Servo - Stellmoment und Haltemoment

[Meier111]

... also ist doch das wichtigere, das das Stellmoment passt, oder?

Nein. Wenn meine Flugzeuge fliegen, da reicht das Haltemoment. Ich ziehe nicht an den Rudern...

 

[Gast_50407]

Ich denke der sich im deutschen etablierte Ausdruck "Haltemoment" ist sehr ungünstig und verwirrend.
Mit z. B. "Anhaltemoment" wäre das Servoverhalten da etwas eindeutiger beschrieben. Der englische Begriff "Stall Torque" ist weniger missverständlich.

Mit "Haltemoment" wird sich oft ein Moment vorgestellt, welches aufgebracht werden muss, um ein Servo aus seiner Halteposition zu bewegen. Das ist damit sicher nicht gemeint.

 

[mannikla]

Hallo,
Danke an Meier111.
Auf die Idee, einen Stromsensor zusätzlich direkt in die Servoleitung einzuschleifen, bin ich noch nicht gekommen.
Referenzfahrt ist klar und auch ein Test was das Servo tatsächlich "stemmt" und welchen Strom es dabei zieht. Die gleiche Strommessung im Modell sollte eine annähernde Aussage sein, wie das Servo im Modell während des Fluges ausgelastet ist.

Egal wie die einzelnen "Kräfte/Momente" bezeichnet werden - Fakt ist doch hauptsächlich, welche Kraft das Servo letztendlich ans Ruderhorn bringt.

Gruss Klaus

 

[lastdownxxl]

Mit z. B. "Anhaltemoment" wäre das Servoverhalten da etwas eindeutiger beschrieben.

Hallo,

bei einem Servo ist der Motorstrom proportional zum Lastmoment. Die Winkelgeschwindigkeit ist proportional zur Klemmenspannung. Ohne Lastmoment erreicht die Winkelgeschwindigkeit ihr Maximum.

Das höchste Drehmoment erzeugt ein Gleichstrommotor wenn er aufgrund des Lastmomentes stehen bleibt. Dieses Moment nennt man das Anhaltemoment Mh, dabei fließt der Blockierstrom Ib. Der Blockierstrom wird von dem Anschlusswiderstand Rm der Motorwicklung begrenzt. Bei den Bürstenmotoren ist dies einschliesslich dem Bürsten- und Bürstenübergangswiderstand.

1.) Ib = Uk/Rm.

Die Drehmomentkonstante Kt [Nm/A] ist indirekt proportional zu der Drehzahlkonstante Kv [rpm/V].

2.) Kt = 1000*30/pi/Kv [mNm]

3.) Mh = Kt*Uk/Rm [mNm]

Ein Gleichstrommotor hat einen Leerlaufstrom Io welcher die innere Reibung (Lager, Bürsten) sowie die drehzahlabhängigen Eisenverluste repräsentiert. Dieser wird als konstant angenommen, da er gerade bei Bürstenmotoren aufgrund der Reibung zwischen den Bürsten und dem Kollektor relativ drehzahlunabhängig ist.

Die Leerlaufdrehzahl berechnet sich zu

4.) n0 = (Uk-Io*Rm)*Kv [rpm]

Die Drehzahl unter Last berechnet sich zu

5.) n = (Uk-Im*Rm)*Kv [rpm]

Ein Getriebe reduziert das Kv vom Motor um den Faktor der Getriebeübersetzung Z, die Drehmomentkonstante Kt multipliziert sich daher mit Z.

6.) Kv(Z) = Kv/Z
7.) Kt(Z) = Kt*Z

Das Getriebe eines Modellbauservos mit typ. 4 Stufen hat nur einen bescheidenen Wirkungsgrad um die 40 % - 50 %.

Das verfügbare Drehmoment M berechnet sich zu

8.) M = (Im-Io)*Kt*Z *eta_g [mNm]

Die abgegebenen mechanische Leistung Pmech berechnet sich zu

9.) Pmech = (Im-Io)*Kt*n*(pi/30)*eta_g

Als Beispiel ein 1.5 Watt, Ø10 mm Bürstenmotor mit einem 4-Stufengetriebe 370:1, beides Katalogwerte der Firma Maxon (Präzisionsantriebe).

% FreeMat script, http://freemat.sourceforge.net/
clc;
close;
Uk = 6; % Klemmenspannung [V]
Z = 370; % Getriebübersetzung
eta_g = 0.49; % 4-Stufen
Kv = 2890/Z; % rpm/V
Kt = 100*(30/pi)/Kv; % Drehmomentkonstante [Ncm/A]
Rm = 4.9; % Motor Anschlusswiderstand [Ohm]
Io = 0.05; % Leerlaufstrom [A]
Ib = Uk/Rm; % Blockierstrom [A]
Im = Io:0.005:Uk/Rm; % Motorstrom [A]
M = (Im-Io)*Kt*eta_g; % Drehmoment [Ncm]
rpm = (Uk-Im*Rm)*Kv;
w = rpm*360/60; % Winkelgeschwindigkeit [°/sec]
Pout = M.*rpm*pi/30/100;

Uk1 = 4.8; % [V]
Io = 0.05; % [A]
Ib1 = Uk1/Rm; % Blockierstrom [A]
Im1 = Io:0.005:Uk1/Rm; % Motorstrom [A]
M1 = (Im1-Io)*Kt*eta_g; % Drehmoment [Ncm]
rpm1 = (Uk1-Im1*Rm)*Kv;
w1 = rpm1*360/60; % Winkelgeschwindigkeit [°/sec]
Pout1 = M1.*rpm1*pi/30/100;

subplot(2,1,1),plot(M,w,M1,w1)
xlabel('M [Ncm]')
ylabel('°/sec')
title('');
legend('1.5 W Servo-Motor @ 6V','1.5 W Servo-Motor @ 4.8V','location','northeast')
grid;
subplot(2,1,2),plot(M,Pout,M1,Pout1)
xlabel('M [Ncm]')
ylabel('Pmech [W]')
grid;

Bei RC-Servos erfolgt die Positionsregelung übrigens über einen PWM-Regelkreis. Die Versorgungsspannung wird immer voll für eine gewisse Dauer auf den Servomotor geschaltet. Hat das Servo seine Sollposition erreicht und das Lastmoment ist sehr klein, dann wird die Versorgungsspannung
nur kurz << 1 ms bei einem Digitalservo eingeschaltet. Die Wiederholrate liegt intern bei einem Digitalservo bei ca. 300 Hz. Es wird gerade so viel an Energie zugeführt, dass die Ruderposition gehalten wird. Je höher also die Versorgungsspannung ist, desto kleiner ist die Einschaltdauer (Duty Cycle), der Mittelwert der Stromaufnahme aus dem Akku sinkt also, die Höhe vom gepulsten Motorstrom ist jedoch Uk/Rm.

Aufgrund der hohen Wiederholrate sind Digitalservos genauer in der Positionsregelung, besitzen ein höheres Stellmoment
und einen höheren Stromverbrauch als Analogservos mit dem identischen Antrieb.

Bei einem Analogservo passiert das nur alle 20 ms, getriggert mit der Wiederholrate vom PPM Signal der früheren (27/35/40 Mhz) Fernsteuerungen. Bei 2.4 GHz Anlagen werden daher die Analogservos zu schnell angesteuert, man muss also da die Frame Rate an die Analogservos anpassen. Ansonsten können die Analogservos abrauchen.

Gruss
Micha