Обратная связь от сервопривода или «забиваем гвозди»
- Блог компании Амперка
Всем хабраконструкторам, привет!
Пришла мне как-то в голову дурацкая мысль: собрать девайс, который бы молотком забивал гвозди. Просто ради демонстрации работы сервопривода. Алгоритм простой: даём команду на поднятие молотка, ждём пока он поднимется, отпускаем молоток; и так пока гвоздь не будет забит. Но как узнать, что молоток поднялся и что гвоздь забит, не пользуясь дополнительными датчиками? Спросить у «глупого» сервопривода! Как именно это сделать - об этом и пойдёт речь в статье.
Что такое сервопривод? Наверное, все знают, но на всякий случай: это привод, который в отличие от мотора постоянного тока не просто крутится пока подаётся напряжение, а стремится повернуться к заданному углу и удержаться в этом положении. Угол устанавливается с помощью ШИМ (PWM) -сигнала. Сервопривод стремится к определённому положению, а следовательно должен знать своё собственное. Перед началом сборки я был уверен, что запросить текущий угол будет проще простого и это возможно «из коробки». Не тут то было. Но обо всём по порядку.
Итак, предполагаемый девайс: сервопривод с прикреплённым к нему молотком на небольшом постаменте для равновесия. Сервопривод подключается к Arduino через IO Shield, а микроконтроллер исполняет алгоритм:
- Установить сервоприводу определённый угол для поднятия молотка
- Бездействовать пока сервопривод не сообщит, что угол достигнут
- Отключить питание сервопривода, чтобы молоток упал на гвоздь
- Прочитать угол в упавшем положении
- Если угол после падения несколько раз подряд не изменился - значит гвоздь перестал вколачиваться. Предположительно он забит - прекращаем исполнение
- Если угол изменился, начинаем сначала
Пилим и скручиваем:
Приступаем к написанию прошивки для Arduino… Довольно быстро становится понятно, что установить определённый угол для сервы - не проблема. В частности, это позволяет сделать стандартная библиотека Servo, которая из заданного в градусах угла формирует соответствующий PWM-сигнал. А вот с чтением - проблема: функции для этого нет.
Быстро погуглив проблему, нашёл кучу сообщений на форумах, где на этот вопрос авторитетно отвечали: «Это не возможно! Сервоприводы - это write-only устройства». Меня это привело в замешательство, я интуитивно чувствовал, что достать эти данные как-то просто можно.
Матчасть
После недолгих поисков в сети можно понять как устроена серва. Это обычный мотор постоянного тока, который соединён с выведенным шпинделем через несколько шестерней, формирующих пониженную передачу. Этот же шпиндель с внутренней стороны физически прикреплён к потенциометру (подстроечному резистору). При вращении мотора шпиндель поворачивается, поворачивается и бегунок потенциометра, выходное напряжение потенциометра меняется, мозги сервы его считывают и если напряжение достигло заданного уровня - цель достигнута, мотор отключается от питания.То есть, у нас есть потенциометр, по сигналу с которого можно определить текущий угол. Осталось только разобрать сервопривод и подключиться в нужном месте. Разбираем:
Сразу скажу, что сервопривод с фотографии я безвозвратно сломал в процессе разборки. Не нужно было вообще выламывать плату с электроникой, достаточно просто снять заднюю крышку, которая держится на 4-х винтах. Но сразу это было не очевидно, и чтобы понять куда на плате припаян потенциометр, пришлось пожертвовать одним приводом.
Вот как припаян потенциометр на сервоприводах от DFRobot :
Нам нужен сигнал с бегунка, который меняется в зависимости от угла поворота от минимального до максимального напряжения. Берём мультиметр, вращаем шпиндель и смотрим: каким углам какой сигнал соответствует. Для моей сервы углу в 0° соответствует напряжение 0.43 В, а максимальному углу поворота в 180° соответствует напряжение 2.56 В.
Аккуратно припаиваем новый сигнальный провод.
Подключаем его к аналоговому входу A5 на Arduino. Закрываем крышку. Пишем программу:
#include
Включаем, пробуем, работает!
