Что такое сервопривод? Сервоприводы. Виды и устройство. Характеристики и применение
Серводвигатели используются не только в авиамоделизме и робототехнике, их можно так же использовать в устройствах бытового назначения. Небольшие размеры, высокая производительность, а так же проста управления серводвигателем делают их наиболее подходящими для осуществления дистанционного управления различными устройствами.
Совместное применение серводвигателей с радиомодулями примема-передачи не создает никаких трудностей, достаточно на стороне приемника просто подключить к серводвигателю соответствующий разъем, содержащий питающее напряжение и управляющий сигнал, и дело сделано.
Но если мы хотим управлять серводвигателем «вручную», например, с помощью потенциометра, нам необходим генератор импульсного управления. Ниже представлена достаточно простая схема генератора на основе интегральной микросхемы 74HC00.
Данная схема позволяет осуществлять ручное управление серводвигателями путем подачи управляющих импульсов шириной 0,6 до 2 мс. Схему можно применить, например, для поворота небольших антенн, наружных прожекторов, камер видеонаблюдения и т.д.
Управления серводвигателем. Описание контроллера
Основой схемы является микросхема 74HC00 (IC1) представляющая собой 4 логических элемента И-НЕ. На элементах IC1A и IC1B создан генератор, на выходе которого образуются импульсы с частотой 50 Гц. Эти импульсы активируют RS-триггер, состоящий из логических элементов IC1C и IC1D.
С каждым импульсом идущим с генератора выход IC1D устанавливается в «0» и конденсатор С2 разряжается через резистор R2 и потенциометр P1. Если напряжение на конденсаторе С2 снижается до определенного уровня, то RC-цепь переводит элемент в противоположное состояние. Таким образом, мы на выходе получаем прямоугольные импульсы с периодом 20 мс. Ширина импульсов устанавливается потенциометром P1.
Например, сервопривод Futaba S3003 изменяет угол вращения вала на 90 градусов за счет управляющих импульсов продолжительностью от 1 до 2 мс. Если мы изменим ширину импульса от 0,6 до 2 мс, то угол поворота составит до 120 °. Компоненты в схеме подобраны таким образом, что выходной импульс находится в диапазоне от 0,6 до 2 мс, и поэтому угол установки составляет 120 °. Серводвигатель S3003 от Futaby имеет достаточно большой крутящий момент, и ток потребления может составлять от десятков до сотен мА в зависимости от механической нагрузки.
Конструкция
Схема управления серводвигателем собрана на двусторонней печатной плате размером 29 х 36 мм. Монтаж очень простой, так что со сборкой устройства вполне может справиться даже начинающий радиолюбитель.
Возможности Arduino очень разнообразны: от обычного контроля температуры и сбора данных до управления 3D принтерами и умными домами. Также с помощью этой платы можно программировать различные механизмы и даже роботов. Для таких целей очень часто применяются различные движки, моторчики и приводы.
Самыми распространенными и популярными в механизмах являются шаговые двигатели и сервоприводы. О последних мы и поговорим в этой статье. Сервоприводы являются самыми дешевыми и практичными в использовании моторчиками. Их размеры и масса малы, а комбинация из таких модулей поможет успешно создавать роботов.
Начнем знакомство с самым популярным из них, по-другому он еще называется SG90 (Tower Pro Micro Servo 9G). Сервопривод представляет небольшую коробку, в которую запрятан сам механизм. Научившись правильно писать программный код, можно управлять положением вала.
Для подключение сервопривода к Arduino , на плате используется 3 контакта (для подключения используются 3 провода “папа-папа”): питание (5V), заземление и аналоговый выход (расположены на панели digital ). Наглядная схема подключения изображена на рисунке ниже:
Внимание! При подключение более чем одной сервы или одной, но более мощной, можно допустить просадку напряжения на плате Arduino (из-за слабой стабилизации на плате) Поэтому, если подключаете более одного сервопривода, то контакты питания лучше подключать к отдельному источнику, чем к плате.
