Устройство сервомашинки
Рулевые машинки
Ведущие производители аппаратуры радиоуправления выпускают большую номенклатуру сервомашинок, по нескольку десятков каждый. В этой статье дается представление, как устроена сервомашинка, как она работает, чтобы помочь в правильном выборе нужного изделия для вашей модели. В первой половине статьи рассказываются азы и описываются основные виды сервомашинок. Во второй половине содержится объяснение принципов работы сервомашинок и ряд тонкостей, которые при отсутствии интереса можно опустить и не читать.
Устройство сервомашинки
Современные сервомашинки имеют довольно однотипную конструкцию:
Все элементы сервомашинки смонтированы, как правило, в полистироловом корпусе, состоящем из основания, верхней и нижней крышек. В полости под верхней крышкой смонтирован редуктор, состоящий из 4-6 шестеренок с зубьями разного модуля. В основной части смонтирован мотор, потенциометр обратной связи и размещена плата управления. Корпус сервомашинки имеет по бокам два ушка с отверстиями для крепления на модели. Элементы корпуса стянуты между собой по углам четырьмя длинными шурупами. Для защиты от вибрации сервомашинки крепятся на модели не жестко, а через специальные резиновые втулки с латунными гильзочками.
На выходном валу редуктора, выступающего из верхней крышки, на шлицах винтом (шурупом) закреплена качалка, которую посредством тяги механически соединяют с рулем модели. Собственно, поворот качалки и будет преобразовываться в механическое движение руля. Сам поворот качалки разные моделисты называют по-разному. Широко распространен термин "расход машинки". Известен также и "путь перекладки качалки/руля". В дальнейшем чаще употребляется последний термин, хотя привыкшие к расходам рулей могут именно их и воспринимать там, где написано "путь перекладки" и "поворот качалки".
В качестве приводного мотора в сервомашинках используются коллекторные электродвигатели постоянного тока. На плате управления собрана вся электронная схема, базирующаяся на специализированной микросхеме. Плата соединена с приемником трехпроводным кабелем, который выходит из корпуса сервомашинки через специальное отверстие.
Конструктивные разновидности сервомашинок
Широкая номенклатура сервомашинок обусловлена разными требованиями к ним, зависящими от модели, где они применяются. Прежде всего, модели различаются габаритами. С этого и начнем. Для моделей-гигантов выпускаются сервомашинки формата (размера) "гигант":
Они обладают большой мощностью, моментом и прочностью механики. Вес и габариты - тоже не маленькие.
Наиболее распространены сервомашинки стандартного формата:
В этом формате выпускаются и самые дешевые, и самые дорогие сервомашинки. Наиболее мощные из них перекрывают по моменту и мощности сервомашинки формата гигант, имея существенно меньшие габариты и вес. Но вот цена при этом, к сожалению, больше. В размерах, близких к стандарту выпускаются низкопрофильные сервомашинки:
Их удобно закреплять непосредственно на крыле для управления элеронами.
Для небольших моделей выпускаются сервомашинки формата мини:
По силовым характеристикам они часто не уступают обычным сервомашинкам стандартного формата, но имеют меньший вес и габариты.
В связи с бурным развитием летающих моделей паркового класса и комнатных, где очень важен каждый грамм бортового оборудования, выпускается гамма сервомашинок форматов "микро", "нано" и "пико":
| 
|
О мощности здесь говорить не приходится, поскольку нагрузки на рулях таких моделей ничтожные.
Теперь вернемся к содержимому сервомашинок. Начнем с наиболее уязвимого при авариях узла, - с редуктора. Редукторы, как уже говорилось выше, содержат 4-6 шестеренок, и бывают пластиковыми или металлическими. Впрочем, даже в последнем случае, часто вторая и третья от мотора шестеренки все-таки пластиковые.
Металлические (латунные, иногда алюминиевые) шестерни обладают на порядок большей ударной прочностью зубьев. То есть, их живучесть при авариях намного выше, чем у пластиковых шестеренок. Но они существенно дороже и несколько тяжелее. Многие модели сервомашинок выпускаются в двух вариантах: с пластиковыми и металлическими шестернями. В названии сервомашинки с металлическими шестернями добавляют буквы MG (Metal Gear). Помимо цены, такие машинки имеют еще один недостаток. На моделях с высоким уровнем вибраций со временем на зубьях шестерен возникает наклеп и как следствие - люфт редуктора. Но это только после многолетней работы. Пластиковые шестерни таким эффектом не страдают, погибая зачастую намного раньше в авариях.
