Servos,
...die kleinen Kraftprotze werden auch Rudermaschinen genannt

RC-Heli Bert Kammerer HV Servo auf heli-planet.com
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Was ist ein Servo


Im Modellbaubereich müssen während des Fliegens oder Fahrens verschiedene aus der Ferne gesteuerte Stellbewegungen im Modell umgesetzt werden. Dazu zählt unter Anderem die Verstellung der Taumelscheibe zur Veränderung des Blattanstellwinkels, oder auch die Lenkung an Fahrmodellen, die ebenfalls mittels Servo (Lenkservo) erfolgt. Um ferngesteuerte Bewegungen am Modell auszuführen, bedient man sich der Servotechnik.

Bei unseren Modellbau- Servos handelt es sich meist um einen von einer Gleichspannung gespeisten Motor, der über ein Getriebe (Servogetriebe) einen Stellhebel oder ein Stellrad - Servoarm genannt - bewegt. Heutige Modellbau- Servos besitzen drei Anschlussdrähte. Das sind zum einen die Versorgungsspannung (VCC, rot), Masse (GND, schwarz oder braun) und eine Signalleitung (orange oder weiß). Über die Servo- Signalleitung wird ein pulsweitenmoduliertes Signal ( PWM ) über eine Steuerelektronik für die richtige Position des Servohebels sorgt.



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Servo; Taumelscheibe Scale Helikopter

Zur Ermittlung der Hebelposition befindet sich im Servogehäuse meistens ein oder mehrere Potentiometer, die direkt mit der Ausgangswelle verbunden sind und Rückmeldung über die IST- Position des Servohorns an die Steuerelektronik liefert. Die Steuerelektronik vergleicht die SOLL- Position (Signal vom Sender/ Empfänger) mit der IST- Position des Servohorns (Signal vom Potentiometer) und steuert binnen Microsekunden den Servomotor an, der über das Getriebe die Servohornposition blitzschnell entsprechend anpasst.

Moderne Servos haben Stellzeiten von unter 0,1 Sekunde. So lange dauert es, bis ausgehend von einer Signaländerung, das Servohorn sich um 45° bzw. 60° bewegt hat.


Kenngrößen von Servos

Betriebsspannung

Die Betriebsspannung liegt normalerweise zwischen 4,8 und 6 V.
Es gibt heute auch Servos, die für höhere Spannungen ausgelegt sind und direkt an 2S Lipo s angeschlossen werden können. Diese Servos werden als High Voltage (Hochvolt/ Hochspannung) Servos bezeichnet, obwohl man bei 7,4 Volt eigentlich noch nicht von Hochspannung sprechen kann!

Stell/ Haltemoment und Geschwindigkeit

Weitere Angaben für Servos sind typischerweise das Stellmoment, wobei diese Werte meistens bezogen auf unterschiedliche Betriebsspannungen angegeben werden. Stellmomente werden in kgcm oder in Ncm angegeben, wobei 1 kgcm = 9,81 Ncm entspricht. Da Digitalservos ein höheres Haltemoment haben, werden hier Stell- und Haltemoment oft separat angegeben.

Die aus dem Haltemoment und Stellmoment resultierende Halte- bzw. Stellkraft ist natürlich abhängig vom Hebelarm des Servoarms. Umso länger der Servoarm ist, je geringer ist die vom Servo ausgeübte Kraft.

Es ist immer besser etwas mehr Drehmoment zu haben. Drehmoment (also Kraft) ist Dein Freund. Im Zweifelsfalle immer mehr Drehmoment statt höherer Servo- Geschwindigkeit.

Servo Winkel zu Weg Verhältnis Stellkraft

Die Stellkraft und die Stellgeschwindigkeit eines Servos im Modell sind abhängig von der Hebelkraftwirkung! Ein langer Hebel erhöht die Stellgeschwindigkeit bezogen auf den zurückgelegten Stellweg, verringert dabei jedoch die Stell- und Haltekraft.

Im Bild zu sehen ist der Zusammenhang zwischen den beiden Größen.

Das Servo A muss die doppelten Winkelgrade "verstellt" werden um die gleiche Bewegung am Gestänge zu erreichen wie Servo B. Das Servo B braucht die Hälfte der Zeit von Servo A um den gleichen Stellweg zu "verfahren".

Dahingegen ist die Stellkraft bei Servo A doppelt so groß wie bei Servo B und auch die "Auflösung" von Servo A ist doppelt so hoch, wie die von Servo B!



