Подключение сервоприводов к Arduino. Что такое сервопривод (сервомотор) и как им управлять

Как уже говорилось, сервопривод это точный исполнитель который получая на вход значение управляющего параметра стремится создать и поддерживать значение на выходе исполнительного элемента.

В данной статье рассмотрим что же из себя представляют управляющие импульсы, а также то, как лучше подключать сервоприводы к Arduino.

Используемые компоненты (купить в Китае):

. Управляющая плата

. Соединительные провода

Полезная вещь для проверки сервориводов

О том как входные импульсы преобразуются в сигналы управления мотором мы уже рассказали в этой , о самих сигналах управления мотором и их отличиях в различных типах сервоприводов можно прочитать . В данной же статье речь пойдет непосредственно о управляющих импульсах, будут даны примеры как их сгенерировать на Arduino.

Управляющий сигнал представляет из себя импульсы с нужной нам шириной, которые посылаются с определенной частотой. Для рассматриваемых нами сервоприводов частота посылания импульса почти всегда будет около 50 Гц (это примерно 1 раз в 20мс), а ширина импульса будет лежать в пределе от 544мкс до 2400мкс.

Как видно из картинке, импульс шириной в 544мкс выставит выводной вал в положение 0°, 1520мск соответствует углу в 90°, а 2400мкс соответствует 180°.

Изменяя ширину импульсов в данных пределах мы сможем точно задавать угол поворота выводного вала, но об этом чуть позже. На данном этапе статьи хочется рассказать о том как подключить сервопривод к Arduino.

Для подключения к контроллеру от сервопривода тянется 3 провода обжатых стандартным 3 пиновым разъемом с шагом 2.54мм. Цвета проводов могут варьироваться. Коричневый или черный - земля (GND), красный - плюс источника питания (VTG), оранжевый или белый - управляющий сигнал (SIG).

Подключение сервоприводов к Arduino

У старых Ардуин, укомплектованных мегой 8, имеется всего три ШИМ вывода (digital 9,10,11), у Ардуин укомплектованных мегой 168 или 328 их 6 (digital 3,5,6,9,10,11). Семейство Arduino MEGA имеет на своем борту целых 14 ШИМ выводов.

Купить в России

Сервоприводом (англ. servo) называется такой привод, точное управление которым осуществляется через отрицательную обратную связь, и позволяет таким образом добиться требуемых параметров движения рабочего органа.

Механизмы этого типа имеют датчик, отслеживающий конкретный параметр, например скорость, положение или усилие, а также блок управления (механические тяги или электронную схему), задача которого - поддерживать в автоматическом режиме необходимый параметр в процессе работы устройства, в зависимости от сигнала с датчика в каждый момент времени.

Исходное значение рабочего параметра задается посредством управления, например или при помощи другой внешней системы, куда вводится численное значение. Так, сервопривод автоматически исполняет поставленную задачу, - опираясь на сигнал с датчика, он точно подстраивает заданный параметр, и поддерживает его устойчиво на исполнительном органе.

Многие усилители и регуляторы с отрицательной обратной связью могут быть отнесены к сервоприводам. Например, к сервоприводам относятся тормозная система и рулевое управление в автомобилях, где усилитель ручного привода обязательно имеет отрицательную обратную связь по положению.

Основные компоненты сервопривода:

Привод;

Датчик;

Блок управления;

Конвертер.

В качестве привода может использоваться например пневмоцилиндр со штоком или электродвигатель с редуктором. Датчиком обратной связи может быть или, например, . Блок управления - индивидуальный инвертор, преобразователь частоты, сервоусилитель (англ. Servodrive). В блок управления может сразу входить и датчик управляющего сигнала (конвертер, вход, датчик воздействия).

В самом простом виде блок управления для электрического сервопривода строится на базе схемы сравнения значений сигналов задаваемого и сигнала, идущего с датчика обратной связи, по результатам которого на электродвигатель подается напряжение соответствующей полярности.

Если требуется плавный разгон или плавное торможение, с целью избежать динамических перегрузок электродвигателя, то реализуют более сложные схемы управления на микропроцессорах, способные позиционировать рабочий орган более точно. Так к примеру устроен привод позиционирования головок в жестких дисках.

Точное управление группами или одиночными сервоприводами достигается применением контроллеров ЧПУ, которые, кстати, могут быть построены на программируемых логических контроллерах. Сервоприводы на основе таких контроллеров достигают по мощности 15 кВт, и могут развивать крутящий момент до 50 Нм.

