КОРЗИНА
магазина
8 (499) 500-14-56 | ПН. - ПТ. 12:00-18:00
ЛЕСНОРЯДСКИЙ ПЕРЕУЛОК, 18С2, БЦ "ДМ-ПРЕСС"

Сервоприводы: руководство по использованию для Arduino

ГЛАВНАЯ / КАтегории / Сервоприводы: руководство по использованию для Arduino


Что такое сервопривод?

Сервопривод — это электродвигатель с редуктором и блоком управления в одном корпусе.

Servo Guide Arduino Info 1

Сервоприводы используются для открывания/закрывания заслонок, поворота различных механизмов на заданный градус и в качестве суставов при создании разнообразных DIY-роботов.

Servo Guide Arduino Info 2

Элементы сервопривода

Рассмотрим основные элементы сервопривода.

Servo Guide Arduino Annotation

Электромотор

За преобразование электрической энергии в механическую отвечает электромотор. В зависимости от модели, сервопривод может быть наделён одним из трёх видов моторов:

  • Коллекторный мотор с сердечником (Brush motor)
  • Коллекторный мотор без сердечника (Coreless motor)
  • Бесколлекторный мотор (Brushless motor)

Редуктор

На практике, скорость вращения мотора слишком большая, а крутящий момент — наоборот слишком маленький. Для решения двух проблем выходной вал мотора соединён с группой шестеренок, которые позволяют увеличить крутящий момент, но при этом пропорционально снизить скорость вращения выходного вала.

Шестерни редуктора могут быть пластиковые или металлические.

Servo Guide Arduino Info 3
  • Пластиковые шестерни изготавливаются из силикона или нейлона, они мало весят и мало стоят, но не способны вытягивать большие нагрузки. Сервоприводы с пластиковым редуктором довольно популярные в любительских проектах.
  • Металлические шестерни изготавливаются из латуни или меди, они много весят и много стоят, но зато способны вытягивать большие нагрузки. Сервоприводы с металлическим редуктором применяются в устройствах, где требуется мускулы и сила.

Выходной вал

Выходной вал сервопривода — это последняя шестерёнка редуктора, которая выведена за пределы корпуса. К выходному валу крепится требуемая нагрузка: например качалка, втулка, тянущие или толкающие механизмы. Диаметр выходного вала и количество на нём зубьев отличается между разными моделями сервоприводов.

Схема управления

Для обработки входного сигнала с внешнего контроллера в сервоприводе расположена схема управления.

  • В сервоприводе с удержанием угла, блок управления принимает импульсы, сравнивает их с показателем датчика обратной связи и по результату управляет мотором.
  • В сервоприводе постоянного вращения, блок управления принимает импульсы и преобразует их в постоянное вращения с заданной скоростью.

Схема управления может быть аналоговой или цифровой.

В аналоговом сервоприводе входные данные c внешнего контроллера анализируются логической микросхемой. Аналоговый чип принимает внешние импульсы с частотой 50 Гц, а значит время реакции мотора составляет около 20 мс.

В цифровом сервоприводе входные данные анализируются собственным микроконтроллером. Контроллер принимает внешние импульсы с частотой 50 Гц, но позволяет увеличить внутреннюю частоту сигнала с 50 Гц до 500 Гц. В итоге время реакции мотора может сократится до 2 мс.

Характеристики сервопривода

Рассмотрим основные характеристики сервопривода.

Крутящий момент

Крутящий момент отвечает за ускорение выходного вала и его способность преодолевать сопротивление вращению. Чем выше крутящий момент, тем больше возможностей у мотора реализовать свой потенциал.

Крутящий момент высчитывается путём произведения максимального веса груза на длину рычага, который способен удержать сервопривод. При увеличении длины рычага, пропорционально уменьшается максимальный вес груза и наоборот. Например, если крутящий момент равен 10 кг·см:

  • Сервопривод удержит груз 10 кг на рычаге длиной 1 см.
  • Сервопривод удержит груз 5 кг на рычаге длиной 2 см.
  • Сервопривод удержит груз 1 кг на рычаге длиной 10 см.

Скорость поворота

Скорость поворота — это время, за которое выходной вал сервопривода успевает повернуться на 60°. Из неё можно вычислить скорость в оборотах в минуту для сервопривода постоянного вращения.

