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:

1. Питание. Подача напряжения производится по трем проводам. По белому передают импульс, через красный - рабочее напряжение, черный или коричневый является нейтральным.
2. Размеры: большие, стандартные и микроустройства.
3. 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.
4. 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.

Является элементом точной кинематики, позволяющий достигать точное позиционирование механизмов. Но в отличии от шагового двигателя, сервопривод имеет обратную связь, позволяющую в любой момент отследить точный угол поворота вала. В качестве источника обратной связи могут быть использованы различные типы энкодеров и потенциометры.

В статье рассмотрим подключение и работу с младшими представителями сервоприводов - т.н. сервомашинками - горячо любимыми среди роботостроителей и моделистов.

Конструктив

Сервомашинка состоит из корпуса, в котором заключен небольшой коллекторный электромотор, редуктор и управляющая электроника.

В качестве обратной связи применяются потенциометры. Поэтому эти сервы имеют ограничения по углу поворота вала вокруг оси. Так, в приобретенных мной сервах Futaba S3003, угол поворота выходного вала составляет 225°.

Технические характеристики Futaba S3003

Параметр	Напряжение питания, В
	4,8	6,0
Усилие на валу	3,2 кг/см	4,1 кг/см
Скорость позиционирования	0,23 sec/60°	0,19 sec/60°
Размер, Д х Ш х В	41мм х 20мм х 36мм
Масса, г	37

Потенциометр обратной связи посажен прямо на выходной вал, благодаря ему блок управления сервомашинки отслеживает точное положение вала: сопротивление потенциометра изменяется пропорционально углу поворота . Считав сопротивление, блок управления сравнивает это значение с тем, которое должно быть при заданном положении вала. Если эти значения отличаются, блок управления дает команду двигателю повернуть вал в заданном направлении, уменьшая разницу значений. Достигнув положения вала, когда значение с потенциометра совпадает с заданным значением, двигатель останавливается. Считывание значения с потенциометра и его сравнение происходит с большой частотой, поэтому выходной вал будет стремиться занять заданное положение при изменении внешней нагрузки.

Конструкция сервомашинки выполнена таким образом, что крутящий момент от двигателя к выходному валу передается через редуктор с большим передаточным числом, поэтому при малых размерах и энергозатратах, сервомашинки могут обеспечивать большую тягу.

Управление

В качестве управляющего сигнала служит импульсный сигнал с периодом 20 мс и с длительностью от 0,8 до 2,2 мс. Это некий стандарт управления сервомашинок. Чем длинее пришел импульс, тем на больший угол повернется вал сервомашинки. Для разгона сервомашинки период следования импульсов можно уменьшить до 10 мс.

Управляющий сигнал подается на серву по сигнальному проводу S. В моей сервомашинке он белый, в некоторых моделях - желтый. Помимо сигнального провода из сервомашинки выходят два провода - линии питания - земля (черный) и питание (красный)

Программная часть

Как видно управлять сервой достаточно просто - достаточно гнать импульсный сигнал с нужной частотой и скважностью. Этот сигнал можно генериовать ШИМ , или написать свою функцию обработки прерывания по таймеру. Но в Bascom-AVR уже есть встроенная команда для управления сервомашинками - Servo . Ее и рассмотрим.

Для начала необходимо сконфигурировать подключение сервомашинок:

Config Servos = X , Servo1 = Portb . 0 , Servo2 = Portb . 1 , Reload = Var

Servos = X ; указывается количество подключаемых сервомашинок, возможно подключение до 14 серв.

Servo1 = Portb . 0 ; указывается порт подключения первой сервы

Servo2 = Portb . 1 ; указывается порт подключения второй сервы

Reload = Var ; здесь Var время в микросекундах, которое проходит между прерываниями от таймера.

