הכל על סרוואים (או לפחות הרוב)

אז מה זה סרוו?

סרוו הוא רכיב חשמלי – מכאני אשר הופך אותות חשמליים שהוא מקבל מהמקלט לתנועה מכאנית. הסרוו מתחבר לערוץ ספציפי במקלט ומשמש להזזת אותו רכיב ספציפי בטיסן/מסוק/סירה/אופנוע וכד'. התנועה שהסרוו מבצע הינה פרופורציונאלית (תואמת) את תנועת הסטיק אשר אנו מבצעים. כלומר, תנועת סטיק גדולה תגרור תנועת סרוו גדולה (כמובן שזה גם תלוי באיך הערוץ מכוון בשלט אך לזה לא ניכנס).

לכל סרוו שלושה חוטים:
הראשון – משמש למתן מתח ישר (DC) - פלוס.
השני – משמש למתן אדמה – מינוס.
השלישי – זהו חוט ה"אות" או SIGNAL באמצעותו מעביר המקלט את הפקודות לסרוו וזאת בעזרת אות "הפעל/כבה" עליו נרחיב בהמשך. חוט זה בעצם משמש את המקלט בכדי "לדבר" עם הסרוו.

סרוואים באים בשלושה גדלים עיקריים (יש יותר אבל אלה העיקריים שבהם): Micro, Standard, Giant (1/4 Scale). הגדלים השונים קיימים בכדי שנוכל להתאים את הסרוו לשימוש שמתאים לנו – לא נרצה לשים סרוו ענק על דאון קל משקל פשוט כי אין בכך צורך...

דירוג מהירות ומומנט Speed & Torque:

אז בואו נבין על פי מה מקטלגים את יכולות הסרוואים השונים.
למעשה, שני הדירוגים העיקריים עליהם נבסס את בחירת הסרוו שלנו (למעט עניין הגודל והמשקל – שאני משער שהוא ברור) הם המהירות והמומנט.
המהירות היא מדד האומר כמה זמן לוקח לסרוו להסתובב מספר מסויים של מעלות. בד"כ, בכדי להקל על ההשוואה בין הסרוואים, הוחלט על 60 מעלות כקו מנחה לכל הסרוואים. או במילים אחרות, כאשר מדברים על מהירות הסרוו, מדברים על הזמן שלוקח לגלגל/זרוע הסרוו להשלים תנועה של 60 מעלות. ככל שדירוג המהירות נמוך יותר, כך הסרוו מהיר יותר. זהו מדד חשוב מאוד שכן, אם נרצה להתקין סרוו לזנב של מסוק, נרצה סרוו מהיר מאוד בעוד שאם מדובר על סרוו למדפי טיסן, דווקא המהירות היא לא מה שחשוב לנו.
המומנט הוא מדד האומר מהו הכוח הזוויתי המקסימלי שאותו יכול להפעיל הסרוו. אם נחזור לפיזיקה תיכונית, מומנט הוא כוח כפול זרוע – הכוח שמופעל כפול המרחק שבו הוא מופעל מנקודת הייחוס שלנו. היחידות בהם נמדד המומנט במקרה של סרוואים הוא oz-in – אוונס לאינטצ' או kg-cm – קילוגרם לסנטימטר (התרגום לעברית לא ממש נכון כאשר אומרים קילוגרם לסנטימטר כי תרגום זה מעיד על חלוקת האחד בשני בעוד שבפועל מדובר על כפל בינהם). מכל זה ניתן להבין כי ככל שדירוג המומנט או Torque של הסרוו גבוה יותר, כך יש לו יותר כוח. אז מה זה בעצם 30 oz לאינטצ'? אם היתה לנו זרוע של סרוו באורך 1 אינטצ', היינו יכולים לתלות משקולת במשקל 30 oz בקצה שלה מבלי שהסרוו "יחליק" או ייתן לזרוע לרדת. אם הייתה לנו זרוע באורך חצי אינטצ', היינו יכולים לתלות בקצה שלה משקולת במשקל 60 oz וכך הלאה.