После того, как подключили, можно зайти в среду разработки Arduino IDE и опробовать первую программу для проверки работоспособности модуля. Также советуем использовать библиотеку Servo.h . Она уже встроена в Arduino IDE, а значит скачивать и устанавливать ее не нужно. И кстати, эта библиотека уже содержит в себе некоторые команды и тем самым упрощает работу с сервоприводом, избавляя нас от очень длинных и занимаемых много места кодов. Она содержит в себе следующие полезные команды:
- attach (номер_вывода) - инициализация сервопривода;
- write (угол) - поворот сервопривода на заданный угол;
- read () - получение текущего угла сервопривода.
Теперь рассмотрим первую программу с использованием сервопривода.
Данная программа позволит изменять угол поворота вала на сервоприводе с течением времени:
#include ; //используем библиотеку для работы с сервоприводом Servo servo; //объявляем переменную servo типа Servo void setup() //процедура setup { servo.attach(10); //привязываем привод к порту 10 } void loop() //процедура loop { servo.write(0); //ставим вал под 0 delay(2000); //ждем 2 секунды servo.write(180); //ставим вал под 180 delay(2000); //ждем 2 секунды }
#include ; //используем библиотеку для работы с сервоприводом Servo servo ; //объявляем переменную servo типа Servo void setup () //процедура setup servo . attach (10 ) ; //привязываем привод к порту 10 void loop () //процедура loop servo . write (0 ) ; //ставим вал под 0 delay (2000 ) ; //ждем 2 секунды servo . write (180 ) ; //ставим вал под 180 |
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
В этой статье мы поговорим о сервоприводах в проектах Ардуино. Именно благодаря серводвигателям обычные электронные проекты становятся робототехническими. Подключение серво к Arduino проекту позволяет реагировать на сигналы датчиков каким-то точным движением, например, открыть дверцу или повернуть в нужную сторону сенсоры. В статье рассмотрены вопросы управления сервоприводами, возможные схемы подключения серво к ардуино, а также примеры скетчей.
Сервопривод – это такой вид привода, который может точно управлять параметрами движения. Другими словами, это двигатель, который может повернуть свой вал на определенный угол или поддерживать непрерывное вращение с точным периодом.
Схема работы сервопривода основана на использовании обратной связи (контура с замкнутой схемой, в котором сигнал на входе и выходе не согласован). В качестве сервопривода может выступать любой тип механического привода, в составе которого есть датчик и блок управления, который автоматически поддерживает все установленные параметры на датчике. Конструкция сервопривода состоит из двигателя, датчика позиционирования и управляющей системы. Основной задачей таких устройств является реализация в области сервомеханизмов. Также сервоприводы нередко используются в таких сферах как обработка материалов, производство транспортного оборудования, обработка древесины, изготовление металлических листов, производство стройматериалов и другие.
В проектах ардуино робототехники серво часто используется для простейших механических действий:
- Повернуть дальномер или другие датчики на определенный угол, чтобы измерить расстояние в узком секторе обзора робота.
- Сделать небольшой шаг ногой, движение конечностью или головой.
- Для создания роботов-манипуляторов.
- Для реализации механизма рулевого управления.
- Открыть или закрыть дверку, заслонку или другой предмет.
Конечно, сфера применения серво в реальных проектах гораздо шире, но приведенные примеры являются самыми популярными схемами.
Схема и типы сервоприводов
Принцип работы сервопривода основан на обратной связи с одним или несколькими системными сигналами. Выходной показатель подается на вход, где сравнивается его значение с задающим действием и выполняются необходимые действия – например, выключается двигатель. Самым простым вариантов реализации является переменный резистор, который управляется валом – при изменении параметров резистора меняются параметры питающего двигатель тока.
В реальных сервоприводов механизм управления гораздо сложнее и использует встроенные микросхемы-контроллеры. В зависимости от типа используемого механизма обратной связи выделяют аналоговые и цифровые сервоприводы. Первые используют что-то, похожее на потенциометр, вторые – контроллеры.
Вся схема управления серво находится внутри корпуса, управляющие сигналы и питание подаются, как правило, идут по трем проводам: земля, напряжение питания и управляющий сигнал.
Сервопривод непрерывного вращения 360, 180 и 270 градусов
Выделяют два основных вида серводвигателей – с непрерывным вращением и с фиксированным углом (чаще всего, 180 или 270 градусов). Отличие серво ограниченного вращения заключается в механических элементах конструкции, которые могут блокировать движение вала вне заданных параметрами углов. Достигнув угла 180, вал окажет воздействие на ограничитель, а тот отдаст команду на выключение мотора. У серводвигателей непрерывного вращения таких ограничителей нет.
