THEORIE de la RC

SERVO-MECANISMES ( 2 )

Après avoir étudié, le mois dernier, le principe de fonctionnement des servo-mécanismes proportionnels utilisés dans nos modèles, nous allons nous attarder un peu sur les caractéristiques de ces éléments essentiels de l'ensemble radio.

MECANIQUE.

Le servo tire son énergie mécanique d'un MOTEUR ELECTRIQUE à aimant permanent. Le rotor bobiné est alimenté par
un collecteur tournant, à 3, 5 .. secteurs. Des balais fixes touchant ce collecteur permettent l'arrivée du courant. Dans un tel moteur le sens de rotation dépend du sens de branchement de la source de courant continu. Tout cela est très classique, tous les servos ayant le même type de moteur. Ces éléments, malgré leurs faibles dimensions, ont une excellente fiabilité :
Il est rare d'avoir des problèmes avec le moteur d'un servo.

La capacité à démarrer avec une faible impulsion de courant est importante car elle conditionne la précision finale du mécanisme. Il peut arriver que le tandem collecteur/balais s'encrasse. Dans ce cas le moteur ne démarre pas. Par contre,
il suffit de pousser un peu le palonnier de sortie, ce qui fait bouger le rotor, pour le relancer. Il est évidemment difficile et
risqué d'ouvrir le moteur pour un grand nettoyage. Les plus téméraires le feront, mais il suffit souvent de faire tourner le
moteur à régime continu, pour lui redonner une certaine jeunesse. Pour ce faire : ouvrir le servo et déposer l'un des pignons intermédiaires. Connecter le servo sur une sortie du récepteur sous tension et sous contrôle de l'émetteur. Bouger le manche concerné : le moteur se met à tourner dans un sens ou dans l'autre, sans entraîner le potentiomètre. Il ne s'arrête donc pas. Laisser tourner ainsi au moins une demi-heure dans un sens puis une demi-heure dans l'autre sens. Le plus souvent, cette rotation continue nettoie les éléments coupables et redonne une certaine fraîcheur à une mécanique que les petits mouvements habituels avaient quelque peu lassé !

On peut utiliser le récepteur+émetteur normal pour cette cure, mais c'est vraiment la "grosse artillerie" qu'un modeste SERVO-TESTEUR remplace bien mieux. Voir plus loin.

Le mouvement du moteur est transmis au palonnier par des pignons démultiplicateurs. Si le pignon moteur est toujours en métal, les autres sont ou de même ou en plastique. Au niveau du fabricant, il est facile de comprendre que mouler du
plastique est moins coûteux que de tailler du métal. Côté utilisateur, si le métal semble préférable pour la précision et la
solidité, le plastique convient bien dans la majorité des cas, ayant par ailleurs l'avantage du silence. Par contre on peut lui
reprocher de ployer sous la charge et donc de compromettre la
précision de position dans ce cas.

Le dernier pignon de la chaîne actionne directement le palonnier. Depuis quelques années, tous les servos sont à sortie rotative,
le palonnier classique étant en général un disque circulaire à trous.
On peut remarquer que le déplacement RECTILIGNE obtenu dans ces conditions
( Fig 1 ) n'est pas linéaire, mais sinusoïdal.

Si pour 22°5 on obtient un déplacement de 0.38 R, il n'est que de 0.70 R pour 45° ( au lieu de 0.76 R ) Plus l'angle augmente et plus la perte est significative. On a donc une légère dilatation de la course au voisinage du neutre.

Toutefois, comme à l'autre bout de la barre de commande, on dispose un guignol fonctionnant suivant le même principe, le même effet s'y produit en sens contraire annulant le premier. L'angle de rotation du servo se retrouve alors sur le volet, si "R" du servo égale "l" du guignol ou proportionnellement dans les autres cas. Voir Fig. 2. ci-dessous.

     On trouvait jadis des servos à sorties
     LINEAIRES en opposition
     ( GRAUPNER 3760, 3833,
                 LEXTRONIC ... )

Deux crémaillères étant déplacées en sens
   contraire par le pignon de sortie. outre la
   complication mécanique, l'effet sinusoïdal
   du guignol de volet n'était pas compensé,
    comme ci-dessus.

                                                                                                                                            Voir Fig. 3 ci-dessous

Ainsi en supposant la rotation du volet
de 45° pour une fin de course, on n'a que 20° pour une demi-course du servo ( au lieu de 22°5 ) On a donc une légère COMPRESSION au voisinage du neutre, ce qui donne un soupçon d'EXPONENTIEL
à la commande, donc va plutôt dans le bon sens.

