V amatérské robotice velmi často nacházejí uplatnění modelářská serva, jejich uživatelé však od nich mnohdy požadují víc, než může tato třída výrobků poskytnout.
Modelářská serva jsou navržena tak, aby vyhověla nárokům v modelech, mohou být silná a odolná proti vodě a prachu nebo naopak extrémně miniaturní a lehká, ale vždy musí být levná. Jestliže nyní namítnete, že přece servo v ceně kolem 5000 Kč za kus není levné a za tu cenu to už musí být „něco“, nemáte pravdu. Pořád je to modelářské servo pro modelářské použití a je relativně levné, i když to při nákupu 12 serv pro větší model letadla nebo 6 serv do manipulátoru tak nevypadá. Pořád má svoje limity těsně za oblastí, v níž se provozují modely.
Abychom získali alespoň trochu nadhled a srovnání, podívejme se na serva, která vypadají velmi podobně, ale už patří do jiné kategorie. Výbornou příležitost nabízí vybrané typy ze sortimentu firmy Volz, která více než 30 let vyrábí jak (velmi kvalitní) serva pro modely, tak serva pro profesionální určení (automobilový a letecký průmysl, lékařství, …) a také pro speciální účely (rozumějme především vojenské). První číslo ve značení serv odpovídá většinou šířce pouzdra (a současně naznačuje průměr motoru), druhé je napájecí napětí a třetí maximální moment v Ncm. Sortiment této firmy nám poslouží ne proto, že by její serva byla absolutně nejlepší, nebo že by vyráběla typická průmyslová serva (to spíše naopak), ale proto, že tvoří názorný postupný přechod od modelářské techniky ke špičkovým profesionálním produktům.
DA 10-05-42
Malé, lehké, ale hlavně tenké servo je na pohled typicky modelářské. Jeho vzhled neklame, používají jej často modeláři. Kryt je z plastu a kovu, částečně otevřený, netěsný, převodovka ocelová. Servo se napájí jmenovitým napětím 4,8 nebo 5 V, řídí se šířkou pulzů v rozsahu 0,9 až 2,1 ms opakovaných po 7 až 20 ms, moment je 42 Ncm. Všechny tyto parametry jsou v podstatě běžné a nevybočují z modelářské praxe, určitý drobný rozdíl je však vidět už na tom, že třeba rychlost pohybu se udává ve °/s , ne jako doba přejezdu výchylky 60º, jak je to běžné v modelářství.
Další rozdíl je v rozlišení vstupního signálu, což odpovídá přibližně pásmu necitlivosti u modelářských serv. Zde je menší než 0,5 μs, u kvalitních modelářských serv podobné velikosti jsou běžné hodnoty 2 μs, ale také 8 až 30 μs. DA 10-05-42 je tedy podstatně přesnější, proto jsou tato serva oblíbená v soutěžní modelářské praxi. Rozsah pracovních teplot -30 až +70°C a dovolená změna polohy způsobená teplotou menší než 0,3 % začíná ukazovat na profesionální třídu, u kvalitních „typicky“ modelářských serv bývá 10x větší a mezi opravdu levnými modelářskými servy najdeme i taková, která mají tento (nezaručovaný a neuváděný) parametr 100x horší.
Podobné parametry mají i o jeden stupeň větší serva, rychlejší DA 13-05-32 (32 Ncm, 600 °/s) a silnější DA 13-05-60 (60 Ncm, 330 º/s), typické použití mají v nejmenších a nejlevnějších bezpilotních průzkumných prostředcích (na jedno použití) nebo třeba v ostření a závěrkách lékařských rentgenů. Důležitým parametrem je spolehlivost.
Volz 10-05-42 (foto převzaté z internetových stránek výrobce)
DA 14-05-60
O další stupínek větší, ale technologií výrazně odlišné servo je DA 14-05-60. Je určeno pro malé průzkumné bezpilotní prostředky a stále ještě má napájecí napětí a řídící pulzy shodné s modelářskou technikou. Kryt serva je z tuhého plastu plněného uhlíkovými vlákny (je většinou odolnější a lehčí, než podobně velké kovové kryty) a splňuje krytí IP 67 (vodotěsné do jednoho metru hloubky ponoření). Převody jsou z tvrzené oceli. Tyto parametry jsou stále ještě v mezích kvalitních modelářských serv, dál to začíná být zajímavé.
