Простой контроллер управления серводвигателем. Схема и описание. Что такое сервопривод, управление сервоприводом
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:Сервоприводы и механизмы оснащены датчиком, который отслеживает определенный параметр, например усилие, положение или скорость, а также управляющий блок в виде электронного устройства. Задачей этого устройства является поддержание необходимых параметров в автоматическом режиме во время функционирования устройства, в зависимости от вида поступающего сигнала от датчика в определенные периоды времени.
Устройство и работа
От обычного электродвигателя сервопривод отличается тем, что можно задать точное положение вала в градусах. Сервоприводы – это любые механические приводы, которые включают в себя датчик некоторого параметра и блок управления, который способен автоматически поддерживать требуемые параметры, соответствующие определенным внешним значениям.
1 — Шестерни редуктора
2 — Выходной вал
3 — Подшипник
4 — Нижняя втулка
5 — Потенциометр
6 — Плата управления
7 — Винт корпуса
8 — Электродвигатель постоянного тока
9 — Шестерня электродвигателя
Для преобразования электрической энергии в механическое движение, необходим . Приводом является редуктор с электродвигателем. Редуктор требуется для снижения скорости двигателя, так как скорость слишком большая для применения. Редуктор состоит из корпуса, в котором расположены валы с шестернями, способными преобразовывать и передавать крутящий момент.
Путем запуска и останова электродвигателя можно приводить в движение выходной вал редуктора, который связан с шестерней сервопривода. К валу можно присоединять устройство или механизм, которым требуется управлять. Кроме этого для контроля положения вала требуется наличие датчика обратной связи. Этот датчик может преобразовать угол поворота снова в сигнал электрического тока.
Такой датчик получил название энкодера. В качестве энкодера может применяться потенциометр. Если бегунок потенциометра поворачивать, то будет изменяться его сопротивление. Значение этого сопротивления прямо пропорционально зависит от угла поворота потенциометра. Таким образом, есть возможность добиться установки определенного положения механизма.
Кроме выше названного потенциометра, редуктора и электродвигателя, сервоприводы оснащены электронной платой, которая обрабатывает поступающий сигнал внешнего значения параметра от потенциометра, сравнивает, и в соответствии с результатом сравнения запускает или останавливает электродвигатель. Другими словами эта электронная начинка отвечает за поддержку отрицательной обратной связи.
Подключение сервопривода осуществляется тремя проводниками, два из которых подают питание напряжением электродвигателя, а по третьему проводнику поступает сигнал управления, с помощью которого выполняется установка положения вала двигателя.
Кроме электродвигателя, играть роль привода может и другой механизм, например пневматический цилиндр со штоком. В качестве датчика обратной связи применяют также датчики поворота угла, либо . Управляющий блок является сервоусилителем, индивидуальным инвертором. Он может содержать также и датчик сигнала управления.
При необходимости создания плавного торможения или разгона для предотвращения чрезмерных динамических нагрузок двигателя, выполняют схемы более сложных микроконтроллеров управления, которые могут контролировать позицию рабочего элемента намного точнее. Подобным образом выполнено устройство привода установки позиции головок в компьютерных жестких дисках.
Виды сервоприводов
При необходимости создания управления несколькими группами сервоприводов используют контроллеры с ЧПУ, которые собраны на схемах программируемых логических контроллеров. Такие сервоприводы способны обеспечить крутящий момент 50 Н*м, мощностью до 15 киловатт.
Синхронные способны задать скорость вращения электродвигателя с большой точностью, так же как ускорение и угол поворота. Синхронные виды приводов могут быстро достигать номинальной скорости вращения.
Асинхронные способны точно выдерживать скорость даже на очень низких оборотах.
Сервоприводы принципиально разделяют на электромеханические и электрогидромеханические . Электромеханические приводы состоят из редуктора и электродвигателя. Но их быстродействие оказывается намного меньше. В электрогидромеханических приводах движение создается путем движения поршня в цилиндре, вследствие чего быстродействие оказывается на очень высоком уровне.
Характеристики сервоприводов
Рассмотрим основные параметры, которые характеризуют сервоприводы:
- Усилие на валу . Этот параметр является крутящим моментом. Это наиболее важный параметр сервопривода. В паспортных данных чаще всего указывается несколько значений момента для разных величин напряжения.