Quoi qu'il en soit, les servos rotatifs ont des avantages certains :
- Meilleure précision car le jeu mécanique est moindre
- Choix aisé de la longueur du bras de levier par changement du palonnier.
- Possibilité de différentiel au niveau du servo.
- Plus grande force en fin de course, par effet sinusoïdal. Ci-dessous, exemple de servos
C'est sans doute pourquoi ils ont pratiquement supplanté les rectilignes. LINEAIRE et ROTATIF

Le POTENTIOMETRE de recopie est un élément primordial. Il est souvent calé directement sur l'axe de sortie et tourne en même temps que lui. Il s'agit alors d'une commande DIRECTE. On reproche à cette technique simple et très répandue de soumettre le potentiomètre aux vibrations et chocs transmis au palonnier de sortie par la barre de commande, la piste conductrice se détériorant plus vite. C'est sans doute vrai. Par contre la précision de la recopie est maximum. Certaines mécaniques pallient ce problème en utilisant une commande INDIRECTE du potentiomètre : le mouvement étant transmis à son axe par un pignon spécial engrenant sur un intermédiaire. Les chocs et secousses sont évidemment démultipliés. Mais attention, la transmission doit se faire sans jeu, faute de quoi la précision est compromise.
Les modèles bas de gamme ont souvent une piste bakéklite ou plastique avec curseur métallique. Les meilleurs ont une piste céramique et un curseur à grain de carbone. Les servos récents semblent d'ailleurs mieux se comporter que les anciens dont la piste se détériorait souvent assez vite, surtout
au voisinage du neutre, les vibrations transformant le curseur en micro-perforatrice. Dans les cas extrêmes il faut remplacer la
piste mais on peut parfois se contenter d'un bon nettoyage. L'essai au servo-test automatique, en déplacement très lent,
permet de mettre en évidence de tels défauts de la piste. Voir plus tard !
L'axe de sortie du servo intervient sur sa précision. Il doit être sans jeu latéral. Les meilleurs servos ont pour cela deux roulements à billes, d'autres ont un seul roulement, certains un simple palier en bronze, les pires n'ont presque rien et leur axe ballote comme un peuplier sous le vent ! Voir Fig. 4. ci-dessous

L'axe peut aussi souffrir d'un jeu angulaire dû au train démultiplicateur. Chacun sait que, sans jeu, il n'est point de mécanique, mais il faut seulement le "soupçon" indispensable.

Les jeux se testent à la main, le servo bloqué par le récepteur ou le servo-test sur sa position. Le jeu angulaire devrait être inférieur à 1°. ( donc de l'ordre de 1% pour une course de 90° )

ELECTRONIQUE.

Elle donne vie au mécanisme. Les qualités requises sont :
- La précision. C'est la variation minimale de l'impulsion d'entrée provoquant l'envoi de courant dans le moteur pour correction. Cette précision est normalement de l'ordre de 0.5% ou mieux. Pour une course standard de 1000 à 2000 µs soit donc de 1000 µs, 0.5% équivaut à 5 µs.
- La stabilité. L'impulsion de référence interne ne doit pas varier dans le temps ou sous l'effet de la température, sinon le neutre se déplace légèrement. La génération de cette référence est confiée à un montage de type RC. La stabilité n'est donc pas parfaite. On remarquera seulement qu'une dérive étant souvent très lente, le modéliste ne se rend compte de rien,
déplaçant le trim de la commande selon les besoins de la cause.
- La puissance de sortie. Elle dépend de la structure de l'ampli interne et surtout des transistors du pont de sortie. Le fabricant doit évidemment choisir ces derniers en fonction du travail mécanique prévu pour le servo.
- La consommation de repos. C'est un paramètre important car il agit sur l'autonomie de l'ensemble embarqué. Ainsi, 5 servos sur une cellule, consommant chacun au repos 20 mA, donnent déjà une consommation de 100 mA, ce qui n'est pas négligeable.
- La résistance aux vibrations. C'est autre chose, bien sûr ! Les servos sont souvent mal montés par les modélistes, car bloqués trop durement sur leur support. Les composants électroniques sont alors malmenés. Les meilleurs amplis sont maintenant montés en technologie CMS et sont alors bien plus résistants à cet égard. Se rappeler cependant que l'ampli
d'un servo reste chose fragile et les installer en conséquence. Voir plus loin.

ELECTRONIQUE/MECANIQUE.

L'association de ces deux parties va conférer au servo ses qualités finales.
- Précision globale. Les imprécisions s'ajoutent : 1% pour la mécanique et 0.5% pour l'électronique donneront 1.5% en final !
- COUPLE. Il dépend de l'électronique de puissance, du moteur et du train démultiplicateur. Notons que les fabricants se complaisent dans une belle incertitude à ce sujet. Prétendre qu'un servo développe "3 kg" ne veut strictement rien dire !
En effet : "Donnez-moi le bon levier et je soulèverai le monde !!"
Le couple que peut fournir un servo est le produit d'une force et d'une longueur : Il s'exprime en kgf.cm. Tel servo qui est capable d'une traction de 3 kgf au bout d'un palonnier de 1 cm possède un couple de 3 kgf.cm. Mais le même servo, muni d'un bras de 2 cm ne pourra plus que fournir 1.5 kgf en son extrémité.
A noter que le "kg" est une unité de masse ( notion liée à la nature d'un matériau et à son volume ) dont le poids est de 1 kgp ( notion liée à l'attraction terrestre ). Dans ces conditions, pour soulever une masse de 1 kg, pesant 1 kgp, il faut exercer une force verticale de 1 kgf. Ceci définit le "kilogramme-force" qui n'est plus une unité légale, remplacé par le NEWTON (N)
avec l'équivalence 1 kgf = 9,81 N
En résumé, pour être précis, le fabricant devrait indiquer une vraie valeur de couple, avec une force et la distance à laquelle
elle s'applique.
Une autre question reste en suspens: De quel couple parle-t-on ? S'agit-il du ...COUPLE de BLOCAGE ?
C'est-à-dire de celui à partir duquel le servo n'arrive plus à bouger et qui, de fait, ne correspond à rien dans la réalité de l'utilisation. Evidemment le chiffre obtenu est élevé. Il est donc tentant de le proposer ! ... du COUPLE REEL ? C'est-à-dire du couple que le modéliste est fondé à obtenir en usage normal.

