pre zaujímavosť, PWM signál sa využíva aj na ovládanie regulátorov motorov, nazývaných aj ESC (electronic speed controller). Signál je generovaný napríklad potenciometrom na páke vysielača, prechádza cez prijímač do elektroniky serva a tá sa postará aby sa hriadeľ serva pootočil.



Typy modelárskych serv

Servá sa rozdeľujú na analógové digitálne. Analógové sú menej presné a menej silné, ale zase sú lacnejšie. Digitálne sú modernejšie, silnejšie, veľmi presné, ale aj drahšie.
Základný rozdiel medzi analógovým a digitálnym servom je len v princípe fungovania elektroniky. Analógové servo využíva klasické elektronické obvody, je to stále najrozšírenejší typ serva, výborne poslúži vo väčšine bežných RC modelov. Digitálne servo využíva na ovládanie motora mikrokontrolér. Je rýchlejšie a veľmi presne drží polohu. Výhodou je aj možnosť programovania, keďže má integrovaný mikroprocesor. Ale pozor, pre využitie všetkých výhod digitálneho serva je nutné mať aj modernú digitálnu RC súpravu. Pri kombinácii staršieho typu RC súpravy a moderného digitálneho serva môže dôjsť ku kmitaniu serva, alebo k iným problémom.

Vysvetlenie pojmov a skratiek

Veľkosť serva - Modelárske servá majú jednotné rozmery aby sa v modeloch ľahšie inštalovali. Rozdeľujú sa do skupín medzi najmenšie Mikro (napríklad 24mm x 10mm x 22 mm), stredné Standard (napríklad 40mm x 20mm x 36mm) a veľké Jumbo (napríklad 76mm x 54mm x 32mm). Veľkosti serv nie sú normované na milimeter presne, preto sú montážne lôžka v modeloch zvyčajne vyrobené tak, aby sa dali bez problémov namontovať servá rôznych výrobcov ak sú približne rovnako veľké.
Hmotnosť serva - Dôležitá pri lietajúcich modeloch. Má veľký vplyv na vlastnosti lietajúcich modelov ako sú všetky typy RC lietadiel a zvlášť vrtuľníkov. Každý gram ušetrenej hmotnosti sa ráta. V prípade pozemných modelov hmotnosť serva obvykle nie je dôležitá, ale aj tu v prípade že ide o výkonnostný pretekársky model hrá svoju rolu.

Krútiaci moment – Bežne sa tento parameter nazýva aj ťah, či sila a výrobcovia ju udávajú obvykle v kg·cm. Túto jednotku si dokážete ľahko predstaviť – dokázala by zdvihnúť závažie s hmotnosťou 1 kg na ramene dlhom 1 cm. Napríklad pre stredne veľké servo výrobca udáva krútiaci moment 3,2kg.cm pri 4,8V a 4,1kg.cm pri 6V. Je dôležité vedieť aké silné servo potrebujete pre konkrétnu funkciu na svojom modeli a podľa toho vyberať. Cena nie je vždy ten najdôležitejší parameter. Ak si  pre riadenie modelu auta vyberiete slabé servo, môžu ho sily pôsobiace na kolesá preťažiť a servo sa rýchlo pokazí.

Počet zúbkov hriadeľa - Výstupný hriadeľ serva je vrúbkovaný aby nasunutá páka dobre prenášala krútiaci moment. Počet zúbkov na hriadeli je obvykle 23, alebo 25. Preto je napríklad pri kúpe tuningovej hliníkovej páky dobré vedieť, aký počet zúbkov má vaše servo, inak ich nespojíte.   

Servokábel a servokonektor - Zo serva vychádza typický trojžilový kábel, ktorý je ukončený plochým servokonektorom. Tento je štandardizovaný a používajú ho skoro všetci výrobcovia modelárskych serv. Má dva varianty: S plochým bočným jazýčkom (FUT) a bez jazýčka (JR). Jazýček má pomôcť pri správnom zasunutí konektora do prijímača, ale niektoré prijímače nemajú zárez pre jazýček, tak ho pokojne môžete odrezať, nič sa nestane.

Napájacie napätie - Vo veľkej väčšine RC modelov je servo napájané energiou cez RC prijímač. Obvyklé napätie je 4,8V, vo výkonnejších modeloch je 6,0V. Vo vysokovýkonných pretekárskych alebo akrobatických modeloch sa používa aj vyššie napájacie napätie 7,4V.