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Kleine Servos mit hohem Drehmoment sind für größere Modelle nicht besonders gut geeignet, da kleinere Servos sehr viel kleinere und feinere Zahnräder haben als größere Servos. Sofern es das Modell zulässt, sollte man lieber ein größeres Servo wählen.

Es gibt verschiedene Methoden der Ermittlung der Stellkraft von Servos. Daher sollte man vor dem Kauf stets darauf achten, dass ein Servo genügend Stellkraft bietet. Im Zweifelsfall ist ein stärkeres Servo zu wählen.

Die Stellkraft und die Stellgeschwindigkeit eines Servos im Modell sind abhängig von der Hebelkraftwirkung! Ein langer Hebel erhöht die Stellgeschwindigkeit bezogen auf den Weg, verringert aber gleichzeitig die Stell- und Haltekraft.


Drehgeschwindigkeit

Die Drehgeschwindigkeit oder auch Winkelgeschwindigkeit (ω) ist die Zeit in Sekunden, die der Dreharm benötigt, um einen bestimmten Drehwinkel zu durchlaufen. Diese Angabe erfolgt in Sekunden/Grad (°), da das Servohorn ja eine Kreisbewegung macht. Die Angabe "0,1sec/45°" bedeutet beispielsweise, dass das Servo 0,1 Sekunde benötigt um das Servohorn um 45° zu bewegen.

Die Angaben für die Drehgeschwindigkeit variieren von Hersteller zu Hersteller. Meistens findet man Angaben in s/45° und s/60° wobei diese manchmal getrennt für 4,8 und 6,0Volt, bzw. 7,4 Volt Betriebsspannung bei HV-Servos, angegeben werden.


Servo Kürzelerklärung

Die meisten Hersteller versehen ihre Servos mit Abkürzungen, um damit Aussagen über Bauarten/ Materialien und somit mögliche Belastungsgrenzwerte geben zu können.
Nachfolgend einige Kürzel: z.B. das HS6975HB Servo von HiTEC


Servo- Ansteuerung, Signalform und Schaltung

Die Ansteuerung und die Stromversorgung des Servos erfolgen über dasselbe Kabel.

Futaba JR Steckerbelegung Servo

Farbcodierung der Kabel

SCHWARZ oder BRAUN für Minus/GND. ROT für Plus/VCC, GELB oder WEIß für Impuls- Signal

Über die Signalleitung wird ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) eingespeist. Die "Repetition- Period" entspricht bei den meisten Modellen 20ms. Die Pulsdauer bewegt sich zwischen 1ms und 2ms.


Servoimpuls / Pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal

Diese Darstellung zeigt drei Zeit-Pegeldiagramme der PWM für Servos und als Beispiel die zugehörigen Stellungen des Servohorns.

Pulsweitenmodulation

Unterschiede zwischen Digital- und Analogservos

Welche Vorteile haben Digitalservos gegenüber Analogservos?

Der hauptsächliche Vorteil besteht darin, dass digitale Servos viel schneller und genauer arbeiten und ihre Position auch besser halten können. Analoge Servos geben ihrem Motor alle 20ms ein Signal. Bei Digitalservos sendet die Steuerelektronik alle 400µs einen Impuls an den Motor. Der Motor bekommt die Spannungsimpulse also 5-mal schneller als bei analogen Servos. Im Vergleich zu analogen Servos arbeiten digitale Servos mit einer höheren Auflösung, also mehr Schritten. Das bedeutet, dass das digitale Servo viel feinere Abstufungen vornehmen kann. Die "Haltekraft" eines digitalen Servos ist etwa dreimal so hoch wie die eines analogen Servos.

Welche Nachteile haben Digitalservos gegenüber Analogservos ?

Digitale Servos verbrauchen auf Grund der höheren Geschwindigkeit und höheren Haltekraft sehr viel mehr Energie als Analogservos.

In Flugregler eingebaute BEC- Systeme, die mit Analogservos noch gut funktionierten, können daher mit Digitalservos schon überlastet sein. Bitte beachte dies bei der Umstellung von Analog- auf Digitalservos.

Analogservos dürfen nicht an digitalen Ausgängen bzw. mit der Einstellung "Digitalservo" betrieben werden! Sie werden dabei beschädigt. Im Gegensatz dazu kann man aber Digitalservos auch mit der Einstellung für Analogservos bzw. an analogen Ausgängen betreiben - allerdings ohne dann die Vorteile der Digitaltechnik nutzen zu können.