Сервоприводы вращательного движения бывают синхронными, с возможностью исключительно точного задания скорости вращения, угла поворота и ускорения, и асинхронными, в которых скорость очень точно поддерживается даже на предельно низких оборотах.

Синхронные сервоприводы способны весьма быстро разгоняться до номинальных оборотов. Также распространены круглые и плоские сервоприводы линейного движения, позволяющие достигать ускорений вплоть до 70 м/с².

Принципиально сервоприводы подразделяются на электрогидромеханические и электромеханические. У первых движение порождается системой поршень-цилиндр, и быстродействие получается очень высоким. Вторые используют просто электромотор с редуктором, однако быстродействие получается ниже на порядок.

Область применения сервоприводов сегодня весьма широка, благодаря возможности исключительно точного позиционирования рабочего органа.

Здесь и механические задвижки, и клапаны, и рабочие органы различных инструментов и станков, особенно с ЧПУ, включая автоматы для заводского изготовления печатных плат, и различные промышленные роботы, и многие другие точные приборы. Очень популярны высокоскоростные сервоприводы в среде авиамоделистов. Конкретно у сервомоторов примечательна характерная равномерность движения и эффективность в плане энергопотребления.

Изначально в качестве приводов сервомоторов применялись моторы трехполюсные коллекторные, где ротор содержал обмотки, а статор - постоянные магниты. Мало того, имелся коллекторно-щеточный узел. Позже количество обмоток возросло до пяти, и крутящий момент стал больше, а разгон - быстрее.

Следующая стадия совершенствования - обмотки разместили снаружи магнитов, так уменьшился вес ротора, и сократилось время разгона, однако возросла стоимость. В итоге был сделан ключевой шаг совершенствования - отказались от коллектора (в частности распространение получили приводные моторы с постоянными магнитами на роторе), и двигатель получился бесщеточным, еще более эффективным, поскольку ускорение, скорость, и крутящий момент стали теперь еще выше.

В последние годы весьма популярными становятся сервомоторы , благодаря чему открываются широкие возможности как для любительского авиа и роботостроения (квадрокоптеры и т.д.), так и для создания точных станков.

В большинстве своем обычные сервоприводы для работы использует три провода. Один из них для питания, второй сигнальный, третий - общий. На сигнальный провод подается управляющий сигнал, согласно которому требуется установить положение выходного вала. Положение вала определяется схемой с потенциометром.

Контроллер по сопротивлению и значению сигнала управления определяет, в каком направлении нужно осуществить вращение, чтобы вал пришел в требуемое положение. Выше напряжение снимаемое с потенциометра - больше крутящий момент.

Благодаря высокой энергоэффективности, возможности точного управления, и отличным рабочим характеристикам, именно сервоприводы на базе бесколлекторных моторов все чаще можно встретить как в игрушках, так и в бытовой технике (сверхмощные пылесосы с фильтрами HEPA) и в промышленном оборудовании.

Наряду с контроллером и сенсорами, актуаторы являются важным составляющим всех без исключения роботов. Они вращают колеса робота, позволяя ему перемещаться в пространстве, и приводят в действие мощные манипуляторы, которыми он хватает предметы.

В этом уроке мы будем работать с одним из таких актуаторов, который называется сервоприводом (или сервомашинкой). В отличие от обычного электромотора, сервопривод представляет собой сложное составное устройство, состоящее из двигателя постоянного тока, шестеренного редуктора, потенциометра и электронной схемы. Всё это позволяет сервоприводу поворачивать вал строго на заданный угол, и удерживать его. С помощью таких приводов можно, например, сделать вот такой несложный манипулятор:

1. Подключение к Ардуино

Итак, как уже говорилось выше, сервопривод славится тем, что может поворачиваться на заданный угол. Как же мы будем указывать ему этот угол? Предлагаю использовать для этой цели переменный резистор, он же — потенциометр. Будем вращать ручку потенциометра, а контроллер будет командовать сервоприводу поворачиваться на соответствующий угол.

У потенциометра есть всего три вывода. Крайние подключим к +5В и земле, а центральный к аналоговому входу A0.

У сервопривода SG90 также имеется три контакта. Обычно они окрашиваются следующим образом:

коричневый — земля;
красный — питание +5В;
оранжевый (или желтый) — сигнальный.