Proporcionálny pohyb - Servo obvykle plynule vykonáva výchylku (pootočenie) zodpovedajúcu výchylke riadiacej páky, alebo ovládača. V lacných RC hračkách sa vyskytujú neproporcionálne "tiežservá", ktoré vykonávajú trhaný skokový pohyb medzi koncovými bodmi.

Uhlový rozsah - Rozmedzie pohybu serva od stredovej polohy do pravej a ľavej krajnej polohy je  obvykle 60 + 60 stupňov. Krajné polohy sa označujú ako koncové body (End Point). Na niektorých programovateľných RC vysielačoch je možné nastavenie koncových bodov (EPA) až 120%, čo znamená, že sa servo pootočí ešte o trochu viac než je od výroby nastavené, teda o viac než 60 stupňov.

Uhlová rýchlosť - Dôležitý parameter pri RC vrtuľníkoch, akrobatických RC lietadlách, alebo pretekárskych RC autách. Rýchlosť sa udáva v sekundách na uhol pootočenia [s/°], najčastejšie ako čas v sekundách, za ktorý sa hriadeľ serva natočí o určitý uhol, typicky 45°,alebo 60°. Kratší čas, znamená vyššiu rýchlosť. Napríklad 0,23s / 60 ° pri 4,8V a 0,19s / 60 ° pri 6V.

Dead band - Pásmo necitlivosti, je údaj ktorý informuje o tom ako citlivo reaguje servo na pohyb páky vysielača. Servo sa pohne až v okamihu, keď sa riadiaci impulz zmení o určitú minimálnu hodnotu. Čím je táto hodnota menšia, tým citlivejšie servo reaguje a naopak. Obvyklá šírka pásma necitlivosti je v rozmedzí 3-9 mikrosekúnd. Digitálne servo má menšiu hodnotu pásma necitlivosti a reaguje podstatne rýchlejšie a presnejšie než analógové.






Konštrukcia prevodovky – Ozubené kolieska v prevodovke serva môžu byť z plastu, alebo kovu, prípadne môžu byť rôzne kombinované. Hriadele môžu byť uložené v mosadzných puzdrách, alebo vo valivých ložiskách. To všetko má veľký vplyv na presnosť a spoľahlivosť serva. Najlacnejšie servá majú celé prevodovky plastové. Najsilnejšie servá majú prevodovky celokovové a hriadele v ložiskách. 










Skratky označujúce typy prevodoviek
Bez označenia = Plastové prevodovky, alebo plastovo - kovové.
HB = Karbonitové prevody, zo špeciálneho odolného kompozitu.
MG = Kovové prevody (oceľ, titan, mosadz).
BB = Hriadele uloženie v ložiskách.
 
Vodeodolnosť serva (WP, waterproof)

Obvykle je nutné servo chrániť pred vlhkosťou a vodou. Špeciálne servá však majú rôzne stupne odolnosti voči vlhkosti, pokropeniu vodou, či namočeniu až ponoreniu. Samotné označenie WP ešte neznamená, že servo je odolné voči ponoreniu. To je nutné zistiť z technického popisu a garancie od výrobcu. Veľká väčšina serv označených WP je odolných len voči vode fŕkajúcej, alebo voľným kvapkám stekajúcim po povrchu. Menšia časť serv znesie krátkodobé zaliatie vodou (brodenie modelu cez mláku) a len tie najkvalitnejšie znesú ponorenie napríklad do hĺbky 1 meter. Preto by ste nemali byť prekvapení, ak bežné lacné servo označené WP zlyhá po prílišnom namočení.  

Špeciálne druhy modelárskych serv

Lineárne servo - Tento typ serva vytvára priamočiary - lineárny pohyb. To znamená, že napríklad páka kormidla sa neotáča, ale vysúva a zasúva.







Navijakové servo - Tento typ serva má konštrukciu umožňujúcu kontinuálny pohyb o 360 stupňov opakovane do jednej aj druhej strany. Obvykle je to len o niekoľko otáčok (slúži na vyťahovanie, alebo spúšťanie plachty na RC plachetnici). Niektoré servá majú aj neobmedzený kontinuálny pohyb, vtedy slúžia napríklad na otáčanie veže na RC tanku.

Podvozkové servo - Používa sa na 2-polohový pohyb, napríklad na zasunutie/vysunutie podvozku modelu lietadla, vztlakových klapiek, otvorenie/zatvorenie vrát, či poklopu na RC tanku. Toto servo "pozná" len 2 krajné polohy, medzi ktorými sa vždy pootočí. Pre ich ovládanie sa obvykle používa 2-polohový prepínač na RC vysielači.