Stromversorgung der Servos

Bei Verwendung von Hochleistungs-Servos (z. Bsp. digitale Servos mit Glockenankermotoren und/oder eingebauten Digitalverstärkern) ist darauf zu achten, dass die Servos aus einer Spannungsquelle mit ausreichend hoher Belastbarkeit (Stromstärke) versorgt werden. Eine solche Stromversorgung der Servos sollte nicht direkt über den Empfänger laufen, da in diesem Falle die Stromverteilerschiene im Empfänger sehr hoch belastet werden würde.

Bei Verwendung von Verlängerungen müssen auch die Querschnitte der Verlängerungskabel ausreichend dimensioniert sein! Durch die hohe Stromaufnahme kann es sonst zu Spannungseinbrüchen bzw. zu Erwärmung der Kabel und in deren Folge zu Störungen kommen.

Hochvolt-Servos

Den Hochvolt-Servos gehört die Zukunft.

Ihr größter Vorteil ist die Möglichkeit, sie direkt an einen 7,4 Volt 2S Lipo Akku anzuschließen. Dadurch entfällt die Verwendung von BEC . Ein weiterer Vorteil der HV- (Hochvolt) Servos sind neue Dimensionen bezüglich der möglichen Stellkräfte und Stellgeschwindigkeiten.

Der Preis für Hochvolt-Servos ist derzeit noch sehr hoch. Derzeit kosten HV-Servos im Standardformat etwa 90 bis weit über 150 Euro.

Funktionsprüfung von Servos

Regelmäßige Kontrolle der Servos

Servos können während des Betriebes leicht brummen bzw. summen. Das ist normal, da das Servo versucht, trotz Belastung seine Position zu halten. Es gibt neue Servotypen, die diese Brummgeräusche nicht mehr von sich geben.

Wenn ein Servo nicht mehr gleichmäßig läuft, schleifende oder stark kratzende Geräusche von sich gibt oder ruckende Bewegungen macht, dann deutet dies auf einen Getriebeschaden oder auf einen Schaden in der Servoelektronik hin.

Test:

Im Handel gibt es elektronische Servotester in Streichholzschachtelgröße. Daran wird das Servo angeschlossen und dann über den Servotester angesteuert. Alternativ und der Einfachheit halber kann man das Servo auch an einen Empfänger anschließen und mit der Fernsteuerung ansteuern. Achte dabei auf gleichmäßige, ruckelfreie Bewegungen und ungewöhnliche Geräusche. Knackende Geräusche und ruckende Bewegungen zeugen von einem defekten Servogetriebe oder defekter Servoelektronik.

Alternativtest (nicht bei empfindlichen Kunststoffgetrieben machen!):

Drehe das Servohorn ganz vorsichtig bei ausgeschalteter Spannungsversorgung von Hand. So kannst Du leicht fühlen ob das Getriebe einen Schaden hat. Der Servoarm sollte sich gleichmäßig bewegen lassen und nur leicht schwergängig sein.

Bei Beschädigung eines einzelnen Zahnrades im Servo immer den kompletten Zahnradsatz tauschen! Manchmal sind Schäden versteckt. Also Getriebe raus und in die Tonne - Gehäuse penibel reinigen - neues Getriebe rein - fetten - fertig!

Bei anderen Schäden als an Getriebe und Gehäuse das Servo unbedingt an eine Service-Stelle schicken. Eigene Reparaturversuche führen auf jeden Fall zu Garantieverlust und bringen nur selten Erfolg.

Servotemperatur kontrollieren

Servos werden bei Belastung sehr warm. Temperaturen von etwas mehr als 50°C sind im Sommer noch als normal anzusehen. Wird ein Servo jedoch wirklich heiß dann ist es entweder defekt oder überlastet.

Mechanischen Anschlag vermeiden

Manchmal liegt eine starke Erwärmung des Servos darin begründet, dass das Servo permanent gegen einen mechanischen Anschlag drückt bzw. eine mechanische Schwergängigkeit die freie Bewegung des Servo behindert. Das passiert beispielweise bei unkorrekter Einstellung der Endpunkte der Heckrotorverstellung.

Die Bewegung eines Servos darf niemals durch einen mechanischen Anschlag begrenzt werden! Das Servo kann dabei leicht beschädigt werden.


Servo- Instandhaltung

Verschleißteile

An und in Modellbauservos gibt es diverse Bauteile die einem natürlichen Verschleiß bzw. einer Materialermüdung unterliegen. Wie schnell diese Teile verschleißen, hängt von der Materialqualität, der Beanspruchung und von Umwelteinflüssen ab.

Servo- Getriebe

Da wären zum Beispiel die Servo- Getriebe, die irgendwann mehr Spiel aufweisen, oder nach einem Crash beschädigt sind und dann getauscht werden sollten. Unzureichende oder auch übermäßige Schmierung begünstigt den Verschleiß genauso wie hohe Beanspruchung.

