Подключение и управление сервоприводом на Ардуино

Подключение и управление сервоприводом на Ардуино

Сервоприводы один из важных исполнительных механизмов умных устройств. Разберемся в некоторых приемах управления ими на базе платформы Ардуино. В статье показаны три типовых подхода: управление по заданной программе, по сигналу внешнего датчика и удаленное управление по цифровому интерфейсу. Показан подход для контроля фактического угла поворота.

Что такое сервопривод?

Вначале определимся, что представляет из себя сервопривод. Это умный двигатель, который может поворачивать свой ротор на заданный угол. Есть правда сервоприводы, вращающиеся непрерывно в разные стороны, с регулируемой скоростью, но сейчас речь не о них.

Структура сервопривода

Т.е. сервопривод — довольно сложная система. Управляется она по одному проводу ШИМ сигналом. Импульсы подаются через 20 мс, длительностью от 1 до 2 мс, соответствующие крайним положениям угла (от 0* до 180*, соответственно). Для Ардуино существует встроенная с среду библиотека Servo.h.

Управление сервоприводом по заданной программе

Когда последовательность действий заранее известна, можно записать её в массив и затем поочередно передавать сервоприводу.

Подключение одного сервопривода к Ардуино

Для программного управления можно использовать следующую программу:

Команды можно легко убирать и добавлять, программа сама рассчитает их число.

Управление несколькими сервоприводами сигналом с датчика

Если сигнал управления зависит от каких-то внешних факторов, то нужно подключать к Ардуино соответствующий датчик. В данном примере — аналоговый датчик угла (потенциометр). Управлять будем независимо двумя сервоприводами. Задача — следить за напряжением на датчике и закрывать один сервопривод в одну строну, а другой — в другую. Как-бы имитируя ворота.

Схема подключения выглядит так:

Подключение двух сервоприводов и датчика к Ардуино

Алгоритм реализован в программе Ардуино:

Поворачивая ручку потенциометра сервоприводы приведутся в движение и станут следить за углом поворота.

Удаленное управление сервоприводом по последовательному порту Ардуино

Иногда нужно удаленно управлять исполнителем, подавая команды по последовательному порту UART Ардуино. Управлять можно с ПК и мобильных телефонов, а также с других устройств по USB, UART или Bluetooth.

Схема не отличается от первой:

Подключение сервопривода к Ардуино для удаленного управления по USB

Программа принимает по последовательному порту строку с числом равным углу требуемого отклонения сервопривода, а затем постепенно переводит рычаг на нужный угол. Затем опять ждет команд.
Благодаря этому, есть возможность определить угол поворота сервопривода.

Управление может осуществляться через монитор последовательного порта Ардуино, терминал порта или терминал Bluetooth на мобильном устройстве, если подключить Bluetooth модуль к Ардуино.

Принципы работы и виды сервоприводов

Сервопривод — это механизм с двигателем, в основе работы которого лежит отрицательная обратная связь, что дает возможность точно управлять движениями, задав нужные параметры. По сути, это любой тип механического привода, в котором есть датчик (положения, скорости, усилия и т.д.) и блок управления, сохраняющий заданные показатели на датчике и всем устройстве в автоматическом режиме.

Главная область применения сервоприводов – это робототехника. Также они устанавливаются в станках с ЧПУ, полиграфическом оборудовании, промышленных швейных линиях и на других производствах.

В данной статье мы подробно расскажем Вам о принципах работы и видах сервоприводов.

Конструкция

Устройство современных сервоприводов достаточно просто и при этом эффективно, так как создает условия для точного регулирования их работы. Конструкция включает:

• привод. Это может быть электродвигатель с редуктором или пневмоцилиндр. Редуктор необходим для уменьшения скорости вращения мотора до тех значений, которые нужны в работе. К выходному валу редуктора прилагается требуемая нагрузка: качалка, вращающийся вал, тянущие или толкающие устройства;
• датчик обратной связи. В качестве него выступает датчик угла поворота выходного вала (энкодер) или потенциометр. Функция – преобразование угла поворота в электрический сигнал;
• блок питания и управления (сервоусилитель, преобразователь частоты, инвертор). Данный элемент принимает и анализирует управляющие импульсы, сравнивает их с показателями датчика, отвечает за пуск и остановку двигателя. В состав блока управления может входить конвертер (датчик управляющего сигнала или воздействия).