Un servo-mécanisme est un système capable d'amener une commande sur une position désirée. Si on le charge trop, il tente
d'y parvenir, mais n'y arrive pas. L'électronique non satisfaite va continuer à alimenter le moteur qui ne peut plus tourner : La consommation de courant va se maintenir à une valeur élevée au lieu de reprendre la valeur de repos.
Voir la Fig. 5 : Dans cet exemple d'école, jusque 400 gf.cm, la consommation après déplacement reprend bien sa valeur de repos. Au-dessus de 400 gf.cm, ce n'est
plus le cas et le servo qui ne retrouve plus exactement sa position consomme en permanence un courant de plus en plus élevé. On pourrait ici parler de couple réel égal à 425 gf.cm, dans le meilleur des cas !

Nous pourrions donc définir le COUPLE REEL comme le couple maximal que le servo peut fournir en retrouvant une consommation au plus égale à 2 ou 3 fois celle de repos. Cette dernière est de l'ordre de 10 à 20 mA. Lorsque le servo déplace sa charge, le mo-
teur soutire de 200 mA à 1 A selon le cas.
La nouvelle position acquise, il devrait revenir à une consommation de 25 à 30 mA au plus. En effet, imaginez des servos soumis à de tels efforts ( poussée dynamique sur les gouvernes d'un avion en vol ) qu'ils ne retrouvent jamais leur exacte position de repos :
La consommation permanente va grimper à 50 , 100 ... 200 mA par servo en cause. A multiplier par 3, 4 .. 6 selon le modèle ... et vous atteignez bien vite l'ampère en permanence ! Soumise à ce régime, la batterie risque de ne pas tenir des heures et c'est probablement le crash assuré. A noter que, après récupération des morceaux, vous pourrez constater que la radio fonctionne à nouveau ! La batterie aura récupéré et, à terre, les servos fonctionnent à vide donc consomment normalement.
Il est donc indispensable de choisir le type de servo en rapport avec la taille du modèle, sans parler de la batterie qui les alimente. La connaissance du couple réel est alors un élément important du choix.
- Vitesse de déplacement. Elle est déterminée par le type de moteur utilisé et par le train démultiplicateur. Elle va à contrario
du couple : Plus le servo va vite et plus son couple final risque d'être faible. En effet la puissance électrique consommée par le moteur ( P ) se transforme en travail ( W ) suivant la formule bien connue P = W / t
Il faut 2 fois plus de puissance pour fournir un travail donné en 1 seconde que si on accorde 2 secondes pour l'obtenir.
La vitesse de déplacement d'un servo se mesure facilement, nous le verrons plus tard.
- Qualité du déplacement. Sur une action lente du manche de commande, le servo doit se déplacer souplement, sans
vibrations ou à-coups. Interviennent, le moteur, l'électronique et le potentiomètre.
- L'amortissement. Il est indispensable que le servo n'entre pas en oscillation par dépassements successifs de la position désirée. La recherche du bon amortissement est un compromis à trouver en tenant compte de la vitesse de déplacement ,
donc du train démultiplicateur et de l'électronique. Dans l'idéal un servo bien amorti doit effectuer 1 seul petit dépassement
sur un mouvement rapide, sans charge.

Terminons cette page en faisant remarquer que le servo reste une pièce vulnérable car il contient des éléments fragiles : L'électronique bien sûr, mais aussi le potentiomètre ou les fragiles balais du moteur, tous craignant les vibrations !

Installer donc vos servos en pensant à cela ! Si vous n'avez pas un impératif maladif de la précision totale, ne bloquez pas
"à mort" les 4 vis de fixation, mais utilisez plutôt la méthode illustrée par le figure 6.

                                                                                                                              Des passe-fils caoutchouc aux 4 angles,          mais 2 vis de fixation seulement, en
         diagonale, et modérément serrées.
         On garde ainsi une excellente souplesse
          tout en ne perdant que très peu sur
          l'exactitude de la position, le servo
          ayant la possibilité d'osciller selon
          l'axe xy.

          Ne pas oublier qu'une mauvaise
          installation dans la cellule n'est pas
          sanctionnée tout de suite, mais
          qu'elle conduit, à terme inéluctable,
          à la catastrophe !

Tous les paramètres évoqués dans les lignes ci-dessus se mesurent.
Nous vous proposons par ailleurs, un servo-testeur élaboré qui vous en donnera les possibilités.