דירוגים אלה של רוב הסרוואים נתונים בתלות במתח או הוולטאג' שאנו מספקים לסרוו. 4.8 – 8.6 וולט. ככל שהמתח גדול יותר, כך הדירוגים טובים יותר. כמובן שלכל סרוו הגבלה על המתח המקסימאלי שהוא יכול לקבל. לדוגמא, נכון להיום, מרבית סרוואי הזנב של מסוקים אינם יכולים לעמוד ביותר מ – 5.3 וולט. יותר מזה והם נשרפים (כיום כבר קיימים כאלה שיכולים לעמוד ב – 8.6 וולט ואני מאמין שהם יהפכו יותר ויותר פופולאריים ובכך יחסכו את הצורך ב – (Step Down.

סרוו דיגיטאלי מול סרוו אנלוגי:

אז מהו ההבדל בין השניים?
עד לפני כמה שנים, היו רק סרוואים אנלוגיים. כיום, ישנו מבחר רחב של סרוואים דיגיטאליים אשר ממנו אנו יכולים לבחור. אז איך נדע אם לקנות סרוו אנלוגי או דיגיטאלי לטיסן/סירה/מסוק/מכונית שלנו? בואו ראשית נבין איך כל אחד מהם עובד ומהם היתרונות והחסרונות של כל אחד.
דבר חשוב שיש להבין הוא שאין כל רכיב פיזי עיקרי השונה בין השניים. גוף הסרוו, מנוע, הילוכים, ואפילו משוב הפוטנציומטר, לכולם יש את אותן פונקציות ופעולות בשני הסוגים.

ההבדל בין השניים הוא איך האות מן המקלט מעובד וכיצד מידע זה משמש לשלוח כוח למנוע הסרוו.

פעולת סרוו אנלוגי:

סרוו אנלוגי שולט על מהירות המנוע על ידי שליחה לסירוגין אותות מתח או פולסים אל המנוע. מתח זה הוא קבוע או ליתר דיוק - 4.8-8.6 וולט.

זוכרים את תדר ה"הפעל, כבה" הזה עליו אמרתי שהמקלט מעביר דרך החוט השלישי לסרוו? הוא פועל בתדירות של 50 מחזורים בשנייה. ככל שפולס ה"הפעל" ארוך יותר, כך תנועת המנוע של הסרוו מהירה יותר ומייצרת יותר מומנט.
למעשה, כך נשלטים מרבית המנועים החשמליים. כלומר, לא משנים את המתח על המנוע בכדי לגרום לו להסתובב מהר יותר אלא פשוט נותנים לו פולס יותר ארוך של "הפעל".
כאשר אתה לא נותן פקודות עם הסטיק, לא מופעל מתח על מנוע הסרוו. ככל שתנועת הסטיק גדולה יותר, נשלחים פולסים יותר ארוכים של "הפעל" אל המנוע.



למעשה, משום שנשלח פולס כזה אל מנוע הסרוו כל 20 מילישניות (50 פעם בשניה), זה לא מאפשר לו לייצר מהירות גדולה או מומנט גדול. זהו החיסרון של סרוואים אלה.

פעולת סרוו דיגיטאלי:

לעומת האנלוגי, בסרוו דיגיטלי, ישנו מיקרופרוססור אשר מעבד את המידע שנשלח מהמקלט ושולח למנוע הסרוו 300 פולסים בשניה. על ידי כמות כל כך רבה, המנוע מאיץ הרבה יותר מהר ומייצר הרבה יותר מומנט. דרך אגב, זו הסיבה שסרווים אלה "מזמזמים" כאשר הם לא מקבלים פקודה. אלה פולסים קצרים הפועלים על המנוע כתוצאה מעומסים קטנטנים הפועלים על זרוע הסרוו.

