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:
Конечно, сфера применения серво в реальных проектах гораздо шире, но приведенные примеры являются самыми популярными схемами.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
 Самый доступный вариант сервопривода SG90 1.6KG
|
 Сервоприводы SG90 и MG90S для Ардуино по цене ниже 70 рублей
|
 Еще один вариант серво SG90 Pro 9g от проверенного поставщика на Али
|
 Servo SG90 от надежного поставщика RobotDyn
|
 Тестер для серво
|
 Несколько вариантов тестеров сервоприводов
|
 Защищенные сервопривод с моментом 15 кг
|
 Серво JX DC5821LV 21KG Full waterproof Core mental gear 1/8 1/10 RC car Scaler Buggy Crawler TRAXXAS RC4WD TRX-4 SCX10 D90
|
 Серво MG996R MG996 Servo Metal Gear for Futaba JR
|
 Серво 13KG 15KG Servos Digital MG995 MG996 MG996R Servo Metal Gear
|
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.
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.
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:
Пример проекта, в котором мы сразу сначала устанавливаем серводвигатель на нулевой угол, а затем поворачиваем на 90 градусов.
#include
А в этом примере мы работаем сразу с двумя сервоприводами:
#include
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); }
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:
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
Сервоприводы обычно имеют ограниченный угол вращения в 180 градусов. В данном случае рассмотрим «модифицированную» серву с неограниченным углом поворота оси.
ТТХ со страницы продавца
Размер:40*20*37.5+5мм приводной вал
вес:38 г
длина провода: 320 мм
Скорость:0.19sec/60 degree (4.8 В)
0.22sec/60 degree (6 В)
скорости скорее всего перепутаны, на 6 вольт серва должна быть быстрее
крутящий момент: 5kg. cm. at (4.8 В)
5.5kg.cm.at (6 В)
напряжение:4.8 В-6 В
Комплект поставки стандартный
4 качалки разных форм
4 втулки, 4 резиновых демпфера и 4 шурупа для крепления сервы
и ещё один мелкой шуруп для крепления качалки на вал убежал с фотографии:)
Внешний вид внушает доверие, на ощупь тоже ничего, небольшие косяки литья только в районе крепёжных ушей, чуть криво наклеена наклейка(тавтология да!). Провод мягкий, коннектор хороши сидит на пинах.
Ну а теперь вскрытие:
Кто не знал как оно работает: в корпусе есть мотор, плата управления и переменный резистор по положению которого серва определяет угол оси.
Редуктор в этой серве пластиковый, ресурс меньше чем у металлического и нагрузок больших не любит. Втулка под центральную ось медная или из какого-то её сплава. На выходном валу стоит подшипник. Смазки можно добавить
Электрическая часть
Мозги, управляющие направлением и скоростью вращения, переменный резюк и электродвигатель.
А сейчас, внимание, «лайфхак», как сделать из обычной сервы, серву постоянного вращения
В оригинале переменник своей осью втыкается в выходной вал изнутри сервы, в модифицированной вал откушен\обломан судя по всему на этапе сборки, резистор выставлен в центральное положение, чтобы вал в покое не вращался. Если пойти дальше его можно выкинуть совсем и заменить на 2 одинаковых постоянных резистора, на управляющую плату удобно поставить что-нибудь смд-шное.
Итого:
серва как серва, не космос, но и не ширпотреб,
можно найти дешевле и с металлическим редуктором
Ps
Как правильно отметили в комментах, совсем забыл упомянуть как управляется сервомашинка, на серву подаётся питание 5-6 вольт и ppm-сигнал по третьему проводу.
Самые распространённые варианты управления:
1) подключаем питание с одной стороны, с другой выход на 3 «потребителя»(сервы, моторы итд) питание и PPM-сигнал, ручкой можно регулировать скорость и направление вращения сервы
2) RC-аппаратура на выходах приёмника тот-же ppm-сигнал.
3) рулить ардуинкой
Видео
Pps
В результате «модификации» серва потеряла обратную связь, мозги не знают реального положения вала и направление вращения, учитывайте этот момент если собираетесь ее купить.
