Как подключить сервопривод к питанию. Сервопривод - что это? Как сделать и подключить сервопривод своими руками
В данной статье рассматриваются сервоприводы: их устройство, предназначение, управление сервоприводом, подключение сервопривода, разновидности сервоприводов и их сравнение. Давайте приступим и начнём с того, что же такое сервопривод.
Понятие сервопривода
Под сервоприводом чаще всего понимают механизм с электромотором, который можно попросить повернуться в заданный угол и удерживать это положение. Однако, это не совсем полное определение.
Если сказать полнее, сервопривод - это привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения. Сервоприводом является любой тип механического привода, имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т.п.) и блок управления приводом, автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике и устройстве согласно заданному внешнему значению.
Иными словами:
Сервопривод получает на вход значение управляющего параметра. Например, угол поворота
Блок управления сравнивает это значение со значением на своём датчике
На основе результата сравнения привод производит некоторое действие, например: поворот, ускорение или замедление так, чтобы значение с внутреннего датчика стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра
Наиболее распространены сервоприводы, которые удерживают заданный угол и сервоприводы, поддерживающие заданную скорость вращения.
Типичный хобби-сервопривод изображён ниже.
Каким же образом устроены сервоприводы?
Устройство сервопривода
Сервоприводы имеют несколько составных частей.
Привод - электромотор с редуктором. Чтобы преобразовать электричество в механический поворот, необходим электромотор . Однако зачастую скорость вращения мотора бывает слишком большой для практического использования. Для понижения скорости используется редуктор : механизм из шестерней, передающий и преобразующий крутящий момент.
Включая и выключая электромотор, можно вращать выходной вал - конечную шестерню сервопривода, к которой можно прикрепить нечто, чем мы хотим управлять. Однако, для того чтобы положение контролировалось устройством, необходим датчик обратной связи - энкодер , который будет преобразовывать угол поворота обратно в электрический сигнал. Для этого часто используется потенциометр. При повороте бегунка потенциометра происходит изменение его сопротивления, пропорциональное углу поворота. Таким образом, с его помощью можно установить текущее положение механизма.
Кроме электромотора, редуктора и потенциометра в сервоприводе имеется электронная начинка, которая отвечает за приём внешнего параметра, считывание значений с потенциометра, их сравнение и включение/выключение мотора. Она-то и отвечает за поддержание отрицательной обратной связи.
К сервоприводу тянется три провода. Два из них отвечают за питание мотора, третий доставляет управляющий сигнал, который используется для выставления положения устройства.
Теперь давайте посмотрим, как управлять сервоприводом извне.
Управление сервоприводом. Интерфейс управляющих сигналов
Чтобы указать сервоприводу желаемое положение, по предназначенному для этого проводу необходимо посылать управляющий сигнал. Управляющий сигнал - импульсы постоянной частоты и переменной ширины.
То, какое положение должен занять сервопривод, зависит от длины импульсов. Когда сигнал поступает в управляющую схему, имеющийся в ней генератор импульсов производит свой импульс, длительность которого определяется через потенциометр. Другая часть схемы сравнивает длительность двух импульсов. Если длительность разная, включается электромотор. Направление вращения определяется тем, какой из импульсов короче. Если длины импульсов равны, электромотор останавливается.
Чаще всего в хобби-сервах импульсы производятся с частотой 50 Гц. Это значит, что импульс испускается и принимается раз в 20 мс. Обычно при этом длительность импульса в 1520 мкс означает, что сервопривод должен занять среднее положение. Увеличение или уменьшение длины импульса заставит сервопривод повернуться по часовой или против часовой стрелки соответственно. При этом существуют верхняя и нижняя границы длительности импульса. В библиотеке Servo для Arduino по умолчанию выставлены следующие значения длин импульса: 544 мкс - для 0° и 2400 мкс - для 180°.
Обратите внимание, что на вашем конкретном устройстве заводские настройки могут оказаться отличными от стандартных. Некоторые сервоприводы используют ширину импульса 760 мкс. Среднее положение при этом соответствует 760 мкс, аналогично тому, как в обычных сервоприводах среднему положению соответствует 1520 мкс.
Также стоит отметить, что это всего лишь общепринятые длины. Даже в рамках одной и той же модели сервопривода может существовать погрешность, допускаемая при производстве, которая приводит к тому, что рабочий диапазон длин импульсов немного отличается. Для точной работы каждый конкретный сервопривод должен быть откалиброван: путём экспериментов необходимо подобрать корректный диапазон, характерный именно для него.