כל זה יוצר בסופו של דבר דיוק הרבה יותר גדול - צמצום "dead band" או "האזור המת" שבמרכז התנועה של הסרוו. אם ננסה להזיז סרוו אנלוגי בכוח כאשר הוא מחובר, נגלה שאנחנו מקבלים תחושה "ספוגית" משהו, בעוד אם ננסה לעשות זאת עם סרוו דיגיטלי, נגלה שאיננו מצליחים להזיזו. הבדל זה נעוץ בכך שקצב התגובה של סרוו דיגיטלי מהיר הרבה יותר כי הוא מקבל אותות בתדירות הרבה יותר גבוהה.

כמובן ששום דבר טוב - לא זול, ועל דיוק ומומנט נשלם בחשמל. סרוואים דיגיטלים הרבה יותר "זללנים".

אם תבדקו, תופתעו לדעת שדירוגי המהירות והמומנט של סרוואים אנלוגיים טוב יותר מזה של הרבה סרוואים דיגיטאליים. מוזר לא? אותי זה הפתיע.. אז למה בעצם סרוואים דיגיטאליים נחשבים טובים יותר? הסיבה נעוצה בכך שהדיגיטאליים מסוגלים להגיע לנתוני הקצה שלהם גם בתנועות קטנטנות ומהירות בעוד שהאנלוגיים מגיעים לנתונים המקסימאליים שלהם רק בתנועות סטיק גדולות. המשמעות היא, שכאשר הג'ירו לדוגמא, מבצע תיקון קטנטן בזנב, סרבו דיגיטאלי ייתן לו תוצאות הרבה יותר טובות. כנ"ל גם בטיסת 3D זריזה וכד'.

סרוו Coreless:

מנוע של סרוו סטנדרטי הוא בעל שלושה קטבים וחוט מלופף על ליבת המנוע העשויה מפלדה. מסביב לליבה זו, ישנם מגנטים קבועים המקיפים אותה ויוצרים שדה מגנטי אשר גורם לליבת המנוע להסתובב כאשר מעבירים בחוטים שמלופפים עליה זרם (למה הליבה מסתובבת? לא ממש ניכנס לזה אבל, אם זה ממש חשוב לכם, אציין בשתי מילים כי על אלקטרון הנע בשדה מגנטי פועל כוח הנקרא כוח לורנץ. כוח זה פועל גם על זרם הנע בשדה מגנטי כי זרם מורכב מתנועה של המון אלקטרונים. הכוח הזה, גורם לחוט בו עובר הזרם לרצות לזוז בכיוון הכוח שפועל עליו. בחזרה לענייננו). כמובן שלליבת הפלדה ולחוט שמלופף סביבה משקל לא מבוטל. זה אומר, שכאשר מפעילים מתח על מנוע הסרבו, ראשית עליו להתגבר על המשקל הזה בכדי שהליבה תתחיל להסתובב. זה לוקח זמן (זה נגרם בגלל עוד עיקרון פיזיקאלי משעמם הנקרא תנע זוויתי ואשר תלוי במומנט ההתמד של צורת הליבה. זה גם נובע מהבדלים שבין חיכוך סטאטי לחיכוך דינאמי. אבל לא נפצח פה בשיעור פיזיקה.. אמרתי שזה משעמם לא?). לכן, מנוע כזה מאיץ יחסית לאט. בסרוו Coreless הליבה הזו לא קיימת. במקום זה, במרכז המנוע ישנם מגנטים בעוד רשת של חוטים מסתובבת סביבם. בגלל שמשקל רשת החוטים הזו הרבה יותר קטן ממשקל ליבה, ההאצה והתאוטה של המנוע הרבה יותר זריזה (הרשת בעלת מומנט התמד נמוך יותר מזה של ליבת הפלדה). דבר זה יוצר סרוו מהיר ובעל מומנט גבוהה יותר (אך גם יקר יותר).

