Standarservos
Die kleinsten konventionellen Servos wiegen 5,1g. Das kleinste serienmäßig
erhältliche Servo von WES wiegt 2,1g. Allerdings muss man mit diesen Gewichtsangaben
vorsichtig sein. Sie beinhalten oft nicht die Kabel und den Stecker. Der Servo
beinhaltet einen Motor, ein Getriebe, ein Poti für die Positionsangabe
und die Elektronik. Wenn man an Selbstbau denkt, kann man ein solches Servo
für etwa folgende Masse bauen: Motor mit Getriebe 0,7g, Poti 0,3g, Elektronik
0,3g =1,3g.
Unter diese Schwelle kommt man, wenn man kleine bürstenlose Motore mit
Getriebe einsetzt. Es handelt sich um Schrittschaltmotore. Man braucht also
keine Rückmeldung, sondern nur einen Sensor, der die Mittelstellung angibt.
Die Elektronik besteht aus einem µP und 3 Doppeltransistoren. Die komplette
Elektronik wiegt 0,2 bis 0,25g. Als Motor eignet sich der kleine Namiki Motor
mit 2,4mm Durchmesser. Er wiegt nur etwas mehr als 0,2g einschließlich
Getriebe. Also kann man einen modernen konventionellen Servo für 0,5 bis
0,6g herstellen. Allerdings ist er nicht billig.
Aktoren
Aktoren sind nichts anderes als einphasige bürstenlose Motore, die nicht
umgeschaltet werden. Sie bestehen aus einem Magneten und einer Spule. Legt man
eine Spannung an, dreht sich der Magnet. Polt man um, dreht er sich in die andere
Richtung. Bringt man ein Rückstellmoment an, sind die Ausschläge proportional
zum Strom. Da sie allerdings recht schwach sind, wird der Ausschlag stark durch
die Luftkräfte beeinflusst. Von einer echten Proportionalität kann
man also nicht sprechen. Es sei hier auf den Bericht über den Eigenbau
von Motoren verwiesen. Dort kann man nachlesen, wie solche Motore auszulegen
sind. Ein 0,5g Motor hat eine Drehmomentkonstante von 0,78mNm/A. An einer Lipo
Zelle schafft er bei 190mA ein Drehmoment von ca. 150µNm. Das reicht für
kleine Modelle gut aus. Aber man braucht einen satten Strom. Meine Erfahrung
mit diesen Aktoren ist nicht berauschend. Man könnte das Verhalten verbessern,
wenn man eine Rückmeldung macht und damit den Strom regelt. Dazu braucht
man einen linearen Hall Sensor (10mg) mit Verstärker (12mg) + einige R
und C. Er gibt eine sinusförmige Spannung über dem Winkel ab, die
man im µP verarbeiten kann.
Aktoren werden heute bis herunter zu 100mg angeboten. Man kann sie relativ leicht
selber bauen.
Drahtservos
Man macht sich hier den Effekt zu Nutze, dass eine bestimmte Nickel Titan Legierung
bei einer Temperatur um 70°C ihre kristalline Struktur ändert. Im warmen
Zustand ist die Struktur kompakter. Ein Draht verkürzt sich um etwa 4%.
Will man also damit steuern, muss man den Draht erhitzen. Um ein proportionales
Verhalten zu erreichen, müsste der Draht über der Länge entsprechend
dem Winkel aufgeheizt werden. Das geht natürlich nicht mit einfachen Mitteln.
Üblicherweise schickt man einen Strom durch den Draht. Da er einen hohen
Widerstand hat, braucht man nicht übermäßig viel, um ihn an
die Umschlaggrenze zu bringen. Beim 50µ Draht sind das bei Windstille
etwa 50mA. Bläst man den Draht an, wird er sofort wieder länger, weil
er abkühlt. Das zeigt die Problematik dieser Servos.
Natürlich kann man ihn mit einem Motorregler ansteuern. Er macht auch sehr
große und relativ kraftvolle Ausschläge, aber sie sind doch ziemlich
unkontrolliert. Ein 50µ Draht kann eine Kraft von 30g ausüben. Bei
einem guten, spielfreien Aufbau und mäßigen Lasten, kann man die
Ruder wirklich sauber steuern, ohne dass man einen Luftkrafteinfluss spürt.
Man braucht nur relativ kurze Drahtstücke, etwa 50mm. Dann bekommt man
2mm Wegänderung. Bei einem Radius von 2mm sind das 60°.
Wie bekommt man jetzt die Proportionalität hin? Genau wie oben bei den
Aktoren. Man muss an der Ruderachse einen Winkelmesser installieren. Relativ
kraftfrei kann man mit einem kleinen Magneten (<2mm°x1mm) und einem Hallsensor
messen. Optisch geht es auch mit einer kleinen Lichtschranke (3x3x3mm) und einem
Exzenter oder auch mit einem leichtgängigen Poti. Hier gibt es viele Möglichkeiten,
die allerdings alle noch flugreif gemacht werden müssen.
Es gibt ein Verfahren, das eine echte proportionale Steuerung ohne Winkelmessung
erlaubt. Es hat allerdings eine Einschränkung. Es gibt nur etwa 30 Schritte
über die gesamte Längenänderung. Das ist jedoch für nahezu
alle Anwendungen ausreichend. Ich habe diese Methode bereits mit 50µDraht
erprobt, muss sie allerdings noch flugreif machen. Es ist jedenfalls möglich,
einen kompletten Drahtservo für weniger als 0,1g zu bauen, da er nur aus
Draht, einem kleinen Hebel und einer CFK Feder besteht. Der an Bord befindliche
µP kann die Steuerung leicht übernehmen, da das System relativ träge
ist. Volle Ausschläge dauern einige Zehntel Sekunden. In nächster
Zukunft werde ich noch mit 37µ Draht experimentieren, um Strom zu sparen.
Ich denke, dass der mittlere Strom auf etwa 25mA sinkt. Die Stellkraft reicht
immer noch bei weitem aus. Ich war übrigens überrascht, wie unempfindlich
der Drahtservo gegen unvorsichtige Bewegungen war. Ich habe bisher noch keinen
Draht zerrissen.
Autor: Helmut Schweig