На что ещё стоит обратить внимание, так это на путаницу в терминологии. Часто способ управления сервоприводами называют PWM/ШИМ (Pulse Width Modulation) или PPM (Pulse Position Modulation). Это не так, и использование этих способов может даже повредить привод. Корректный термин - PDM (Pulse Duration Modulation). В нём крайне важна длина импульсов и не так важна частота их появления. 50 Гц - это норма, но сервопривод будет работать корректно и при 40, и при 60 Гц. Единственное, что нужно при этом иметь в виду - это то, что при сильном уменьшении частоты он может работать рывками и на пониженной мощности, а при сильном завышении частоты (например, 100 Гц) может перегреться и выйти из строя.
Характеристики сервоприводов
Теперь давайте разберёмся, какие бывают сервоприводы и какими характеристиками они обладают.
Крутящий момент и скорость поворота
Сначала поговорим о двух очень важных характеристиках сервопривода: о крутящем моменте и о скорости поворота .
Момент силы, или крутящий момент - векторная физическая величина, равная произведению радиус-вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело.
Проще говоря, эта характеристика показывает, насколько тяжёлый груз сервопривод способен удержать в покое на рычаге заданной длины. Если крутящий момент сервопривода равен 5 кг×см, то это значит, что сервопривод удержит на весу в горизонтальном положении рычаг длины 1 см, на свободный конец которого подвесили 5 кг. Или, что эквивалентно, рычаг длины 5 см, к которому подвесили 1 кг.
Скорость сервопривода измеряется интервалом времени, который требуется рычагу сервопривода, чтобы повернуться на 60°. Характеристика 0,1 с/60° означает, что сервопривод поворачивается на 60° за 0,1 с. Из неё несложно вычислить скорость в более привычной величине, оборотах в минуту, но так сложилось, что при описании сервоприводов чаще всего используют такую единицу.
Стоит отметить, что иногда приходится искать компромисс между этими двумя характеристиками, так как если мы хотим надёжный, выдерживающий большой вес сервопривод, то мы должны быть готовы, что эта могучая установка будет медленно поворачиваться. А если мы хотим очень быстрый привод, то его будет относительно легко вывести из положения равновесия. При использовании одного и того же мотора баланс определяет конфигурация шестерней в редукторе.
Конечно, мы всегда можем взять установку, потребляющую большую мощность, главное, чтобы её характеристики удовлетворяли нашим потребностям.
Форм-фактор
Сервоприводы различаются по размерам. И хотя официальной классификации не существует, производители давно придерживаются нескольких размеров с общепринятым расположением крепёжных элементов. Их можно разделить на:
маленькие
стандартные
Обладают они при этом следующими характерными габаритами:
Бывают ещё так называемые сервоприводы «специального вида» с габаритами, не попадающими в данную классификацию, однако процент таких сервоприводов весьма мал.
Внутренний интерфейс
Сервоприводы бывают аналоговые и цифровые. Так в чём же их отличия, достоинства и недостатки?
Внешне они ничем не отличаются: электромоторы, редукторы, потенциометры у них одинаковые, различаются они лишь внутренней управляющей электроникой. Вместо специальной микросхемы аналогового сервопривода у цифрового собрата можно заметить на плате микропроцессор, который принимает импульсы, анализирует их и управляет мотором. Таким образом, в физическом исполнении отличие лишь в способе обработки импульсов и управлении мотором.
Оба типа сервопривода принимают одинаковые управляющие импульсы. После этого аналоговый сервопривод принимает решение, надо ли изменять положение, и в случае необходимости посылает сигнал на мотор. Происходит это обычно с частотой 50 Гц. Таким образом получаем 20 мс - минимальное время реакции. В это время любое внешнее воздействие способно изменить положение сервопривода. Но это не единственная проблема. В состоянии покоя на электромотор не подаётся напряжение, в случае небольшого отклонения от равновесия на электромотор подаётся короткий сигнал малой мощности. Чем больше отклонение, тем мощнее сигнал. Таким образом, при малых отклонениях сервопривод не сможет быстро вращать мотор или развивать большой момент. Образуются «мёртвые зоны» по времени и расстоянию.