Материалы шестерней сервопривода
У большинства сервоприводов связующим звеном между валом и внешними элементами является шестеренка, поэтому очень важно, из какого материала она сделана. Наиболее доступных вариантов два: металлические или пластмассовые шестерни. В более дорогих моделях можно найти элементы из карбона и даже титана.
Пластмассовые варианты, естественно, дешевле, проще в производстве и часто используются в недорогих моделях серво. Для учебных проектов, когда сервопривод делает несколько движений, это не страшно. Но в серьезных проектах использование пластмассы невозможно, в виду очень быстрого снашивания таких шестеренок под нагрузкой.
Металлические шестеренки надежнее, но это, безусловно, сказывается как на цене, так и на весе модели. Экономные производители могут сделать часть деталей пластмассовыми, а часть металлическими, это тожно нужно иметь в виду. Ну и, естественно, что в самых дешевых моделях даже наличие металлической шестеренки не является гарантией качества.
Титановые или карбоновые шестерни – самый предпочтительный вариант, если вы не ограничены бюджетом. Легкие и надежные, такие сервоприводы активно используются для создания моделей автомобилей, дронов и самолетов.
Преимущества серводвигателей
Широкое использование сервоприводов связано с тем, что они обладают стабильной работой, высокой устойчивостью к помехам, малыми габаритами и широким диапазоном контроля скорости. Важными особенностями сервоприводов являются способность увеличивать мощность и обеспечение обратной информационной связи. И этого следует, что при прямом направлении контур является передатчиком энергии, а при обратном – передатчиком информации, которая используется для улучшения точности управления.
Отличия серво и обычного двигателя
Включая или выключая обычный электрический двигатель, мы можем сформировать вращательное движение и заставить двигаться колеса или другие предметы, прикрепленные к валу. Движение это будет непрерывным, но для того, чтобы понять, на какой угол повернулся вал или сколько оборотов он сделал, потребуется устанавливать дополнительные внешние элементы: энкодеры. Сервопривод уже содержит все необходимое для получения информации о текущих параметрах вращения и мжет самостоятельно выключаться, когда вал повернется на необходимый угол.
Отличия серво и шагового мотора
Важным отличием серводвигателя от шагового двигателя является возможность работать с большими ускорениями и при переменной нагрузке. Также серводвигатели обладают более высокой мощностью. Шаговые двигатели не обладают обратной связью, поэтому может наблюдаться эффект потери шагов, в серводвигателях потери шагов исключены – все нарушения будут зафиксированы и исправлены. При всех этих явных преимуществах серводвигатели являются более дорогостоящими приборами, чем шаговые двигатели, обладают более сложной системой подключения и управления и требуют более квалифицированного обслуживания. Важно отметить, что шаговые двигатели и сервоприводами не являются прямыми конкурентами – каждое из этих устройств занимает свою определенную сферу применения.
Решающее значение в управлении сервоприводами выполняет управляющий сигнал, который представляет собой импульсы постоянной частоты и переменной ширины. Длина импульса – это один из важнейших параметров, который определяет положение сервопривода. Эту длину можно задать в программе вручную методом подбора через угол или использовать команды библиотеки. Для каждой марки устройства длина может быть различной.
Когда сигнал попадает в управляющую схему, генератор подает свой импульс, длительность которого определяется с помощью потенциометра. В другой части схемы происходит сравнение длительности поданного сигнала и сигнала с генератора. Если эти сигналы разные по длительности, включается электромотор, направление вращения которого определяется тем, какой из импульсов короче. При равенстве длины импульсов мотор останавливается.
Стандартная частота, с которой подаются импульсы, равна 50 Гц, то есть 1 импульс в 20 миллисекунд. При таких значениях длительность составляет 1520 микросекунд, и сервопривод занимает среднее положение. Изменение длины импульса приводит к повороту сервопривода – при увеличении длительности поворот осуществляется по часовой стрелке, при уменьшении – против часовой стрелки. Имеются границы длительности – в Ардуино в библиотеке Servo для 0° установлено значение импульса в 544 мкс (нижняя граница), для 180° – 2400 мкс (верхняя граница).