סרוו Brushless:

לא אכנס לעומקו של ההבדל בין מנוע Brushed למנוע Brushless. אולי בהזדמנות אכתוב גם על כך סקירה.. מה שכן, אסביר בכמה מילים:
מכיוון שהחוטים המלופפים (עליהם הסברתי קודם) מסתובבים יחד עם הליבה, נוצרת בעיה לחברם למקור מתח (אם נחבר להם חוטים חיצוניים הם פשוט יתלפפו סביב עצמם)
אם נבחן מודל מפושט של מנוע חשמלי רגיל (Brushed או בעל "מברשות"), נבחין כי זרם מועבר לחוטים המלופפים סביב הליבה באמצעות שתי קוביות (בד"כ עשויות פחם) אשר נוגעות בציר הראשי של המנוע. הקוביות האלה נוגעות (דרך רכיב נוסף הנקרא קומוטטור) בקצות החוטים ומעבירות להם זרם – אחת מינוס והשנייה פלוס. הקוביות האלה נקראות מברשות או באנגלית Brushes.
נשמע הגיוני ופשוט אך מברשות אלה יוצרות חיכוך המפריע לפעולת המנוע וכמו כן נשחקות עם הזמן.




הפתרון הגיע בשנים האחרונות בצורת מנועי ה – Brushless. מנועים אלה אינם משתמשים במברשות ובקומוטטור אלא בהפעלה אלקטרונית של הסלילים המלופפים על הליבה. ההפעלה האלקטרונית הזו מתוזמנת על ידי בקר מהירות כך שזרם יגיע לסליל המתאים בדיוק ברגע המתאים. התזמון הזה נעשה על ידי בחינה מתמדת של מיקום הליבה ביחס למגנטים שמקיפים אותה (באמצעות אחת משתי שיטות – אפקט הול או על ידי EMF – גל אלקטרומגנטי המוחזר מהסלילים. לא נעמיק בזה...).
היתרון ברור – אין חיכוך של המברשות ולכן נוצר פחות חום ויותר כוח מפונה לטובת סיבוב הציר הראשי. כמו כן, הנצילות של מנועים אלה גדולה ברבה כלומר, אני מקבלים חזרה בצורת הספק מכאני כ – 80-90 אחוזים מההספק החשמלי שהשקענו.



אז איך כל זה משפיע על הסרוו? פשוט, סרוו בעל מנוע Brushless חזק ומהיר הרבה יותר. בקיצור, מדדי המהירות והמומנט שלו טובים יותר אך כמובן שהוא גם סרוו יקר יותר.

מיסבים:

אם נשים לב, בסרוואים רבים רשום כי יש להם מיסב אחד או שניים – Bearings. ראשית, בואו נבין מהו מיסב. המסוקאים שבנינו מכירים אותם טוב כי הם נמצאים כמעט בכל חור במסוק. אבל מה הם עושים בעצם? המטרה של המיסבים היא לאפשר תנועה סיבובית של חלקים תוך יצירת מעט חיכוך. בעצם כל רכיב מסתובב מוחזק במקום בעזרת רכיב קבוע. אז איך בעצם הוא יכול להסתובב? בעזרת המיסבים.
ישנם סוגי מיסבים רבים המיועדים לעמוד בסוגי וכיווני כוחות רבים אך לצורך ענייננו, נעמיק בשני סוגים: מיסב החלקה ומיסב כדורים.

מיסב ההחלקה הוא מעין שרוול דרכו עובר הרכיב המסתובב. הרעיון הוא שהמיסב עשוי מחומר בעל מקדם חיכוך נמוך ובכך, מאפשר החלקה (ומכאן שמו) של הרכיב המסתובב בתוכו.
היתרון של מיסב זה הוא שהוא חסכוני מאוד במקום והוא מסוגל לעמוד בכוחות גדולים מאוד מבלי להיהרס. עם זאת, הוא לא באמת מונע חיכוך אלא רק מצמצם אותו. בד"כ משתמשים במיסב זה כאשר ישנו מחסור במקום (כמו בסרוואים למשל).