Эти проблемы можно решать за счёт увеличения частоты приёма, обработки сигнала и управления электромотором. Цифровые сервприводы используют специальный процессор, который получает управляющие импульсы, обрабатывает их и посылает сигналы на мотор с частотой 200 Гц и более. Получается, что цифровой сервопривод способен быстрее реагировать на внешние воздействия, быстрее развивать необходимые скорость и крутящий момент, а значит, лучше удерживать заданную позицию, что хорошо. Конечно, при этом он потребляет больше электроэнергии. Также цифровые сервоприводы сложнее в производстве, а потому стоят заметно дороже. Собственно, эти два недостатка - все минусы, которые есть у цифровых сервоприводов. В техническом плане они безоговорочно побеждают аналоговые сервоприводы.
Материалы шестерней
Шестерни для сервоприводов бывают из разных материалов: пластиковые, карбоновые, металлические. Все они широко используются, выбор зависит от конкретной задачи и от того, какие характеристики требуются в установке.
Пластиковые, чаще всего нейлоновые, шестерни очень лёгкие, не подвержены износу, более всего распространены в сервоприводах. Они не выдерживают больших нагрузок, однако если нагрузки предполагаются небольшие, то нейлоновые шестерни - лучший выбор.
Карбоновые шестерни более долговечны, практически не изнашиваются, в несколько раз прочнее нейлоновых. Основной недостатой - дороговизна.
Металлические шестерни являются самыми тяжёлыми, однако они выдерживают максимальные нагрузки. Достаточно быстро изнашиваются, так что придётся менять шестерни практически каждый сезон. Шестерни из титана - фавориты среди металлических шестерней, причём как по техническим характеристикам, так и по цене. К сожалению, они обойдутся вам достаточно дорого.
Коллекторные и бесколлекторные моторы
Существует три типа моторов сервоприводов: обычный мотор с сердечником, мотор без сердечника и бесколлекторный мотор.
Обычный мотор с сердечником (справа) обладает плотным железным ротором с проволочной обмоткой и магнитами вокруг него. Ротор имеет несколько секций, поэтому когда мотор вращается, ротор вызывает небольшие колебания мотора при прохождении секций мимо магнитов, а в результате получается сервопривод, который вибрирует и является менее точным, чем сервопривод с мотором без сердечника. Мотор с полым ротором (слева) обладает единым магнитным сердечником с обмоткой в форме цилиндра или колокола вокруг магнита. Конструкция без сердечника легче по весу и не имеет секций, что приводит к более быстрому отклику и ровной работе без вибраций. Такие моторы дороже, но они обеспечивают более высокий уровень контроля, вращающего момента и скорости по сравнения со стандартными.
Сервоприводы с бесколлекторным мотором появились сравнительно недавно. Преимущества те же что и у остальных бесколлекторных моторов: нет щёток, а значит они не создают сопротивление вращению и не изнашиваются, скорость и момент выше при токопотреблении равном коллекторным моторам. Сервоприводы с бесколлекторным мотором - самые дорогие сервоприводы, однако при этом они обладают лучшими характеристиками по сравнению с сервоприводами с другими типами моторов.
Подключение к Arduino
Многие сервоприводы могут быть подключены к Arduino непосредственно. Для этого от них идёт шлейф из трёх проводов:
красный - питание; подключается к контакту 5V или напрямую к источнику питания
коричневый или чёрный - земля
жёлтый или белый - сигнал; подключается к цифровому выходу Arduino.
Для подключения к Arduino будет удобно воспользоваться платой-расширителем портов, такой как Troyka Shield . Хотя с несколькими дополнительными проводами можно подключить серву и через breadboard или непосредственно к контактам Arduino.
Можно генерировать управляющие импульсы самостоятельно, но это настолько распространённая задача, что для её упрощения существует стандартная библиотека Servo .
Ограничение по питанию
Обычный хобби-сервопривод во время работы потребляет более 100 мА. При этом Arduino способно выдавать до 500 мА. Поэтому, если вам в проекте необходимо использовать мощный сервопривод, есть смысл задуматься о выделении его в контур с дополнительным питанием.
Рассмотрим на примере подключения 12V сервопривода:
Ограничение по количеству подключаемых сервоприводов
На большинстве плат Arduino библиотека Servo поддерживает управление не более 12 сервоприводами, на Arduino Mega это число вырастает до значения 48. При этом есть небольшой побочный эффект использования этой библиотеки: если вы работаете не с Arduino Mega, то становится невозможным использовать функцию analogWrite() на 9 и 10 контактах независимо от того, подключены сервоприводы к этим контактам или нет. На Arduino Mega можно подключить до 12 сервоприводов без нарушения функционирования ШИМ/PWM, при использовании большего количества сервоприводов мы не сможем использовать analogWrite() на 11 и 12 контактах.
