Kann man ein 5V-RC-servo auf 12V 'upgraden'?

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04.07.2019, 15:47
puuduu

Kann man ein 5V-RC-servo auf 12V 'upgraden'?

Hallo zusammen,

ich habe einen vierbeinigen Roboter gebaut und nutze dafür diese Servos. Als ich den Roboter damals konstruiert und ausgelegt hab, hab ich nach Servos mit einer höheren Nennspannung gesucht, aber leider keine in meinem Budget gefunden und deswegen diese 5V-Modellbau-Variante genommen.

Aktuell funktioniert der Roboter. Allerdings ziehen die Servos so viel Strom, dass man nicht alle Aktoren gleichzeitig bewegen kann, da das Netzteil nicht den benötigten Strom liefern kann (ist bis 3.5A geregelt). Eine Möglichkeit, dieses Problem zu beheben, wäre natürlich eine weiteres Netzteil zu besorgen. Allerdings könnte mein aktuelles locker die benötigte Leistung liefern, nur halt nicht bei 5V.

Die beste Lösung wäre also meiner Meinung nach, die benötigte Leistung durch eine Spannungserhöhung zu liefern. Mit diesem Hintergedanken habe ich eben einen der Servos aufgemacht, um mir das Innenleben anzusehen. Unter anderem bestehen sie aus einem DC-Motor sowie einer Steuerungselektronik.

Da ich aus dem digitalen Bereich komme, habe ich leider nicht genug Ahnung davon: Ist es möglich, diesen Motor einfach mit einer höheren Spannung zu versorgen? Soweit ich weiß, zählt bei einem Motor der eingespeißte Strom und nicht die angelegte Spannung. Könnte man also eine selbstgebaute Regelung einbauen, die mit einer höhren Spannung klar kommt?
04.07.2019, 16:11
Gnom67

Beim DC-Motor gilt:
1.) Je höher die Spannung, desto schneller der Motor.
2.) Nach schnell kommt kaputt.

Kaum anzunehmen, dass die Motoren das auf Dauer durchhalten.

Vielleicht kannst du die 12 V nehmen und an den nötigen Stellen mit DC-Wandlern auf 5 V bringen.
Wenn du mehrere Servosteuerungen hast, müsste das doch gehen.
04.07.2019, 16:28
puuduu

Eventuell habe ich ein falsches Verständnis von Motoren, vielleicht kann mir hier jemand das Brett vom Kopf nehemn:

Das große Vorbild meines Roboters nutzt 48V Motoren. In meiner Vorstellung hat das den Vorteil, dass dadurch die Ströme ausfallen, da ja P = U*I und bei gleicher Leistung und höhrerer Spannung der Strom sinken müsste. Ist das nicht so? Welchen Grund gibt es dann, Motoren mit einem hohen Nennstrom zu nutzen?
04.07.2019, 17:18
HaWe

Zitat:

Zitat von puuduu

Eventuell habe ich ein falsches Verständnis von Motoren, vielleicht kann mir hier jemand das Brett vom Kopf nehemn:

Das große Vorbild meines Roboters nutzt 48V Motoren. In meiner Vorstellung hat das den Vorteil, dass dadurch die Ströme ausfallen, da ja P = U*I und bei gleicher Leistung und höhrerer Spannung der Strom sinken müsste. Ist das nicht so? Welchen Grund gibt es dann, Motoren mit einem hohen Nennstrom zu nutzen?

höherer Nennstrom und/oder höhere Spannung ergibt höhere Leistung. Die Formel hast du ja selber angegeben, wobei der Strom passiv (relativ proportional) zur angelegten Spannung ansteigt (ergibt sich aus dem Innenwiderstand der Leitungen/Wicklungen).

Motorelektrik und Motorelektronik sind bezüglich Nennspannung und Nennstrom per Konstruktion einander angepasst, damit nicht Wicklungen oder Elektronik durchschmoren.

