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SERVO-TUNING - Mehr Kraft, Geschwindigkeit & Präzision!

WIE MAN DIE VORHANDENE SERVOLEISTUNG TATSÄCHLICH NUTZBAR MACHT

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WELCHE ANFORDERUNGEN STELLEN SIE AN IHRE SERVOS FÜR IHRE ANWENDUNG?

Allgemein üblich ist, dass man überlegt, welche Servo-Kraft man bei welcher Laufgeschwindigkeit benötigt. Oft wird dann noch berücksichtigt, dass viel Kraft bei gleichzeitig hoher Geschwindigkeit auch etwas mehr Strom benötigt, man wählt dafür eine „größeren“ Akku und verlegt dicke Leitungen...

Wer noch etwas tiefer geht, berücksichtigt dazu noch den angegebenen Maximalstrom des verwendeten Servos.

Soweit so gut...

Obwohl immer wieder vermutet wird, dass dieser Maximalstrom dann benötigt wird, wenn das Servo so stark belastet wird, dass es blockiert und nicht mehr weiterläuft, wird in diesem Zustand nicht der maximal auftretende Strom im Betrieb eines Servos benötigt.

KENNEN SIE DEN "DYNAMIC CURRENT"?

Der Strom eines Futaba brushless Servos als Beispiel, gemessen wird bei direkter, schneller Umpolung.
image Dabei wird sichtbar, dass schon ohne Last Strompeaks entstehen, die 30-40% höher sind als der Anlauf-Strom-Peak, und dieser ist schon fast doppelt so hoch wie der Blockierstrom.

Das ist der „Dynamic Current“ (dynamisch auftretender Servostrom). Dieser tritt zwar nur für kurze Zeit auf (1-3ms), ist aber einer von 2 Zuständen, die sehr entscheidend sind für die erreichbare Servo-Performance.

Der vielleicht bisher angenommene Maximalstrom ist also nicht der Blockierstrom. Dieser ist nur der maximale Dauerstrom...!

Der Maximal-Strombedarf eines Servos, ist immer der Umpolstrom (dynamic current), wenn auch nur für kurze Zeit (1-2ms).

Werden jedoch diese notwendigen Strompeaks abgeschnitten, bzw. nicht geliefert, kann z.B. durch eine Spannungs-Regelung oder durch ungeeignete Akkus, schlechte, dünne Verkabelung und Stecker usw. der notwendige Strom gar nicht „ungebremst“ zum Servo gelangen.

Moderne Servos benötigen aber gerade diese Stromspitzen, um ihre tatsächlichen Leistungen auch entfalten zu können.

Ein zweiter, oft vernachlässigter Betriebszustand, der aber für das perfekte Steuergefühl unerlässlich ist, ist die Servo-Anlauf-Präzision und Anlauf-Kraft.

Auch hier wird ungefähr der selbe, hohe und schnelle Strompeak wie im Umpolfall benötigt. Wird dieser Strompeak nicht direkt und schnell zum Servo geliefert (s.o.), dann läuft das Servo nicht so präzise und schnell an wie es tatsächlich könnte (mit Strompeak und schnellem Strom).

Das verändert das Anlaufverhalten dann sehr negativ, und zwar mit viel träger und mit weniger Kraft und Präzision als eigentlich möglich.

Beide Betriebszustände, Servoanlauf- und Servoumpol-Bewegung, sind immer mit einer Servo-Anlaufbewegung verbunden und sind daher für ein Servo stromtechnisch der selbe Betriebszustand mit den selben Parametern und Rahmenbedingungen.

Selbst die stärksten Servos können, wenn der Anlaufstrom „träge“ ist, Ihre tatsächliche Stellkraft nur relativ „weich“ entfalten, ein stärkeres Servo unter gleichen Versorgungsbedingungen kann dabei kaum Verbesserungen bringen.

>> Und wie liefern wir den für die besten Servoleistungen notwendigen Strom?

>> Vor allem und in allererster Linie mit einem dafür geeigneten Akku!

>> BEACHTEN SIE HIERZU AUCH UNSERE SPEZIELLEN EMPFÄNGER-HOCHSTROM-VERSORGUNGEN...!