По умолчанию для организации прерываний используется Timer0, поэтому использовать его в своих целях уже не получиться. Bascom-AVR позволяет перебросить обслуживание прерываний на любой другой таймер, например чтобы освободить Timer0 и задествовать Timer1 достаточно указать это в строке конфигурации:

Config Servos = 2 , Servo1 = Portb . 0 , Servo2 = Portb . 1 , Reload = 10 , Timer = Timer1

После того как все сконфигурировали остается только рулить нашей сервомашинкой. Это делается следующей командой

Servo ( a) = F

а - порядковый номер сервомашинки

F - переменная, значение которой задает угол поворота вала сервы

Тестовый код целиком:

$regfile = "m8def.dat" "микроконтроллер ATmega8
$crystal = 8000000 "частота работы 8МГц

"конфигурируем порты для подключения сервоприводов
Config Portb . 0 = Output
Config Portb . 1 = Output

"настраиваем подключения двух сервомашинок
Config Servos = 2 , Servo1 = Portb . 0 , Servo2 = Portb . 1 , Reload = 15

Dim F As Byte "переменная для первой сервы
Dim S As Byte "переменная для второй сервы

"разрешаем прерывания
Enable Interrupts

F = 15 "значением переменной задается угол поворота вала сервомашинки
S = 70

Do

Servo (1 ) = F
Servo (2 ) = S

Loop

End

Схему подключения не привожу, думаю один сигнальный провод проблем не вызовет;) Его можно подключать к порту микроконтроллера напрямую, а можно через резистор сопротивлением пару сотен ом - для перестраховки.

Меняя значения перемменных F и S можем менять угол поворота первой и второй сервомашинок соответственно. Чем меньше значение параметра Reload, тем шустрее наши сервомашинки будут поворачиваться на нужный угол.

Для своих серв подобрал рабочий диапаз он значений Servo(a), в которых вал может вращаться. Крайнее положения вал занимает при значении 0 и 150, соответственно при значении 75 вал занимает промежуточное положение.

Servo(a) =0 Servo(a) =75 Servo(a) =150

Servoдвигатели - это тип электромеханических приводов, которые не вращаются постоянно,как DC / AC или шаговый двигателей, а перемещаются в определенное положение исохраняют его. Они применяются там, где не требуется непрерывное вращение. Серво приводы применяют там, где необходимоперейти к конкретной позиции,а затем остановиться и сохранять положение .Наиболеечасто серво двигатели используются для управлением положением руля воздушныхсудов и лодок т.д. Сервоприводы эффективно используются в этих областях, потомучто руль не нужно перемещать на 360 градусов и не требуют непрерывного вращениякак например колеса. В с ервоприводахтакже используется механизм обратной связи, поэтому он может обрабатыватьошибки и при позиционировании их исправить. Такая система называется следящей . Такимобразом, если поток воздуха оказывает давление на руль и отклоняет его, тосервопривод будет применять силу в противоположном направлении и попытаетсяисправить ошибку.Например, есливы скажете серво пойти и заблокироваться на 30 градусах, а затем попытаетесь повернутьего рукой, серво будут стараться, чтобы преодолеть силу и сохранить заданныйугол.

Сервоприводыприменяются также для контроля руля RC- автомобилей, робототехники и т.д. Существует много видов сервоприводов, но здесь мы сосредоточимсяна малых сервоприводы так называемых hobby . H obb y двигатель и его механизм управления встроен в один блок. Подключение осуществляеться спомощью трех присоединительных проводов . Мы будем использовать сервопривод FutabaS3003 .

FutabaS3003 проводки.

1.RED -> Управление позицией,питание +4.8В до 6В

2.BLACK-> Земля

3.WHITE -> Сигнал управления.

Управление Сервоприводом.

Управлятьсервоприводом легко с помощью микроконтроллера,не нужно никаких внешнихдрайверов.Просто подаваяуправляющий сигнал сервопривод будет позиционировать на любойзаданный угол.Частота управляющего сигнала обычно 50hz (т.е.период 20 мс), а длительность импульса задает величину угла.

Для FutabaS3003 яузнал следующие синхронизацию .Соотношение между шириной импульса иуглом поворота сервопривода, приводится ниже.Заметим,что этот сервопривод способен вращаться только между 0 и 180 градусов.

• 0.388ms= 0 градусов.
• 1.264ms= 90 градусов.
• (Нейтральнаяпозиция) 2.14ms= 180 градусов.

Управление Серво двигателем.

Вы можете использовать микроконтроллер AVR с функцией PWM дляуправления сервомоторов. Таким образом, PWM автоматически сгенерирует сигналыблокировки сервопривода и центральный процессор контролера освободится длядругих задач. Чтобы понять, как можно настроить и использовать PWM необходимоиметь базовые знания аппаратных таймеров и PWM модулей в AVR.