Функционал библиотеки Servo
Библиотека Servo позволяет осуществлять программное управление сервоприводами. Для этого заводится переменная типа Servo . Управление осуществляется следующими функциями:
attach() - присоединяет переменную к конкретному пину. Возможны два варианта синтаксиса для этой функции: servo.attach(pin) и servo.attach(pin, min, max) . При этом pin - номер пина, к которому присоединяют сервопривод, min и max - длины импульсов в микросекундах, отвечающих за углы поворота 0° и 180°. По умолчанию выставляются равными 544 мкс и 2400 мкс соответственно.
write() - отдаёт команду сервоприводу принять некоторое значение параметра. Синтаксис следующий: servo.write(angle) , где angle - угол, на который должен повернуться сервопривод.
writeMicroseconds() - отдаёт команду послать на сервоприводимульс определённой длины, является низкоуровневым аналогом предыдущей команды. Синтаксис следующий: servo.writeMicroseconds(uS) , где uS - длина импульса в микросекундах.
read() - читает текущее значение угла, в котором находится сервопривод. Синтаксис следующий: servo.read() , возвращается целое значение от 0 до 180.
attached() - проверка, была ли присоединена переменная к конкретному пину. Синтаксис следующий: servo.attached() , возвращается логическая истина, если переменная была присоединена к какому-либо пину, или ложь в обратном случае.
detach() - производит действие, обратное действию attach() , то есть отсоединяет переменную от пина, к которому она была приписана. Синтаксис следующий: servo.detach() .
Все методы библиотеки Servo2 совпадают с методами Servo.
Пример использования библиотеки Servo
Вместо заключения
Сервоприводы бывают разные, одни получше - другие подешевле, одни надёжнее - другие точнее. И перед тем, как купить сервопривод, стоит иметь в виду, что он может не обладать лучшими характеристиками, главное, чтобы подходил для вашего проекта. Удачи в ваших начинаниях!
Сервопривод – это привод с управлением через негативную обратную связь, позволяющий точно управлять параметрами движения. Сервоприводом является любой тип механического привода, имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т.п.) и блок управления приводом, автоматически поддерживает необходимые параметры на датчике и устройстве согласно заданному внешнему значению.
Многие сервоприводы могут быть подключены к Arduino напрямую. Для этого от них идет шлейф из трех проводов:
красный – питание
– подключается к контакту 5V или непосредственно к источнику питания
коричневый или черный
– земля (GND контакт Arduino)
желтый или белый
– сигнал; подключается к цифровому выходу Arduino.
Можно генерировать управляющие импульсы самостоятельно, но это настолько распространенная задача, что для ее упрощения существует стандартная библиотека Servo (
).
Детальнее о библиотеке
Сама библиотека также
Ограничения по питанию
Обычный хобби-сервопривод при работе потребляет более 100 мА. При этом Arduino способно выдавать до 500 мА. Поэтому, если вам в проекте необходимо использовать несколько сервоприводов, есть смысл задуматься о выделении сервоприводов в контур с дополнительным питанием.
Ограничения по количеству подключенных сервоприводов
На большинстве плат Arduino библиотека Servo поддерживает управление не более 12 сервоприводами, на Arduino Mega это число возрастает до значения 48. При этом есть небольшой побочный эффект использования этой библиотеки: если вы работаете не с Arduino Mega, то становится невозможным использовать функцию analogWrite () на 9 і 10 контактах независимо от того, подключены сервоприводы к этим контактам или нет. На Arduino Mega можно подключить до 12 сервоприводов без нарушения функционирования ШИМ/PWM, при использовании большего количества сервоприводов мы не сможем использовать analogWrite () на 11 и 12 контактах.