Ploché servo - Špeciálne vyvinuté servá s veľmi plochou krabičkou konštruované tak, aby sa dali namontovať do štíhlych krídel vetroňov na ovládanie krídelok, či iných prvkov krídla.

Coreless servo - Moderné vysokovýkonné servá s coreless motorom, používajú sa tam, kde je potrebný obzvlášť rýchly pohyb serva a veľký výkon.





Hi-Volt (HV) servo - Taktiež moderné vysokovýkonné servá, ktoré sú schopné pracovať pri napájaní s vyšším napätím 7,4V.

S.BUS - Servá so špeciálnou konštrukciou elektroniky, ktorá zapojenie serv za sebou do série. Tak môžete mať v krídle lietadla napríklad 3 servá ovládajúce krídelká, klapky a brzdiace štíty, ale nepotrebujete 3 dlhé servokáble, vystačíte s jediným.


Výber správneho serva

Pre každý druh RC modelu, alebo pre každý druh použitia v modelárstve je vhodný iný typ serva. Preto sa ich vyrába tak veľa druhov a typov. Pri výbere serva je potrebné prihliadať na niekoľko parametrov. Skrátene sa uvádzajú napríklad v takejto podobe: Servo Futaba S-U300 MG BB HV 4,1kg 0,19s/60°. V tomto príklade ide o servo s kovovými prevodmi, hriadeľom uloženým vo valivých ložiskách, s možnosťou napájania vyšším napätím, silou 4,1kg a uhlovou rýchlosťou 60 stupňov za 0,19 sekundy.

Základné zásady pre výber serva:

RC auto - cestné, terénne rýchle/skákavé, terénne pomalé (expedičné), nákladné.
V bežných RC autách sa servo najčastejšie používa pre riadenie predných kolies. Pri výbere serva je nutné pamätať, že predné kolesá často narážajú, prenášajú sily na servo a aj keď je auto pomalé, ale ťažké, pôsobia kolesá veľkou silou. Preto je základným parametrom sila serva. Čím silnejšie vyberiete, tým spoľahlivejšie bude riadenie vášho RC auta (obvykle sila najmenej 6 kg). Pre pomocné funkcie ako je ovládanie radenia prevodovky, uzávierky diferenciálov, či otváranie/zatváranie, stačia obvykle servá so silou do 3 kg. Skutočná vodeodolnosť je zvyčajne vítanou vlastnosťou.

RC lietadlo - vetroň, tréner, akrobat
V lietajúcich modeloch je najdôležitejším parametrom hmotnosť. Preto sa obvykle vyberajú čo najľahšie servá. Sila serva je v tomto prípade menej dôležitá, pretože väčšina lietadiel slúži na pokojné lietanie. Výnimkou sú akrobatické špeciály, kde je sila serva dôležitá rovnako ako hmotnosť.

RC vrtuľník - maketový, akrobatický
Vrtuľníky dávajú zvlášť vysoké nároky na servá. Vyžaduje sa veľmi rýchla reakcia a aj veľká sila. Do RC vrtuľníkov sa štandardne montujú len kvalitné ľahké, silné a rýchle digitálne servá.

RC tank - záklz, dvíhanie hlavne, iné funkcie
V tomto type modelov obvykle úplne postačujú miniservá so silou do 3 kg, čo samozrejme platí pre bežné modely tankov v mierke 1/16. Do veľkých tankov patria veľké a silné servá.

RC loď - plachetnica (servonavijaky), maketová loď, rýchločln
Pre ovládanie kormidla bežnej RC lode postačuje štandardné servo so silou do 3 kg. V rýchločlnoch musí byť primerane silnejšie servo v závislosti od veľkosti rýchločlna a dosahovanej rýchlosti. Pre modely plachetníc sú špeciálne určené servá - servonavijaky, spomínané vyššie. Skutočná vodeodolnosť je často nutnou vlastnosťou.

Modelová železnica - výhybky, návestidlá, segmentová točňa, vráta depa.
Pre ovládanie výhybiek a iných prvkov v modelovej železnici sa hojne používajú miniservá so silou do 1 kg. Lepšie sú digitálne, keďže sa dajú naprogramovať a sú presnejšie.

Téma modelárskych serv je neobvykle široká a pestrá. verím, že sa mi podarilo poskytnúť vám aspoň základný prehľad a pomoc pri rozhodovaní sa.

Text (c) 2021 Ing. Jozef Anďal