航模舵机的基础知识

航模舵机是航模飞机控制动作的动力来源,不同类型的航模飞机所需要的种类也不同,同级别的航模飞机使用的舵机也因为价位的关系有很多种,怎么样合理的选择一款经济合乎需求的舵机呢?
舵机的构造

舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机,经由电路板上的 IC 判断转动方向,再驱动无核心马达开始转动,透过减速齿轮将动力传至摆臂,同时由位置检测器送回讯号,判断是否已经到达定位。

位置检测器其实就是可变电阻,当舵机转动时电阻值也会随之改变,藉由检测电阻值便可知转动的角度。

一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上,当电流流经线圈时便会产生磁场,与转子外围的磁铁产生排斥作用,进而产生转动的作用力。依据物理学原理,物体的转动惯量与质量成正比,因此要转动质量愈大的物体,所需的作用力也愈大。舵机为求转速快、耗电小,於是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体,形成一个重量极轻的五极中空转子,并将磁铁置於圆柱体内,这就是无核心马达。

为了适合不同的工作环境,有防水及防尘设计的舵机;并且因应不同的负载需求,舵机的齿轮有塑胶及金属之区分,金属齿轮的舵机一般皆为大扭力及高速型,具有齿轮不会因负载过大而崩牙的优点。较高级的舵机会装置滚珠轴承,使得转动时能更轻快精准。滚珠轴承有一颗及二颗的区别,当然是二颗的比较好。

目前新推出的 FET 舵机,主要是采用 FET(Field Effect Transistor)场效电晶体。FET 具有内阻低的优点,因此电流损耗比一般电晶体少。
技术规格
厂商所提供的舵机规格资料,都会包含外形尺寸(mm)、扭力(kg-cm)、速度(秒/60°)、测试电压(V)及重量(g)等基本资料。扭力的单位是 kg-cm,意思是在摆臂长度 1 公分处,能吊起几公斤重的物体。这就是力臂的观念,因此摆臂长度愈长,则扭力愈小。速度的单位是 sec/60°,意思是舵机转动 60°所需要的时间。

电压会直接影响舵机的性能,例如 Futaba S-9001 在 4.8V 时扭力为 3.9kg、速度为 0.22 秒,在 6.0V 时扭力为 5.2kg、速度为 0.18 秒。若无特别注明,JR 的舵机都是以 4.8V 为测试电压,Futaba则是以 6.0V 作为测试电压。

所谓天下没有白吃的午餐,速度快、扭力大的舵机,除了价格贵,还会伴随著高耗电的特点。因此使用高级的舵机时,务必搭配高品质、高容量的镍镉电池,能提供稳定且充裕的电流,才可发挥舵机应有的性能。
选择舵机

标准的直升机需搭配5颗舵机,分别控制油门、副翼、升降舵、螺距及尾舵。

油门
油门是所有动作中负载最轻的部位,且负载不会受到外在因素的影响而改变,所以选择油门舵机时,扭力不是问题(1 就绰绰有馀),速度才是关键。因为直升机的油门与螺距作混控,故油门与螺距舵机的速度最好要一致,才不会发生螺距舵机已到达定位,油门舵机却姗姗来迟的情况。尤其作剧烈的3D飞行时,油门与螺距的变化量极大,若油门与螺距舵机的速度不协调,会发生马力延迟的状况。

油门舵机的速度并不是愈快愈好,因为还要考虑引擎的反应时间。引擎必须经过吸气、压缩、爆炸、排气这一连串的步骤,尤其直升机用的引擎并不属於高转速型,因此舵机的速度如果太快,就会产生引擎运转速度跟不上舵机的动作,进而出现油气混合比不适当的状况。建议采用速度为 0.19~0.24 秒的舵机。

副翼及升降舵
30 级及 46 级的直升机应选择扭力 3kg 以上的舵机,60 级的直升机则需选择扭力 5kg 以上的舵机。副翼及升降舵的反应速度,主要是由主旋翼转速及平衡翼片的重量所控制,与舵机的速度快慢,较无明显且直接的关联,所以不需使用太快的舵机。建议采用速度为 0.20~0.26 秒的舵机。

螺距
直升机的主旋翼螺距是出了名的重负载,因此螺距舵机的扭力一定要够,最好能选择扭力 5kg 以上的舵机。建议采用速度为 0.19~0.24 秒的舵机。

尾舵
尾舵舵机的扭力不需太大,3kg 就已经足够了。请依据您所使用的陀螺仪等级来搭配尾舵舵机。机械式陀螺仪因为反应速度较慢,因此无需使用高速舵机。压电式陀螺仪需搭配高速舵机,才能发挥陀螺仪的性能。高级的陀螺仪都会指明建议使用的舵机,例如 JR 5000T 陀螺仪建议搭配 NES-8700G 舵机,Futaba GY-501 陀螺仪建议搭配 S-9205 舵机。若您使用的压电式陀螺仪并无特别指明舵机的类型,建议您购买速度愈快的舵机愈好。

如何以最经济的方式购买合用的舵机,请参考下列步骤∶

先决定螺距舵机,选择扭力 5kg 以上的舵机,再依据预算的多寡决定舵机的速度。
依照螺距舵机的速度,选择同速度但扭力小的舵机,作为油门舵机。
依据直升机的级数大小,选择扭力为 3kg 或 5kg 以上,速度为 0.20~0.26 秒的舵机,作为副翼及升降舵舵机。
依据陀螺仪的等级来决定尾舵舵机的速度,愈高级的陀螺仪才需使用高级的舵机。
若您使用 CCPM 的直升机,因为是由副翼、升降舵及螺距舵机采混控的方式共同来推动十字盘,所以这三个动作要选择同型号的舵机。CCPM 的优点是连杆数少、传动直接、虚位小,并且可减轻舵机的负荷,延长舵机的使用寿命。

舵机的保养

一般说来舵机并不需要特别的保养,只要注意下列重点,就可使您的舵机长命百岁。

直升机的机械可动部份,不可小於舵机的行程活动范围。
不要随意改变电源电压,例如接收机用 4.8V,请勿为了提升舵机的性能而改用 6.0V。
避免舵机过度负载,依照工作的性质与摆臂的长度,决定扭力的大小。
善用避振垫圈来保护舵机,安装舵机时不可过度锁紧,造成避振垫圈变形。
更换舵机齿轮时必须使用陶瓷系润滑油,请勿使用矿物系润滑油,以免造成塑胶齿轮变质,容易断裂。
若您的舵机没有防水防尘的功能,请避免让水或尘土跑进舵机内。

 

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