Что делать с полученным опытом - вариантов много: можно сделать контроллер вроде того, что используется на кораблях для установки тяги (полный вперёд / полный назад); можно использовать серву с обратной связью как элемент автономного рулевого управления какой-нибудь машины; можно много всего. Да прибудет со всеми нами фантазия!
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.
У сервы 3 вывода: Питание, земля и сигнальный провод.
С помощью сигнального провода сервопривод определяет на какой угол нужно повернуться.
Сюда подаются импульсы одинаковой частоты, но разной ширины (длительности).
Чаще всего частота сигнальных импульсов 50 Гц (Период = 20 мс).При этом ширина минимального импульса 1 мс, а максимального 2 мс.
Этого должно хватить для начала, дальше будет подробней (можно не читать).
Устройство сервопривода
Выходной вал соединён с переменным резистором который и определяет угол поворота.
Потенциометр соединён с плюсом и землей по крайним выводам, а средний подключается к управляющей схеме. Получается делитель напряжения.
Подавая управляющий сигнал мы говорим к примеру что должно быть 5 вольт, плата проверяет потенциометр а там 0 значит 0 градусов и т.к. напряжение на резисторе меньше чем должно быть, управляющая плата включает мотор, который крутиться по часовой стрелке до тех пор пока напряжение на потенциометре не станет равно нужному нам.
То есть управляющая плата сравнивает заданный нами управляющий сигнал со значением напряжения на потенциометре (по своим формулам), если на потенциометре меньше чем нужно он крутиться по часовой стрелке, если меньше против часовой, до тех пор пока значения не будут равны.
Нейтральное положение
это состояние сервопривода когда управляющий сигнал равен половине от суммы максимального и минимального сигнала.
То есть если минимальная ширина сигнала 1 мс
а максимальная 2 мс
, то нейтральное положение будет когда сигнал имеет длину 1.5 мс
. Обычно в этом состоянии угол равен 90 градусов.
Мотор часто имеет большую скорость вращения, но слабый крутящий момент - не может поднимать тяжелые грузы. Из-за этого используют редуктор, это сборка шестерёнок которые преобразуют высокую скорость оборота мотора в медленную, но сильную скорость оборота выходного вала.
Стоит отметить что для их управления используется не PWM/ШИМ (Pulse Width Modulation) или PPM (Pulse Position Modulation). А — PDM (Pulse Density Modulation).
Теперь остались только характеристики сервоприводов и их отличия друг от друга.
Характеристики
Момент / Крутящий момент / Сила поворота
Указывают для 2 значений напряжения 4.8 В и 6 В. Показывает какой груз серва может выдержать в неподвижном состоянии. Момент в 15 кг/см означает что сервопривод способен удержать неподвижно рычаг в 1 см и подвешенным к нему грузом массой 15 кг либо же удержать груз в 1 кг на рычаге в 15 см.
Скорость поворота
Скорость сервоприводов измеряется временем поворота рычага сервопривода на угол 60 градусов при напряжении питания 4.8 В и 6 В. Например, сервопривод с параметром 0.06с/60° поворачивает вал на 60 градусов за 0.06с.
Форм фактор / Размер
Сервоприводы различаются по размерам. И хотя официальной классификации не существует, производители давно придерживаются нескольких размеров с общепринятым расположением крепёжных элементов. Их можно разделить на:Микро: 24мм x 12мм x 24мм, вес: 8-10 г.
Мини: 30мм x 15мм x 35мм, вес 23-25 г.
Стандарт: 40мм x 20мм x 37мм, вес: 50-80 г.
Гигант: 4 9мм x 25мм x 40мм, вес 50-90 г.
Тип редуктора / Материалы шестерней
Шестерни для сервоприводов бывают из разных материалов:пластиковые, карбоновые и металлические.
Пластиковые самые дешевые, легкие, не прочные, остальные 2 прочнее, дороже, крепче.
Выходной вал скользит с помощью подшипников, шариковые используются в мощным сервах, но со временем появляется люфт.