(Использовано изображение с сайта amperka.ru)
Важно учитывать, что на конкретном устройстве настройки могут несколько отличаться от общепринятых значений. У некоторых устройств среднее положение и ширина импульса может быть равной 760 мкс. Все принятые значения также могут незначительно отличаться из-за погрешности, которая может быть допущена при производстве устройства.
Способ управления приводом часто по ошибке называют PWM/ШИМ, но это не совсем корректно. Управление напрямую зависит именно от длины импульса, частота их появления не так важна. Корректная работа будет обеспечена как при 40 Гц, так и при 60 Гц, вклад внесет только сильное уменьшение или увеличение частоты. При резком спаде сервопривод начнет работать рывками, при завышении частоты выше 100 Гц устройство может перегреться. Поэтому правильнее называть PDM.
По внутреннему интерфейсу можно выделить аналоговые и цифровые сервоприводы. Внешних отличий нет – все различия только во внутренней электронике. Аналоговый сервопривод внутри содержит специальную микросхему, цифровой – микропроцессор, принимающий и анализирующий импульсы.
При получении сигнала аналоговый сервопривод принимает решение, менять или нет положение, и по необходимости подает на мотор сигнал с частотой 50 Гц. За время реакции (20 мс) могут произойти внешние воздействия, которые изменят положение сервопривода, и устройство не успеет среагировать. Цифровой сервопривод использует процессор, который подает и обрабатывает сигналы с большей частотой – от 200 Гц, поэтому он может быстрее отреагировать на внешние воздействия, быстрее развивать нужную скорость и крутящий момент. Следовательно, цифровой сервопривод будет лучше удерживать заданное положение. При этом для работы цифрового сервопривода требуется больше электроэнергии, что повышает их стоимость. Большой вклад в цену делает и сложность их производства. Высокая стоимость – единственный недостаток цифровых сервоприводов, в техническом плане они намного лучше аналоговых устройств.
Подключение серводвигателя к ардуино
Сервопривод обладает тремя контактами, которые окрашены в разные цвета. Коричневый провод ведет к земле, красный – к питанию +5В, провод оранжевого или желтого цвета – сигнальный. К Ардуино устройство подключается через макетную указанным на рисунке образом. Оранжевый провод (сигнальный) подключается к цифровому пину, черный и красный – к земле и питанию соответственно. Для управления серводигателем не требуется подключение именно к шим-пинам – принцип управления серво мы уже описывали ранее.
Не рекомендуется подключать мощные серво напрямую к плате, т.к. они создают для схемы питания Arduino ток, не совместимый с жизнью – повезет, если сработает защита. Чаще всего симптомы перегрузки и неправильного питания сервопривода заключаются в “дергании” серво, неприятному звуку и перезагрузке платы. Для питания лучше использовать внешние источники, обязательно объединяя земли двух контуров.
Скетч для управления сервоприводом в Arduino
Управление сервоприводом напрямую через изменение в скетче длительности импульсов – достаточно нетривиальная задача, но у нас, к счастью, есть отличная библиотека Servo, встроенная в среду разработки Arduino. Все нюансы программирования и работы с сервоприводами мы рассмотрим в отдельной статье. Здесь же приведем простейший пример использования Servo.
Алгоритм работы прост:
- Для начала мы подключаем Servo.h
- Создаем объект класса Servo
- В блоке setup указываем, к какому пину подключен серво
- Используем методы объекта обычным для C++ способом. Самым популярным является метод write, которому мы подаем целочисленное значение в градусах (для сервопривода 360 эти значения будут интерпретироваться по-другому).
Пример простого скетча для работы с сервоприводом
Пример проекта, в котором мы сразу сначала устанавливаем серводвигатель на нулевой угол, а затем поворачиваем на 90 градусов.