Zu deiner Eingangsfrage:
wenn es Servomotoren sind, kannst du vlt von 5V auf 6V erhöhen, aber sicher nicht auf 12V.
04.07.2019, 17:27
oberallgeier

Zitat:

Eventuell habe ich ein falsches Verständnis von Motoren .. In meiner Vorstellung hat das den Vorteil, dass dadurch die Ströme ausfallen, da ja P = U*I und bei gleicher Leistung und höhrerer Spannung der Strom sinken müsste ..

Stimmt ja auch - bei gleicher Leistung sinkt der Strom mit steigender Spannung. Genau das sagt die Gleichung aus. Probier doch mal (nur mal so - geschätzt für 8 Servomotoren):
8 Servos ziehen rund 3,4 A - dann zieht einer weniger als ein halbes Ampere (0,425).
Mit . . . . . . . . . . P = U * I . . . . . . . . . . folgt
. . . . . . . . . . . . 2,13 W = 5,0 V * 0,425 A oder
. . . . . . . . . . . . 2,13 W = 230 V * 0,0092 Amperchen
Fazit : kauf Dir nen Gleichrichter für Netzstrom und Du kannst mit minimalstem Strom einen Modellbauservo betreiben.

Das Dumme daran: Der Motor ist für 2W(el) Leistung ausgelegt. Bei 230 V wird der aber sicher etwas (nein - viel) mehr Strom ziehen als 0,0092 A - und das geht als Leistung in Dein Getriebe, das aber nur für 2,13 W ausgelegt ist. Das hält nicht lange. Das ist nun drastisch, bei 12 V ists aber nicht viiiel einfacher.

Wieso wirst Du fragen?
Dein Servomotor - seine Wicklung - wird wohl (nach Methode Milchmädchen und U=R*I) rund 12 Ohm haben. Bei 12 V läuft dann 1 A durch die Wicklungen - und neben dem Getriebeschaden sind Durchbrennen des Motors oder ziemlich schnell Durchschmoren des Kollektors (Du hast ja wohl eher Billigservos) möglich, vielleicht stribt zuerst auch nur die Servoelektronik. Irgendetwas geht zuerst drauf.

Fazit2: nimm mal nen Motor und füttere den mit 12 V. Und schreib uns was nach fünf oder zehn Minuten Hin-und-Herfahren passiert.
04.07.2019, 23:51
Klebwax

Zitat:

Zitat von puuduu

Hallo zusammen,

ich habe einen vierbeinigen Roboter gebaut und nutze dafür diese Servos. Als ich den Roboter damals konstruiert und ausgelegt hab, hab ich nach Servos mit einer höheren Nennspannung gesucht, aber leider keine in meinem Budget gefunden und deswegen diese 5V-Modellbau-Variante genommen.

Du bist auf das prinzipielle Problem der RC-Servos gestoßen: sowohl die Elektronik als auch der Motor liegen an der gleichen Spannungsversorgung. Das hat zu einer Zeit, als der Empfängerakku die einzige Stromquelle in einem Modell war, seine Berechtigung. Die Servos hatten ja nur die Ruder zu bewegen.

Zitat:

Da ich aus dem digitalen Bereich komme, habe ich leider nicht genug Ahnung davon: Ist es möglich, diesen Motor einfach mit einer höheren Spannung zu versorgen? Soweit ich weiß, zählt bei einem Motor der eingespeißte Strom und nicht die angelegte Spannung. Könnte man also eine selbstgebaute Regelung einbauen, die mit einer höhren Spannung klar kommt?