Виды моторов
Мотор с сердечником самый обычный мотор постоянного тока с проволочной обмоткой из проволоки по центру (крутиться) и постоянными магнитами по бокам (крутиться).
Вибрирует, медленно разгоняется и останавливается.
Мотор без сердечника Постоянный магнит в центре (неподвижен) и обмотка вокруг в форме цилиндра (крутиться).
Нет недостатков как у мотора с сердечником, но дороже.
Еще есть сервы с бесколлекторным мотором, они лучше и дороже остальных. Но не распространены.
Аналоговые и Цифровые
У цифровых есть микропроцессор, они работают на большой частоте из-за этого улучшается точность и пропадают мертвые зоны. Но он потребляет больше тока и дороже.
Мертвые зоны происходят при малом отклонении сервопривода, на мотор подается слабый сигнал и он не способен вернуть серву в прежнее состояние, чем больше отклонение тем сильнее сигнал, так что далеко он не покрутиться, но погрешность всё же есть.
Для общего образования
Привод — совокупность устройств, предназначенных для приведения в действие машин. Состоит из двигателя, трансмиссии и системы управления.
Двигатель (мотор) — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую.
Трансмиссия — совокупность сборочных единиц и механизмов, соединяющих двигатель (мотор) с ведущими колёсами транспортного средства (автомобиля) или рабочим органом станка. В общем случае трансмиссия предназначена для передачи крутящего момента от двигателя к колёсам (рабочему органу), изменения тяговых усилий, скоростей и направления движения.
Система управления — систематизированный (строго определённый) набор средств сбора сведений о подконтрольном объекте и средств воздействия на его поведение.
Сервомоторы используются в автомобильных системах для линейного и углового перемещения элементов, к точности положения которых выдвигаются повышенные требования. В основе работы сервопривода лежит корректировка работы электродвигателя для исполнения управляющего сигнала.
Назначение и состав
Если в качестве управляющего сигнала задается угол поворота выходного вала двигателя, выполняется его преобразование в подаваемое напряжение. Обратная связь выполняется благодаря датчику измерения одного из выходных параметров двигателя. Значение показаний датчика обрабатывается управляющим блоком, после чего осуществляется корректировка работы сервомотора.
Конструктивно сервопривод представляет собой электромеханический узел, элементы которого размещены в едином корпусе. В состав сервопривода входит электродвигатель, редуктор, датчик и блок управления.
Основными характеристиками сервопривода является рабочее напряжение питания, частота вращения, крутящий момент, а также конструктивные решения и материалы, применяемые в конкретной модели.
Особенности конструкции и работы
В современных сервоприводах применяется 2 вида электромоторов – с сердечником и с полым ротором. Двигатели с сердечником имеют ротор с обмоткой, вокруг которой расположены магниты постоянного тока. Особенностями данного типа электромоторов является возникновение вибраций во время вращения маятника, что несколько снижает точность угловых перемещений. Двигатели с полым ротором лишены данного недостатка, но более дорогостоящи в связи с усложнением технологии изготовления.
Редукторы сервоприводов служат для снижения частоты вращения и увеличения крутящего момента на выводном валу. Редукторы сервоприводов в большинстве случаев состоят из цилиндрической зубчатой передачи, шестерни которой изготовлены из металла либо полимерных материалов. Металлические редукторы характеризуются большей стоимостью, но более прочны и долговечны.
В зависимости от требуемой точности работы в конструкции сервоприводов могут быть использованы пластиковые втулки либо шарикоподшипники для ориентации выходного вала относительно корпуса.
Также сервоприводы различают по типу блока управления. Существуют аналоговые и цифровые блоки управления сервоприводом. Цифровой блок позволяет обеспечивать более точное позиционирование рабочего органа сервопривода и большую скорость реакции.
