Controlador de servomotor simple. Diagrama y descripción. ¿Qué es el servocontrol?
Me encontré con el popular servoaccionamiento económico SG90. Y decidí controlarlo, pero sin microcontrolador. En este artículo describiré la línea de pensamiento del desarrollador al implementar una de las opciones de solución.
Para cualquier persona interesada, consulte cat.
Idea
Necesita controlar el servoaccionamiento, pero sin un microcontrolador.Conocimiento
Todo el mundo sabe que la experiencia y el conocimiento ayudan a crear y encontrar soluciones. En las páginas de Giktayms hay muchos ejemplos del uso de un servoaccionamiento mediante controladores. Hablan en detalle sobre el sistema de control del servoaccionamiento. Tomemos esta experiencia de otros desarrolladores como el conocimiento que necesitamos para resolver el problema. El servoaccionamiento SG90 está controlado por una señal PWM, cuyos parámetros determinan la posición del rotor. El período PWM es de aproximadamente 20 mS, la duración de la señal de control es de 500 a 2100 μS.Tarea
La idea y el conocimiento dan lugar a un problema que debe resolverse. Formulemos una tarea para implementar la idea. Esto es algo así como una Especificación Técnica. Parece que todo es simple, es necesario tomar un generador de impulsos con un ciclo de trabajo variable, conectar la alimentación al servoaccionamiento y enviar una señal de control desde el generador. Observamos especialmente que los requisitos incluyen cambios en el ciclo de trabajo, es decir, debe haber controles o una interfaz de usuario.Implementación
Aquí es donde comienzan los dolores de la creatividad: ¿qué conseguir y dónde conseguirlo? Puede encontrar un generador de impulsos de laboratorio ya preparado, por ejemplo G5-54 con perillas y botones, configurar los parámetros necesarios y conectar el generador a un servoaccionamiento. Sin embargo, esto es engorroso y no todo el mundo puede darse ese lujo. Por lo tanto, los desarrolladores, apoyándose en su experiencia y conocimientos, intentan combinar el deseo (idea-tarea) y las capacidades (materiales y creativas) para implementar la tarea. Las posibilidades materiales son ese “sapo”: “¿Cuánto y cuánto quiero gastar en implementar la idea?” Las posibilidades creativas son: "Déjame ver lo que ya tengo". No se trata necesariamente de activos materiales, sino de experiencia y conocimiento de desarrollos previos que pueden adaptarse para su implementación. También sería buena idea buscar (Google) para ver si alguien ya ha implementado algo similar. Para reducir las opciones de solución, usted mismo debe agregar requisitos adicionales que limiten la imaginación de implementación. Por ejemplo, agreguemos una condición más a los requisitos, que sea una limitación material, la implementación debe ser barato.Buscar alternativas
Usando Internet buscaremos las opciones que ofrece la RED. Fijemos en la búsqueda: “generador de impulsos rectangular con ciclo de trabajo variable”. Obtendremos muchas opciones, tanto utilizando temporizadores integrados NE555 (análogo doméstico del KR1006VI1) como en chips lógicos. De toda la variedad, elegí la opción de un generador inversor con disparador Schmitt en la entrada. En primer lugar, es el más sencillo, en segundo lugar, requiere un mínimo de piezas y lo más interesante es que utiliza un único elemento lógico de seis, si, por ejemplo, utilizas un chip 74HC14.El circuito de dicho generador se ve así:
una pequeña teoría
La teoría dice que la frecuencia de dicho generador es f = 1/T = 1/(0,8*R*C). Para obtener la frecuencia requerida, debe seleccionar el valor de uno de los elementos que configuran la frecuencia. Dado que el elemento lógico está fabricado con tecnología CMOS, tiene una alta resistencia de entrada, por lo que se pueden utilizar elementos que establezcan pequeñas corrientes de operación. Elijamos la capacitancia C1 entre varios valores comunes, por ejemplo 0,47 µF. Luego, para obtener la frecuencia requerida (50 Hz), la resistencia debe ser de aproximadamente 53 kOhm, pero no existe tal resistencia en la serie estándar, por lo que elegiremos 51 kOhm.