#include
Скетч для двух сервпоприводов
А в этом примере мы работаем сразу с двумя сервоприводами:
#include
Управление сервоприводом с помощью потенциометра
В этом примере поворачиваем серво в зависимости от значения, полученное от потенциометра. Считываем значение и преобразовываем его в угол с помощи функции map:
//Фрагмент стандартного примера использования библиотеки Servo void loop() { val = analogRead(A0); // Считываем значение с пина, к которому подключен потенциометр val = map(val, 0, 1023, 0, 180); // Преобразуем число в диапазоне от 0 до 1023 в новый диапазон - от 0 до 180. servo.write(val); delay(15); }
Характеристики и подключение SG-90
Если вы собрались купить самый дешевый и простой сервопривод, то SG 90 будет лушим вариантом Этот серво чаще всего используется в управлении небольшими легкими механизмами с углом поворота от 0° до 180°.
Технические характеристики SG90:
- Скорость отработки команды 0,12с/60 градусов;
- Питание 4,8В;
- Рабочие температуры от -30С до 60 С;
- Размеры 3,2 х 1,2 х 3 см;
- Вес 9 г.
Описание SG90
Цвета проводов стандартные. Сервопривод стоит недорого, он не обеспечивает точных настроек начальных и конечных позиций. Для того, чтобы избежать лишних перегрузок и характерного треска в положении 0 и 180 градусов лучше выставлять крайние точки в 10° и 170°. При работе устройства важно следить за напряжением питания. При сильном завышении этого показателя могут повредиться механические элементы зубчатых механизмов.
Сервоприводы MG995 и MG996 tower pro
Серво MG995 является второй по популярности моделью сервоприводов, чаще всего подключаемых к проектам Arduino. Это относительно недорогие сервомоторы, обладающие гораздо лучшими характеристиками по сравнению с SG90.
Характеристики MG995
Выходной вал у MG995 поворачивается на 120 градусов (по 60 в каждом направлении), хотя многие продавцы указывают на 180 градусов. Устройство выполняется в пластиковом корпусе.
- Вес 55 г;
- Крутящий момент 8,5 кг х см;
- Скорость 0,2с/60 градусов (при 4,8В);
- Рабочее питание 4,8 – 7,2В;
- Рабочие температуры – от 0С до -55С.
Описание MG995
Подключение к ардуино также происходит по трем проводам. В принципе, для любительских проектов допускается подключение MG995 напрямую к Arduino, но ток двигателя всегда будет создавать опасную нагрузку для входов платы, поэтому рекомендуется все-таки запитывать серво отдельно, не забыв соединить землю обоих контуров питания. Другим упрощающим жизнь вариантом будет использование готовых сервоконтроллеров и шилдов, обзор которых мы подготовим в отдельной статье.
MG996R похож на MG995 по своим характеристикам, только он выполняется в металлическом корпусе.
Переделка сервопривода в серво непрерывного вращения
Как описывалось выше, сервопривод управляется импульсами переменной ширины, которые задают угол поворота. Текущее положение считывается с потенциометра. Если рассоединить вал и потенциометр, серводвигатель будет принимать положение движка потенциометра как в средней точке. Все эти действия приведут к тому, что будет убрана обратная связь. Это позволяет управлять скоростью и направлением вращения по сигнальному проводу, и создать серво непрерывного вращения. При этом важно отметить, что серво постоянного вращения не может поворачиваться на определенный угол и делать строго заданное количество оборотов.
Чтобы произвести вышеописанные действия, придется разобрать устройство и внести изменения в конструкцию.
В Ардуино IDE нужно создать небольшой скетч, который поставит качалку в среднее положение.
#include
После этого устройство нужно подключить к Ардуино. При подключении серво начнет вращаться. Нужно добиться ее полной остановки путем регулирования резистора. После того, как вращение прекратится, нужно найти вал, вытащить из него гибкий элемент и установить обратно.
Этот метод имеет несколько недостатков – настройка резистора до полной остановки неустойчива, при малейшем ударе/нагреве/охлаждении настроенная нулевая точка может сбиться. Поэтому лучше использовать способ замены потенциометра подстроечником. Для этого нужно вытащить потенциометр и заменить его на подстроечный резистор с таким же сопротивлением. Нулевую точку нужно настроить калибровочным скетчем.
Любой из методов переделки сервопривода в серво непрерывного вращения имеет свои недостатки. Во-первых, сложно настроить нулевую точку, любое движение может ее сбить. Во-вторых, диапазон регулирования мал – при небольшом изменении ширины импульса скорость может значительно измениться. Расширить диапазон можно программно в Ардуино.