Современное высокотехнологичное оборудование предполагает использование элементов конструкции, позволяющих совершать постоянные динамические движения с постоянным контролем угла поворота вала, а также предоставлять возможность управления скоростями в электромеханических приборах. Решить весь комплекс подобного рода задач можно с помощью серводвигателей. Они представляют собой электротехническую систему привода, позволяющую эффективно осуществлять управление скоростями в требуемом диапазоне. Применение такого рода устройств дает возможность реализовать периодическую повторяемость процессов с высокой частотой. Серводвигатели являются инновационным вариантом электропривода, поэтому они получили широкое распространение в машиностроении и других отраслях промышленности. Подобные устройства сочетают в себе высокую эффективность в работе и низкий уровень шума.
Устройство серводвигателей
Конструкция серводвигателя предполагает наличие следующих элементов:
- Ротора;
- Статора;
- Комплектующих, предназначенных для коммутации (штекера или клеммные коробки);
- Датчика обратных связей (энкодера);
- Узла управления, контроля и коррекции;
- Система включения и выключения;
- Корпуса (в двигателях корпусного типа)
Главное конструктивное различие рассматриваемых устройств от обычных двигателей постоянного и переменного тока, комплектующихся щетками или без таковых, является возможность управления им путем изменения скорости вращения ротора, момента и положения.
Включаться и выключаться двигатель может с помощью системы механического (резисторы, потенциометры и т.д.) или электронного (микропроцессор) типа. В ее основе лежит принцип сравнения данных датчика обратной связи и заданного значения с подаваемым через реле на устройство напряжением. В более высокотехнологичных схемах также учитывается инерция ротора, вследствие чего обеспечивается его плавность разгона и торможения.
Концептуально все серводвигатели можно отнести к исполнительным системам высокой мощности для систем, станков и устройств точного позиционирования. Основной задачей серводвигателя является выставления исполнительного механизма точно в нужную точку пространства.
Принцип работы
Основным аспектом функционирования серводвигателей является условия его работы в рамках системы G-кодов , то есть команд управления, содержащихся в специальной программе. Если рассматривать данный вопрос на примере ЧПУ , то сервомоторы функционируют во взаимодействии с преобразователями, которые изменяют величину напряжения на якоре или на возбуждающей обмотке двигателя, исходя из уровня входного напряжения. Обычно управление всей системой производится с помощью стойки ЧПУ. При получении команды из стойки пройти определенное расстояние вдоль координатной оси Х, в субблоке цифрового аналогового преобразователя стойки создается напряжение некоторой величины, которое передается для питания привода указанной координаты. В сервомоторе начинается вращение ходового винта, с которым связан энкодер и исполнительный орган станка. В первом происходит выработка импульсов, подсчитываемых стойкой. Программа предусматривает, что некоторое количество сигналов с энкодера соответствует определенному расстоянию прохождения исполняющего механизма. При получении нужного количества импульсов аналоговый преобразователь выдает нулевое значение выходного напряжения, и сервомотор останавливается. В случае смещения под внешним воздействием рабочих элементов станка на энкодере формируется импульс, обсчитываемый стойкой, на привод подается напряжение рассогласования, и якорь двигателя поворачивается до получения нулевого значения рассогласования. В результате обеспечивается точное удержание рабочего элемента станка в заданном положении.
Разновидности серводвигателей
Как и другие устройства, серводвигатели представлены в нескольких исполнениях. Такого рода изделия бывают:
- Коллекторными;
- Безколлекторными.
Устройства могут запитываться и постоянным, и переменным током. Сервомоторы переменного напряжения являются сравнительно дешевыми. Изделия также представлены на рынке в асинхронном и синхронном исполнении. В синхронном варианте в процессе работы изделия перемещение магнитного поля совпадает с вращением ротора, поэтому их направление относительно статора совпадает. Управление асинхронными устройствами производится за счет перемены параметров питающего тока (изменение его частоты с помощью инвертора). Для серводвигателей, которые имеют привод с помощью постоянного тока, предусмотрена маркировка аббревиатурой DC. Такого типа изделия в большинстве случаев применяются в оборудовании, предназначенном для беспрерывной работы, поскольку их отличает большая стабильность при эксплуатации.