Функции библиотеки Servo
Библиотека Servo позволяет осуществлять программное управление сервоприводами. Для этого создается обьект servo класса Servo. Управление осуществляется следующими функциями:
attach ()
– закрепляет привод с конкретным пином. Возможны два варианта синтаксиса для этой функции: servo.attach (pin)
і servo.attach (pin, min, max)
. При этом pin – номер пина, к которому присоединяют сервопривод, min и max – длины импульсов в микросекундах, отвечающие за углы поворота 0 ° и 180 °. По умолчанию выставляются равными 544 мкс и 2400 мкс соответственно.
write ()
– отдает команду сервоприводу принять некоторое значение параметра. Синтаксис следующий: servo.write (angle)
, где angle – угол, на который должен обернуться сервопривод.
writeMicroseconds ()
– отдает команду отправить на сервопривод импульс определенной длины, является низкоуровневым аналогом предыдущей команды. Синтаксис следующий: servo.writeMicroseconds (uS)
, где uS – длина импульса в микросекундах.
read ()
– читает текущее значение угла, в котором находится сервопривод. Синтаксис следующий: servo.read ()
, возвращается целое значение от 0 до 180.
attached ()
– проверка, был присоединен объект к конкретному пину. Синтаксис следующий:servo.attached ()
, логическая единица возвращается, если объект был присоединен к какому-либо пену, или ноль в противном случае.
detach ()
– выполняет действие, обратное действию attach ()
, т.е. отсоединяет объект от пина, к которому он был приписан. Синтаксис следующий: servo.detach ()
.
Для управления изменением положения сервопривода можно использовать потенциометр. Он имеет три контакта подключаемые следующим образом:
Два крайних контакты (как правило) это питание и земля, а средний – информационный. Подсоединяем питания потенциометра –> 5 V Arduino, земля –> GND Arduino, информационный –> аналоговый пин Arduino.
Вот так может выглядеть схема:
А так примитивная программа:
#include
#include Servo myservo ; // create servo object to control a servo int potpin = 0 ; // analog pin used to connect the potentiometer int val ; // variable to read the value from the analog pin |
Попался под руку популярный недорогой сервопривод SG90. И задумалось управлять им, но без микроконтроллера. В этой статье я изложу ход мыслей разработчика при реализации одного из вариантов решения.
Кому интересно, прошу под кат.
Идея
Надо управлять сервоприводом, но без микроконтроллера.Знания
Всем известно, что опыт и знания помогают творить и находить решения. На страницах Гиктаймса немало примеров использования сервопривода с применением контроллеров. В них подробно рассказано про систему управления сервоприводом. Примем этот опыт других разработчиков за знания необходимые нам для решения задачи. Сервопривод SG90 управляется ШИМ сигналом, параметры которого определяют положение ротора. Период ШИМ около 20 мС, длительность сигнала управления от 500 до 2100 мкС.Задача
Идея и знания порождают задачу, которую необходимо решить. Сформулируем задачу для воплощения идеи. Это что-то вроде Технического Задания. Кажется, все просто, надо взять генератор импульсов с изменяемой скважностью, подключить питание к сервоприводу, а с генератора подать управляющий сигнал. Особо отметим, что в требованиях есть изменения скважности - то есть должны быть органы управления или пользовательский интерфейс.Реализация
Вот тут и начинаются муки творчества: что взять и где взять? Можно найти готовый лабораторный импульсный генератор, например Г5-54 с ручками, кнопками, выставить нужные параметры, подключить генератор к сервоприводу. Однако это громоздко и не все могут позволить себе такую роскошь. Поэтому разработчики, опираясь на свой опыт и знания, пытаются совместить желание (идею-задачу) и возможности (материальные и творческие) для реализации задачи. Материальные возможности - это та “жаба” “А сколько и чего я хочу потратить на реализацию идеи?” Творческие возможности - это, “посмотрю-ка я, что у меня уже есть”. Это не обязательно какие-то материальные ценности, а опыт и знания предыдущих разработок, которые можно приспособить под реализацию. Также не лишним будет поискать (погуглить), что кто-то уже реализовывал что-то подобное. Для сокращения вариантов решения необходимо самому добавлять дополнительные требования, ограничивающие фантазии реализации. Например, добавим к требованиям еще одно условие, пусть это будет материальное ограничение, реализация должна быть недорогой .Поиск альтернатив
Воспользовавшись интернетом, поищем варианты, которые предлагает СЕТЬ. Зададим в поиске: “генератор прямоугольных импульсов с переменной скважностью”. Получим очень много вариантов, как с применением интегральных таймеров NE555 (отечественный аналог КР1006ВИ1), так и на логических микросхемах. Из всего разнообразия я выбрал вариант генератора на инверторе с триггером Шмитта на входе. Во-первых, он самый простой, во-вторых, требует минимум деталей и самое интересное использует единственный логический элемент из шести, если, например, использовать микросхему 74HC14.Схема такого генератора выглядит так:
Немного теории
Теория гласит, что частота такого генератора равна f = 1/T = 1/(0.8*R*C). Для получения требуемой частоты требуется выбрать номинал одного из элементов, задающих частоту. Так как логический элемент выполнен по технологии КМОП, то имеет большое входное сопротивление, поэтому можно применять элементы задающие небольшие рабочие токи. Выберем емкость С1 из ряда распространенных номиналов, например 0.47 мкФ. Тогда для получения требуемой частоты (50Гц) резистор должен быть приблизительно 53 кОм, но такого резистора в стандартном ряду нет, поэтому выберем 51 кОм.