A la salida de dicho generador se genera una señal cercana a una onda cuadrada, por lo que debemos ajustar el circuito para que cumpla con los requisitos de la tarea. Para obtener una duración de pulso ajustable en la salida, es necesario cambiar el modo de recarga del condensador desde un nivel alto en la salida, es decir, reducir el tiempo de recarga. Para ello, añadimos dos elementos más al circuito: un diodo y una resistencia variable. Cualquier diodo de conmutación de baja potencia servirá.
Entonces el diagrama tomará la siguiente forma:
Parecería: eso es todo, el problema está resuelto, pero en las posiciones extremas de la resistencia variable el comportamiento del servoaccionamiento es inestable. Esto se debe al hecho de que el valor de la duración del pulso en las posiciones extremas de la resistencia variable no corresponde a los requeridos. Personalmente, tampoco me gusta el uso de una resistencia variable, por eso quiero cambiar la interfaz de control agregando un nuevo "deseo" a la especificación técnica, por ejemplo, para que el ciclo de trabajo cambie dependiendo de la iluminación. Existe una solución sencilla y económica para esto: utilizar un fotorresistor GL55xx (utilizado en proyectos Arduino) como elemento regulador, cuya resistencia varía en un amplio rango.
Entonces comienza la diversión. No existen fórmulas de cálculo para obtener valores de resistencia que proporcionen las duraciones de pulso requeridas, por lo tanto, a nivel de intuición (experimentalmente, usando una resistencia variable), determinamos los valores de resistencia a los que se obtienen los valores de duración de pulso requeridos. están establecidos. Luego cambiamos el circuito para que cuando cambie la resistencia del fotorresistor, cambie la resistencia total, estableciendo los valores de duración del pulso requeridos.
El esquema final toma la siguiente forma:
Explicaciones para el diagrama final.
El condensador C1 con un valor nominal de 0,47 μF determina el tiempo de recarga. La resistencia R1 con un valor nominal de 51 kOhm ajusta la frecuencia de repetición del pulso principal alrededor de 50 Hz. La combinación de resistencias R2-R4 en total variará en el rango de 2,5 kOhm a 24 kOhm dependiendo de la iluminación. Junto con el diodo D1, estas resistencias influirán en el tiempo de recarga del condensador C1 bajo la acción de un pulso positivo en la salida del elemento lógico, determinando así su duración.Resultado
Al conectar este generador a la entrada de control del servodrive, podremos controlarlo cambiando la iluminación del fotorresistor. En el vídeo podéis ver lo que resultó:Los servos y mecanismos están equipados con un sensor que monitorea un parámetro específico, como fuerza, posición o velocidad, así como una unidad de control en forma de dispositivo electrónico. La tarea de este dispositivo es mantener los parámetros necesarios automáticamente durante el funcionamiento del dispositivo, dependiendo del tipo de señal entrante del sensor en ciertos períodos de tiempo.
Diseño y operación
Un servoaccionamiento se diferencia de un motor eléctrico convencional en que es posible ajustar la posición exacta del eje en grados. Los servoaccionamientos son accionamientos mecánicos que incluyen un sensor para algún parámetro y una unidad de control que es capaz de mantener automáticamente los parámetros requeridos correspondientes a ciertos valores externos.
1 — Engranajes reductores
2 - Eje de salida
3 - Rodamiento
4 - Casquillo inferior
5 - Potenciómetro
6 - tablero de control
7 — Tornillo de la carcasa
8 - motor de corriente continua
9 – Reductor de motor eléctrico
Para convertir la energía eléctrica en movimiento mecánico, es necesario. El accionamiento es una caja de cambios con motor eléctrico. Se requiere una caja de cambios para reducir la velocidad del motor ya que la velocidad es demasiado alta para la aplicación. La caja de cambios consta de una carcasa en la que se encuentran ejes con engranajes capaces de convertir y transmitir par.
Al arrancar y detener el motor eléctrico, se puede accionar el eje de salida de la caja de cambios, que está conectado al servoengranaje. Se puede conectar al eje un dispositivo o mecanismo que deba controlarse. Además, para controlar la posición del eje se requiere un sensor de retroalimentación. Este sensor puede convertir el ángulo de rotación nuevamente en una señal de corriente eléctrica.