Здесь мы будемиспользовать AVR Timer модуль, который является 16bit таймером и имеет два канала PWM (А и B).

Частота центрального процессора составляет 16 МГц,эта частота - максимальная частота,на которой большинство AVR способны работать.Так же будем использовать делитель частоты на 64. Так таймера получат 16MHz/64 =250khz (4 мкс).Таймер установим в режим 14.

Функциитаймера в режими 14

• РежимFAST PWM
• T T OP Значение = ICR1

Такимобразом, мы устанавливаемICR1A = 4999,это дает нам PWM периода 20мс (50 Гц).Убедитесь что в режими выводаустанавленны правильные настройки COM1A1, COM1A0 (для PWM канала) и COM1B1,COM1B0 (для PWM канал B)

COM1A1= 1 и COM1A0 = 0 (PWM Источник)

COM1B1= 1 и COM1B0 = 0 (PWM канал B)

Теперь рабочий цикл может быть установлен путем настройки OCR1A иOCR1B регистров.Эти два регистрауправления PWM периодом Так как период таймера 4мкс (помните 16 МГц разделили на 64), Мы можем вычислить значения, необходимые для поворотасервопривод на определенный угол.

§ Servoугол 0 градусов требуется ширина импульса 0.388ms (388uS), поэтому значениеOCR1A = 388us/4us = 97

§ Servoугол 90 градусов требуется ширина импульса 1.264ms (1264uS), поэтому значениеOCR1A = 1264us/4us = 316

§ Servoугол 180 градусов требуется ширина импульса 2.140ms (2140uS), поэтому значениеOCR1A = 2140us/4us = 535

Такимобразом, мы можете вычислить значение OCR1A (или OCR1B для второгосервопривода) для любого угла.Заметимчтозначение OCR1x колеблются от 97 до535 для углов от 0 до 180 градусов.

Программа управления двигателем.

Демонстрационнаяпрограмма приведена ниже, показано, как использовать сервомоторов смикроконтроллером AVR. Работы программы очень проста, она начинается синициализации таймера и PWM.В начале фиксируеться сервопривод на 0 градусов, азатем перемещается на 90 градусов и подождатв некоторое время перемещается на135 градусов, и наконец, на 180градусов. Этот процесс повторяется до тех пор, пока привод подключен к питанию.

Параметрыдля правильной работы программы .

• LOW Fuse = 0xFF и HIGH Fuse = 0xC9
• Частота= 16 МГц.
• СервомоторклеймоFutaba S3003 .
• MCUявляется AtMega32 или однокристальный микроконтроллер ATmega16.

Схема

ПРИЛОЖЕНИЯ:

В этой статье мы поговорим о сервоприводах в проектах Ардуино. Именно благодаря серводвигателям обычные электронные проекты становятся робототехническими. Подключение серво к Arduino проекту позволяет реагировать на сигналы датчиков каким-то точным движением, например, открыть дверцу или повернуть в нужную сторону сенсоры. В статье рассмотрены вопросы управления сервоприводами, возможные схемы подключения серво к ардуино, а также примеры скетчей.

Сервопривод – это такой вид привода, который может точно управлять параметрами движения. Другими словами, это двигатель, который может повернуть свой вал на определенный угол или поддерживать непрерывное вращение с точным периодом.

Схема работы сервопривода основана на использовании обратной связи (контура с замкнутой схемой, в котором сигнал на входе и выходе не согласован). В качестве сервопривода может выступать любой тип механического привода, в составе которого есть датчик и блок управления, который автоматически поддерживает все установленные параметры на датчике. Конструкция сервопривода состоит из двигателя, датчика позиционирования и управляющей системы. Основной задачей таких устройств является реализация в области сервомеханизмов. Также сервоприводы нередко используются в таких сферах как обработка материалов, производство транспортного оборудования, обработка древесины, изготовление металлических листов, производство стройматериалов и другие.

В проектах ардуино робототехники серво часто используется для простейших механических действий:

• Повернуть дальномер или другие датчики на определенный угол, чтобы измерить расстояние в узком секторе обзора робота.
• Сделать небольшой шаг ногой, движение конечностью или головой.
• Для создания роботов-манипуляторов.
• Для реализации механизма рулевого управления.
• Открыть или закрыть дверку, заслонку или другой предмет.