Технические характеристики серводвигателей
Эксплуатационные характеристики синхронных и асинхронных двигателей несколько отличаются.
| Синхронные сервомоторы | Асинхронные сервомоторы |
| Обладают высокой рабочей динамикой (скорость перехода из статического в динамическое состояние). | Имеют среднюю и высокую динамику в работе. |
| В период больших моментов инерционных нагрузок умеренно хорошо регулируются. | При пиковых моментах нагрузок инерционного типа хорошо настраиваются. |
| Способны выдерживать высокие перегрузки (до 6 Мн в зависимости от типа агрегата). | Способность к перегрузкам приближается к трехкратной величине. |
| Имеют высокую границу допустимых тепловых нагрузок при работе на протяжении длительного времени во всем диапазоне частоты вращения вала. | Двигатели способны выдерживать высокие тепловые нагрузки, уровень которых зависит от скорости вращения вала. |
| Охлаждение изделия происходит по конвекционной технологии, а также с использованием специально предусмотренных теплоотводов или же путем теплового излучения. | Охлаждение частей механизма осуществляется с помощью крыльчатки, размещенной на валу, или принудительным способом. |
| Высококачественное регулирование частоты вращения вала. | Частота вращения вала регулируется с высоким уровнем качества. |
| Возможна длительная эксплуатация с пусковым моментом на невысоких оборотах. | Высокие тепловые нагрузки делают невозможной длительную эксплуатацию на низких оборотах без обеспечения принудительного охлаждения. |
| Преобразователь (в зависимости от характеристик) позволяет осуществлять регулирование частоты вращения в диапазоне о 1 до 5000 и даже более. | Частота вращения регулируется преобразователем с большой эффективностью в диапазоне от 1 до 5000 и больше. |
| На низких частотах вращения наблюдаются пульсации вращающего момента. | В процессе работы пульсации вращающего момента практически отсутствуют. |
Сферы использования серводвигателей
Благодаря высокой динамике, отличной точности позиционирования и устойчивости к перегрузкам серводвигателей их используют в различных сферах деятельности. В своем большинстве такого рода изделия применяются в металлургической промышленности, при изготовлении намоточных устройств, экструдеров, механизмов, предназначенных для литья под давлением изделий из пластических масс, оборудования для печати и упаковки, в пищевой промышленности и в процессе производства напитков. Также устройства являются неотъемлемой частью станков с ЧПУ, прессовального и штамповочного оборудования, линий по производству автомобилей и т.д. Основным направлением применения серводвигателей являются приводы подачи и позиционные станочные системы с цифровым программным управлением .
Подключение сервоприводов
При подключении сервомотора в первую очередь следует убедиться в правильности коммутации питающих кабелей. Сервомоторы имеют две группы проводов. Силовые (питающие) и провода от энкодера. Питающих провода в пучке 3 штуки, они подключаются к драйверу. Провода от энкодера подключаются к COM — порту драйвера. Тип питания и его величина зависит от разновидности изделия.
Маленькие сервомашинки имеют в большинстве 3 провода. 1 провод общий, 1 провод плюсовой и 3 провод сигнальный, от датчика оборотов. Такая питающая схема распространенна для низкооборотистых маломощных сервомашинок, в конструкции которых есть редуктор.
Рекомендуется применять экранированные витые проводники для передачи управляющих сигналов. Для исключения возможности возникновения наводок электромагнитных полей не нужно размещать рядом кабеля питания и провода управления. Они должны располагаться на расстоянии не менее тридцати сантиметров.
Преимущества и недостатки серводвигателей
Серводвигатели обладают бесшумностью и плавностью работы. Это надежные и безотказные изделия, благодаря чему их широко используют при создании ответственных исполнительных устройств. Высокая скорость и точность перемещения могут обеспечиваются также и на невысоких скоростях. Такой двигатель может быть подобран пользователем в зависимости от предстоящих разрешаемых задач. К недостаткам следует отнести высокую стоимость модуля, а также сложность его настройки. Производство серводвигателей требует наличия высокотехнологичного промышленного оборудования.
Таким образом, потребители могут приобрести серводвигатели, которые наиболее всего соответствуют условиям предстоящей эксплуатации, создав исполнительное устройство, отличающееся высокой надежностью и функциональностью.