Elektronika serva je odolná proti rušení a chráněná proti působení elekromagnetického pulzu (při jaderném výbuchu) podle vojenských norem a servo se vyrábí i ve variantě se zpětným analogovým hlášením o skutečné poloze, což samozřejmě vyžaduje více vodičů. Zpětné hlášení o poloze dovoluje řídícímu mikrokontroléru jednak okamžitě kontrolovat funkčnost serva, jednak z odchylky od požadované polohy přibližně zjistit zatěžovací moment a kompenzovat řízení tak, aby bylo přesné. Podobně se využijí údaje o rychlosti pohybu serva, ta odpovídá zatěžovacímu momentu a odebíranému proudu téměř přesně nepřímo úměrně. Je možné vzájemně sladit pohyb všech řídících serv tak, aby se odchylky nemusely dorovnávat až podle reakce celého letounu, ale aby vůbec nevznikly.
Volz DA 14-05-60 (foto převzaté z internetových stránek výrobce)
DA 15-05-60
Další krůček ve velikosti i technologii. Napětí i moment odpovídají označení, teplotní rozsah, rychlost pohybu a přesnost je standardní (pro Volz) 330 °/s, 0,5 μs elektricky, lepší než 0,5 ° mechanicky. Kryt serva je z vodotěsný podle IP 67 (ponoření do hlobky 1 m) ale navíc odolný proti mořské vodě, což je hodně velký rozdíl, i když se to tak nemusí jevit. Odolnost proti EMP (elektromagnetický pulz) a silným elektromagnetickým polím (například v těsné blízkosti palubních vysílačů) je standardem. Kryt je z hliníkové slitiny nekorodující ani dlouhodobým působením slané vody, podobně odolná musí být i těsnění mezi díly krytu a kolem výstupu, vstup je chráněn vodotěsným konektorem. Elektronika je plně programovatelná (viz dále) stejně jako u dále uvedených serv. I když jsou převody z tvrzené oceli, nevydrží vše, proto se tento typ na přání vybavuje zvýšenou ochranou proti poškození převodovky.
Toto servo už nemá žádný (ani přibližný) ekvivalent mezi servy modelářských výrobců a rozhodně u něj nenajdeme takové slabé místo, jako je třeba použití plastového nebo měkkého mosazného pastorku na motoru v „celokovové“ převodovce. Přesnost výroby a z toho vyplývající přesnost funkce a také elektrická i mechanická odolnost a stínění jak proti průniku rušení do serva, tak obráceně, proti průniku rušení ze serva ven to je to, za co se platí.
Volz DA 15-05-60 (foto převzaté z internetových stránek výrobce)
DA 20-30-2515
Třída serv se šířkou 20 mm se stále hodně podobá modelářským servům, ale jde jiným směrem, než předchozí typy. Nezakládá si tak na odolnosti, jako na momentu a přizpůsobení průmyslovým standardům. Řídící signál i přesnost je stále stejná, ale napájecí napětí je 30 V (dělají se i verze pro 12 a 6 V) a díky tomu má servo poměrně malý odběr při rozběhu a brzdění (2,3 A při 30 V). rychlost je kompromisní (520 °/s). Hodně zajímavý je rozsah pohybu standardně 170° a volitelně až 330°, takový rozsah nemá žádné modelářské servo kromě jednoúčelových víceotáčkových navijáků.
Zaručovaný trvale použitelný moment je (jen) 50 Ncm, ovšem krátkodobě je servo schopno vyvinout moment více než 350 Ncm. A to je rozdíl, který se u modelářských serv často přehlíží. Maximální moment serv se standardně udává v okamžiku zastavení, tedy v praxi nepoužitelný. Navíc servo se při zatížení zahřeje, nejvíc vinutí motoru a výkonové spínače, a jeho moment rychle klesá. Rozdíl není zanedbatelný, běžně dělá 30%, někdy i přes 50%. Servo splňuje výrobcem deklarované parametry, když udávaný moment vyvine při měření jednou, ale před dalším měřením musí třeba 5 minut chladnout a úplně nečinně odpočívat. Takto získané údaje vypadají „na papíře“ velmi hezky a většina uživatelů si neuvědomuje, jak je to ve skutečnosti. Navíc dělají to tak všichni výrobci modelářských serv, opravdu všichni, takže výsledky jsou alespoň porovnatelné, i když „poněkud odtržené“ od praxe.