Сигнальный провод подключим в цифровому выходу №8. В итоге, получим такую схему:

Подключать оба устройства к Ардуино Уно удобнее через макетную плату:

2. Программа

Теперь напишем несложную программу, которая свяжет все элементы нашего аппарата строгой логикой. Все что нам требуется от контроллера — это:

считывать показания с потенциометра в диапазоне от 0 до 1023;
преобразовывать полученное число в угол от 0 до 180 градусов;
передавать полученный угол на сервопривод.

Для написания программы используем наш . Задействуем блок сервопривода, блок чтения из аналогового порта и функцию отображения одного диапазона значений в другой.

Нажав в конструкторе кнопку «Arduino», откроем страницу с исходным кодом программы для среды Arduino IDE:

#include Servo servos; void setup(){ } void loop(){ servos.attach(8); servos.write((map(analogRead(A0), 0, 1024, 0, 180))); delay(50); }

Как видно из программы, для управления сервоприводом мы использовали библиотеку Servo . В этой библиотеке есть несколько полезных нам функций:

attach(номер_вывода) — инициализация сервопривода;
write(угол) — поворот сервопривода на заданный угол;
read() — получение текущего угла сервопривода.

Для отображения множества чисел 0 — 1023 в множество 0-180, конструктор применил функцию map . Ту же самую операцию, можно было осуществить с помощью выражения:

int angle = (value / 1023.0) * 180;

Загружаем программу на Ардуино Уно, и смотрим что получилось!

Теперь, вы знаете что такое сервопривод, и можете легко им управлять. Вперед! К созданию роботов-манипуляторов и шагающих роботов-пауков!

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:

Несмотря на то, что автоматизированные системы управления вошли в наш быт, далеко не всем известно про сервопривод. Что это такое? Он представляет собой систему, реализующую высокоточные динамичные процессы. Устройство состоит из двигателя, датчика и блока управления, обеспечивающих отработку требуемых скорости, позиции и момента.

К сервоприводам относятся различные усилители и регуляторы, но термин больше применяется в автоматических системах при обозначении электропривода с отрицательной обратной связью по положению. Основой является корректировка работы электродвигателя при подаче управляющего сигнала.

Как устроен сервопривод

Что это такое, легче понять, если рассмотреть конструкцию и работу устройства. Электромеханический узел сервопривода размещается в одном корпусе. Его характеристиками являются конструкция, рабочее напряжение, частота и крутящий момент. По показаниям датчика от контроллера или микросхемы поступает сигнал на корректировку работы серводвигателя.

Простейшее устройство представляет собой электродвигатель постоянного тока, схему управления и потенциометр. Конструкция предусматривает наличие редуктора, чтобы получить заданную скорость перемещения выходного вала.

Схема управления

Подключение сервопривода можно производить с помощью простой схемы с таймером NE555 в режиме генератора импульсов.

Положение вала двигателя определяется шириной импульса, которая устанавливается переменным резистором R 1 . Сигналы должны подаваться генератором непрерывно, например каждые 20 мсек. При поступлении команды (перемещение движка резистора) выходной вал редуктора поворачивается и устанавливается в определенное положение. При внешнем воздействии он будет сопротивляться, пытаясь оставаться на месте.

Механическое регулирование системы отопления

Сервопривод - что это такое? Это хорошо понятно по его работе в системе теплого пола как приспособления, регулирующего поток теплоносителя. Если это делать вручную, придется непрерывно крутить вентили на коллекторах, поскольку расход горячей воды, подаваемой в обогревающие контуры, является переменной величиной.

Для автоматического регулирования систем теплого пола применяются разные устройства. Простейшим является термоголовка, устанавливаемая на регулирующий клапан. Она состоит из ручки механической настройки, пружинного механизма и сильфона, соединенного с толкателем. При повышении температуры внутри сильфона нагревается толуол, который при этом расширяется и давит на шток клапана, закрывая его. Поток теплоносителя перекрывается, и он начинает остывать в отопительном контуре. При охлаждении до заданного уровня сильфон снова открывает клапан, и новая порция горячей воды поступает в систему.

Механические регуляторы устанавливаются на каждый контур теплого пола и настраиваются вручную, после чего температура автоматически поддерживается постоянной.

