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segunda-feira, 20 de junho de 2011

Servos - Analógicos e Digitais - Funcionamento, uso e diferenças entre eles!


Atendendo a pedidos, e visto que a postagem anterior sobre servos simplesmente sumiu (sumiu é? sei...), hoje o "assunto técnico" do dia será sobre SERVOS. Lembrando a todos que esta matéria serve para qualquer tipo de servo utilizado em aeromodelismo...

Introdução aos servos:

Os servomotores RC (Rádio Controle) ou simplesmente servos, são pequenos dispositivos constituídos basicamente por: Um motor DC, um circuito eletrônico de controle, um pequeno potenciômetro que roda solidário com o eixo do servo, um conjunto de engrenagens e três fios exteriores de ligação; dois para a alimentação DC e outro para condução do sinal de comando.

Esquema interno de um Servo:
O motor do servo ao ser alimentado faz rodar uma série de engrenagens (redutoras) que amplificam e transferem o binário (Soma do torque e RPM) do motor ao eixo externo, onde estão ligados os dispositivos a movimentar (aileron, leme, profundor e etc). Obtém-se assim uma força considerável à custa da reduçãoda velocidade.

Se o motor fosse ligado diretamente ao eixo de controle, para movimentar a mesma carga, o tamanho físico do motor teria que ser várias vezes superior ao que os servos utilizam. Também não seria possível obterem-se baixas rotações.Um servo é utilizado para controlar movimentos angulares, tipicamente, entre 0 e 180º pois não é mecanicamente capaz de rodar muito mais devido à existência de um potenciômetro e de um batente mecânico na engrenagem de saída.
A utilização dos servos é muito interessante uma vez que pequenos motores são capazes de deslocar massas consideráveis (existem servos que controlam até 50Kg/cm), tornando-os muito poderosos para o seu tamanho.

Esse servinho pode levantar até 15Kg/cm

Princípio de funcionamento de um servo:

O circuito eletrônico de controle e o potenciômetro formam um sistema interno de realimentação (feedback) para controle da posição do eixo do servo. Tipicamente, o eixo de um servo roda entre 0º e 180º e pode ser posicionado, entre estes dois valores angulares, pela aplicação de um sinal na entrada de controle. Aplicado e mantido o sinal,o servo manterá a posição angular do seu eixo sem mudanças. Se o sinal mudar, então a posição angular do eixo também muda.

Caso não seja aplicado sinal, só as forças de atrito mantêm o servo na sua posição angular (o servo é meio "duro" ao tentar girar seu eixo com as mãos). O sistema interno de realimentação faz com que o servo rode para uma determinada posição em resposta a um determinado trem de impulsos e pare naquela posição. O potenciômetro de feedback que está conectado mecanicamente ao eixo do servo, funciona como sensor que indica a posição do eixo. A divisão de tensão no potenciômetro produz uma tensão proporcional ao ângulo do eixo do servo, uma vez que a sua resistência varia em função do ângulo de rotação do motor.

O circuito eletrônico compara o valor da resistência do potenciômetro com os impulsos que recebe pelo fio de sinal, ativando o motor para corrigir qualquer diferença que exista entre ambos. Isto é, o potenciómetro permite ao circuito de controle dentro do servo,  verificar a todo o momento o ângulo de rotação do servomotor. Se o eixo está no ângulo correto, o motor não roda. Se o circuito verifica que o ângulo não é o correto, o motor roda, no sentido adequado, até alcançar o ângulo correcto.

A comparação entre o valor do potenciómetro e a amplitude dos impulsos, e as correções que isso origina, são as componentes de um processo de controle designado por controle em malha fechada (LL - Locked loop).
A tensão aplicada ao motor do servo é proporcional à distância que o eixo necessita rodar. Logo, se o eixo precisa de rodar muito, o motor roda à velocidade máxima. Seprecisa de rodar pouco, o motor roda a uma velocidade mais baixa. A isto chama-se controle proporcional. (Exatamente como vem escrito na caixa de alguns rádios)

Controle do ângulo do eixo de um servo

O ângulo do eixo dos servos é determinado pela duração do impulso (TEMPO ON vs TEMPO OFF) que se aplica na entrada de comando. O servo funciona em PWM (Pulse Width Modulation - Modulação por Largura de Pulso), sistema que consiste em gerar uma onda quadrada em que se varia a duração do impulso, mantendo o período da onda. (Pode parecer complicado, mas uma olhada nos gráficos abaixo mostram que não é tão complicado assim)

Normalmente se o servo receber na sua entrada impulsos com a duração de 1.5ms, o seu eixo roda até ficar estável no centro do intervalo de rotação, a que corresponde o ângulo de 90º. Se receber impulsos com a duração de 1ms, roda, no sentido anti-horário, até atingir o limite do intervalo de rotação correspondente a 0º. Se receber impulsos com a duração de 2ms, roda, no sentido horário, até atingir o outro limite do intervalo de rotação correspondente a 180º ou um pouco mais.Impulsos ente 1ms e 1.5ms farão com que o servo rode para posições intermédias entre0º e 90º, enquanto impulsos entre 1.5ms e 2ms farão com que o servo rode para posições intermédias entre 90º e 180º.