Este sensor se llama codificador. Se puede utilizar un potenciómetro como codificador. Si se gira el control deslizante del potenciómetro, su resistencia cambiará. El valor de esta resistencia es directamente proporcional al ángulo de rotación del potenciómetro. De este modo, es posible conseguir una determinada posición del mecanismo.
Además del potenciómetro, la caja de cambios y el motor eléctrico mencionados anteriormente, los servos están equipados con una placa electrónica que procesa la señal entrante del valor del parámetro externo del potenciómetro, la compara y, de acuerdo con el resultado de la comparación, arranca o detiene el motor eléctrico. En otras palabras, este llenado electrónico es el responsable de soportar los comentarios negativos.
El servoaccionamiento está conectado mediante tres conductores, dos de los cuales suministran energía al motor eléctrico y el tercer conductor recibe una señal de control, que se utiliza para establecer la posición del eje del motor.
Además del motor eléctrico, el papel de accionamiento también puede desempeñar otro mecanismo, por ejemplo un cilindro neumático con vástago. Los sensores de rotación angular también se utilizan como sensores de retroalimentación o . La unidad de control es un servoamplificador, un inversor individual. También puede contener un sensor de señal de control.
Si es necesario crear un frenado o aceleración suave para evitar cargas dinámicas excesivas en el motor, se utilizan circuitos de microcontrolador de control más complejos que pueden controlar la posición del elemento de trabajo con mucha más precisión. De manera similar, el dispositivo de accionamiento para configurar la posición de los cabezales en los discos duros de las computadoras está diseñado.
tipos de servos
Si es necesario crear el control de varios grupos de servoaccionamientos, utilice controladores CNC, que se recogen en los diagramas. programable controladores lógicos. Estos servos son capaces de proporcionar un par de 50 N*m, con una potencia de hasta 15 kilovatios.
Sincrónico Son capaces de ajustar con gran precisión la velocidad de rotación del motor eléctrico, así como la aceleración y el ángulo de rotación. Los tipos de accionamiento síncronos pueden alcanzar rápidamente la velocidad nominal.
Asincrónico capaz de mantener con precisión la velocidad incluso a velocidades muy bajas.
Los servoaccionamientos se dividen fundamentalmente en electromecánico Y electrohidromecánico . Los accionamientos electromecánicos constan de una caja de cambios y un motor eléctrico. Pero su rendimiento es mucho más lento. En los accionamientos electrohidromecánicos, el movimiento se crea mediante el movimiento de un pistón en un cilindro, como resultado de lo cual la velocidad es muy alta.
Características del servoaccionamiento
Consideremos los principales parámetros que caracterizan a los servos:
- Fuerza del eje. Este parámetro es el par. Este es el parámetro más importante del servoaccionamiento. La hoja de datos suele indicar varios valores de par para diferentes valores de voltaje.
- velocidad de giro También es una característica importante. Se indica en términos del tiempo equivalente requerido para cambiar la posición del eje de salida del actuador en 60 grados. Este parámetro también se puede especificar para múltiples valores de voltaje.
- tipo servo puede ser analógico o digital.
- Nutrición . La parte principal de los servos funciona con un voltaje de 4,8-7,2 voltios. La energía se suministra con mayor frecuencia a través de tres conductores: blanco – señal de control, rojo – voltaje de funcionamiento, negro – cable común.
- Ángulo de rotación - este es el ángulo más grande en el que puede girar el eje de salida. Muy a menudo, este parámetro es de 180 o 360 grados.
- Rotación constante . Si es necesario, se puede adaptar un servo convencional para una rotación continua.
- Material de fabricación Las servoreductoras pueden ser de diferentes tipos: carbono, metal, plástico o una combinación. Los engranajes de plástico no pueden soportar cargas de choque, pero tienen una alta resistencia al desgaste. Los engranajes de carbono son mucho más resistentes que los de plástico, pero más caros. Los engranajes metálicos pueden soportar cargas y caídas importantes, pero tienen poca resistencia al desgaste. El eje de salida de la caja de cambios se instala de forma diferente en los distintos modelos: sobre casquillos deslizantes o sobre rodamientos de bolas.