Самым простым из роботов являются 2-х колёсные или 4-х колёсные. За основу такого робота может пойти шасси от радио управляемой машинки, но не у всех она может быть под рукой или её может быть жалко курочить. Так же шасси можно изготовить самостоятельно, но садить колёса на прямую на мотор является не очень хорошим решением, у мотора нужно зарядно сбросить обороты, для этого нужен редуктор. Достать готовые шасси или редуктор, или мотор с редуктором оказалось не такой простой задачей, в отличие от сервоприводов. Почти любой сервопривод можно без особого труда переоборудовать в моторчик с редуктором.
К качалке такого мотора можно приклеить напрямую колеса, а корпус сервомашинки удобен для крепления.
ВНИМАНИЕ! Устройство других сервоприводов может отличаться, а, следовательно, данное руководство походить только от части.
За основу была взята самая простая и дешевая серва:
Для начала разбираем её.
Сперва удаляем ненужную электронику, откусываем драйвер, управлять будем напрямую мотором. Далее приступим к модификации механики, снимаем первую шестерню с внешним валом и удаляем с нёё ограничитель хода.
Достаём резистор и выкусываем ограничитель, расположенный на его корпусе.
Собираем всю механику обратно и проверяем, всё ли удачно движется.
Следующим шагом остаётся припаять провод к моторчику.
Собираем бывшую серву в новый моторчик с редуктором.
Всё готово, если не наделали ошибок, можно наслаждаться работой.
В данной статье рассматриваются сервоприводы: их устройство, предназначение, подсказки по подключению и управлению, разновидности сервоприводов и их сравнение. Давайте приступим и начнём с того, что же такое сервопривод.
Под сервоприводом чаще всего понимают механизм с электромотором, который можно попросить повернуться в заданный угол и удерживать это положение. Однако, это не совсем полное определение.
Если сказать полнее, сервопривод - это привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения. Сервоприводом является любой тип механического привода, имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т.п.) и блок управления приводом, автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике и устройстве согласно заданному внешнему значению.
Иными словами:
Сервопривод получает на вход значение управляющего параметра. Например, угол поворота.
Блок управления сравнивает это значение со значением на своём датчике.
На основе результата сравнения привод производит некоторое действие: например, поворот, ускорение или замедление так, чтобы значение с внутреннего датчика стало как можно ближе к значению внешнего управляющего параметра.
Наиболее распространены сервоприводы, которые удерживают заданный угол, и сервоприводы, поддерживающие заданную скорость вращения.
Типичный хобби-сервопривод изображён ниже.
Каким же образом устроены сервоприводы?
Сервоприводы имеют несколько составных частей.
Привод - электромотор с редуктором. Чтобы преобразовать электричество в механический поворот, необходим электромотор . Однако зачастую скорость вращения мотора бывает слишком большой для практического использования. Для понижения скорости используется редуктор : механизм из шестерней, передающий и преобразующий крутящий момент.
Включая и выключая электромотор, можно вращать выходной вал - конечную шестерню сервопривода, к которой можно прикрепить нечто, чем мы хотим управлять. Однако, для того чтобы положение контролировалось устройством, необходим датчик обратной связи - энкодер , который будет преобразовывать угол поворота обратно в электрический сигнал. Для этого часто используется потенциометр. При повороте бегунка потенциометра происходит изменение его сопротивления, пропорциональное углу поворота. Таким образом, с его помощью можно установить текущее положение механизма.
Кроме электромотора, редуктора и потенциометра в сервоприводе имеется электронная начинка, которая отвечает за приём внешнего параметра, считывание значений с потенциометра, их сравнение и включение/выключение мотора. Она-то и отвечает за поддержание отрицательной обратной связи.
К сервоприводу тянется три провода. Два из них отвечают за питание мотора, третий доставляет управляющий сигнал, который используется для выставления положения устройства.
Теперь давайте посмотрим, как управлять сервоприводом извне.
Чтобы указать сервоприводу желаемое положение, по предназначенному для этого проводу необходимо посылать управляющий сигнал. Управляющий сигнал - импульсы постоянной частоты и переменной ширины.
То, какое положение должен занять сервопривод, зависит от длины импульсов. Когда сигнал поступает в управляющую схему, имеющийся в ней генератор импульсов производит свой импульс, длительность которого определяется через потенциометр. Другая часть схемы сравнивает длительность двух импульсов. Если длительность разная, включается электромотор. Направление вращения определяется тем, какой из импульсов короче. Если длины импульсов равны, электромотор останавливается.
