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Motor

Drehmoment und Geschwindigkeit des Servomotors

Berechnen Sie das Drehmoment, die Geschwindigkeit, den Wirkungsgrad und die Gegen-EMK des Servomotors anhand der elektrischen Parameter und der Lastparameter.

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Formel

P_out = T × ω, η = P_out/P_in × 100%

T— Load torque (N·m)
ω— Angular speed (rad/s)

Wie es funktioniert

Ein Servomotor ist ein Drehantrieb mit geschlossenem Regelkreis, der einen Gleichstrom- oder bürstenlosen Motor mit einem Positionsgeber und einem Feedback-Controller kombiniert. Die Steuerung vergleicht die angegebene Position (über die Pulsbreite des PWM-Signals) mit dem tatsächlichen Wellenwinkel und treibt den Motor an, um den Fehler zu minimieren. Das abgegebene Drehmoment wird durch das Nenndrehmoment des Motors und die angelegte Spannung bestimmt, während die Drehzahl durch die Leerlaufdrehzahl und den Arbeitszyklus des Steuersignals bestimmt wird. Das Standard-PWM-Steuersignal verwendet einen 50-Hz-Rahmen mit Impulsbreiten zwischen 1 ms (0°) und 2 ms (180°).

Bearbeitetes Beispiel

Ein Hobby-Servo hat eine Nennleistung von 6 V, 3 kg·cm Stillstandsmoment und 0,10 Sekunden/60° Leerlaufdrehzahl. Schritt 1 — Stillstandsmoment in N·m umrechnen: 3 kg · cm × 0,0981 N·m/ (kg · cm) = 0,294 N·m Schritt 2 — Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit im Leerlauf: 60° in 0,10 s → 600 °/s → 600/360 × 2π = 10,47 rad/s Schritt 3 — Schätzung der mechanischen Spitzenleistung: P = T × ω/2 (Spitzenleistung tritt bei halbem Stillstandsmoment auf) P = (0,294/2) × (10,47/2) = 0,770 W Schritt 4 — Steuerimpuls überprüfen: Bei 90°-Position: Impuls = 1 ms + (90/180) × 1 ms = 1,5 ms bei 50 Hz Ergebnis: Das Servo liefert bis zu 0,77 W mechanische Leistung. Dimensionieren Sie das Netzteil so, dass es mindestens das 1,5-fache an Blockierstrom liefert, um einen Stromausfall bei schnellen Bewegungen zu vermeiden.

Praktische Tipps

  • ✓Fügen Sie in der Nähe der Servo-Pins eine Kapazität von 100—470 µF hinzu, um Einschaltspitzen zu absorbieren und MCU-Resets zu verhindern
  • ✓Verwenden Sie für eine präzise Positionierung digitale Servos mit Metallgetrieben; analoge Servos mit Kunststoffzahnrädern weisen ein spürbares Gegenspiel und Nachgiebigkeit auf.
  • ✓Messen Sie den tatsächlichen Leerlaufstrom bei Betriebsspannung, bevor Sie Ihr Leistungsbudget festlegen — Datenblattwerte werden oft bei einer anderen Spannung gemessen

Häufige Fehler

  • ✗Stromversorgung des Servos über die 5-V-Schiene des Mikrocontrollers — Blockierströme (bis zu 1,5 A) führen zum Absturz der MCU-Versorgung
  • ✗Ignorieren Sie die PWM-Bildrate: Die meisten analogen Servos benötigen genau 50 Hz; digitale Servos tolerieren bis zu 333 Hz
  • ✗Unter der Annahme, dass das Stillstandsmoment kontinuierlich ist, überhitzen sich Servogetriebe und Wicklungen, wenn das Stillstandsmoment länger als ein paar Sekunden anhält.

Häufig gestellte Fragen

Analoge Servos aktualisieren ihre interne PID-Schleife bei ~50 Hz (der PWM-Bildrate). Digitale Servos tasten den PWM-Eingang ab und aktualisieren den Motorantrieb mit 300—400 Hz. Das sorgt für eine schnellere Reaktion, ein höheres Haltemoment und eine bessere Auflösung — auf Kosten eines höheren Leerlaufstroms.
Multiplizieren Sie die Lastmasse (kg) mit der Erdbeschleunigung (9,81 m/s²) mit der Momentenarmlänge (m), um das erforderliche Drehmoment in N·m zu erhalten. Für dynamische Belastungen und Positionserhaltung unter Vibration ist ein Sicherheitsfaktor von mindestens 2× anzuwenden.
Die meisten Servos akzeptieren ein PWM-Signal mit Logikpegeln von nur 3,3 V, während sie mit einer separaten 4,8—6-V-Stromversorgung betrieben werden. Schließen Sie die Signalmasse an, halten Sie die Stromschiene getrennt und beziehen Sie niemals die Servospannung über den MCU-Pin selbst.

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