Принцип работы

Принцип работы сервоприводов сводится к использованию импульсного сигнала, который изменяется по трем параметрам – частоте повторения, минимальной и максимальной продолжительности. Именно длительность импульса задает угол поворота мотора.

Сигналы, поступающие на сервопривод, имеют стандартную частоту, а их продолжительность может равняться от 0,8 до 2,2 мс (в зависимости от модели). Параллельно с получением управляющего импульса начинается работа генератора опорного импульса, который связан с датчиком обратной связи. Тот, в свою очередь, механически соединен с выходным валом и отвечает за изменение его положения.

Электронный блок анализирует импульсы по длительности и на основе полученных величин определяет разницу между заданным извне положением вала и реальным (измеренным датчиком). С учетом этого происходит корректировка работы путем подачи напряжения на питание двигателя.

Сервоприводы вращательного движения. Чаще всего используются в полиграфических, упаковочных станках, авиамоделировании. Делятся на:

• синхронные – дают возможность точно задавать степень поворота (с точностью до угловых минут), скорость, ускорение. Достигают максимальных оборотов быстрее асинхронных, дороже их в несколько раз;
• асинхронные — позволяют точно выполнять команды скорости даже на малых оборотах.

Сервоприводы линейного движения. Данные устройства могут развивать значительную скорость (до 70 м/с²), что делает их востребованными в автоматах монтажа электронных деталей на печатную плату. Делятся на плоские и круглые модели.

Также сервоприводы классифицируются по принципу действия на электромеханические, где движение обеспечивают мотор и редуктор, и электрогидромеханические, где действует система ил поршня и цилиндра. Вторая группа устройств дает более высокие показатели быстродействия.

Сервопривод или шаговый двигатель?

Сервопривод – это мотор с дополнительным датчиком контроля, обеспечивающим обратную связь. При работе двигатель удерживается в заданном положении, а все отклонения вала фиксируются и исправляются уже на следующем шаге. Шаговый двигатель – это электромотор, функционирующий на основе тандема плата-драйвер и обеспечивающий точность хода только на малых оборотах. Каждый вид оборудования используется в своих целях, и между собой эти виды двигателей не конкурируют.

Сравнительный анализ

Факторы выбора между сервоприводом и шаговым двигателем, их преимущества и недостатки наглядно представлены в таблице.

Сильно падает с повышением скорости. Максимален при остановленном вале

Высокий на всех скоростях. Максимален на высоких оборотах

Инертны, номинальная скорость не превышает 1000 об/мин. При слишком быстром разгоне пропускают шаги, вал может остановиться

Высокое, способны на короткое время увеличить ток обмоток в 3-4 раза от номинального значения. Скорость номинального вращения – до 10000 об/мин и выше

Низкая, не превышает 1 кВт

Высокая, может достигать 15 кВт

Низкая. Очень малый КПД – потребляет много тока, основная часть энергии расходуется в виде тепла

Высокая. Потребляемый ток пропорционален нагрузке

Обратная связь по положению

Отсутствует. Не выполненный шаг будет не замечен в системе ЧПУ. Однако, при грамотном проектировании станка обратная связь не нужна

Есть. Положение вала корректируется во время работы, при сбое обратной связи (например, заклинило вал) система укажет на ошибку

Низкая. Возможна только при применении дополнительных методов управления

Не более 5% от величины шага

Высокая. Если вал заклинило, двигатель просто пропустит шаги

Низкая. При заклинивании вала устройство может провернуть передачу, что приведет к поломке. Может сгореть в случае некорректной настройки поведения драйвера при перегрузке