Ventajas
- Facilidad y sencillez de instalación de la estructura.
- Fiabilidad y confiabilidad, que es importante para dispositivos críticos.
- No crean ruido durante el funcionamiento.
- Se logra precisión y movimiento suave incluso a bajas velocidades. Dependiendo de la tarea en cuestión, el empleado puede ajustar la resolución.
Defectos
- Difícil de configurar.
- Mayor costo.
Solicitud
Los servoaccionamientos se utilizan actualmente con bastante frecuencia. Se utilizan, por ejemplo, en diversos instrumentos de precisión, robots industriales, máquinas de producción de placas de circuito impreso, máquinas controladas por ordenador, diversas válvulas y válvulas de compuerta.
Los propulsores de alta velocidad se han convertido en los más populares en el modelismo aeronáutico. Los servomotores tienen la ventaja de un consumo eficiente de energía eléctrica y un movimiento uniforme.
Al comienzo de la aparición de los servomotores, se utilizaban motores tripolares con conmutadores con devanados en el rotor e imanes permanentes en el estator. Además, el diseño del motor incluía una unidad con conmutador y escobillas. Además, con el progreso tecnológico, el número de devanados del motor aumentó a cinco y aumentó el par de rotación, así como la velocidad de aceleración.
La siguiente etapa en el desarrollo de los servomotores fue la ubicación de los devanados fuera de los imanes. Esto redujo la masa del rotor y redujo el tiempo de aceleración. Al mismo tiempo, el coste del motor ha aumentado. Como resultado del diseño posterior de los servomotores, se decidió abandonar la presencia de un conmutador en el diseño del motor. Se empezaron a utilizar motores con rotores de imanes permanentes. El motor pasó a ser sin escobillas y su eficiencia aumentó debido al aumento del par, la velocidad y la aceleración.
Recientemente, los servomotores alimentados por un controlador programable (Arduino) se han convertido en los más populares. Como resultado, se han abierto grandes oportunidades para el diseño de máquinas herramienta de precisión, la robótica y la fabricación de aviones (cuadricópteros).
Dado que los accionamientos con motores sin conmutadores tienen altas características funcionales, control preciso y mayor eficiencia, se utilizan a menudo en equipos industriales, electrodomésticos (potentes aspiradoras con filtros) e incluso en juguetes para niños.
Servoaccionamiento de calefacción
En comparación con el ajuste mecánico del sistema de calefacción, los servoaccionamientos eléctricos son los dispositivos técnicos más avanzados y progresivos que garantizan el mantenimiento de los parámetros de calefacción de la habitación.
1 - Fuente de alimentación
2 - Termostatos de ambiente
3 - Bloque de conmutación
4 - Servomotores
5 - Colector de suministro
6 - derivación
7 — Suelo calentado por agua
8 - Colector de retorno
9 — Sensor de temperatura del agua
10 - Bomba circular
11 - Válvula de bola
12 - válvula de control
13 - Válvula termostática de dos vías
El accionamiento del sistema de calefacción funciona junto con un termostato de pared. Un grifo accionado eléctricamente está montado en la tubería de suministro de refrigerante, frente al colector de piso de agua caliente. A continuación, conecte la fuente de alimentación de 220 voltios y configure el modo de funcionamiento del termostato.
El sistema de control está equipado con dos sensores. Uno de ellos está situado en el suelo y el otro en la habitación. Los sensores transmiten señales a un termostato que controla un servomotor que está conectado al grifo. Puede aumentar la precisión del ajuste instalando un dispositivo adicional fuera de la habitación, ya que las condiciones climáticas cambian constantemente y afectan la temperatura de la habitación.
El actuador está conectado mecánicamente a la válvula para controlarla. Las válvulas pueden ser de dos o tres vías. Una válvula de dos vías puede cambiar la temperatura del agua en el sistema. La válvula de tres vías es capaz de mantener constante la temperatura, pero modifica el consumo de agua caliente que se suministra a los circuitos. El dispositivo de válvula de tres vías tiene dos entradas de agua caliente (tuberías de suministro) y una salida de agua de retorno a través de la cual se suministra agua mezclada a una temperatura predeterminada.
La mezcla de agua se produce mediante una válvula. Al mismo tiempo, se ajusta el suministro de refrigerante a los colectores. Cuando se abre una entrada, la otra comienza a cerrarse y el flujo de agua en la salida no cambia.
Servos troncales
Actualmente, los automóviles modernos se fabrican con mayor frecuencia con una función de apertura automática del maletero. Para ello, se utiliza el diseño de servoaccionamiento que comentamos. Los fabricantes de automóviles utilizan dos métodos para equipar un vehículo con esta característica.
Por supuesto, el accionamiento neumático del maletero es más fiable, pero su coste es bastante elevado, por lo que dicho accionamiento no se ha utilizado en automóviles.
El accionamiento eléctrico está disponible con diferentes métodos de control:
- La manija está en la tapa del maletero.
- Botón en el panel de la puerta del conductor.
- Desde el panel de alarma.
Abrir el maletero manualmente no siempre es conveniente. Por ejemplo, en invierno el castillo tiende a congelarse. El servoaccionamiento cumple además la función de proteger el vehículo contra accesos no autorizados, ya que se combina con el dispositivo de bloqueo.
Estos accionamientos de maletero se utilizan en algunos automóviles importados; sin embargo, es posible instalar dicho mecanismo en automóviles nacionales, si se desea.
Existen accionamientos troncales con placas magnéticas, pero no han encontrado aplicación porque su diseño es bastante complejo.
Los más asequibles son los servos de maletero, que sólo se abren. La función de cierre no está disponible para ellos. También puede elegir un diseño de modelo de accionamiento que tenga un mecanismo inercial. Desempeña la función de bloquear cuando aparece un obstáculo cuando el tronco se mueve.
Los modelos costosos de servoaccionamientos incluyen un mecanismo para subir y bajar el maletero, un mecanismo de bloqueo más cercano, sensores y un controlador. Por lo general, se instalan en automóviles en la fábrica, pero usted mismo puede instalar diseños simples.
Para los más principiantes. Código probado en el artículo. Conectémoslo, démosle la vuelta y averigüemos la fuente de alimentación.
Llegó a mis manos un servodrive SD90 con diagnóstico de funcionamiento incorrecto y falla casi total (Según mis palabras). Necesitamos resolverlo.
Se necesita información general, la información es importante.
El SD-90 es prácticamente el servoaccionamiento más barato del mercado de la electrónica.
El peso es de sólo 15 gramos y el torque es de 2 kg/cm. Este servoaccionamiento SD90 funciona a temperaturas de -30 a +60 grados.
Tensión de funcionamiento de 4V a 8V.
El consumo en movimiento es de 70 mA y en espera de 15 mA.
El ángulo de rotación es de sólo 180 grados.
El servoaccionamiento SD90 es ideal para su instalación en modelos de aviones.
Para controlar los servos usando Arduino existe una biblioteca estándar en el IDE de Arduino. servo.h, que incluye funciones para configurar la configuración del servo, el ángulo requerido y leer el estado. Algunos métodos están sobrecargados.
Recurrimos a nuestros amigos chinos para obtener manuales y, a juzgar por la imagen a continuación, conectar el servoaccionamiento SG90 no es difícil.
Dos cables son para alimentación y un cable para control. A continuación se muestra el código del programa para Arduino que dará algunas explicaciones.
configuración nula()
//La salida de control del servodrive está conectada al pin No. 7
//Este método de biblioteca especifica el pin a través del cual se produce el control
servo.attach(7);
//servo.detach(7); - este método desactivará el control desde el pin especificado.
bucle vacío()
//Pon el eje a 0 grados
servo.write(0);
retraso(2000); //espera 2 segundos. Se requiere un mínimo de 30 microsegundos para la instalación.
servo.write(90); //coloca el eje a 90 grados
// La biblioteca tiene una función para leer la posición actual (ángulo) del servo.
// Se leerá el último valor establecido en el servo.
// int AngleServo=servo.read();
// De 0 a 180 grados.
servo.write(180); //coloca el eje en 190 grados
retraso(2000);
//espera 2 segundos.
//Regrese lentamente a intervalos de 1 grado
para (int p= 179 ; p>= 1 ; p-- )
servo.write(p);
retraso(20);
//El ángulo (Set) se puede configurar en el tiempo desde cero.
1 //Dado que el servo tiene una velocidad de giro característica de 0,12 segundos/60 grados
2 - Conector para conexión
3 - Circuito de control del servoaccionamiento, procesamiento de señales.
4 - Potenciómetro
5 - MotorEntonces, al principio dije que cayó en mis manos un servoaccionamiento que casi no funcionaba (según mis palabras). Después de las investigaciones, quedó claro que el Arduino funcionaba con una computadora USB y el servo en sí estaba alimentado con un Arduino.
Si profundizamos en los detalles, en experimentos se encontró que la versión china de MEGA no consume una carga de 150 mA. El servoaccionamiento SG90 crea una carga de 75-90 mA cuando el eje se mueve, dependiendo de la carga del eje. Como resultado, cuando arrancó el Arduina, la persona que pidió investigar este problema reinició el Arduina debido al aumento de carga y, en consecuencia, el servo no mostró ningún signo.La solución al problema es la más sencilla. Es necesario aumentar la fuente de alimentación para Arduino utilizando una fuente externa (fuente de alimentación) o por separado para el servodrive SG90.
Pero la situación era tal que no era posible utilizar una fuente de alimentación externa en el lugar donde estaba instalado el servoaccionamiento. La solución se encuentra en la siguiente figura.
Como resultado, para evitar la carga en Arduino, es necesario instalar un condensador de soporte con una capacidad de 1000 mF 10V entre la fuente de alimentación y tierra. Y un condensador cerámico de cualquier capacidad para evitar la vibración del servodrive (bajo carga) en el Arduino. Esta solución no se puede utilizar para uso permanente, pero en situaciones de emergencia esta opción es bastante adecuada.
Tenga en cuenta que esta opción es adecuada para microservos. Para servos grandes, este método de suministro de energía aún resultará en una caída de voltaje, esto se notará en los indicadores LED de Arduino, pero aún evitará un reinicio completo.
* Especialmente para el sitio del sitio.
* Servodrive SG90 + Arduino. Conexión
//Biblioteca para trabajar con un servoaccionamiento
#incluir ‹Servo.h›
//Declaración de una variable - objeto
Servoservo;
es un accionamiento cuyo eje puede moverse a una posición determinada o mantener una velocidad de rotación determinada. En otras palabras, el servoeje se puede controlar, por ejemplo, dándole una posición en grados o una determinada velocidad de rotación.
Se utilizan en diversos campos, por ejemplo, en robótica ayudan a simular diversos movimientos de los robots. Servoaccionamientos– una solución eficaz para mover mecanismos en el espacio.
En esta lección aprenderemos a gestionar servoaccionamiento.
Para la lección necesitaremos:
Conexión a Arduino
Se puede conectar un servoaccionamiento a un controlador programable Arduino para lograr una amplia variedad de objetivos robóticos. La conexión se realiza a través de cables que salen del servo. Normalmente hay tres cables: rojo; marrón o negro; amarillo, naranja o blanco.
El servodrive está conectado a la placa Arduino mediante pines PWM. Ya hemos cubierto qué es PWM (PWM) en la lección: Cómo encender suavemente un LED en Arduino usando PWM (PWM)
Tomemos como base la lección Conexión de un botón y un LED en una placa Arduino al circuito, agreguemos un servodrive y esto es lo que deberíamos obtener.
Cambiemos el código:
#incluir
#incluir
Aún no hemos trabajado con bibliotecas. Una biblioteca es una clase que contiene funciones que podemos usar en nuestro programa. La biblioteca le permite reducir la cantidad de código escrito y la velocidad de desarrollo de aplicaciones.
Como comprenderá, la línea de arriba conecta nuestra biblioteca Servo.h, después de lo cual podemos usar todas las funciones de esta biblioteca.
Servoservo; // declarar una servo variable de tipo "servo"
Al declarar una variable, necesitamos que funcione con la biblioteca.
Servo.attach(5); // vincula el servo a la salida analógica 5
Función de servobiblioteca.
Servo.write(180); //colocamos el eje en 180
Usando esta función podemos rotar el servo a un ángulo determinado.