Конечно, сфера применения серво в реальных проектах гораздо шире, но приведенные примеры являются самыми популярными схемами.

Схема и типы сервоприводов

Принцип работы сервопривода основан на обратной связи с одним или несколькими системными сигналами. Выходной показатель подается на вход, где сравнивается его значение с задающим действием и выполняются необходимые действия – например, выключается двигатель. Самым простым вариантов реализации является переменный резистор, который управляется валом – при изменении параметров резистора меняются параметры питающего двигатель тока.

В реальных сервоприводов механизм управления гораздо сложнее и использует встроенные микросхемы-контроллеры. В зависимости от типа используемого механизма обратной связи выделяют аналоговые и цифровые сервоприводы. Первые используют что-то, похожее на потенциометр, вторые – контроллеры.

Вся схема управления серво находится внутри корпуса, управляющие сигналы и питание подаются, как правило, идут по трем проводам: земля, напряжение питания и управляющий сигнал.

Сервопривод непрерывного вращения 360, 180 и 270 градусов

Выделяют два основных вида серводвигателей – с непрерывным вращением и с фиксированным углом (чаще всего, 180 или 270 градусов). Отличие серво ограниченного вращения заключается в механических элементах конструкции, которые могут блокировать движение вала вне заданных параметрами углов. Достигнув угла 180, вал окажет воздействие на ограничитель, а тот отдаст команду на выключение мотора. У серводвигателей непрерывного вращения таких ограничителей нет.

Материалы шестерней сервопривода

У большинства сервоприводов связующим звеном между валом и внешними элементами является шестеренка, поэтому очень важно, из какого материала она сделана. Наиболее доступных вариантов два: металлические или пластмассовые шестерни. В более дорогих моделях можно найти элементы из карбона и даже титана.

Пластмассовые варианты, естественно, дешевле, проще в производстве и часто используются в недорогих моделях серво. Для учебных проектов, когда сервопривод делает несколько движений, это не страшно. Но в серьезных проектах использование пластмассы невозможно, в виду очень быстрого снашивания таких шестеренок под нагрузкой.

Металлические шестеренки надежнее, но это, безусловно, сказывается как на цене, так и на весе модели. Экономные производители могут сделать часть деталей пластмассовыми, а часть металлическими, это тожно нужно иметь в виду. Ну и, естественно, что в самых дешевых моделях даже наличие металлической шестеренки не является гарантией качества.

Титановые или карбоновые шестерни – самый предпочтительный вариант, если вы не ограничены бюджетом. Легкие и надежные, такие сервоприводы активно используются для создания моделей автомобилей, дронов и самолетов.

Преимущества серводвигателей

Широкое использование сервоприводов связано с тем, что они обладают стабильной работой, высокой устойчивостью к помехам, малыми габаритами и широким диапазоном контроля скорости. Важными особенностями сервоприводов являются способность увеличивать мощность и обеспечение обратной информационной связи. И этого следует, что при прямом направлении контур является передатчиком энергии, а при обратном – передатчиком информации, которая используется для улучшения точности управления.

Отличия серво и обычного двигателя

Включая или выключая обычный электрический двигатель, мы можем сформировать вращательное движение и заставить двигаться колеса или другие предметы, прикрепленные к валу. Движение это будет непрерывным, но для того, чтобы понять, на какой угол повернулся вал или сколько оборотов он сделал, потребуется устанавливать дополнительные внешние элементы: энкодеры. Сервопривод уже содержит все необходимое для получения информации о текущих параметрах вращения и мжет самостоятельно выключаться, когда вал повернется на необходимый угол.

Отличия серво и шагового мотора

Важным отличием серводвигателя от шагового двигателя является возможность работать с большими ускорениями и при переменной нагрузке. Также серводвигатели обладают более высокой мощностью. Шаговые двигатели не обладают обратной связью, поэтому может наблюдаться эффект потери шагов, в серводвигателях потери шагов исключены – все нарушения будут зафиксированы и исправлены. При всех этих явных преимуществах серводвигатели являются более дорогостоящими приборами, чем шаговые двигатели, обладают более сложной системой подключения и управления и требуют более квалифицированного обслуживания. Важно отметить, что шаговые двигатели и сервоприводами не являются прямыми конкурентами – каждое из этих устройств занимает свою определенную сферу применения.