Gráfico exemplificando a relação dos pulsos versus movimento do servo
Os impulsos, para que o servo funcione corretamente, devem ser aplicados a cada 20ms (50 Hz) mas valores entre 10 ms e 30 ms também são possíveis.

Se um mesmo impulso for aplicado continuamente na entrada do servo ele se mantém na mesma posição angular. Ao tentar-se rodar manualmente a engrenagem do servo, o circuito de controle detecta uma diferença entre o valor do potenciômetro e a amplitude dos impulsos e ativa o motor para a tentar corrigir. Este processo é tão rápido que apenas se sente o servo a resistir à tentativa de se alterar a sua posição, ou seja, o servo fica "duro" e a força dessa "dureza" depende apenas da força do servo.

Notas importantes sobre os servos:

Os impulsos não desejados, que possam ocorrer no tempo OFF do sinal aplicado ao servo, podem interferir com o sincronismo interno e provocarem zumbido ou vibração no eixo.

Se o servo receber impulsos cuja duração, mínima e máxima, corresponda àultrapassagem dos limites mecânicos de rotação, entra em vibração. As engrenagens estão sendo forçadas. Nesta situação, deve-se alterar a duração dos impulsos de modo a eliminar-se a vibração. (Pra isso serve o sistema de ATV/EPA dos rádios...)

Se o servo apresenta ruído e o seu movimento for irregular, pode significar quealgum dente da engrenagem esteja defeituoso.

Se o período dos impulsos for demasiado elevado, em relação ao valor indicado pelofabricante, o eixo do servo pode mover-se devido ao peso da carga que suporta. Seo período for demasiado pequeno, o servo pode emitir zumbido e aparecer vibraçãono eixo de saída;

A corrente absorvida pelos servos é proporcional à carga mecânica a que estãosujeitos. Um servo com pouca carga não consome muita energia.

Tensão de Alimentação dos servos
 
A tensão de alimentação dos servos está normalmente compreendida entre 4,8 V não devem exceder 6V, sendo recomendável a tensão de 5 V. Quanto mais baixa é a tensão mais lenta é a resposta do servo e menor é o seu binário. A corrente de alimentação depende da potência do servo. Normalmente o fabricante indica o valor da corrente. Esta depende, principalmente, do binário do servomotor e pode exceder 1A se o servo se encontrar bloqueado.

Existem servos especiais que aceitam tensões superiores a 6V, porém estes servos são específicos para o uso com baterias LiPo e não podem ser utilizados com baterias comuns ou BECs. Mas sempre tomem como regra NUNCA utilizar tensões maiores que 6,5V em circuitos de aeromodelos. (Por este motivo se usam BEC's em aviões com baterias LiPo 2S de 7.2v)

Exemplo de servo para LiPo's - Este servo suporta de 6 a 12V diretamente:

O Binário de um servo:
 
Ao longo do texto, o termo "binário do servo" apareceu várias vezes... Apenas pra explicar, o binário dos servos permite avaliar a força que os mesmos são capazes de exercer. Por exemplo, o servo Futaba S3003 apresenta um binário de 3 kg/cm a 4,8 V. Isto significa que com uma polia, engrenagem ou braço de 1 cm de comprimento ligado ao eixo do servomotor, o mesmo está apto a levantar até 3 kg. Caso a polia, engrenagem ou braço possua, por exemplo, 2,5 cm, o servo será capaz de levantar até 1,2 kg. Daí, para os tamanhos que possuem, os servos são extremamente potentes.

Servos Digitais:

Além dos servos analógico, referidos no texto, também existem no mercado servos digitais.