Es gibt nichts Besseres zur Stromversorgung von modernen Servos, als einen Akku, der die geforderten hohen Stromspitzen schnell liefern kann. Und eine Verkabelung, welche Akkuspannung und Strom auf dem direktestem Weg zu den Servos zu führt, ohne jegliche Spannungs-Regelung oder andere Widerstände auf dem Weg zwischen Akku und Servo, s.o.

Elektronische BECs sind sehr häufig überhaupt nicht auf diese schnelle Lieferung solch hoher Stromspitzen eingestellt. Damit erreicht ein Servo dann aber nicht die mögliche Anlaufkraft und die Anlauf-Geschwindigkeit, die ein gutes Servo tatsächlich entwickeln könnte.

Da sich die Servos natürlich trotz geringerer Leistungszufuhr oder abgeschnittenen Strompeaks zwar bewegen, wird oft gar nicht wirklich bewußt, welche Leistung, und die damit einhergehende Steuerpräzision, einfach verloren geht (obwohl schon bezahlt...)

Ohne optimale Stromversorgung ergibt die Verwendung von Top-Servos im Grunde keinen Vorteil. Oft sind auch Ausfälle durch kurze Spannungs-Einbrüche in der Empfangsanlage völlig unklar, weil der Empfänger den Einschalt-Prozess ständig wiederholen und neu hochlaufen musste. Das klappt leider nicht immer... mit teuren Folge-Erscheinungen... :(

„Dynamic Current“ und Anlauf-Strom Peak (für 2-3ms), ein Erfahrungswert hilft dabei. Man multipliziert den meist angegebenen Servo-Blockier-Strom mit dem Faktor 5-6, um die kurzzeitige Anlaufstrom- und Dynamic-Belastung mehrerer moderner und starker Servos abzudecken.

Ein Servo-Blockierstrom von 3,5A ergibt einen notwendigen Peakstrom von 17-20A - pro Servo...!

AKKUSPANNUNGEN FÜR SERVOS
Die Anpassung an unterschiedliche Servo-Spannungen erfolgt am Besten durch die Verwendung entsprechend passender Akkutypen. LiFe Akkus für alle Servos, oder LiPo Akkus für HV Servos. Damit ist eine Spannungsregelung heute nicht mehr notwendig.

LIFE- ODER LIPO-AKKUS?
Wir empfehlen zur Stromversorgung einer Empfangsanlage grundsätzlich (s.o.) LiFe- Akkus im Metallmantel mit Überdruckventil und möglichst geringem Innenwiderstand. Denn wenn alle anderen „Reduzierquellen“ beseitigt sind, kommt es nur noch auf den Akku an, damit die Servos ihre volle Kraft und Leistung entwickeln können.

Sollen unbedingt LiPo-Akkus verwendet werden, empfehlen wir auch da keine Spannungsregelung, sondern LiPo-Akkus im Metallmantel mit Überdruckventil, niedrigem Innenwiderstand und dazu nur 7,4V HV Servos einzusetzen, denn Spannungsregelungen sind für schnelle „Ströme“ grundsätzlich „zu langsam...!“

HOCHSTROM- ODER HOCHKAPAZITÄTS-AKKUS?
Hochstrom-Akkus arbeiten mit niedrigem Innenwiderstand und können sehr hohe Ströme sehr schnell, aber bei gleicher Zellengrösse nur mit kürzerer Betriebszeit liefern.

Hochkapazität-Akkus arbeiten mit höherem Innenwiderstand und können die meist deutlich geringeren Maximalströme nur relativ langsam, dafür aber über sehr lange Zeit liefern.

Zum besseren Verständnis ein Vergleich: Der Staudamm
Ist im Staudamm-Abfluss ein dickes Rohr (niedriger Innenwiderstand) eingebaut, kann eine gewünschte Menge Wasser in sehr viel kürzerer Zeit (schnelle Lieferung mit höherem Strom) zur Verfügung gestellt werden, als mit einem dünnen Rohr (hoher Akku-Innenwiderstand) und das völlig unabhängig davon, wie viel Wasser (Akkukapazität) sich im Staudamm befindet.