Размеры

Внешне сервоприводы различаются между собой по формфактору и размеру. Для получения точных размеров используйте приложенные габаритные чертежи на каждый сервопривод.

Servo Guide Arduino Info 4

Питание сервопривода

Напряжение к серве можно подключать двумя способами: без внешнего источника питания и с внешним источником питания.

Без внешнего источника питания

Если сервопривод питается напряжением 5 вольт и потребляет ток менее 500 мА, можно запитать сервомотор непосредственно от контроллера.

Цвет провода Контакт Функция Подключение
Оранжевый / Жёлтый / Белый S Пин управления сервоприводом Подключите к пину ввода-вывода микроконтроллера.
Красный V Питание Подключите к питанию микроконтроллера.
Коричневый / Чёрный G Земля Подключите к земле микроконтроллера.
Servo Guide Arduino Wiring Power 1

С внешним источником питания

Если сервопривод питается напряжением свыше 5 вольт или потребляет ток более 500 мА, то ему необходим внешний источник питания с соответствующими характеристиками.

Цвет провода Контакт Функция Подключение
Оранжевый / Жёлтый / Белый S Пин управления сервоприводом Подключите к пину ввода-вывода микроконтроллера.
Красный V Питание Подключите к внешнему источнику питания с подходящим напряжением.
Коричневый / Чёрный G Земля Подключите к земле внешнего источника питания и земле микроконтроллера.
Servo Guide Arduino Wiring Power 2

Сервоприводы с удержанием угла

Сервоприводы с удержанием угла — это моторы, которые преобразуют управляющие сигналы в установку и удержание заданного угла.

Интерфейс управления

Для управления мотором с удержанием угла необходимо подавать сигнал PDM (Pulse Duration Modulation) — импульсы постоянной частоты и переменной ширины. При поступлении с внешнего контроллера управляющего импульса, начинка сервопривода генерирует свой сигнал, длительность которого определяется датчиком обратной связи. Далее схема сравнивает длительность двух импульсов:

  • Если длительность разная → электромотор включается. Направление вала зависит от знака разности импульсов.
  • Если длины импульсов равны → электромотор останавливается.

В сигнале PDM частота импульсов постоянна и равна 50 Гц, т.е. период подачи импульсов равен 20 мс. А вот ширина импульса изменяется, и именно от неё зависит выходной угол удержания мотора. Принято считать, что диапазону выходного угла 0–180° соответствует ширина импульса 500–2500 мкс.

Период импульсов Ширина импульса Положение сервопривода
20 мс 544 мск Выходной вал установлен в максимальное положение по часовой стрелке CW — 0°.
20 мс 1540 мкс Выходной вал установлен в условную середину относительно крайних максимальных точек CW и CWW — 90°.
20 мс 2400 мкс Выходной вал установлен в максимальное положение против часовой стрелке CCW — 180°.

Примеры работы

Сервоприводы постоянного вращения

Сервоприводы постоянного вращения — это моторы, которые преобразуют управляющие сигналы в заданную скорость вращения вала в любом направлении без ограничений по углу поворота.

Интерфейс управления

Для управления мотором постоянного вращения необходимо подавать особый сигнал PDM (Pulse Duration Modulation) — импульсы постоянной частоты и переменной ширины. При поступлении с внешнего контроллера управляющего импульса начинка сервопривода генерирует свой сигнал мотору.

В сигнале PDM частота импульсов постоянна и равна 50 Гц, т. е. период подачи импульсов равен 20 мс. А вот ширина импульса изменяется, и именно от неё зависит направление и скорость вращения мотора. Принято считать, что рабочая ширина импульса лежит в пределах 544–2400 мкс.

Период импульсов Ширина импульса Положение сервопривода
20 мс 544 мск Выходной вал вращается по часовой стрелке (CW) с максимальной скоростью.
20 мс 1540 мкс Выходной вал не вращается вовсе, т.е. стоит на месте.
20 мс 2400 мкс Выходной вал вращается против часовой стрелке (CCW) с максимальной скоростью.

Примеры работы

Список моделей в магазине

Ресурсы

Библиотеки




Обсуждение

Гарантии и возврат Используя сайт Вы соглашаетесь с условями