На выходе такого генератора формируется сигнал близкий к меандру, поэтому нам необходимо скорректировать схему таким образом, чтобы она удовлетворяла требованиям задания. Для получения регулируемой длительности импульса на выходе необходимо изменить режим перезарядки конденсатора от высокого уровня на выходе, а именно, сократить время перезарядки. Для этого добавим в схему еще два элемента: диод и переменный резистор. Подойдет любой маломощный импульсный диод.
Тогда схема примет следующий вид:
Казалось бы: все, задача решена, но в крайних положениях переменного резистора поведение сервопривода нестабильно. Это связано с тем, что значение длительности импульсов, в крайних положениях переменного резистора, не соответствует требуемым. Лично мне также не по душе применение переменного резистора, поэтому я хочу изменить интерфейс управления, добавив новую “хотелку” в техническое задание, например чтобы скважность менялась в зависимости от освещенности. Для этого есть простое и недорогое решение: применить в качестве регулирующего элемента фоторезистор GL55xx (используют в проектах Arduino), изменение сопротивления которого лежит в широком диапазоне.
Далее начинается самое интересное. Расчетных формул для получения значений сопротивлений обеспечивающих требуемые длительности импульсов нет, поэтому на уровне интуиции (опытным путем, с помощью переменного резистора) определяем значения сопротивления, при которых устанавливаются требуемые значения длительностей импульсов. Затем изменяем схему так, чтобы при изменении сопротивления фоторезистора общее сопротивление изменялось, устанавливая требуемые значения длительностей импульсов.
Итоговая схема принимает следующий вид:
Пояснения к итоговой схеме
Конденсатор С1 номиналом 0.47 мкФ, определяет время перезаряда. Резистор R1 номиналом 51 кОм задает основную частоту повторения импульсов в районе 50 Гц. Комбинация резисторов R2-R4 в сумме будет изменяться в диапазоне от 2.5 кОм до 24 кОм в зависимости от освещенности. Вместе с диодом D1 эти резисторы будут влиять на время перезаряда конденсатора С1 при действии положительного импульса на выходе логического элемента, тем самым определять его длительность.Результат
Подключив данный генератор к входу управления сервопривода получим возможность управлять им, изменяя освещенность фоторезистора. На видео можно посмотреть, что из этого получилось:Является элементом точной кинематики, позволяющий достигать точное позиционирование механизмов. Но в отличии от шагового двигателя, сервопривод имеет обратную связь, позволяющую в любой момент отследить точный угол поворота вала. В качестве источника обратной связи могут быть использованы различные типы энкодеров и потенциометры.
В статье рассмотрим подключение и работу с младшими представителями сервоприводов - т.н. сервомашинками - горячо любимыми среди роботостроителей и моделистов.
Конструктив
Сервомашинка состоит из корпуса, в котором заключен небольшой коллекторный электромотор, редуктор и управляющая электроника.
В качестве обратной связи применяются потенциометры. Поэтому эти сервы имеют ограничения по углу поворота вала вокруг оси. Так, в приобретенных мной сервах Futaba S3003, угол поворота выходного вала составляет 225°.
Технические характеристики Futaba S3003
Параметр
Напряжение питания, В
4,8
6,0
Усилие на валу
3,2
кг/см
4,1 кг/см
Скорость позиционирования
0,23 sec/60°
0,19 sec/60°
Размер, Д х Ш х В
41мм х 20мм х 36мм
Масса, г
37
Потенциометр обратной связи посажен прямо на выходной вал, благодаря ему блок управления сервомашинки отслеживает точное положение вала: сопротивление потенциометра изменяется пропорционально углу поворота . Считав сопротивление, блок управления сравнивает это значение с тем, которое должно быть при заданном положении вала. Если эти значения отличаются, блок управления дает команду двигателю повернуть вал в заданном направлении, уменьшая разницу значений. Достигнув положения вала, когда значение с потенциометра совпадает с заданным значением, двигатель останавливается. Считывание значения с потенциометра и его сравнение происходит с большой частотой, поэтому выходной вал будет стремиться занять заданное положение при изменении внешней нагрузки.