Решающее значение в управлении сервоприводами выполняет управляющий сигнал, который представляет собой импульсы постоянной частоты и переменной ширины. Длина импульса – это один из важнейших параметров, который определяет положение сервопривода. Эту длину можно задать в программе вручную методом подбора через угол или использовать команды библиотеки. Для каждой марки устройства длина может быть различной.

Когда сигнал попадает в управляющую схему, генератор подает свой импульс, длительность которого определяется с помощью потенциометра. В другой части схемы происходит сравнение длительности поданного сигнала и сигнала с генератора. Если эти сигналы разные по длительности, включается электромотор, направление вращения которого определяется тем, какой из импульсов короче. При равенстве длины импульсов мотор останавливается.

Стандартная частота, с которой подаются импульсы, равна 50 Гц, то есть 1 импульс в 20 миллисекунд. При таких значениях длительность составляет 1520 микросекунд, и сервопривод занимает среднее положение. Изменение длины импульса приводит к повороту сервопривода – при увеличении длительности поворот осуществляется по часовой стрелке, при уменьшении – против часовой стрелки. Имеются границы длительности – в Ардуино в библиотеке Servo для 0° установлено значение импульса в 544 мкс (нижняя граница), для 180° – 2400 мкс (верхняя граница).

(Использовано изображение с сайта amperka.ru)

Важно учитывать, что на конкретном устройстве настройки могут несколько отличаться от общепринятых значений. У некоторых устройств среднее положение и ширина импульса может быть равной 760 мкс. Все принятые значения также могут незначительно отличаться из-за погрешности, которая может быть допущена при производстве устройства.

Способ управления приводом часто по ошибке называют PWM/ШИМ, но это не совсем корректно. Управление напрямую зависит именно от длины импульса, частота их появления не так важна. Корректная работа будет обеспечена как при 40 Гц, так и при 60 Гц, вклад внесет только сильное уменьшение или увеличение частоты. При резком спаде сервопривод начнет работать рывками, при завышении частоты выше 100 Гц устройство может перегреться. Поэтому правильнее называть PDM.

По внутреннему интерфейсу можно выделить аналоговые и цифровые сервоприводы. Внешних отличий нет – все различия только во внутренней электронике. Аналоговый сервопривод внутри содержит специальную микросхему, цифровой – микропроцессор, принимающий и анализирующий импульсы.

При получении сигнала аналоговый сервопривод принимает решение, менять или нет положение, и по необходимости подает на мотор сигнал с частотой 50 Гц. За время реакции (20 мс) могут произойти внешние воздействия, которые изменят положение сервопривода, и устройство не успеет среагировать. Цифровой сервопривод использует процессор, который подает и обрабатывает сигналы с большей частотой – от 200 Гц, поэтому он может быстрее отреагировать на внешние воздействия, быстрее развивать нужную скорость и крутящий момент. Следовательно, цифровой сервопривод будет лучше удерживать заданное положение. При этом для работы цифрового сервопривода требуется больше электроэнергии, что повышает их стоимость. Большой вклад в цену делает и сложность их производства. Высокая стоимость – единственный недостаток цифровых сервоприводов, в техническом плане они намного лучше аналоговых устройств.

Подключение серводвигателя к ардуино

Сервопривод обладает тремя контактами, которые окрашены в разные цвета. Коричневый провод ведет к земле, красный – к питанию +5В, провод оранжевого или желтого цвета – сигнальный. К Ардуино устройство подключается через макетную указанным на рисунке образом. Оранжевый провод (сигнальный) подключается к цифровому пину, черный и красный – к земле и питанию соответственно. Для управления серводигателем не требуется подключение именно к шим-пинам – принцип управления серво мы уже описывали ранее.

Не рекомендуется подключать мощные серво напрямую к плате, т.к. они создают для схемы питания Arduino ток, не совместимый с жизнью – повезет, если сработает защита. Чаще всего симптомы перегрузки и неправильного питания сервопривода заключаются в “дергании” серво, неприятному звуку и перезагрузке платы. Для питания лучше использовать внешние источники, обязательно объединяя земли двух контуров.