Pro průmyslová a speciální serva se hodnoty udávají jinak, vojáky nezajímá, za jakých speciálních umělých podmínek se dá na servu po delším odpočinku jednou naměřit udávaný moment, ale na jaký moment se mohou vždy spolehnout, pokud bude servo pracovat v přípustných mezích. Takže když je napsáno trvale 50 Ncm, tak je to opravdu trvale tento moment při nejnižším dovoleném napájecím napětí v toleranci a při nejvyšší provozní teplotě, a to s přiměřenou rezervou. Maximální moment se vždy udává do zastavení serva jako u modelů, ale grafy závislosti rychlosti pohybu na zatížení jsou standardně zveřejňovány, takže pro trvalé zatížení lze odečíst i zaručovanou minimální rychlost. Takové hodnoty žádný z modelářských výrobců nezveřejňuje.
Volz DA 25-30-2515 (foto převzaté z internetových stránek výrobce)
Servo DA 20-30-2515 – závislost rychlosti na momentu (převzato z internetových stránek výrobce)
DA 22-30-4128
Třída 22 mm serv (šířka pouzdra) už snad kromě možnosti řídících pulzů na úrovních TTL nemá s modelářskou technikou nic společného. Toto servo je spíše silné než rychlé, má rychlost (jen) 180 °/s ale trvale použitelný moment 180 Ncm, špičkově více než 350 Ncm při napájení 20 – 30 V. Standardní výchylka je 170° rozšiřitelná na 330°. Odolnost proti mořské vodě, EMP, rušení a ochrana převodů před poškozením a motoru před přetížením je standardní výbavou. Kromě řízení PWM pulzy se k ovládání používá rozhraní RS-485 (podobné jako sériové rozhraní počítačů RS-232, ale s jinými úrovněmi signálů, s možností poloduplexního provozu (informace jdou oběma směry střídavě) a s vytvářením sběrnicové struktury, kdy po dvou vodičích je ovládáno až 32 zařízení). Některé verze serv DA 22 (DA 22-SUB-30-4128) jsou navrženy pro provoz při ponoření v hloubce až 100 m.
Sběrnicové ovládání je pro profesionálně používaná serva typické, proti hvězdicovité struktuře zapojení více serv v zařízení, což je jediná možnost u standardních modelářských serv, výrazně šetří nutnou délku vodičů a tím i hmotnost, sběrnice usnadňuje i oboustrannou komunikaci typickou pro průmyslová serva. Sběrnicové zapojení se teprve v poslední době objevilo i v modelářství, ale starší verze podporuje jen jednosměrnou kominukaci a příliš se nerozšířila, novější obousměrné systémy jsou spíše v zárodku, než aby jej bylo možné zatím považovat za standard a brát vážně, i když trend tímto směrem nepochybně míří.
Volz DA22-30-4128 (foto převzaté z internetových stránek výrobce)
DA 26
Celá třída serv DA 26 je navržena pro co nejvyšší spolehlivost a vysokou životnost při vynikajících funkčních parametrech momentu a rychlosti. Používají se v ní bezkomutátorové („střídavé“) motory a bezkontaktní snímače polohy, nikoli potenciometry. Znamená to také podstatně nižší rušivé elektromagnetické vyzařování (největším zdrojem rušení je kontaktní komutátor), což je důležité pro utajení polohy za letu i pro ochranu ostatních zařízení v letounu. Vstup řídících pulzů PWM je galvanicky (opticky) oddělený (rozhraní RS-422) nebo se k řízení používá rozhraní RS-485 (115 200 Bd) s analogovou kontrolou polohy (-10 až +10V nebo 0 až +5V) nebo digitální kontrolou reálné polohy výstupu. Digitální komunikační protokoly jsou nadstardardně zabezpečené.