A grande diferença entre um servo digital e um servo analógico é a existência de um microprocessador no servo digital. Este tem por finalidade processar a informação vinda da entrada de sinal e efetuar o controle do motor de forma totalmente digital. Os servos digitais oferecem a possibilidade de se configurar os parâmetros de sentido de rotação, posição neutra, posição final e velocidade. As principais diferenças, entre estes dois tipos de servos, são as seguintes:

Para começar, um "servo digital” é o mesmo que um servo analógico, com exceção de um microprocessador, que analisa os sinais recebidos receptor e controla o motor.

Não é correto achar que um servo digital se difere muito de um servo analógico em seu design físico. Servos digitais têm os mesmos motores, engrenagens e caixa como os servos analógicos, e o que é mais importante, têm um Potenciômetro de “Feedback” tal como os analógicos.

Onde o servo digital difere é na forma de como os sinais recebidos do receptor são processados, e, por sua vez, controlando a potência inicial para o servo motor, reduzindo a inatividade, aumentando a precisão e gerando uma maior força.

Em um servo analógico ocioso, não há energia sendo enviada para o motor.

Quando um sinal é recebido pelo servo ou uma força é aplicada em seu braço, o servo responde enviando alimentação/tensão para o motor.

Esta tensão, que é de fato a maior possível, é pulsada ligando/desligando a uma taxa fixa de 50 ciclos por segundo.
A criação de pequenos pulsos gera um controle eficiente de velocidade, controlando o motor e movendo-o para a posição desejada.

Por sua vez, o potenciômetro informa ao micro controlador que a posição desejada foi alcançada, assim, os pulsos são reduzidos até que nenhuma tensão seja aplicada ao motor.

Gráfico exemplificando a diferença no número de pulsos entre um servo digital e um analógico:


Como você pode imaginar um pequeno pulso (5 volts) seguido de um intervalo (0 volts), não da ao motor um grande “incentivo” a girar, ao contrário do que um longo período faria.
Isso significa que, um pequeno movimento no controle, envia um pequeno pulso ao motor, sendo que isso é muito ineficiente, isso é chamado de “banda morta”, isso é, muito lento ou praticamente nenhum movimento do servo.

Principais vantagens dos servos digitais:

Permite receber e processar as informações recebidas do receptor antes de enviá-las para o servo, e com isso calcular e aplicar a largura de pulso de forma mais eficiente e precisa, melhorando o desempenho do servo.

A freqüência com que os sinais são enviados ao motor do servo, é significativamente maior, isso significa que ao contrario dos servos analógicos em que o motor do servo recebe 50 pulsos por seg., nos servos digitais ele passa a receber 300 pulsos por segundo. Isso não significa apenas aumento de resposta do servo, mas também aumenta e diminui o poder de aceleração/desaceleração que é capaz de ser transmitida ao motor do servo. Permitindo ao servo diminuir a “banda morta”, melhorar a resposta, aumentar e suavizar a aceleração e desaceleração, melhorar a precisão e maior força de sustentação.

E a desvantagem:

O consumo de energia. Naturalmente, com a maior freqüência de pulsos sendo mandado para o motor, o consumo de energia do servo aumenta consideravelmente. Porém, levando em consideração que cada vez mais os packs de bateria suportam mais e mais carga, esse consumo adicional de energia em relação aos benefícios, acaba deixando de ser um problema. O recomendado, é que sempre se use o maior Pack (espaço/peso/capacidade) possível, não esquecendo também de instalar, se possível, um monitor de bateria “on-board”, para se manter informado em relação ao nível de carga.


Por hoje é só pessoal! Espero que tenham gostado da matéria! Era pra ser mais simples, mas com o sumiço da matéria anterior sobre os servos, tive que colocar tudo em uma só!!

Abraços a todos!

9 comentários:

  1. Muito boa matéria So nAo entendi como faz para que dois servos com a mesma alimentação e sinal de controle possa girar um contraria a outro

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    1. Isso só é possível em servos digitais programáveis, onde pode-se programar passos invertidos em relação ao sinal. Porém, existem alguns equipamentos que fazem essa inversão em servos analógicos. Claro que o mais simples é ligar o servo em um canal separado e fazer essa inversão pelo rádio. Abraços.

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  2. Meus parabéns, muito boa a tua explicação. Teve um tópico sobre Servos Digitais em um fórum famoso, "e" daqui do Brasil, em os moderadores preferiram apagar, pois não foram capazes de esclarecer as dúvidas dos colegas de fórum.

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    1. Estamos disponíveis para tirar qualquer dúvida... Abraços!

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  3. Gostaria que publica-se um artigo sobre o sistema SBus da Futaba, de comunicação entre o Receptor e Servo Digital.

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  4. Bom dia , pode-se usar servo analógico e digital ao mesmo tempo ?

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