Скетч для управления сервоприводом в Arduino

Управление сервоприводом напрямую через изменение в скетче длительности импульсов – достаточно нетривиальная задача, но у нас, к счастью, есть отличная библиотека Servo, встроенная в среду разработки Arduino. Все нюансы программирования и работы с сервоприводами мы рассмотрим в отдельной статье. Здесь же приведем простейший пример использования Servo.

Алгоритм работы прост:

• Для начала мы подключаем Servo.h
• Создаем объект класса Servo
• В блоке setup указываем, к какому пину подключен серво
• Используем методы объекта обычным для C++ способом. Самым популярным является метод write, которому мы подаем целочисленное значение в градусах (для сервопривода 360 эти значения будут интерпретироваться по-другому).

Пример простого скетча для работы с сервоприводом

Пример проекта, в котором мы сразу сначала устанавливаем серводвигатель на нулевой угол, а затем поворачиваем на 90 градусов.

#include Servo servo; // Создаем объект void setup() { servo.attach(9); // Указываем объекту класса Servo, что серво присоединен к пину 9 servo1.write(0); // Выставляем начальное положение } void loop() { servo.write(90); // Поворачиваем серво на 90 градусов delay(1000); servo.write(1800); delay(100); servo.write(90); delay(1000); servo.write(0); delay(1000); }

Скетч для двух сервпоприводов

А в этом примере мы работаем сразу с двумя сервоприводами:

#include Servo servo1; // Первый сервопривод Servo servo2; // Второй сервопривод void setup() { servo1.attach(9); // Указваем объекту класса Servo, что серво присоединен к пину 9 servo2.attach(10); // А этот servo присоединен к 10 пину } void loop() { // Выставялем положения servo1.write(0); servo2.write(180); delay(20); // Меняем положения servo2.write(0); servo1.write(180); }

Управление сервоприводом с помощью потенциометра

В этом примере поворачиваем серво в зависимости от значения, полученное от потенциометра. Считываем значение и преобразовываем его в угол с помощи функции map:

//Фрагмент стандартного примера использования библиотеки Servo void loop() { val = analogRead(A0); // Считываем значение с пина, к которому подключен потенциометр val = map(val, 0, 1023, 0, 180); // Преобразуем число в диапазоне от 0 до 1023 в новый диапазон - от 0 до 180. servo.write(val); delay(15); }

Характеристики и подключение SG-90

Если вы собрались купить самый дешевый и простой сервопривод, то SG 90 будет лушим вариантом Этот серво чаще всего используется в управлении небольшими легкими механизмами с углом поворота от 0° до 180°.

Технические характеристики SG90:

• Скорость отработки команды 0,12с/60 градусов;
• Питание 4,8В;
• Рабочие температуры от -30С до 60 С;
• Размеры 3,2 х 1,2 х 3 см;
• Вес 9 г.

Описание SG90

Цвета проводов стандартные. Сервопривод стоит недорого, он не обеспечивает точных настроек начальных и конечных позиций. Для того, чтобы избежать лишних перегрузок и характерного треска в положении 0 и 180 градусов лучше выставлять крайние точки в 10° и 170°. При работе устройства важно следить за напряжением питания. При сильном завышении этого показателя могут повредиться механические элементы зубчатых механизмов.

Сервоприводы MG995 и MG996 tower pro

Серво MG995 является второй по популярности моделью сервоприводов, чаще всего подключаемых к проектам Arduino. Это относительно недорогие сервомоторы, обладающие гораздо лучшими характеристиками по сравнению с SG90.

Характеристики MG995

Выходной вал у MG995 поворачивается на 120 градусов (по 60 в каждом направлении), хотя многие продавцы указывают на 180 градусов. Устройство выполняется в пластиковом корпусе.

• Вес 55 г;
• Крутящий момент 8,5 кг х см;
• Скорость 0,2с/60 градусов (при 4,8В);
• Рабочее питание 4,8 – 7,2В;
• Рабочие температуры – от 0С до -55С.