To důležité je odolnost a životnost. Ochrany a stínění uváděné v předchozích případech jsou standardem, výrobce navrhuje a testuje tato serva na 3000000 cyklů v provozu tj. více než 2000 hodin nepřetržité činnosti se zatížením. Musí vydržet vibrace podle MIL-STD 810 v nejvyšší třídě F a zrychlení při nárazech nejméně 810 G. To je orientačně 100x větší zrychlení, že vydrží pilot v letounu. Tato serva se používají v menších průzkumných i bojových bezpilotních prostředcích a musí vydržet bez údržby mnoho operačních letů.
Napájecí napětí je 12 až 32 V, rychlost bez zatížení 260 °/s, maximální moment 500 Ncm (trvalý 280 Ncm) a výchylka ±50°. Kombinace bezkomutátorových motorů, bezkontaktního snímání polohy a zpětného hlášení o ní se v kategorii modelářských serv zatím vůbec nepoužívá, i když každý z těchto prvků jednotlivě už (spičková) modelářská serva znají.
Volz DA 26 (větší) vedle serva Volz DA 15
DA 26R-30-5024
Nejen co nejvýš do vzduchu nebo i nad něj, ale také co nejhlouběji, to je krédo serv Volz. DA 26R-30-5024 je servo určené pro provoz pod vodní hladinou, ale tentokrát opravdu pod ní. Krytí IP 67 s udávaným ponořením do hloubky 1 m (na omezenou dobu), i když je doplněno odolností vůči mořské vodě, v praxi neznamená, že by servo mělo typicky pracovat pod vodou. Znamená to, že mu neuškodí převoz na lodi (stříkající voda), že s ním můžete plavat, že zařízení lze bez následků upustit do potoka, hodit do bahna a nechat v něm nějakou dobu, pak na pláži omýt v moři, že se na něm neprojeví skladování blízko pobřeží (slaný vítr), kondenzující vlhkost v džungli, že je naprosto prachotěsné a po jízdě v poušti s ním můžete projet vodou. Opravdové ponořování je ale něco zcela jiného.
DA 26R-30-5024 má pouzdro z námořního bronzu, maximální moment je 200 Ncm a rychlost 260 °/s. Pouzdro je naplněné olejem (proto to připojení na tlakovou hadičku viditelné na obrázku u okraje dole vpravo) a vydrží pracovat v prostředí se zvýšeným tlakem. Používá se do hloubky 2000 m (!!!), nicméně výrobce tento údaj jako maximální použitelnou hloubku (asi pro jistotu) neuvádí.
Volz DA 26R-30-5024 (foto převzaté z internetových stránek výrobce)
Programování serv
Programování parametrů serv je dnes už standardem i mezi modelářskými digitálními servy, nicméně zde je na „trochu“ vyšší úrovni. Něco naznačuje už fakt, že převodník pro nastavování a program do PC stojí více než 750 $. Třeba délky řídících pulzů se nastavují s rozlišením 0,1 μs, zatímco u běžných modelářských serv je i 10x menší přesnost spíše výjimečná, obvyklé rozlišení stačí na 2 – 3 μs, servotester (generátor signálu pro zkoušení serv) dokonce pracuje s rozlišením 0,01 μs. Podobně třeba ochrana motoru pracuje se změnou střídy pulzů pro motor, ovšem ne jen v několika málo stupních, ale po jednotlivých procentech činitele plnění PWM a s možností zadat čas zapnutí a vypnutí ochrany.
Program pro nastavení parametrů serv Volz (obrázek pochází z internetových stránek http://shop.hfeinternational.com)
Závěr
I když jsou serva Volz určena právě pro ty profesionální aplikace, které s modelářskou technikou nejblíže sousedí, a práci s modelářskými servy lze považovat za přípravu na použití podobných serv profesionální třídy, nelze čekat, že by se u nás tato serva více rozšířila. Mimo jiné tomu bude bránit cena, která se u něch lepších (naposledy uvedených) počítá v tisících dolarů za kus. Nejde o výrobu ve velkých sériích a kvalitní materiály i důsledný vývoj a certifikace něco stojí. Nicméně pokud budete potřebovat výrobek, který se chová velmi podobně jako známá modelářská serva, ale je opravdu v „profi“ třídě, a cena nebude překážkou, pak už víte, kde taková serva hledat, a také co se asi tak od nich dá čekat.
Kat. 2