Заключение
Сервоприводы играют очень важную роль для многих проектов Ардуино, от робототехнических до систем умного дома. Все, что связано с движением, традиционно требует особых знаний и создать полноценный правильно работающий привод – непростая задача. Но с помощью серводвигателей можно во многих случаях упростить задачу, поэтому серво постоянно используется даже в проектах начального уровня.
В этой статье мы постарались раскрыть разные аспекты использования сервоприводов в проектах arduino: от подключения до написания скетчей. Выбрав самую простую модель серво (например, sg 90) вы сможете без труда повторить приведенные примеры и создать свои первые проекты, в которых что-то движется и изменяется. Надеемся, эта статья поможет вам в этом.
Думаю любой человек представляет себе, что такое электродвигатель, нет? — тогда вспомните какой нибудь вентилятор. Какая характерная черта? Правильно, подали напряжение он крутится, сняли напряжение — не крутится. Сервопривод, это тоже движок, но в отличие от других, на сколько скажешь ему повернуться, на столько он и повернется и остановится. Пока держится управляющий сигнал, сервопривод будет фиксировать свое положение. Можете его хоть руками покрутить, он все равно вернется в заданное положение.
Угол на который поворачивается серва, задается шириной импульса. Стоит уточнить небольшую тонкость, сервоприводы бывают разные. Бывают такие, которые крутятся постоянно в определенную сторону, при этом ширина импульса влияет только на скорость поворота. Бывают многооборотистые. Те о которых речь пойдет дальше, на сайте производителя имеют явную маркировку, в которой указан угол поворота. Поэтому учтите если серва, не имеет явной маркировки, то может оказаться так, что она тупо постоянно вращается. Не путайте, надписи 0.20 sec/60° означают скорость вращения, они никак не связаны с максимальным углом поворота.
Перейдем к теории. Представляем себе микроконтроллер с подключенным к АЦП входу резистором R и некий движок, который крутится по ШИМ сигналу PWM. Допустим уровень сигнала АЦП напрямую связан с ШИМ выходом, тогда когда мы будем крутить резистор, то скорость будет меняться, когда напряжение АЦП станет равным 0, движок остановится.
Теперь рассмотрим вариант 2. Ручка резистора насажена на вал двигателя, таким образом, что когда двигатель вращается, он изменяет сопротивление резистора, следовательно и напряжение, которое подается на вход АЦП. При этом, если имеется еще один источник сигнала, то микроконтроллер сравнивает напряжение на входах и если оно больше, то крутит в одну сторону, если меньше, то в другую. Рано или поздно напряжения уровняются и движок остановится. Поэтому серва включает в себя все что нарисовано: резистор, микроконтроллер, двигатель. Внешний сигнал естественно подавать должны мы, чтобы управлять.
Типовые кишки выглядят так:
На фотке видно что резистор и моторчик соединяется через кучу шестеренок, поэтому если полезете внутрь будьте готовы что на вас высыпется все это добро. Вид снизу
Чаще всего ширина импульса колеблется в диапазоне от 1100мкс до 1900мкс, при периоде 20мс, но цифры могут отличаться, причем достаточно сильно. Пример из даташита:
Control System: +Pulse Width Control 1520usec Neutral
Required Pulse: 3-5 Volt Peak to Peak Square Wave
Operating Voltage: 4.8 Volts
Operating Speed (6V): 0.20sec/60 degrees at no load
Operating Angle: 45 Deg. one side pulse traveling 400usec
Continuous Rotation Modifiable: No
Direction: Counter Clockwise/Pulse Traveling 1520-1900usec
Отсюда четко видно, что средняя точка 1520мкс, чтобы повернуть такую серву на 45градусов, уже нужно подать импульс 1900мкс, соответственно остальные углы рассчитываются пропорцией. Чтобы повернуть на -45 градусов нужно подать импульс 1100мкс. Т.е. диапазон 90град. Еще видно, что под Continuous Rotation сей девайс не заточен, что хорошо.
Перейдем к практике. Есть поциент Futaba S3152, которым нужно покрутить туды — сюды.