Kunststoffgetriebe verschleißen in der Regel viel schneller als Metall- oder CFK- Getriebe.

Potentiometer

In den meisten heute gebräuchlichen Servos sind Potentiometer eingebaut, mit deren Hilfe die Position des Servoarms ermittelt wird. Diese Potentiometer unterliegen einem natürlichen Verschleiß und fallen mit Sicherheit irgendwann aus! In der Regel kann ein qualitativ hochwertiges Servo aber mehrere Jahre fehlerfrei betrieben werden. Wenn sich ein Servo plötzlich ruckartig bewegt und nicht mehr präzise dem Steuerbefehl folgt, dann ist sehr oft das eingebaute Potentiometer schuld. Zeigt ein Servo ein solches Verhalten, und sind andere Einflüsse ausgeschlossen, dann ist das Servo umgehend auszutauschen.

Eine Reparatur des Potentiometers lohnt sich bei den allermeisten Servos nicht. Tritt ein solcher Ausfall eines Potentiometers an einem Taumelscheibenservo auf, dann sollte der Austausch aller Taumelscheiben-Servos in Erwägung gezogen werden - zumindest dsann, wenn der gesamte Servo- Satz schon geraume Betriebszeit auf dem Buckel hat. Denn man kann davon ausgehen, dass eher früher als später die verbleibenden Servos das gleiche Problem haben werden.

In neueren Servotypen sind teilweise Hall- bzw. Magnetsensoren als Signalgeber verbaut. Diese Sensoren arbeiten verschleißfrei und versprechen somit eine wesentlich längere Servo- Lebensdauer.

Elektronik

Die in den Servos verbaute Elektronik mit ihren unvermeidlichen Lötstellen reagiert auf Dauer empfindlich auf Vibrationen und Erschütterungen. Aus diesem Grund kann hier mit Sicherheit behauptet werden, dass es kein Servo gibt, das ewig hält. Ausfälle aus diesem Grund sind aber trotzdem eher selten, zumindest wenn die Verarbeitungsqualität stimmt.


Ersatzteile

Viele Hersteller bieten für ihre Servos Ersatzgetriebe bzw. Zahnradsets an, die im Fachhandel bzw. beim Hersteller selbst erhältlich sind. Auch Ersatzgehäuse sind für viele Servos vorhanden. Das ist allemal preiswerter als ein neues Servo zu kaufen. Du solltest beim Servo- Neukauf auch auf die Verfügbarkeit von Ersatzteilen achten.


Servo- Getriebeaustausch

Bei einem Servo- Getriebetausch muss das Gehäuse peinlichst von Fettresten und Zahnradabrieb oder Bruchstücken befreit werden. Der neue Zahnradsatz ist nach dem Einbauen leicht zu fetten.

Es darf nur für Kunststoffe geeignetes Fett verwendet werden. Wenn etwas beim Zusammenbau klemmt, dann sind eventuell die Zahnräder falsch aufgesteckt worden. Am besten macht man vorher ein Foto vom alten noch eingebauten Getriebe, dann kann man sich beim Einbau des neuen Getriebes am Foto orientieren.

Bei Servos mit Carbonitgetriebe (CFK) Getriebe darf die Sicherungs-Schraube des Servohorns nicht zu fest angezogen werden! Der Vielzahn auf dem das Servohorn steckt, könnte dabei bersten bzw. abreißen. Vor allem bei neuen Servos muss die Sicherungsschraube sehr vorsichtig eingedreht werden. Man sollte stets nur Originalschrauben verwenden! Dreht man eine zu lange Schraube ein, dann schert der Vielzahn ab. Das passiert manchmal auch erst später und plötzlich beim Fliegen und wird dann teuer.


Abtrieb Zähnezahl der verschiedenen Hersteller

Am Markt gibt es Servos mit unterscheidlichen Zähnezahlen am Abtrieb (Vielzahn). Es passt also nicht jeder Servoarm an jedes Servo! Anbei findet ihr eine Übersicht der Hersteller mit den jeweils verwendeten Zähnezahl.

Bert Kammerer Servo BK Servo
23 Zähne:
Airtronics, JR Propo, MRC, Multiplex, Sanwa, Spektrum,

24 Zähne:
Hitec

25 Zähne:
Ace/Thunder, Blue Bird, Cirrus, Duratrax, Futaba, Hobbico, HPI, Power HD, Savöx, Tamiya, Team Associated, Tower PRO, Turnigy, Traxxas, Align, Bert Kammerer (BK)



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Servo Getriebe Spider Landegestell

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