לעומתו, מיסב כדורים הוא המיסב המוכר ביותר והדבר הראשון שעולה לראש כאשר אומרים לנו את המילה מיסב (או קוגלאגר לוותיקים ו/או הגרמנים שבנינו).
מיסב זה בנוי למעשה מטבעת חיצונית וטבעת פנימית אשר ביניהן נמצאים כדורי מתכת קטנים. כדורים אלה מאפשרים לטבעת אחת לזוז בנפרד מהטבעת השניה. הכדורים למעשה כמעט ומונעים לחלוטין את החיכוך. המיסבים האלה שקטים ביותר, חלקים, ובעיקר, חוסכים ביזבוז אנרגיה על חום (הנוצר מחיכוך).



למעשה, לכל סרוו יש מיסבים אך כאשר כתוב על סרוו כי הוא מכיל מיסבים, הכוונה היא למיסבי כדורים. אלה בד"כ נמצאים על גבי הציר הראשי של הסרוו ומאפשרים לו לעבוד בצורה מהירה וחזקה יותר. הם גם מונעים היווצרות של חופשים לאורך זמן כי הם סופגים את הכוחות הרדיאליים הפועלים על הציר הראשי של הסרוו כתוצאה מעומסים שפועלים עליו.

גלגלי שיניים – Gears:

הנושא האחרון אליו יש לשים לב בעת בחירת סרוו הוא ממה עשויים גלגלי השיניים. לכל סרוו גלגלי שיניים אשר תפקידם להפחית את מהירות הסיבוב ואת מספר הסיבובים שבין המנוע לבין הציר הראשי עליו יושבת הזרוע. למה להפחית? כי מנוע הסרוו מסתובב במהירות אדירה ומספר רב של סיבובים בעוד אנו זקוקים לטווח תנועה של כ 180 מעלות בזרוע. גלגלי השיניים מתפקדים כתיבת הילוכים (בדיוק כמו זו שבמכונית) ובעזרת יחסי הגודל והשיניים ביניהם, מפחיתים את מספר הסיבובים ויוצרים מומנט יותר גדול.
למה כל זה חשוב לנו? כי גלגלי השיניים האלה סופגים את העומסים הרבים להם חשוף הסרוו והדבר בעיקר משמעותי כאשר מדובר בריסוקים (סליחה על המילה הגסה). סרוו בעל גלגלי שיניים מפלסטיק, או יותר נכון מניילון, אמנם זול יותר, אך כנראה שבכל ריסוק יידרש להחלפת גלגלי השיניים שכנראה ישברו. לעומתו, סרוו בעל גלגלי שיניים ממתכת יותר עמיד ויכול לעמוד בעומסים גדולים יותר. זוהי השקעה כדאית בכל הנוגע למסוקים וגם למכוניות החשופים למכות באופן תדיר יותר.
ישנם סרוואים איכותיים ויקרים עוד יותר, בעלי גלגלי שיניים מטיטניום. למה זה טוב? כי טיטניום היא מתכת קלה מאוד (ויקרה) ולכן קל מאוד לגרום לגלגלי שיניים העשויים ממנה להסתובב (בדיוק כמו בליבת מנוע חשמלי זוכרים? המשקל מקשה על תחילת הסיבוב). התוצאה היא סרוו זריז ומדויק מאוד בעל עמידות גבוהה.




זהו פחות או יותר. מקווה שעזרתי להבהיר כמה דברים בנושא...

יופי של מאמר :)

רון כל הכבוד על הסקירה ,ממצא מיקצועי ומושקע. תודה רבה .

תודה ! רון
תודה על המאמר המקצועי והמושקע ..

האם יש מניעה לשלב סרוו דיגיטלי וסרוו סטנדרטי על אותו המקלט?

אחלה סדר, תודה

מסתבר שהתחום מתחדש כל הזמן... תודה על הסקירה.