Также можно это дело потестить в протеусе. Обычное подключение по трем проводам красный +5В, черный — земля, белый — управляющий.
В последних версиях CAVR, в Codewizard появилось много ништяков, например можно вбить цифры в попугаях и увидеть период и импульс в секундах. Собственно нам важен режим fast pwm top ICR. Примечателен этот режим тем, что ICR задает период, а OCR ширину импульса.
Период вычисляется очень просто:
ICR = (Частота таймера/50Hz)-1
Тогда нужную ширину импульса можно легко вычислить по пропорции:
20ms = ICR
?ms = OCR
В итоге можно переписать так:
OCR = (x*ICR)/20; где x это необходимая длительность импульса. Например, нужна длительность импульса в 1мс, значит OCR= (1*9C3)/20=0x7C.
Собственно и все. Теперь исходим из того, что нейтральная точка = 1524мкс или OCR1 = (1.524*9C3)/20 = 0xBE и зависимости от тогу куда нам нужно повернуть пересчитываем OCR. Простенький пример, поворачиваем на -45, затем 0 и потом +45.
| #include |
#include Получилось так: Для stm32 приведу пример настройки, которая помойму даже проще. Пример для stm32f103, нога PA1, тактовая 72МГц. //Настройка ножки PA1 на альтернативную функцию
GPIO_InitTypeDef PORT_SETUP;
PORT_SETUP.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
PORT_SETUP.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
PORT_SETUP.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &PORT_SETUP);
//настройка таймера
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_SETUP;
TIM_SETUP.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_SETUP.TIM_Period = 4096;
TIM_SETUP.TIM_Prescaler = 351; // 72мгц/4096/351=50hz
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_SETUP);
//настройка ШИМ
TIM_OCInitTypeDef PWM_SETUP;
//PWM_SETUP.TIM_Pulse = 200; //4096 = 20ms 200 ~ 1ms
PWM_SETUP.TIM_Pulse = 0;
PWM_SETUP.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;
PWM_SETUP.TIM_OutputState =TIM_OutputState_Enable;
PWM_SETUP.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;
TIM_OC2Init(TIM2, &PWM_SETUP);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
while(1)
{
....
//где то внутри основного цикла меняем угол поворота переменной result
TIM2->CCR2 = (4096 * result)/20000;
} И пара бонусных моментов. Особо крутые сервоприводы могут программироваться, качаешь отдельную софтинку, покупаешь спецпрограмматор и втыкаешься в те же 3 провода и можно регулировать параметры. Фактически прошивайка работает по юарту. Еще один момент, это крепление нагрузки. Пластиковые штуки, которые крепятся на вал называются качалками. //Настройка ножки PA1 на альтернативную функцию
GPIO_InitTypeDef PORT_SETUP;
PORT_SETUP.GPIO_Mode
=
GPIO_Mode_AF_PP;
PORT_SETUP.GPIO_Pin
=
GPIO_Pin_1;
PORT_SETUP.GPIO_Speed
=
GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,
&
PORT_SETUP)
;
//настройка таймера
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_SETUP;
TIM_SETUP.TIM_CounterMode
=
TIM_CounterMode_Up;
TIM_SETUP.TIM_Period
=
4096
;
TIM_SETUP.TIM_Prescaler
=
351
;
// 72мгц/4096/351=50hz
TIM_TimeBaseInit(TIM2,
&
TIM_SETUP)
;
//настройка ШИМ
TIM_OCInitTypeDef PWM_SETUP;
//PWM_SETUP.TIM_Pulse = 200; //4096 = 20ms 200 ~ 1ms
PWM_SETUP.TIM_Pulse
=
0
;
PWM_SETUP.TIM_OCMode
=
TIM_OCMode_PWM2;
PWM_SETUP.TIM_OutputState
=
TIM_OutputState_Enable;
PWM_SETUP.TIM_OCPolarity
=
TIM_OCPolarity_Low;
TIM_OC2Init(TIM2,
&
PWM_SETUP)
;
TIM_Cmd(TIM2,
ENABLE)
;
while
(1
)
{
....
//где то внутри основного цикла меняем угол поворота переменной result
TIM2->
CCR2 =
(4096
*
result)
/
20000
;
}