Для борьбы с люфтами редуктора, которые прямо влияют на точность позиционирования качалки, а также могут порождать на летающих моделях флаттер рулей, выходной вал сервомашинки устанавливают на шарикоподшипники. Такие сервомашинки имеют в названии буквы ВВ (Ball Bearing). Особенно полезно применение такой опции на моделях с большим уровнем вибраций, поскольку обычные втулки скольжения выходного вала сервомашинки довольно быстро разбалтываются, и возникает люфт. Недостаток опции - цена. Многие производители выпускают набор деталей, позволяющих самому переделать стандартную сервомашинку. В набор входит новая верхняя крышка корпуса и шарикоподшипники:
Для высокомощных сервомашинок с металлическим редуктором выпускаются качалки повышенной прочности из стеклопластика или из металла:
Кстати, имейте в виду, что у разных производителей количество зубьев на выходном валу редуктора может отличаться. Поэтому, если вы решите докупать качалки отдельно, убедитесь, что они подходят к сервомашинке.
Передаточное отношение редукторов сервомашинок колеблется в диапазоне 200-400. В стандартной и очень распространенной модели HS422 оно равно 271. Произведение момента сервомашинки на скорость перекладки равно мощности мотора. Разные варианты применения сервомашинок имеют зачастую противоположные приоритеты использования этой мощности. Поэтому многие модели сервомашинок выпускаются в двух конструктивных вариантах: Вариант High Speed имеет меньшее передаточное отношение редуктора и как следствие - меньший момент на валу, но более высокую скорость перекладки. Вариант High Torque имеет большее передаточное отношение редуктора и как следствие - больший момент и меньшую скорость перекладки. Остальные детали таких "близнецов" никак не отличаются. Цена - тоже. В каталогах они различаются соответствующими надписями и цифрами в индексе.
В сервомашинках используются коллекторные моторы, как правило, с трехполюсным ротором и возбуждением от постоянного магнита. Встречаются и пятиполюсные роторы, но реже, и в основном, на мощных сервомашинках. Отдельно стоят сервомашинки с coreless-мотором (мотор с полым ротором). О них подробнее написано в главе о динамике работы сервомашинки. Они скоростные и высокоточные. Но и стоят намного дороже. Их применение оправдано, к примеру, в системах с гироскопами. Во многих других случаях все, как обычно, упирается в деньги.
Потенциометр обратной связи - деталька неказистая, но очень важная. После редуктора, страдающего в основном при авариях, она занимает второе место при определении ресурса и надежности сервомашинки. В потенциометре по специальной пленке из резистивного материала скользит бегунок с токосъемником. Когда он протирает пленку насквозь, - сервомашинка отказывает. Чаще всего, протирка происходит в нейтральном положении качалки из-за вибраций модели. Для увеличения ресурса потенциометра сейчас практически на всех сервомашинках используют непрямой привод оси потенциометра, - когда между нею и выходным валом сервомашинки помещена эластичная втулка. Кроме того, потенциометры имеют по несколько (на дорогих сервомашинках до шести) токосъемных проволочек в параллель, и каждая бежит по своей дорожке на резистивной пленке. В этом случае отказ будет тогда, когда протрутся все дорожки в одном месте. Проверить исправность потенциометра можно, подав на сервомашинку медленно и плавно изменяющуюся команду на перекладку из одного крайнего положения в другое. При этом надо придерживать качалку пальцами. Если она движется плавно, без рывков и замираний - все в порядке.
Если сервомашинку зальет водой или грязью, потенциометр надо чистить спиртом, редуктор промывать и смазывать специальной силиконовой смазкой, применяемой в видеомагнитофонах. Для случаев, когда грязи и воды избежать невозможно, выпускаются сервомашинки в специальном водозащитном исполнении:
Корпуса большинства сервомашинок однотипны. Исключение составляют высокомощные скоростные сервомашинки с цифровой управляющей электроникой, предназначенные для работы с гироскопами. Там на силовой части электроники рассеивается такая мощность, что часть корпуса сервомашинки делают из алюминия с оребрением, которое выполняет функцию радиатора охлаждения:
И, наконец, различия в платах управления. Изначально, электроника рулевых машинок строилась на аналоговых элементах. Но с развитием элементной базы появились так называемые "цифровые" сервомашинки, которые содержат в себе микроконтроллер. Благодаря этому стало возможным использовать более сложные алгоритмы управления, улучшающие параметры сервомашинок, а также подстраивать эти параметры программным способом под специфичные условия. Впрочем, здесь я углубляться не буду, а лишь упомяну, что некоторые сервомашинки (не только цифровые) способны работать с большей частотой управляющих сигналов. То есть, за секунду они способны отработать не 50 управляющих импульсов, а 70-150, и до 270. Это необходимо для уменьшения времени реакции в системах с гироскопом.