Dickes Rohr = niedriger Akku-Innenwiderstand -> schneller, starker Auslauf für kürzere Zeit
Dünnes Rohr = hoher Akku-Innenwiderstand -> langsamer, schwacher, aber langer Auslauf

Für maximale Servoleistungen müssen immer Hochstrom-Akkus eingesetzt werden, man muss aber dann auf sehr lange Betriebszeiten verzichten.

Für sehr lange Laufzeiten muss ein Hoch-Kapazitätsakku eingesetzt werden, man muss dann aber auf die maximal mögliche Servoleistung verzichten.

Beide Maximal-Eigenschaften in einem Akku erlaubt die Physik nicht.

2.4GHz + MODERNE SERVOS
Auch das ist, meist wenig bekannt, ein Akkuthema: Bei alter (35/40 MHz) Analogtechnik werden die Servo-Steuersignale nie gleichzeitig, sondern immer um eine Servoimpulsbreite plus Pause (max. 2,22ms, ms = Millisekunden) zeitlich nacheinander zu den Servos übertragen. Selbst wenn alle Servos gleichzeitig bewegt werden sollen, ergibt sich nie eine Ansteuerung aller Servos zur selben Zeit und damit wird auch nie gleichzeitig ein einziger, starker Strompeak für die beste Anlaufkraft der Servos benötigt.

Nicht nur bei Futaba 2,4GHz Empfängern werden systembedingt immer die ersten 6 Servos gleichzeitig angesteuert. Dann die zweiten 6 Servos, dann (bei 18 Kanalbetrieb) die dritten 6 Servos - immer jeweils gleichzeitig. Dazwischen liegt dann jeweils wieder eine Pause von max. 2,22ms.

Für Car-Empfänger bis 6 Kanäle folgt daraus: Es werden immer alle Servos gleichzeitig angesteuert.

Für gemixte Kanäle ist das ein Vorteil, weil alle Servos, z.B. bei 3 Servos, mechanisch gekoppelt auf einem Ruder, auch zeitgleich anlaufen.

Die gleichzeitige Ansteuerung der Servos ergibt jedoch auch immer und generell eine deutlich höhere Anlauf-Strombedarfs-Spitze durch die Servos, weil die Energie für kraftvollen Anlauf gleichzeitig benötigt wird.

Wenn bis zu 6 Servos gleichzeitig angesteuert und mit Kraft anlaufen sollen, dann ist somit auch der Anlauf-Strom für kurze Zeit(1-3ms) um den Faktor 6 höher als bei Analogtechnik.

Kraft und Anlaufgeschwindigkeit heutiger Servos kommen jedoch nur dann zum Tragen, wenn die dafür kurzzeitig notwendigen Anlaufströme auch in kürzester Zeit von der Stromversorgung bis direkt zum Servos geliefert werden, s.o.

UNSERE EMPFEHLUNG FÜR DIE PRAXIS
Kennen wir die Anwendung, schauen wir immer zuerst nach dem Innenwiderstand eines Akkutyps für die benötigte Servo-Performance und erst dann auf die Kapazität und die gewünschte Betriebszeit.

Der Innenwiderstand beschreibt die Möglichkeit, wie ein bestimmter Akku die Ströme liefern kann (s.o.). Akku-Kapazität steht für die mögliche Betriebszeit mit einem bestimmten Akku.

Ist die Akku-Kapazität auch noch so groß, die Anforderung „maximale Servo-Performance“ ist damit selten erfüllt (s.o.). Mit einer hohen Akku-Kapazität kann lediglich die Betriebszeit bestimmt werden.

Für die Anforderung „maximale Servo-Performance“ muss ein Akku mit niedrigem Innenwiderstand benutzt werden. Nur dieser kann die dafür benötigten, hohen Ströme schnell an die Servos liefern. Nur so können die Servos ihre maximale Performance entfalten.

Leider ist es aber fast immer so, dass Akkus mit niedrigem Innenwiderstand (bei gleicher Baugrösse) fast immer geringere Kapazität aufweisen. Die Betriebszeit wird kürzer.

Allerdings werden Akkus mit niedrigem Innenwiderstand schneller geladen als Akkus mit hohem Innenwiderstand. Das verkürzt die Ladezeit und damit wird auch der eventuelle Nachteil der geringeren Kapazität teilweise wieder kompensiert.