Ein Elektromotor geht aus zwei Gründen kaput, mechanisch durch zu hohe Drehzahl oder durch zu hohe Temperatur. Spannung oder Strom kommen nur in extremen Fällen in Frage. Wenn also die Reglung, typisch PWM, dafür sorgt, daß die Drehzahl nicht zu hoch wird, geht der Motor eigentlich auch nicht an Überhitzung zu Grunde. Zur Sicherheit sollte man trotzdem auf die Temperatur achten. PWM und Induktivität, die des Motors, ergeben einen Schaltregler. Mit einem außreichend großen Eingangskondensator stellt sich dann auch der entsprechend geringere Eingangsstrom ein. Die in den Servos verwendeten Elektroniken lassen das aber nicht zu, die Steuerung und auch der Motortreiber kommt mit der höheren Spannung nicht klar.

Man könnte aber ein Servo "entkernen" und die Motor und Potianschlüsse nach draußen führen. Denkbar wäre, das Servo-IC mit der Prozessorversorgung zu betreiben und einen Motortreiber für eine höhere Spannung dahinter zu schalten. Diese Kombination würde aber nicht berücksichtigen, daß der Motor nicht mehr mit 100% betrieben werden darf.

Daher ist es besser, ein Digitalservo nachzuempfinden. Ein kleiner µC liest die Servopulse und das Poti ein und erzeugt daraus eine PWM für den Motor. Eine Leistungsstufe steuert dann den Motor, versorgt mit einer anderen Spannung. Wenn man aber soweit ist, kann man sich von den Servopulsen auch ganz befreien, und die Servos über UART oder I2C vom Hauptprozessor steuern.

Ich mache gerade Experimente mit diesen Treibermodulen, die recht erfolgreich sind. Diese Module sind möglicherweise etwas überdimensioniert, sie nehmen einem aber die Notwendigkeit ab, ein Kühlpad auf der Unterseite des Chips zu verlöten. Dazu meinen derzeitigen Favoriten im kleinen, 14poligen Gehäuse als Prozessor, den PIC16F18326 und man kann sich in SW richtig austoben (da hier viele AVR Anhänger sind: Microchip hat sicher auch passende AVRs im Angebot). Vom klassischen P-Regler, wie es die Servo-ICs machen, bis zum komplett eigenen Konzept. Wenn man die Versorgung der Servomotoren auch noch misst, kann man sich mit dem maximalen Dutycyle auch an unterschiedliche Versorgungen anpassen.

MfG Klebwax
06.07.2019, 09:55
oberallgeier

Zitat:

.. Ich mache gerade Experimente mit diesen Treibermodulen, die recht erfolgreich sind. Diese Module sind möglicherweise etwas überdimensioniert ..

Dein Treiber(link) ist mir sofort ins Auge gessprungen, zumal ich die technischen Angaben im Chinashop nur überflogen hatte (4.9 × 6 mm). Beim näheren Hinsehen fand ich zwei wichtige Punkte: einmal ist die Platine hübsch - sogar mit Befestigungslöchern - aber eben dann doch 20 mm x 23 mm (mein TB6612FNG-Breakoutboard hat 20 mm x 20 mm), zum andern ist der Einsatzbereich des DRV8871-Boards erst ab 6,5V Versorgungsspannung (VM) angegeben - andererseits, zum Glück, aber die Logikeingänge auf 0..5,5V.
Frage: was macht das Teilchen, wenn das DRV8871-Board auf VM mit 5V versorgt wird? Funktioniert der DRV8871 auch mit dieser Unterspannung? Hast Du dazu schon Erfahrungen?
06.07.2019, 13:00
Klebwax

Zitat:

Zitat von oberallgeier

Dein Treiber(link) ist mir sofort ins Auge gessprungen, zumal ich die technischen Angaben im Chinashop nur überflogen hatte (4.9 × 6 mm).

Naja, SO8 halt. Ich habe früher den A4950 verwendet der ist sehr ähnlich. Eingebauter Stromchopper als Strombegrenzung und auch SO8. Das Problem für mich war, das Anlöten des Thermal Pads auf der Unterseite. Ich löte von Hand und da muß man schon einige Klimmzüge im Footprint machen, um mit einem Kolben die Hitze unter dem Chip zu bekommen. Ich habe häufig mehrere Versuche gebraucht. Den DRV bekommt man schon mal aufgelötet und von vielen Anbietern. Ich habe einfach einen Footprint von dem Board gemacht und löte das auf meine Platine, die Befestigungslöcher lasse ich außen vor. Für die Eingänge benutze ich die Stiftleiste, für Power und die Ausgänge Silberdraht. Das Ganze ist ein Bauteil mit exotischem Pinning.

