Servomotori: come funzionano?

 

 

In rete si trovano molte informazioni sul funzionamento dei servi ma anche molte informazioni sbagliate, o tali da creare qualche idiosincrasia.  In questa pagina cercherò di spiegare il funzionamento dei servi in modo tale da comprendere come sfruttarli per scopi robotici e automatismi in genere.

 

 

 

Cosa è un servo?  Ovviamente non stiamo parlando dello schiavo d’altri tempi ma di un motore che ha delle caratteristiche particolari.  E’ molto usato nel modellismo perché permette di azionare i dispositivi nelle macchinette, come l’acceleratore e lo sterzo, oppure muovere le vele delle barche o flap di aereomodelli.  Sto parlando ovviamente dei servi da modellismo, quelli per uso industriale possono essere enormemente più complessi e sofisticati.  Il servo è costituito da un motore completo di riduzione meccanica, un sistema di feedback per la posizione dell’asse di uscita e tutta l’elettronica di controllo racchiusi in un unico contenitore.  Tramite un sistema di comando opportuno è possibile far ruotare l’asse di uscita del servo e posizionarlo in una precisa posizione voluta.            In foto mostro vari tipi di servo.      Essi si differenziano in funzione della forza sviluppata e dalla qualità dei componenti meccanici utilizzati nella costruzione.  La cosa importante per noi è che si comandano tutti allo stesso modo.   Come già accennato, il servo è costituito da un motore, una riduzione meccanica, un sensore di posizione dell’asse finale e l’elettronica di controllo del tutto.       Dalla scatola del servo fuoriescono l’asse della riduzione meccanica al quale collegare il dispositivo da mettere in movimento, i due fili per l’alimentazione del servo e un filo per il controllo.            Qui si vede la parte meccanica del servo.  Altro non è che una serie di ingranaggi che ha lo scopo di ridurre il numero dei giri del motore ad un valore utilizzabile dal dispositivo che dobbiamo comandare.  Notate bene che l’albero di uscita del servo può ruotare soltanto di 180°.  Per superare questo limite occorre modificare il servo (in altra pagina del sito è descritto come fare la modifica)       Qui si vede la scheda elettronica e il potenziometro che serve per “sentire” la posizione dell’asse di uscita del servo.  L’elettronica del servo confronta il valore dato dal potenziometro con il segnale di comando che arriva dal filo di controllo e, dal confronto, decide se deve far muovere il motore, in che direzione e, in qualche caso, con quale velocità.           Per rendere più chiaro quanto detto fin’ora, mostro lo schema funzionale di un servo generico.  Resta da vedere come si comanda un servomotore e qui il discorso comincia a complicarsi un pochino.     Vediamo se riesco ad essere chiaro anche questa volta…….  Per comandare un servomotore occorre inviare ad esso, tramite l’apposito filo di controllo, una serie di impulsi positivi TTL (livello a 5 Volt).  La durata del singolo impulso determina la posizione dell’asse di uscita del servo mentre il tempo di pausa tra un impulso e l’altro può variare entro certi limiti senza provocare perdita di controllo del servo.      Approfondiamo meglio:  La durata dell’impulso può variare tra un minimo di 1 mS ad un massimo di 2 mS.     A seconda della durata di questo impulso, il servo farà ruotare il suo perno di uscita fino ad assumere una posizione ben precisa.     Le durate minimo e massimo dell’impulso corrisponderanno alle posizioni estreme dell’asse del servo e, ovviamente, l’impulso di durata 1,5 mS porterà il servo ad assumere la posizione centrale.  Questo impulso và continuamente ripetuto, altrimenti il servo si metterà a riposo e non raggiungerà la posizione desiderata.      La durata della pausa tra un impulso e l’altro deve essere maggiore di 10 mS ma non deve superare i 40 mS.  La durata tipica della pausa tra gli impulsi è di 20 mS (50Hz).  Alla fine, per comandare un servo, si va a generare un treno di impulsi che ha una fortissima somiglianza con un segnale PWM ma non ha nulla a che vedere con esso.  Per comandare un servo serve una serie di impulsi in cui è fondamentale la durata del singolo impulso per determinare la posizione dell’asse ma non è critico il tempo di pausa tra un impulso e l’altro (seppur nei limiti impostati)  Il PWM è tutto un altro genere di segnale dove è importante anche il suo periodo e serve per altre cose, anche se simili, come comandare motori.  In molti siti di internet e in vari forum viene affermato che un servo si comanda con un segnale PWM.    Ciò non è affatto vero!!!  Anche se le forme d’onda del segnale PWM e del treno d’impulsi per comandare il servo possono risultare identici all’oscilloscopio, essi hanno una natura completamente diversa.  Questa distinzione era doverosa e permette al principiante di districarsi meglio nelle informazioni date in rete e progettare con più coscienza i propri circuiti di controllo.      Conclusioni  I servi da modellismo hanno il grande vantaggio di essere reperibili piuttosto facilmente sul mercato consumer, sono molto leggeri e compatti in rapporto alle prestazioni che offrono, sono facilmente implementabili nei robottini per uso domestico ma, per contro, hanno un costo relativamente alto e non offrono abbastanza robustezza e affidabilità da poter essere usati per scopi professionali.  Nei miei esperimenti ho visto rompersi moltissimi servi senza aver fatto nulla di anormale, ciò è dovuto a ragioni costruttive che posso comprendere nell’ambito modellistico inteso come giocattolo ma non comprendo dal punto di vista del prezzo, in considerazione dell’elevatissimo numero di servi venduti sul mercato.  Nonostante tutto i servomoori da modellismo rimangono l'unica fonte valida a livello hobbistico per risolvere molte situazioni robotterecce.

 

 

 

 

 

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