Конструкция сервомашинки выполнена таким образом, что крутящий момент от двигателя к выходному валу передается через редуктор с большим передаточным числом, поэтому при малых размерах и энергозатратах, сервомашинки могут обеспечивать большую тягу.
Управление
В качестве управляющего сигнала служит импульсный сигнал с периодом 20 мс и с длительностью от 0,8 до 2,2 мс. Это некий стандарт управления сервомашинок. Чем длинее пришел импульс, тем на больший угол повернется вал сервомашинки.
Для разгона сервомашинки период следования импульсов можно уменьшить до 10 мс.
Управляющий сигнал подается на серву по сигнальному проводу S. В моей сервомашинке он белый, в некоторых моделях - желтый. Помимо сигнального провода из сервомашинки выходят два провода - линии питания - земля (черный) и питание (красный)
Программная часть
Как видно управлять сервой достаточно просто - достаточно гнать импульсный сигнал с нужной частотой и скважностью. Этот сигнал можно генериовать ШИМ , или написать свою функцию обработки прерывания по таймеру. Но в Bascom-AVR уже есть встроенная команда для управления сервомашинками -
Servo
. Ее и рассмотрим.
Для начала необходимо сконфигурировать подключение сервомашинок:
Config Servos = X , Servo1 = Portb . 0 , Servo2 = Portb . 1 , Reload = Var
Servos = X ; указывается количество подключаемых сервомашинок, возможно подключение до 14 серв.
Servo1 = Portb . 0 ; указывается порт подключения первой сервы
Servo2 = Portb . 1 ; указывается порт подключения второй сервы
Reload = Var ; здесь Var время в микросекундах, которое проходит между прерываниями от таймера.
По умолчанию для организации прерываний используется Timer0, поэтому использовать его в своих целях уже не получиться. Bascom-AVR позволяет перебросить обслуживание прерываний на любой другой таймер, например чтобы освободить Timer0 и задествовать Timer1 достаточно указать это в строке конфигурации:
Config
Servos
=
2
,
Servo1
=
Portb
.
0
,
Servo2
=
Portb
.
1
,
Reload
=
10
,
Timer
=
Timer1
После того как все сконфигурировали остается только рулить нашей сервомашинкой. Это делается следующей командой
Servo ( a) = F
а - порядковый номер сервомашинки
F - переменная, значение которой задает угол поворота вала сервы
Тестовый код целиком:
$regfile
=
"m8def.dat"
"микроконтроллер ATmega8
$crystal
=
8000000
"частота работы 8МГц
"конфигурируем порты для подключения сервоприводов
Config
Portb
.
0
=
Output
Config
Portb
.
1
=
Output
"настраиваем подключения двух сервомашинок
Config
Servos
=
2
,
Servo1
=
Portb
.
0
,
Servo2
=
Portb
.
1
,
Reload
=
15
Dim
F
As
Byte
"переменная для первой сервы
Dim
S
As
Byte
"переменная для второй сервы
"разрешаем прерывания
Enable
Interrupts
F
=
15
"значением переменной задается угол поворота вала сервомашинки
S
=
70
Do
Servo
(1
)
=
F
Servo
(2
)
=
S
Loop
End
Схему подключения не привожу, думаю один сигнальный провод проблем не вызовет;) Его можно подключать к порту микроконтроллера напрямую, а можно через резистор сопротивлением пару сотен ом - для перестраховки.
Меняя значения перемменных F и S можем менять угол поворота первой и второй сервомашинок соответственно. Чем меньше значение параметра Reload, тем шустрее наши сервомашинки будут поворачиваться на нужный угол.
Для своих серв подобрал рабочий диапаз он значений Servo(a), в которых вал может вращаться. Крайнее положения вал занимает при значении 0 и 150, соответственно при значении 75 вал занимает промежуточное положение.
Servo(a) =0 Servo(a) =75 Servo(a) =150
Опубліковано 25.07.2012
Сервомашинки или сервоприводы нашли широкое применение не только в роботостроении, моделизме, но и в различных отраслях промышленности и приборостроении.