Чаще всего в хобби-сервах импульсы производятся с частотой 50 Гц. Это значит, что импульс испускается и принимается раз в 20 мс. Обычно при этом длительность импульса в 1520 мкс означает, что сервопривод должен занять среднее положение. Увеличение или уменьшение длины импульса заставит сервопривод повернуться по часовой или против часовой стрелки соответственно. При этом существуют верхняя и нижняя границы длительности импульса. В библиотеке Servo для Arduino по умолчанию выставлены следующие значения длин импульса: 544 мкс - для 0° и 2400 мкс - для 180°.
Обратите внимание, что на вашем конкретном устройстве заводские настройки могут оказаться отличными от стандартных. Некоторые сервоприводы используют ширину импульса 760 мкс. Среднее положение при этом соответствует 760 мкс, аналогично тому, как в обычных сервоприводах среднему положению соответствует 1520 мкс.
Также стоит отметить, что это всего лишь общепринятые длины. Даже в рамках одной и той же модели сервопривода может существовать погрешность, допускаемая при производстве, которая приводит к тому, что рабочий диапазон длин импульсов немного отличается. Для точной работы каждый конкретный сервопривод должен быть откалиброван: путём экспериментов необходимо подобрать корректный диапазон, характерный именно для него.
На что ещё стоит обратить внимание, так это на путаницу в терминологии. Часто способ управления сервоприводами называют PWM/ШИМ (Pulse Width Modulation) или PPM (Pulse Position Modulation). Это не так, и использование этих способов может даже повредить привод. Корректный термин - PDM (Pulse Duration Modulation). В нём крайне важна длина импульсов и не так важна частота их появления. 50 Гц - это норма, но сервопривод будет работать корректно и при 40, и при 60 Гц. Единственное, что нужно при этом иметь в виду - это то, что при сильном уменьшении частоты он может работать рывками и на пониженной мощности, а при сильном завышении частоты (например, 100 Гц) может перегреться и выйти из строя.
Теперь давайте разберёмся, какие бывают сервоприводы и какими характеристиками они обладают.
Сначала поговорим о двух очень важных характеристиках сервопривода: о крутящем моменте и о скорости поворота .
Момент силы, или крутящий момент - векторная физическая величина, равная произведению радиус-вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело.
Проще говоря, эта характеристика показывает, насколько тяжёлый груз сервопривод способен удержать в покое на рычаге заданной длины. Если крутящий момент сервопривода равен 5 кг×см, то это значит, что сервопривод удержит на весу в горизонтальном положении рычаг длины 1 см, на свободный конец которого подвесили 5 кг. Или, что эквивалентно, рычаг длины 5 см, к которому подвесили 1 кг.
Скорость сервопривода измеряется интервалом времени, который требуется рычагу сервопривода, чтобы повернуться на 60°. Характеристика 0,1 с/60° означает, что сервопривод поворачивается на 60° за 0,1 с. Из неё несложно вычислить скорость в более привычной величине, оборотах в минуту, но так сложилось, что при описании сервоприводов чаще всего используют такую единицу.
Стоит отметить, что иногда приходится искать компромисс между этими двумя характеристиками, так как если мы хотим надёжный, выдерживающий большой вес сервопривод, то мы должны быть готовы, что эта могучая установка будет медленно поворачиваться. А если мы хотим очень быстрый привод, то его будет относительно легко вывести из положения равновесия. При использовании одного и того же мотора баланс определяет конфигурация шестерней в редукторе.
Конечно, мы всегда можем взять установку, потребляющую большую мощность, главное, чтобы её характеристики удовлетворяли нашим потребностям.
Сервоприводы различаются по размерам. И хотя официальной классификации не существует, производители давно придерживаются нескольких размеров с общепринятым расположением крепёжных элементов. Их можно разделить на:
маленькие
стандартные
Обладают они при этом следующими характерными габаритами:
Бывают ещё так называемые сервоприводы «специального вида» с габаритами, не попадающими в данную классификацию, однако процент таких сервоприводов весьма мал.
Сервоприводы бывают аналоговые и цифровые. Так в чём же их отличия, достоинства и недостатки?