- Скорость поворота также является важной характеристикой. Она указывается в эквиваленте времени, необходимом для изменения позиции выходного вала привода на 60 градусов. Этот параметр также могут указывать для нескольких значений напряжения.
- Тип сервоприводов бывает аналоговый или цифровой.
- Питание . Основная часть сервоприводов функционирует на напряжении 4,8-7,2 вольта. Питание подается чаще всего по трем проводникам: белый – сигнал управления, красный – напряжение работы, черный – общий провод.
- Угол поворота – это наибольший угол, на который выходной вал способен повернуться. Чаще всего этот параметр равен 180 или 360 градусов.
- Постоянного вращения . При необходимости обычный сервопривод можно модернизировать для постоянного вращения.
- Материал изготовления редуктора сервоприводов бывает различным: карбон, металл, пластик, либо комбинированный состав. Шестерни, выполненные из пластика, не выдерживают ударных нагрузок, однако обладают высокой износостойкостью. Карбоновые шестерни намного прочнее пластмассовых, но имеют высокую стоимость. Шестерни из металла способны выдержать значительные нагрузки, падения, но имеют низкую износостойкость. Выходной вал редуктора устанавливают по-разному на разных моделях: на втулках скольжения, либо на шариковых подшипниках.
Преимущества
- Легкость и простота установки конструкции.
- Безотказность и надежность, что важно для ответственных устройств.
- Не создают шума при эксплуатации.
- Точность и плавность передвижений достигается даже на малых скоростях. В зависимости от поставленной задачи разрешающая способность может настраиваться работником.
Недостатки
- Сложность в настройке.
- Повышенная стоимость.
Применение
Сервоприводы в настоящее время используются достаточно широко. Так, например, они применяются в различных точных приборах, промышленных роботах, автоматах по производству печатных плат, станках с программным управлением, различные клапаны и задвижки.
Наиболее популярными стали быстродействующие приводы в авиамодельном деле. Серводвигатели имеют достоинство в эффективности расхода электрической энергии, а также равномерного движения.
В начале появления серводвигателей использовались коллекторные трехполюсные моторы с обмотками на роторе, и с постоянными магнитами на статоре. Кроме этого, в конструкции двигателя был узел с коллектором и щетками. Далее, по мере технического прогресса число обмоток двигателя увеличилось до пяти, а момент вращения возрос, так же как и скорость разгона.
Следующим этапом развития серводвигателей было расположение обмоток снаружи магнитов. Этим снизили массу ротора, уменьшили время разгона. При этом стоимость двигателя увеличилась. В результате дальнейшего проектирования серводвигателей было решено отказаться от наличия коллектора в устройстве двигателя. Стали применяться двигатели с постоянными магнитами ротора. Мотор стал без щеток, эффективность его возросла вследствие увеличения крутящего момента, скорости и ускорения.
В последнее время наиболее популярными стали сервомоторы, работающие от программируемого контроллера (Ардуино). Вследствие этого открылись большие возможности для проектирования точных станков, роботостроения, авиастроения (квадрокоптеры).
Так как приводы с моторами без коллекторов обладают высокими функциональными характеристиками, точным управлением, повышенной эффективностью, они часто применяются в промышленном оборудовании, бытовой технике (мощные пылесосы с фильтрами), и даже в детских игрушках.
Сервопривод отопления
По сравнению с механической регулировкой системы отопления, электрические сервоприводы являются наиболее совершенными и прогрессивными техническими устройствами, обеспечивающими поддержание параметров отопления помещений.
1 — Блок питания
2 — Комнатные термостаты
3 — Коммутационный блок
4 — Серводвигатели
5 — Подающий коллектор
6 — Обход
7 — Водяной теплый пол
8 — Обратный коллектор
9 — Датчик температуры воды
10 — Циркулярный насос
11 — Шаровый клапан
12 — Регулировочный клапан
13 — Двухходовой термостатический клапан
Привод системы отопления функционирует совместно с термостатом, установленным на стену. Кран с электрическим приводом монтируется на трубе подачи теплоносителя, перед коллектором теплого водяного пола. Далее выполняется подключение питания 220 вольт и настройка терморегулятора рабочего режима.