Электрический сервопривод для отопления

Более совершенным устройством является электрический сервопривод для отопления или теплого пола. Он включает систему взаимосвязанных механизмов, обеспечивающих поддерживание температуры воздуха в помещении.

Сервопривод для отопления работает вместе с термостатом, который монтируется на стену. Кран с электроприводом устанавливается на подающей трубе, перед коллектором водяного теплого пола. Затем производится подключение, подача питания 220 В и установка на терморегуляторе заданного режима. Система снабжается двумя датчиками: один - в полу, а другой - в комнате. Они передают команды на термостат, который управляет сервоприводом, соединенным с краном. Точность регулирования будет выше, если установить еще прибор на улице, поскольку климатические условия постоянно меняются и влияют на температуру в помещениях.

Сервопривод управляет двух- или трехходовым клапаном. Первый изменяет температуру теплоносителя в системе отопления. Трехходовой клапан с сервоприводом поддерживает температуру постоянной, но изменяет расход горячей воды, подаваемой в контуры. Од содержит 2 входа для горячей жидкости (подающий трубопровод) и холодной (обратка). Выход всего один, через него подается смесь с заданной температурой. Клапан обеспечивает смешивание потоков, регулируя таким путем подачу тепла в коллекторы. Если один из входов открывается, то другой начинает прикрываться. При этом расход на выходе остается постоянным.

Сервопривод крышки багажника

Современные автомобили большей частью выпускаются с автоматическим открыванием и закрыванием багажника. Для этого требуется установка сервопривода. Производители применяют 2 способа, чтобы обеспечить авто подобной опцией. Надежным вариантом является пневмопривод, но он стоит дороже. Электропривод управляется несколькими способами на выбор:

с пульта;
кнопка на дверной панели водителя;
ручка на крышке багажника.

Ручное открывание не всегда удобное, особенно зимой, когда замок может замерзнуть. Сервопривод багажника совмещается с замком, что дополнительно защищает авто от несанкционированного проникновения.

Устройства применяются на иномарках, но при желании их можно установить на отечественных моделях. Предпочтительно использовать привод с электродвигателем.

Есть еще устройства с магнитными пластинами, но они сложней и применяются реже.

Самыми дешевыми являются электроприборы, предназначенные только для открывания. Можно подобрать привод багажника, состоящий из электродвигателя с инерционным механизмом, отключающийся при возникновении препятствия перемещению. Дорогие модели состоят из устройства подъема и опускания крышки, доводчика запорного механизма, контроллера и датчиков.

Установка и настройка сервопривода крышки багажника производятся на заводе, но простые устройства могут быть установлены своими руками.

Характеристики сервоприводов

Устройства выпускаются аналогового и цифрового типов. Приводы внешне ничем не отличаются, но различие между ними существенное. Последние обладают более точной отработкой команд, поскольку управление производится микропроцессорами. Для сервоприводов пишутся и вводятся программы. Аналоговые устройства работают от сигналов микросхем. Их преимуществами являются простое устройство и меньшая цена.

Основными параметрами для выбора являются следующие:

Питание. Подача напряжения производится по трем проводам. По белому передают импульс, через красный - рабочее напряжение, черный или коричневый является нейтральным.
Размеры: большие, стандартные и микроустройства.
Скорость. От нее зависит, за какой промежуток времени вал повернется на угол 60 0 . Недорогие устройства обладают скоростью 0,22 сек. Если требуется высокое быстродействие, она составит 0,06 сек.
Величина момента. Параметр является приоритетным, поскольку при малом вращающем моменте управление затрудняется.

Как управлять цифровым сервоприводом?

Приводы подключаются к программируемым контроллерам, среди которых хорошо известен Arduino. Подключение к его плате производится тремя проводами. По двум подается питающее напряжение, а по третьему - управляющий сигнал.

Инструкция сервопривода с цифровым управлением предусматривает наличие в контроллере простой программы, позволяющей считывать с потенциометра показания и переводить их в число. Затем оно преобразуется в команду передачи на поворот вала сервопривода в заданное положение. Программа записывается на диске, а затем передается на контроллер.

Заключение

Мы подробно рассмотрели сервопривод. Что это такое, станет понятным, когда потребуется автоматизация различных процессов, где требуется поворачивать и удерживать в заданном положении вал электродвигателя. Устройства выпускаются аналоговые и цифровые. Последние нашли более широкое применение благодаря высокому уровню разрешения, большой мощности и точности позиционирования.