Zitat:

Frage: was macht das Teilchen, wenn das DRV8871-Board auf VM mit 5V versorgt wird? Funktioniert der DRV8871 auch mit dieser Unterspannung? Hast Du dazu schon Erfahrungen?

Wollte schon schreiben, habe keine Erfahrung damit. Dann wurde mir klar, da ich gerade daran programmiere, ich brauch bloß statt Akku das Labornetzteil anzuschließen. Daher: bei 7V gehts, bei 6 nicht. Dreht man dann wieder auf 7V hoch, geht er wieder.

Eine Begründung, warum das so ist, liefere ich mal hier. Die Brücke in dem Chip besteht aus FETs. Und FETs, die auch noch Strom vertragen sollen, brauchen eine Mindestspannung am Gate. Ist diese zu gering, arbeiten sie im linearen Bereich und werden kräftig warm. Das kann man sich in einem kleinen Gehäuse nicht leisten. Daher zuverlässiger Betrieb mit ausreichend Gatespannung oder abschalten statt abbrennen.

Ich weiß, daß du gerne Motore mit 5V betreibst. Es bleibt trotzdem eine schlechte Idee. Ich verwende beim Testen gerade einen 12V Akku, aber eigentlich soll eine Versorgung mit 24V oder mehr ran.

Dieser Thread hat so angefangen: kann man kleine Spannung und hohen Strom nicht durch hohe Spannung und kleineren Strom ersetzen. Das sollte man so machen, die ohmschen Verluste gehen mit dem Quadrat der Stromes. Halbierter Strom viertelt die Verluste.

Oder auch anders gesehen: der DRV hat rund ein halbes Ohm Rdson. Das sind bei 2A 1V. Von 5V Versorgung bleiben bei 2A 20% am Treiber liegen. Und ehe man sich versieht, hat man noch mal ein halbes Ohm in Kabeln, Steckern und Schaltern dazu gepackt. Beim alten L298 ist das noch schlimmer, bei vergleichbarem Strom bleiben 2,5V (bipolar, daher Spannung), also 50% beim Treiber.

MfG Klebwax
06.07.2019, 13:28
oberallgeier

Zitat:

.. Ich habe früher den A4950 .. sehr ähnlich .. Das Problem .. Thermal Pads auf der Unterseite .. exotischem Pinning .. bei 7V gehts, bei 6 nicht ..

Danke! Sehr schön erklärt, sehr lehrreich und einleuchtend.

Den 4950 habe ich auch hier. Gekauft und wieder weggelegt, weil der für eine Supplyspannung von mindestens 8V spezifiziert ist; bis zum Problem der Thermal Pads auf der Unterseite war ich garnicht gekommen . . .

Zitat:

.. Ich weiß, daß du gerne Motore mit 5V betreibst. Es bleibt trotzdem eine schlechte Idee. Ich verwende beim Testen gerade einen 12V Akku ..

Ach, bei mir ist das ein bisschen zur fixen Idee verkommen: eine Steuerung die mit dem Standard-Servo-3-Pfosten-Stecker zurecht kommt. Und da ist die Spannung selten mehr als 6 Volt. Aber auf den Platinen für meinen archie hatte ich zwei Schraubklemmen-Paare. 1x Controller etc, 1x Servo-10-Stecker-Bank, letztere sogar spezifiziert für 6,6V *ggg*. In diesem Thread ist ja aber wirklich die Aufgabenstellung deutlich anders.

Nochmal: sehr schöne Antwort, vielen Dank!