Система управления оснащается двумя датчиками. Один из них расположен в полу, другой в помещении. Датчики передают сигналы на термостат, управляющий сервоприводом, который соединен с краном. Повысить точность регулировки можно путем установки дополнительного прибора снаружи помещения, так как условия климата непрерывно изменяются, и оказывают влияние на температуру в комнате.
Привод механически соединен с клапаном для его управления. Клапаны могут быть двух- и трехходовыми. Двухходовой клапан может изменять температуру воды в системе. Трехходовой клапан способен поддерживать температуру неизменной, однако изменяет потребление горячей воды, которая подается в контуры. В устройстве трехходового клапана имеется два входа для горячей воды (трубы подачи) и выход обратной воды, через который подается смешанная вода с заданной температурой.
Смешивание воды происходит с помощью клапана. При этом осуществляется регулировка подачи теплоносителя в коллекторы. При открывании одного входа, другой начинает закрываться, а расход воды на выходе не изменяется.
Сервоприводы багажника
В настоящее время современные автомобили чаще всего стали производит с функцией автоматического открывания багажника. Для такой цели применяют рассмотренную нами конструкцию сервопривода. Автопроизводители используют два метода для оснащения такой функцией автомобиля.
Конечно, пневмопривод багажника более надежен, однако его стоимость достаточно высока, поэтому в автомобилях такой привод не нашел применения.
Электрический привод выполняется с разными способами управления:
- Рукояткой на крышке багажника.
- Кнопкой на панели двери водителя.
- С пульта сигнализации.
Открывать багажник вручную не всегда бывает удобным. Например, зимой замок имеет свойство замерзать. Сервопривод дополнительно выполняет функцию защиты автомобиля от чужого проникновения, так как совмещен с устройством замка.
Такие приводы багажника используются на некоторых импортных автомобилях, однако, можно установить такой механизм и на отечественных машинах, было бы желание.
Существуют приводы багажника с магнитными пластинами, однако они не нашли применения, так как их устройство достаточно сложное.
Наиболее приемлемыми по цене являются сервоприводы багажника, которые выполняют только открывание. Функция закрывания для них недоступна. Также можно выбрать конструкцию модели привода, имеющего инерционный механизм. Он играет роль блокировки при появлении препятствия при движении багажника.
Дорогостоящие модели сервоприводов включают в себя механизм подъема и опускания багажника, доводчика механизма запирания, датчиков и контроллера. Обычно их на автомобилях устанавливают на заводе, однако простые конструкции вполне можно монтировать самостоятельно.
Для самых начинающих. Проверенный код в статье. Подключим, повернем, разберемся с питанием.
В руки прибыл сервопривод SD90 с диагнозом неправильной работы и практически с полным отказом (По словам). Надо разобраться.
Общая информация нужна, информация важна
SD-90 - практически самый дешевый сервопривод на рынке электроники.
Вес всего 15 грамм, а крутящий момент 2кг/см. Работает данный сервопривод SD90 в температурах от -30 до +60 градусов.
Рабочее напряжение от 4В до 8В.
Потребление в движении 70 мА, а в удержании 15 мА.
Угол поворота составляет всего 180 градусов.
Сервопривод SD90 идеально подходит для установки на авиамодели.
Для управления сервоприводами с помощью Ардуин есть стандартная библиотека в IDE Arduino Servo.h , которая включает в себя функции для установки настроек сервопривода, необходимого угла, считывания состояния. Некоторые методы являются перегруженными.
Обращаемся к китайским друзьям за мануалами и судя по рисунку ниже подключение сервопривода SG90 не составляет труда.
Два провода отвечают за питание и один провод для управления. Ниже приведен код программы для ардуино который даст некоторые пояснения.
void setup()
//К пину №7 подключен управляющий вывод сервопривода
//Данный метод библиотеки указывает пин через который происходит управление
servo.attach (7 ) ;
//servo.detach(7); - этот метод отключит управление от указанного пина.
void loop()
//Установка вала в 0 градусов
servo.write (0 ) ;
delay(2000 ) ; //ждем 2 секунды. Необходимо как минимум 30 микросекунд для установки.
servo.write (90 ) ; //ставим вал под 90 градусов
// В библиотеке есть функция для чтения текущего положения (угла) сервопривода.