Описание MG995

Подключение к ардуино также происходит по трем проводам. В принципе, для любительских проектов допускается подключение MG995 напрямую к Arduino, но ток двигателя всегда будет создавать опасную нагрузку для входов платы, поэтому рекомендуется все-таки запитывать серво отдельно, не забыв соединить землю обоих контуров питания. Другим упрощающим жизнь вариантом будет использование готовых сервоконтроллеров и шилдов, обзор которых мы подготовим в отдельной статье.

MG996R похож на MG995 по своим характеристикам, только он выполняется в металлическом корпусе.

Переделка сервопривода в серво непрерывного вращения

Как описывалось выше, сервопривод управляется импульсами переменной ширины, которые задают угол поворота. Текущее положение считывается с потенциометра. Если рассоединить вал и потенциометр, серводвигатель будет принимать положение движка потенциометра как в средней точке. Все эти действия приведут к тому, что будет убрана обратная связь. Это позволяет управлять скоростью и направлением вращения по сигнальному проводу, и создать серво непрерывного вращения. При этом важно отметить, что серво постоянного вращения не может поворачиваться на определенный угол и делать строго заданное количество оборотов.

Чтобы произвести вышеописанные действия, придется разобрать устройство и внести изменения в конструкцию.

В Ардуино IDE нужно создать небольшой скетч, который поставит качалку в среднее положение.

#include Servo myservo; void setup(){ myservo.attach(9); myservo.write(90); } void loop(){ }

После этого устройство нужно подключить к Ардуино. При подключении серво начнет вращаться. Нужно добиться ее полной остановки путем регулирования резистора. После того, как вращение прекратится, нужно найти вал, вытащить из него гибкий элемент и установить обратно.

Этот метод имеет несколько недостатков – настройка резистора до полной остановки неустойчива, при малейшем ударе/нагреве/охлаждении настроенная нулевая точка может сбиться. Поэтому лучше использовать способ замены потенциометра подстроечником. Для этого нужно вытащить потенциометр и заменить его на подстроечный резистор с таким же сопротивлением. Нулевую точку нужно настроить калибровочным скетчем.

Любой из методов переделки сервопривода в серво непрерывного вращения имеет свои недостатки. Во-первых, сложно настроить нулевую точку, любое движение может ее сбить. Во-вторых, диапазон регулирования мал – при небольшом изменении ширины импульса скорость может значительно измениться. Расширить диапазон можно программно в Ардуино.

Заключение

Сервоприводы играют очень важную роль для многих проектов Ардуино, от робототехнических до систем умного дома. Все, что связано с движением, традиционно требует особых знаний и создать полноценный правильно работающий привод – непростая задача. Но с помощью серводвигателей можно во многих случаях упростить задачу, поэтому серво постоянно используется даже в проектах начального уровня.

В этой статье мы постарались раскрыть разные аспекты использования сервоприводов в проектах arduino: от подключения до написания скетчей. Выбрав самую простую модель серво (например, sg 90) вы сможете без труда повторить приведенные примеры и создать свои первые проекты, в которых что-то движется и изменяется. Надеемся, эта статья поможет вам в этом.

Рассмотрим на этом занятии устройство и принцип работы сервоприводов. Разберем два простых скетча для управления сервоприводом с помощью потенциометра на Ардуино. Также мы узнаем новые команды в языке программирования C++ — servo.write , servo.read , servo.attach и научимся подключать в скетчах библиотеку для управления сервоприводами и другими устройствами через Ардуино.

Устройство сервомотора (servo)

Сервопривод (сервомотор) является важным элементом при конструировании различных роботов и механизмов. Это точный исполнитель, который имеет обратную связь, позволяющую точно управлять движениями механизмов. Другими словами, получая на входе значение управляющего сигнала, сервомотор стремится поддерживать это значение на выходе своего исполнительного элемента.

Сервоприводы широко используются для моделирования механических движений роботов. Сервопривод состоит из датчика (скорости, положения и т.п.), блока управления приводом из механической системы и электронной схемы. Редукторы (шестерни) устройства выполняют из металла, карбона или пластика. Пластиковые шестерни сервомотора не выдерживают сильные нагрузки и удары.

Сервомотор имеет встроенный потенциометр, который соединен с выходным валом. Поворотом вала, сервопривод меняет значение напряжения на потенциометре. Плата анализирует напряжение входного сигнала и сравнивает его с напряжением на потенциометре, исходя из полученной разницы, мотор будет вращаться до тех пор пока не выравняет напряжение на выходе и на потенциометре.