Внешне они ничем не отличаются: электромоторы, редукторы, потенциометры у них одинаковые, различаются они лишь внутренней управляющей электроникой. Вместо специальной микросхемы аналогового сервопривода у цифрового собрата можно заметить на плате микропроцессор, который принимает импульсы, анализирует их и управляет мотором. Таким образом, в физическом исполнении отличие лишь в способе обработки импульсов и управлении мотором.
Оба типа сервопривода принимают одинаковые управляющие импульсы. После этого аналоговый сервопривод принимает решение, надо ли изменять положение, и в случае необходимости посылает сигнал на мотор. Происходит это обычно с частотой 50 Гц. Таким образом получаем 20 мс - минимальное время реакции. В это время любое внешнее воздействие способно изменить положение сервопривода. Но это не единственная проблема. В состоянии покоя на электромотор не подаётся напряжение, в случае небольшого отклонения от равновесия на электромотор подаётся короткий сигнал малой мощности. Чем больше отклонение, тем мощнее сигнал. Таким образом, при малых отклонениях сервопривод не сможет быстро вращать мотор или развивать большой момент. Образуются «мёртвые зоны» по времени и расстоянию.
Эти проблемы можно решать за счёт увеличения частоты приёма, обработки сигнала и управления электромотором. Цифровые сервприводы используют специальный процессор, который получает управляющие импульсы, обрабатывает их и посылает сигналы на мотор с частотой 200 Гц и более. Получается, что цифровой сервопривод способен быстрее реагировать на внешние воздействия, быстрее развивать необходимые скорость и крутящий момент, а значит, лучше удерживать заданную позицию, что хорошо. Конечно, при этом он потребляет больше электроэнергии. Также цифровые сервоприводы сложнее в производстве, а потому стоят заметно дороже. Собственно, эти два недостатка - все минусы, которые есть у цифровых сервоприводов. В техническом плане они безоговорочно побеждают аналоговые сервоприводы.
Шестерни для сервоприводов бывают из разных материалов: пластиковые, карбоновые, металлические. Все они широко используются, выбор зависит от конкретной задачи и от того, какие характеристики требуются в установке.
Пластиковые, чаще всего нейлоновые, шестерни очень лёгкие, не подвержены износу, более всего распространены в сервоприводах. Они не выдерживают больших нагрузок, однако если нагрузки предполагаются небольшие, то нейлоновые шестерни - лучший выбор.
Карбоновые шестерни более долговечны, практически не изнашиваются, в несколько раз прочнее нейлоновых. Основной недостатой - дороговизна.
Металлические шестерни являются самыми тяжёлыми, однако они выдерживают максимальные нагрузки. Достаточно быстро изнашиваются, так что придётся менять шестерни практически каждый сезон. Шестерни из титана - фавориты среди металлических шестерней, причём как по техническим характеристикам, так и по цене. К сожалению, они обойдутся вам достаточно дорого.
Существует три типа моторов сервоприводов: обычный мотор с сердечником, мотор без сердечника и бесколлекторный мотор.
Обычный мотор с сердечником (справа) обладает плотным железным ротором с проволочной обмоткой и магнитами вокруг него. Ротор имеет несколько секций, поэтому когда мотор вращается, ротор вызывает небольшие колебания мотора при прохождении секций мимо магнитов, а в результате получается сервопривод, который вибрирует и является менее точным, чем сервопривод с мотором без сердечника. Мотор с полым ротором (слева) обладает единым магнитным сердечником с обмоткой в форме цилиндра или колокола вокруг магнита. Конструкция без сердечника легче по весу и не имеет секций, что приводит к более быстрому отклику и ровной работе без вибраций. Такие моторы дороже, но они обеспечивают более высокий уровень контроля, вращающего момента и скорости по сравнения со стандартными.
Сервоприводы с бесколлекторным мотором появились сравнительно недавно. Преимущества те же что и у остальных бесколлекторных моторов: нет щёток, а значит они не создают сопротивление вращению и не изнашиваются, скорость и момент выше при токопотреблении равном коллекторным моторам. Сервоприводы с бесколлекторным мотором - самые дорогие сервоприводы, однако при этом они обладают лучшими характеристиками по сравнению с сервоприводами с другими типами моторов.