Как устроена сервомашинка
Большинство сервоприводов используют три провода для работы. Провод для питания, обычно 4.8В или 6В, общий провод (земля) и сигнальный провод. Управляющий сигнал передает информацию о требуемом положении выходного вала. Вал связан с потенциометром, который определяет его положение. Контроллер в сервоприводе по сопротивлению потенциометра и значению управляющего сигнала определяет, в какую сторону требуется вращать мотор, чтобы получить нужное положение выходного вала. Чем выше напряжение питания сервопривода, тем быстрее он работает и больший момент развивает.
Характеристики сервоприводов
Размер и вес
Размеры бывают: “микро”, “мини”, “стандартный” и “гигант”. В пределах каждого класса размеры могут немного меняться. Средние размеры сервоприводов для справки:
- Микро: 24мм x 12мм x 24мм, вес: 5-10 г.
- Мини: 30мм x 15мм x 35мм, вес 25 г.
- Стандарт: 40мм x 20мм x 37мм, вес: 50-60 г.
Скорость
Скорость сервоприводов измеряется временем поворота качалки сервопривода на угол 60 градусов при напряжении питания 4.8В и 6В. Например, сервопривод с параметром 0.22с/60° при 4.8В поворачивает вал на 60 градусов за 0.22с при напряжении питания 4.8В. Это не так быстро, как может показаться. Наиболее быстрые сервоприводы имеют время перемещения от 0.06 до 0.09с.
Угол поворота
Сервоприводы могут иметь угол поворота вала 60, 90, 180 градусов. Угол поворота ограничивается электроникой и механически. Существуют сервоприводы без ограничения, т.е. вращающиеся на 360 градусов. Если у Вас имеется сервопривод с рабочим диапазоном 60 градусов, то расширить его можно только изменив конструкцию сервомашинки. Иногда можно увеличить диапазон специальным образом исказив управляющий сигнал. Но это нестандартный и ненадежный способ.
Момент на валу
Момент сервопривода измеряется по весу груза в кг, который сервопривод может удерживать неподвижно на качалке с плечом 1 см. Указывают две цифры, для напряжения питания 4.8В и 6В. Например, если указано, что сервопривод развивает 10кг/см, значит, что на качалке длиной 1см сервопривод может развить усилие 10 кг, прежде чем остановится. Для качалки в 2см такой сервопривод сможет развить усилие 5кг, а на 5мм 20кг.
Цифровые и аналоговые сервоприводы
Цифровые и аналоговые сервоприводы механически не отличаются друг от друга. У них те же корпуса, моторы, шестеренки и даже потенциометры. Все дело в способе управления мотором. Цифровые сервоприводы более точны и, как правило, имеют меньшее время реакции. Но они потребляют больше энергии, чем аналоговые сервоприводы. Управляющий сигнал для аналоговых и цифровых сервоприводов одинаков.
Управляющий сигнал
Управляющий сигнал представляет собой импульсы переменной ширины. Импульсы повторяются с постоянной частотой (как правило, с частотой 50Гц). Положение сервопривода определяется шириной импульса. Для типичного сервопривода, используемого в радиоуправляемых моделях, длительность импульса в 1500 мкс означает, что сервопривод должен занять среднее положение. Увеличение или уменьшение длины импульса заставит сервопривод повернуться по часовой или против часовой стрелки, соответственно.
Таким образом, для управления сервоприводом нам потребуется формировать ШИМ с частотой 50 герц. При этом для положения “0” длительность импульса должна составлять 1000 микросекунд, а для положения “максимум” – 2000 микросекунды. Среднее положение – 1500 микросекунд.
Финалом наших изысканий будет плата сервотестера, работающая с двумя сервоприводами. Светодиоды отображают режим сервотестера. Формировать ШИМ
будем использовать аппаратные возможности микроконтроллера ATMega8, а задающий сигнал будем формировать с учетом положения потенциометра.
Управляющие сигналы для сервоприводов формируются на ногах OC1A
, OC1B
.
Режимы переключаются кнопкой. Три светодиода отображают режим работы сервотестера.
- Режим 1 – положение сервомашинок задается потенциометром
- Режим 2 – задается среднее положение сервоприводов
- Режим 3 – задающий сигнал циклически изменяется от одного крайнего положения к другому.
Питание сервотестера осуществляется от батарей напряжением 6..12В.
Исходный код
#include