Просты в настройке, работают по принципу включения и выключения

Множество настраиваемых параметров, что требует предельной внимательности и опыта в использовании

Сильный, что приводит к пропуску шагов, ухудшению качества обработки и др., особенно в крупных станках

Отсутствует, что делает их моторами выбора в крупном оборудовании (рабочее поле более 1,2 м 2 , масса свыше 50 кг)

Сильный, что может потребовать дополнительного охлаждения радиатором и вентилятором

Значительно дешевле сервоприводов, но только до размера фланца 110 мм

Дороже шаговых моторов, но при размере фланца 110 мм и выше цены схожи

Выводы

Сервопривод и шаговый двигатель выбираются под каждую задачу, причем в одном станке или устройстве могут быть использованы одновременно оба вида.

Сервоприводы востребованы в тех механизмах, где необходимо точное позиционирование узлов для их синхронизации с другими деталями. В частности, сервоприводы широко применяются в обрабатывающих станках. Шаговые двигатели прочно заняли свою нишу в станках с ЧПУ (3D-принтеры, гравировальные машины, оборудование для металлообработки и лазерной резки) и в робототехнике.

Свежий взгляд на шаговые двигатели и сервоприводы

Шаговый двигатель или сервопривод: отличия, сравнения. Что лучше?

Тезисы:

• Правильное управление током двигателя (с пом. управления ориентацией поля) в шаговых приводах с обратной связью могут устранить проблемы среднечастотного резонанса, увеличить момент и снизить шум от двигателя

• Качественные шаговые гибридные сервоприводы не уступают сервоприводам на базе вентильных электродвигателей на низких скоростях вращения.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели — прекрасно известный способ превратить электрическую энергию в точные -механические перемещения. Каждый импульс, посылаемый на драйвер двигателя, двигает ротор в точном соответствии с заданными на драйвере настройками. Например, 100 посланных импульсов на полношаговый привод с двигателем с шагом 1.8° будут преобразованы в поворот ровно на 180°. Одной из сильных сторон шаговых двигателей является то, что они способны работать без обратной связи, без коррекции положения с помощью энкодеров или иных датчиков, т.к. вал по самой архитектуре шагового двигателя совершает перемещения строго в соответствии с поданными импульсами. Однако, это прекрасно работает лишь в том случае, если шаговые двигатели никогда не перегружаются и не впадают в резонанс. В реальности же в очень редких случаях когда отсутствуют эти два фактора. Для того, чтобы быть уверенным, что шаговый мотор не будет пропускать шаги, большинство разработчиков поступают просто — закладывают большой запас при выборе мощности двигателя. Это означает, что на станок будет установлена значительно более тяжелая и дорогая модель, чем это действительно требуется. Резонанс же часто проявляется на тех же самых, рабочих частотах вращения, которые являются основными в конкретном приложении, и поэтому избежать его становится еще сложней.

Как одно из средств избежать последствий кратковременных перегрузок шагового двигателя и пропуска шагов — это установить энкодер на двигатель мотора, точь-в-точь как ставится аналогичный датчик на вал вентильного серводвигателя. Энкодер представляет информацию о положении ротора контроллеру, который сравнивает её с заданной координатой, и использует полученное рассогласование для выполнения шагов таким образом, чтобы скомпенсировать разницу. К сожалению, данный способ не помогает устранить последствия резонанса. Однако, возможность такая все же есть, и заключается она в комбинации коррекции по положению(т.е. компенсации числа импульсов STEP) и одновременного управления ориентацией поля статора шагового двигателя, по принципу аналогичному векторному управлению трехфазными электродвигателями. Поскольку энкодер дает сведения о положении вала, существует возможность ориентировать магнитное поле статора шагового мотора таким образом, чтобы получить максимально эффективное потокозацепление. Причем такая схема не потребует преобразований Кларка, каковые обычно используются для проекции трехфазной системы токов в двухфазную, т.к. шаговые биполярные моторы изначально имеют только 2 обмотки. При таком способе управления ток меняется в обмотках синусоидально — вне зависимости от того, используется полный шаг или микрошаг. Еще одним преимуществом управления ориентацией поля является то, что такой шаговый привод будет нечувствителен к резким изменениям нагрузки — векторное управление позволяет отрегулировать момент привода «на лету» — функция, обычно доступная только при использовании сервоприводов типа PMSM.