Многие сервоприводы могут быть подключены к Arduino непосредственно. Для этого от них идёт шлейф из трёх проводов:
красный - питание; подключается к контакту 5V или напрямую к источнику питания
коричневый или чёрный - земля
жёлтый или белый - сигнал; подключается к цифровому выходу Arduino.
Для подключения к Arduino будет удобно воспользоваться платой-расширителем портов, такой как Troyka Shield . Хотя с несколькими дополнительными проводами можно подключить серву и через breadboard или непосредственно к контактам Arduino.
Можно генерировать управляющие импульсы самостоятельно, но это настолько распространённая задача, что для её упрощения существует стандартная библиотека Servo .
Обычный хобби-сервопривод во время работы потребляет более 100 мА. При этом Arduino способно выдавать до 500 мА. Поэтому, если вам в проекте необходимо использовать мощный сервопривод, есть смысл задуматься о выделении его в контур с дополнительным питанием.
Рассмотрим на примере подключения 12V сервопривода:
На большинстве плат Arduino библиотека Servo поддерживает управление не более 12 сервоприводами, на Arduino Mega это число вырастает до значения 48. При этом есть небольшой побочный эффект использования этой библиотеки: если вы работаете не с Arduino Mega, то становится невозможным использовать функцию analogWrite() на 9 и 10 контактах независимо от того, подключены сервоприводы к этим контактам или нет. На Arduino Mega можно подключить до 12 сервоприводов без нарушения функционирования ШИМ/PWM, при использовании большего количества сервоприводов мы не сможем использовать analogWrite() на 11 и 12 контактах.
Библиотека Servo позволяет осуществлять программное управление сервоприводами. Для этого заводится переменная типа Servo . Управление осуществляется следующими функциями:
attach() - присоединяет переменную к конкретному пину. Возможны два варианта синтаксиса для этой функции: servo.attach(pin) и servo.attach(pin, min, max) . При этом pin - номер пина, к которому присоединяют сервопривод, min и max - длины импульсов в микросекундах, отвечающих за углы поворота 0° и 180°. По умолчанию выставляются равными 544 мкс и 2400 мкс соответственно.
write() - отдаёт команду сервоприводу принять некоторое значение параметра. Синтаксис следующий: servo.write(angle) , где angle - угол, на который должен повернуться сервопривод.
writeMicroseconds() - отдаёт команду послать на сервоприводимульс определённой длины, является низкоуровневым аналогом предыдущей команды. Синтаксис следующий: servo.writeMicroseconds(uS) , где uS - длина импульса в микросекундах.
read() - читает текущее значение угла, в котором находится сервопривод. Синтаксис следующий: servo.read() , возвращается целое значение от 0 до 180.
attached() - проверка, была ли присоединена переменная к конкретному пину. Синтаксис следующий: servo.attached() , возвращается логическая истина, если переменная была присоединена к какому-либо пину, или ложь в обратном случае.
detach() - производит действие, обратное действию attach() , то есть отсоединяет переменную от пина, к которому она была приписана. Синтаксис следующий: servo.detach() .
Все методы библиотеки Servo2 совпадают с методами Servo.
Сервоприводы бывают разные, одни получше - другие подешевле, одни надёжнее - другие точнее. И перед тем, как купить сервопривод, стоит иметь в виду, что он может не обладать лучшими характеристиками, главное, чтобы подходил для вашего проекта. Удачи в ваших начинаниях!
Чтобы разобрать наш сервопривод нам понадобиться отвертка. Т.к. я разбираю очень маленький сервопривод, то и отвертка нужна соответствующая. Лично я использую отвертки из какого-то дешевого китайского набора. Купил я его в киоске в подземном переходе по цене около 5$, так что не сильно затратно.
Чтобы вскрыть сервопривод надо открутить всего четыре винтика. Находятся они на нижней крышке. Откручиваем:
Сняв крышку можно рассмотреть блок управления. Вдаваться в подробности я не буду, все равно я собираюсь его удалить отсюда. Так же виден моторчик к которому ведут два провода.
Сверху так же находится крышка, сняв которую можно рассмотреть шестеренки редуктора. Стоит обратить внимание, что две из них закреплены на потенциометре - это достаточно важно, так как чтобы редуктор продолжил выполнять свою функцию нам придется фактически сломать потенциометр - будем использовать его просто как ось для шестеренок.