// Будет считано последнее установленное значение в сервоприводе.
// int AngleServo=servo.read();
// От 0 до 180 градусов.
servo.write (180 ) ; //ставим вал под 190 градусов
delay(2000 ) ; //ждем 2 секунды.
//Медленно возвращаемся обратно с интервалом в 1 градус
for (int p= 179 ; p>= 1 ; p-- )
servo.write (p) ;
delay(20 ) ;
//Угол (Установить) можно задать во времени от нуля.
//Так как у сервопривода есть характеристика скорости поворота 0.12 сек/60 град
1 - Коннектор для подключения
2 - Схема управления сервоприводом, обработки сигналов
3 - Потенциометр
4 - Двигатель
5 - ВалТак вот, в самом начале я говорил что в руки попал почти не рабочий сервопривод (По словам). После разбирательств стало понятно что Ардуина имела питание от USB компьютера, а сам сервопривод от Arduino.
Если углубится в подробности то в экспериментах с было установлено то что китайская версия MEGA не вытягивает нагрузку 150 мА. Сервопривод SG90 в момент движения вала создает нагрузку 75-90 мА в зависимости от нагрузки вала. В итоге при старте Ардуины у человека который попросил разобраться в данной проблеме происходил сброс самой ардуины от повышенной нагрузки и соответственно сервопривод не подавал никаких признаков.Решение проблемы самое простое. Необходимо усилить питание для ардуины с помощью внешнего источника (блока питания) или отдельно для сервопривода SG90.
Но ситуация была такова что в месте установки сервопривода не было возможности применить внешний источник питания. Решение нашлось ниже на рисунке.
В итоге что бы предотвратить нагрузку на Arduino необходимо между питанием и землей установить поддерживающий конденсатор емкостью 1000мФ 10V. И керамический конденсатор любой емкости для предотвращения дребезга от сервопривода (при нагрузке) на Ардуину. Это решение нельзя использовать для постоянного использования, но в экстренных случаях этот вариант вполне подойдет.
Обратите внимание что данный вариант подойдет для сервоприводов типа "микро". Для больших сервоприводов данный метод для питания все равно даст просадку напряжения, это будет заметно по LED индикаторам ардуины, но все же предотвратит полный сброс.
* Специально для сайта сайт
* Сервопривод SG90 + Arduino. Подключение
//Библиотека для работы с сервоприводом
#include ‹Servo.h›
//Обьявление переменной - объекта
Servo servo;
– это привод, вал которого может встать в заданное положение или поддерживать заданную скорость вращения. Другими словами, валом сервопривода можно управлять, например, задавая ему положение в градусах или определенную частоту вращения.
Используются в самых разных областях, например, в робототехнике они помогают моделировать различные движения роботов. Сервоприводы – эффективное решение для перемещения механизмов в пространстве.
В этом уроке мы научимся управлять сервоприводом .
Для урока нам понадобиться:
Подключение к Arduino
Для достижения самых разных целей робототехники к программируемому контроллеру Arduino может быть подключен сервопривод. Подключение осуществляется через кабели, которые выходят из сервопривода. Обычно это три кабеля: красный; коричневый или черный; желтый, оранжевый или белый.
Подключение сервопривода к плате Arduino производится через ШИМ-выводы. Что Такое PWM (ШИМ) мы уже рассматривали в уроке: Плавное включение светодиода на Arduino с помощью ШИМ (PWM)
За основу возьмем урок Подключение кнопки и светодиода плате Arduino к схеме добавим сервопривод и вот что у нас должно получиться.
Изменим код:
#include
#include
Мы еще не работали с библиотеками. Библиотека это класс, содержащий функции которые мы можем использовать в нашей программе. Библиотека позволяет сократить объем написанного кода и скорость разработки приложения.
Ка вы поняли строка выше подключает нашу библиотеку Servo.h, после чего мы можем использовать все функции данной библиотеки.
Servo servo; // объявляем переменную servo типа "servo"
Объявлением переменную, она нам понадобиться для работы с библиотекой.
Servo.attach(5); // привязываем сервопривод к аналоговому выходу 5
Функция библиотеки Servo.
Servo.write(180); //ставим вал на 180
С помощью данной функции мы можем повернуть сервопривод на заданный угол.