Теперь о сервоприводах.

Читатели, возможно, в курсе, что уже достаточно долгое время существуют шаговые сервоприводы, которые используют обратную связь по позиции. Такие приводы просто считают количество шагов и добавляют(или вычитают) шаги для компенсации ошибки, и не способны корректировать угол поворота вала внутри одного шага, «на лету».

В противоположность, синусоидальная коммутация в паре с управлением ориентацией поля действительно способна компенсировать ошибки позиционирования вала внутри одного шага, возникающие из-за неидеальной геометрии деталей шаговых двигателей или нагрузки. Векторное управление магнитным полем гарантирует, что поле статора всегда перпендикулярно полю ротора, и насыщенность поля точно соответствует требуемому моменту. Это увеличивает, эффективность и динамику, и снижает флуктуации крутящего момента. Такой вид управления позволяет шаговым двигателям конкурировать с вентильными сервоприводами на скоростях до 2000 об/мин. На более высоких серводвигатели все же будут эффективней. Оптимальным диапазоном является скорость вращения до 1000 об/мин — в нем шаговые двигатели развивают больший крутящий момент, чем вентильные серводвигатели того же размера.

Приложения, в которых шаговые сервоприводы c синусоидальными токами обмоток могут заменить серводвигатели, включают в себя:

• намоточное оборудование,
• транспортные ленты конвейеров,
• управление заслонками насосов

а также многие другие — все те, в каких нагрузка может изменяться скачкообразно. Кроме того, при использовании таких приводов во многих случаях можно обойтись без редуктора, что делает их привлекательными в случаях, когда критичны габариты механизма. И наконец, следует отметить, что сервоприводы с векторным управлением потребляют ровно столько тока, сколько требуется — меньше нагрев, выше КПД привода. Все этим преимущества становятся очевидными, если рассмотреть привод механизма с ременной передачей, которые обычно работают от асинхронного электродвигателя. Хорошим решением будет заменить асинхронный мотор на подходящий по мощности шаговый сервопривод — как правило, таковой будет примерно втрое меньше по габаритам и весу.

Сервопривод Ардуино

Сервопривод — это механизм, позволяющий управлять движением, задавать точный угол и скорость вращения с фиксацией в нужный промежуток времени. То есть, по своей сути – это привод, позволяющий управлять точным вращением присоединенных к нему деталей. Благодаря возможности точно позиционировать прибор и фиксироваться в нужном положении, сервопривод Ардуино получил широкое распространение в робототехнике, моделировании и сборке игрушек с вращающимися элементами. Сервомашинки используются и в других областях, однако, рассмотрим интересующую нас область применения – домашняя электроника.

Устройство его простое и понятное. Основные элементы могут отличаться по материалу изготовления, также возможно добавление дополнительных запчастей. Но стандартный аппарат состоит из следующих деталей:

• Корпус прибора
• Электродвигатель
• Редуктор
• Шестерни
• Управляющая микросхема
• Потенциометр
• Выходной вал

Сервопривод Ардуино подключается к источнику питания, который может быть как пятивольтовым, так и с большей мощностью. Используются для этого три провода: плюс, земля и логический для ШИМ-сигнала. Весь комплект соединяется с микроконтроллером, который будет задавать нужную программу для выполнения. Если с подключением такого приспособления сложностей не возникает, то управление сервомашинкой требует внимания. Рассмотрим подробнее принцип работы и управление моделью, которая часто используется при приборостроении дома.

Сервопривод emax

При выборе сервомеханизма для своего радиоприбора, например, вертолет или танк с вращающимся корпусом, оценка происходит по следующим пунктам:

• Крутящий момент. Самая значимая характеристика, отвечающая за начальное ускорение, передаваемое двигателем. Чем такое значение больше, тем мощнее прибор.
• Скорость поворота. Это время, за которое изменяется положение в пространстве.
• Угол поворота. То значение, на которое делается оборот. Чаще встречается 90, 180 и 360 градусов.
• Габаритные размеры. Важный нюанс при конструировании электромоделей. Очень важна правильная подборка габаритов.
• Материал шестерней. Изготавливаются из пластика, карбона или металла. Каждая имеет свои положительные и отрицательные стороны. Иногда важна легкость конструкции, иногда максимальные нагрузки.

Присоединение происходит с использованием трех контактов, плюс, минус (земля) и логики. ШИМ-сигналы отлично обрабатываются платой ARDUINO. Следует соединить все выходы в зависимости от их назначения. В программном обеспечении к ARDUINO уже существует библиотека, которая позволяет легко прописывать скетчи. При выборе логического пина его же и прописываем в скетче. Вторая команда – задать угол вращения, с задержкой, чтобы было время на следующий шаг.

Питается такой привод от платы или отдельного источника. Хоть это и маломощный аппарат, однако, на старте она потребляет почти 0,4 Ампера, поэтому рекомендуется подключать ее отдельно, чтобы остальные выходы на контроллере не сбоили в минуту начала движения. Используется в этом случае блок питания на 5 В, который подключается минусовым выходом к земле на плате, а плюсовым к серво. От серво к контроллеру идет только логический контакт. Также, почему лучше подключаться к отдельному источнику – это сильный нагрев стабилизатора напряжения на ARDUINO, а в таком режиме долго она не проработает. При использовании нескольких таких приводов однозначно следует применять внешний блок.

Производителей на рынке много. Emax один из основных и известных, но в последнее время очень распространились подделки. Они отличаются крайне нестабильной работой, особенно заметна проблема «дрожания» и низким качеством запчастей. Так как это высокоточный прибор, эти нестабильности приводят к сбоям во всем механизме. Если это, например, вертолет, то падение его чревато серьезной поломкой. В комплекте поставки идет сам сервомеханизм, крепления, провода для соединения с контроллером и набор «качалок», причем отличительная черта именно фирменных — их разнообразие в наборе.

Сервопривод emax ES08MD и ES08MA отличаются управлением – MD означает запитку от к цифрового пину, MA от аналогового. Характеристики практические одинаковые. Разница у этих двух примеров только в крутящем моменте: он немного меньше у аналогового. В остальном принципиальных различий нет. Аналоговые иногда предпочитают, так как считается, что у них меньше «дрожание» при подключении к тягам. Фирменные детали также характеризуются отсутствием люфта при использовании «качалок» из комплекта.

Сервопривод Ардуино — это незаменимая часть любого роботизированного устройства. Без него невозможно создание движущихся моделей роботов, танков, квадрокоптеров. Маленький размер и сильный крутящий момент позволяют создавать небольшие, но мощные продукты. Обращая внимание на качество сборки, производителя и подходящие параметры, можно добиться точного хода любых частей электромеханизмов. Простое подключение и управление через программу ARDUINO IDE, большой выбор параметров сделали применение сервомеханизмов популярным среди радиолюбителей.

Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы

Любая физическая величина по характеру изменения ее значения может быть постоянной (если она имеет только одно фиксированное значение), дискретной (если она может иметь два или более фиксированных значений), или аналоговой (если она может иметь бесчисленное множество значений). Все эти величины могут быть преобразованы в цифровую форму.

Аналоговые сигналы

Аналоговым называется такой сигнал, который может быть представлен непрерывной линией из множества значений, определенных в каждый момент времени относительно временной оси.

Значения аналогового сигнала произвольны в каждый момент времени, поэтому он может быть в принципе представлен как некая непрерывная функция (зависящая от времени как от переменной) либо как кусочно-непрерывная функция времени.

Аналоговым сигналом можно назвать, например, звуковой сигнал, генерируемый обмоткой электромагнитного микрофона или ламповым акустическим усилителем, поскольку такой сигнал непрерывен и его значения (напряжение или ток) сильно отличаются друг от друга в каждый момент времени.

На приведенном ниже рисунке изображен пример подобного рода аналогового сигнала.

Аналоговые величины могу иметь бесконечное множество значений в определенных пределах. Они непрерывны и их значения не могут изменяться скачками.

Пример аналогового сигнала: термопара передает в аналоговом виде значение температуры в программируемый логический контроллер, который управляет с помощью твердотельного реле температурой в электрической печи.

Дискретные сигналы

Если некий сигнал принимает произвольные значения лишь в отдельные моменты времени, то такой сигнал называют дискретным. Чаще всего на практике применяются дискретные сигналы, распределенные по равномерной временной решетке, шаг которой называется интервалом дискретизации.

Дискретный сигнал принимает определенные не нулевые значения лишь в моменты дискретизации, то есть он является не непрерывным в отличие от аналогового сигнала. Если из звукового сигнала вырезать небольшие кусочки определенного размера через равные интервалы, такой сигнал можно будет назвать дискретным.

Ниже приведен пример формирования подобного дискретного сигнала с интервалом дискретизации Т. Обратите внимание, что квантуется лишь интервал дискретизации, но не сами значения сигнала.

Дискретные сигналы имеют два и более фиксированных значений (количество их значений всегда выражается целыми числами).

Пример простого дискретного сигнала на два значения: срабатывание путевого выключателя (переключение контактов выключателя в определенном положении механизма). Сигнал с путевого выключателя может быть получен только в двух вариантах — контакт разомкнут (нет действия, нет напряжения) и контакт замкнут (есть действие, есть напряжение).

Цифровые сигналы

Когда дискретный сигнал принимает только какие-то фиксированные значения (которые могут быть расположены по сетке с определенным шагом), такие что они могут быть представлены как количество квантовых величин, такой дискретный сигнал называется цифровым. То есть цифровой сигнал — это такой дискретный сигнал, который квантован не только по промежуткам времени, но и по уровню.

Практически дискретные и цифровые сигналы в ряде задач отождествляются, и могут быть легко заданы в форме отсчетов с помощью вычислительного устройства.

На рисунке приведен пример формирования цифрового сигнала на базе аналогового. Обратите внимание, что значения цифрового сигнала не могут принимать промежуточных значений, а только определенные — целое количество вертикальных шагов сетки.

Цифровой сигнал легко записывается и перезаписывается в память вычислительных устройств, просто считывается и копируется без потери точности, тогда как перезапись аналогового сигнала всегда сопряжена с утратой некоторой, пусть и незначительной, части информации.

Обработка цифровых сигналов позволяет получать устройства с очень высокими характеристиками благодаря выполнению вычислительных операций совершенно без потерь качества, либо с пренебрежимо малыми потерями.

В силу этих достоинств, именно цифровые сигналы повсеместно распространены сегодня в системах хранения и обработки данных. Вся современная память — цифровая. Аналоговые носители информации (такие как пленочные кассеты и т.д.) давно ушли в прошлое.

Аналоговый и цифровой приборы для измерения напряжения:

Но даже у цифровых сигналов есть свои недостатки. Их невозможно передать напрямую как есть, ибо передача обычно реализуется посредством непрерывных электромагнитных волн. Поэтому при передаче и приеме цифровых сигналов необходимо прибегать к дополнительной модуляции и аналого-цифровому преобразованию. Меньший динамический диапазон цифровых сигналов (отношение наибольшего значения к наименьшему), обусловленный квантованностью значений по сетке, является еще одним их недостатком.

Существуют и такие области, где аналоговые сигналы незаменимы. Например аналоговый звук никогда не сравнится с цифровым, поэтому ламповые усилители и пластинки до сих пор не выходят из моды, несмотря на обилие цифровых форматов записи звука с самой высокой частотой дискретизации.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!