Собственно, необходимо снять все шестеренки с сервопривода и на время отложить их в сторонку. Достаем потенциометр (кстати, он же переменный резистор) из корпуса аккуратно подтолкнув его с нижней стороны сервопривода отверткой.
Вот собственно и настал момент точки не возврата. Конечно всегда можно будет все спаять обратно, но это уже сложнее. Итак - откусывает потенциометр.
Затем таким же методом разделяем плату управления с проводами питания и сигналов.
Проведем инвентаризацию.
Вроде бы все на месте. Теперь берем в руки наш потенциометр.
Дело в том, что он сейчас вращается тоже только на определенный угол. А так как он является осью и на нем крепиться самая большая шестеренка на которую собственно мы и будем крепить колесо в последствии - надо сделать так, чтобы он вращался постоянно. Вынимаем две металлические пластинки которые препятствуют этому. Получаем:
Надеюсь на фотографии понятно, что я сделал. Выдирал маленькими плоскогубцами, так как ничего более подходящего под рукой не было.
Теперь надо срезать ограничитель на самое шестеренке. Выглядит он как выступ с нижней части шестеренки. Найти его легко, выглядит он следующим образом.
Режем.
И собственно после этого можно приступать к сборке редуктора обратно в корпус. Вставляем обратно ось сделанную ранее нами из потенциометра.
Далее, одну за одной шестеренки начиная с самой маленькой. Будьте внимательны вставляя последнюю шестеренку - она по особенному крепиться на ось бывшего потенциометра, так как наконечник оси выполнен в форме буквы D
. Надо, чтобы этот выступ попал в углубление в шестеренке. Получается что-то, похожее на следующую картинку.
Одеваем верхнюю крышку на редуктор, чтобы он не развалился в ходе дальнейшей работы.
Ну что, осталось не так и много. Берем провод с коннектором который мы ранее откусили от платы и разделяем в нем проводки. Не стоит разделять из на большое расстояние, по факту одного сантиметра вполне достаточно.
Зачищаем два из них (по сути любых, но я использовал красный и зеленый). Достаточно срезать около 3мм изоляции. Для наших целей - более чем.
Оставшийся не зачищенный провод просто загибаем чтобы он нам не мешался.
Переходим к горяченькому. Самое время нагревать паяльник. За то время, что паяльник греется я устроил поудобнее сервопривод в захвате.
Первым делом надо будем убрать остатки старого припоя которые остались на контактах двигателя. Я это делаю с помощью оловоотсоса, предварительно разогрев контакт паяльником до такого состояния, чтобы припой расплавился. Главное тут не перестараться - задняя крышка моторчика все же пластмассовая и долго греться не любит. Процесс выглядит примерно так:
Я понимаю, что возможно и не сильно заметно что я сделал, но припоя на контактах не осталось практически, чего я и добивался.
Замечательные статьи по пайке есть в DI HALT"а. Он вообще гений, как мне кажется. Ссылка на его блог , там кроме пайки очень много всего на самом деле, просто поищите поиском.
Если коротко, то для того, чтобы сделать хорошую пайку - надо всегда избавиться в начале от старого припоя.
Осталось припаять два провода. Кто знаком с пайкой - справиться за 5 секунда. Кто как я во-второй раз в жизни нормально взялся за паяльник понадобиться чуть больше времени, но все равно - это очень просто, такое сделать может каждый.
Во время пайки я использую флюс который, надо признать, делает работу легче в разы и качество пайки с ним обеспечить намного проще. Лично мне по совету, опять же, DI HALT"а на его блоге уже успел полюбиться ЛТИ-120. У меня он во в такой модной баночке сразу с кисточкой.
Закручиваем четыре винта.
Вот собственно и все, переделка сервы закончилась. Перезакрепив сервопривод поудобнее и попрочнее в захвате можно приступить и к испытаниям.
В этот раз я не буду изощряться с контроллером, а просто подам напряжение с блока питания в 5V на зеленый и красный провода. Внимание, на видео достаточно громкий звук от работы привода.
Как видно, теперь нашему сервоприводу ничего не мешает вращаться без остановки. Звук издаваемый приводом на самом деле не тихий, но в принципе - это терпимо. Вот пожалуй и все на сегодня.