Positiv ist, dass es nicht nur Modellbau-Akkus mit hohem oder niedrigen Innenwiderstand, sondern mit allen Zwischenstufen gibt. Die Aufgabe für die Praxis ist dabei, die richtigen Prioritäten zu setzen, um den besten Kompromiss zwischen Servoleistung und Betriebszeit zu erreichen.

Daher gilt, dass die Kombination beider Akku-Parameter (Kapazität + Innenwiderstand) den richtigen Akku für die gewünschte Anwendung ergibt.

Wir vernachlässigen hier, dass man Empfangsanlagen und Servos auch betreiben kann, ohne diese Dinge zu beachten. Denn die Servos werden sich irgendwie schon bewegen, das Modell sich vielleicht auch mit weniger Akkuleistung steuern lassen. Man vergeudet dann aber gekaufte Servoperformance.

Es könnte aber durchaus sein, dass bei Änderung der Stromversorgung in einem schon bestehenden Modell nach diesen Regeln, der Pilot erst jetzt bemerkt, dass in seinem Modell eine deutlich schnellere und direktere Steuerbarkeit steckt...!

>> TESTEN SIE ES...!!!

KONSTANTE AKKUSPANNUNG FÜR DEN SERVOBETRIEB
Die Leistung der Servos ist auch stark von der Eingangs-Spannung am Servo abhängig, das ist wohl allgemein bekannt. Niedrigere Spannung = geringere Geschwindigkeit und Kraft.

Aber...

Wenn es auf gleichmäßige Kraft und Geschwindigkeit über die gesamte Betriebszeit ankommt, muss ein Akku mit flacher Entladekurve benutzt werden. Das sind immer, fast ausschließlich, Akkus mit niedrigem Innenwiderstand. Da kann es schon sinnvoll sein, auf die höchste (Anfangs)Spannung zu verzichten und z.B. von einem Lipo-Akku mit hohem Innenwiderstand auf einen LiFe-Akku mit geringerer Anfangs- und Gesamt-Spannung, aber sehr geringem Innenwiderstand zu wechseln. Mit einer flachen, gleichmäßigen Entladekurve und damit sehr konstanten Servolaufbedingungen über die Gesamtbetriebszeit.

Konstante Spannung über die gesamte Betriebszeit
image Es gibt sicher noch viele andere Kriterien für die Auswahl eines Akkus. Die hier beschriebenen Grundlagen dienen der optimalen Nutzung der gekauften (und z.T. teuer bezahlten) Servo-Performance und die lässt sich eben vor allem mit dem richtigen Akku herstellen.
image ACT Akkus werden immer mit Rund-Zellen im Metallmantel mit Überdruck-Ventil geliefert, die Lademethode ist immer CC-CV für LiFe- oder LiPo-Akkus. Lade-Spannung passend zum Akku-Typ.

Rundzellen-Abmessungen
Typ 18650 -> Durchmesser 18mm, Länge 65mm
Typ 26650 -> Durchmesser 26mm, Länge 65mm

Unsere Empfehlungen für optimale Anwendung, Priorität:
image Wer das Gesamtsystem „Empfangsanlage“ so umfassend betrachtet wie wir, und nicht in einzelne Geräte aufteilt und immer nur jeweils diese einzeln betrachtet, kommt sehr schnell darauf, wie die Gesamtbedingungen gestaltet sein müssen, damit immer die Beste Gesamt-Performance erreicht werden kann.

Vielleicht wird durch diese Beschreibung ersichtlich, warum unsere Splitter-Serie mit bis 120A Dauer- und bis zu 180A Kurzzeitströmen, und unsere DPS Akkuweichen und Sicherheits-Schalter für „kleinere Anwendungen“ mit bis zu 35A Dauer- und 70A Kurzzeitströmen, erheblich höhere Servo-Performance ermöglichen, als die bisher bei Produkten von Wettbewerbern bekannten Dauer- und Kurzzeitströme.

Gerade Futaba Servos leben ganz erheblich von diesen Stromlieferbedingungen und können dann ungeahnte Servo-Performance entwickeln. Das macht den Unterschied zu vielen anderen Servos.

Wir wollen einfach, dass unseren Kunden immer die beste Servo-Performance zur Verfügung steht.

Wenn Du FUTABA hast - dann hast Du FUTABA...!

ACT Europe im November 2020