Управление сервоприводом с помощью широтно импульсной модуляции

Как подключить сервопривод к Ардуино

Схема подключения сервопривода к Arduino обычно следующая: черный провод присоединяем к GND, красный провод присоединяем к 5V, оранжевый/желтый провод к аналоговому выводу с ШИМ (Широтно Импульсная Модуляция). Управление сервоприводом на Ардуино достаточно просто, но по углам поворота сервомоторы бывают на 180° и 360°, что следует учитывать в робототехнике.

Для занятия нам понадобятся следующие детали:

• Плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
• Макетная плата;
• USB-кабель;
• 1 сервопривод;
• 1 потенциометр;
• Провода «папа-папа» и «папа-мама».

В первом скетче мы рассмотрим как управлять сервоприводом на Arduino с помощью команды myservo.write(0) . Также мы будем использовать стандартную библиотеку Servo.h . Подключите сервомашинку к плате Ардуино, согласно схеме на фото выше и загрузите готовый скетч. В процедуре void loop() мы будем просто задавать для сервопривода необходимый угол поворота и время ожидания до следующего поворота.

Скетч для сервопривода на Ардуино

#include Servo servo1; // объявляем переменную servo типа "servo1" void setup () { servo1.attach (11); // привязываем сервопривод к аналоговому выходу 11 } void loop () { servo1.write (0); // ставим угол поворота под 0 delay (2000); // ждем 2 секунды servo1.write (90); // ставим угол поворота под 90 delay (2000); // ждем 2 секунды servo1.write (180); // ставим угол поворота под 180 delay (2000); // ждем 2 секунды }

Пояснения к коду:

1. Стандартная библиотека Servo.h содержит набор дополнительных команд, которая позволяет значительно упростить скетч;
2. Переменная Servo необходима, чтобы не запутаться при подключении нескольких сервоприводов к Ардуино. Мы назначаем каждому приводу свое имя;
3. Команда servo1.attach(10) привязывает привод к аналоговому выходу 10.
4. В программе мы вращаем привод на 0-90-180 градусов и возвращаем в начальное положение, поскольку процедура void loop повторяется циклично.

Управление сервоприводом потенциометром

Подключение сервопривода и потенциометра к Ардуино Уно

Ардуино позволяет не только управлять, но и считывать показания с сервопривода. Команда myservo.read(0) считывает текущий угол поворота вала сервопривода и его мы можем увидеть на мониторе порта. Предоставим более сложный пример управления сервоприводом потенциометром на Ардуино. Соберите схему с потенциометром и загрузите скетч управления сервоприводом.

Скетч для сервопривода с потенциометром

#include // подключаем библиотеку для работы с сервоприводом Servo servo; // объявляем переменную servo типа "servo" void setup () { servo.attach (10); // привязываем сервопривод к аналоговому выходу 10 pinMode (A0, INPUT); // к аналоговому входу A0 подключим потенциометр Serial .begin (9600); // подключаем монитор порта } void loop () { servo.write (analogRead (A0)/4); // передает значения для вала сервопривода Serial .println (analogRead (A0)); // выводим показания потенциометра на монитор Serial .println (analogRead (A0)/4); // выводим сигнал, подаваемый на сервопривод Serial .println (); // выводим пустую строчку на монитор порта delay (1000); // задержка в одну секунду }

Пояснения к коду:

1. В этот раз мы присвоили имя для сервопривода в скетче, как servo ;
2. Команда servo.write(analogRead(A0)/4) передает значения для вала сервопривода — получаемое напряжение с потенциометра мы делим на четыре и оправляем данное значение на сервопривод.
3. Команда Serial.println (servo.read(10)) считывает значение угла поворота вала сервопривода и передает его на монитор порта.

Сервомоторы часто используются в различных проектах на Ардуино для различных функций: повороты конструкций, движение частей механизмов. Так как мотор серво постоянно стремится удерживать заданный угол поворота, то будьте готовы к повышенному расходу электроэнергии. Это будет особенно чувствительно в автономных роботах, питающихся от аккумуляторов или батареек.

Также часто читают: