Сервоприводы: подключение, управление, примеры работы

Сервоприводы: подключение, управление, примеры работы

Познакомимся поближе с сервоприводами. Рассмотрим их разновидности, предназначение, подсказки по подключению и управлению.

Что такое сервопривод?

Сервопривод — это мотор с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения. Сервомотором является любой тип механического привода, имеющий в составе датчик положения и плату управления.

Простыми словами, сервопривод — это механизм с электромотором, который может поворачиваться в заданный угол и удерживать текущее положение.

Элементы сервопривода

Рассмотрим составные части сервопривода.

Электромотор с редуктором

За преобразование электричества в механический поворот в сервоприводе отвечает электромотор. В асинхронных сервоприводах установлен коллекторный мотор, а в синхронных — бесколлекторный.

Однако зачастую скорость вращения мотора слишком большая для практического использования, а крутящий момент — наоборот слишком слабый. Для решения двух проблем используется редуктор: механизм из шестерней, передающий и преобразующий крутящий момент.

Включая и выключая электромотор, вращается выходной вал — конечная шестерня редуктора, к которой можно прикрепить нечто, чем мы хотим управлять.

Позиционер

Для контроля положения вала, на сервоприводе установлен датчик обратной связи, например потенциометр или энкодер. Позиционер преобразует угол поворота вала обратно в электрический сигнал.

Плата управления

За всю обработку данных в сервоприводе отвечает плата управления, которая сравнивает внешнее значения с микроконтроллера со показателем датчика обратной связи, и по результату соответственно включает или выключает мотор.

Выходной вал

Вал — это часть редуктора, которая выведена за пределы корпуса мотора и непосредственно приводиться в движение при подаче управляющих сигналов на сервопривод. В комплектации сервомоторов идут качельки разных формфакторов, которые одеваются на вал сервопривода для дальнейшей коммуникации с вашими задумками. Не рекомендуем прилагать к валу нагрузки, которые больше крутящего момента сервопривода. Это может привести к разрушению редуктора.

Выходной шлейф

Для работы сервопривода его необходимо подключить к источнику питания и к управляющей плате. Для коммуникации от сервопривода выходит шлейф из трёх проводов:

Если сервопривод питается напряжением от 5 вольт и потребляет ток менее 500 мА, то есть возможность обойтись без внешнего источника питания и подключить провод питания сервомотора непосредственно к питанию микроконтроллера.

Управление сервоприводом

Алгоритм работы

Интерфейс управления

Чтобы указать сервоприводу желаемое состояние, по сигнальному проводу необходимо посылать управляющий сигнал — импульсы постоянной частоты и переменной ширины.

То, какое положение должен занять сервопривод, зависит от длины импульсов. Когда сигнал от микроконтроллера поступает в управляющую схему сервопривода, имеющийся в нём генератор импульсов производит свой импульс, длительность которого определяется через датчик обратной связи. Далее схема сравнивает длительность двух импульсов:

Для управления хобби-сервоприводами подают импульсы с частотой 50 Гц, т.е. период равен 20 мс:

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.

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 отличается. Для точной работы каждый конкретный сервопривод должен быть откалиброван: путём экспериментов необходимо подобрать корректный диапазон, характерный именно для него.

Часто способ управления сервоприводами называют PWM (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 котором важна длина импульсов, а не частота.

Характеристики сервопривода

Рассмотрим основные характеристики сервоприводов.

Крутящий момент

Момент силы или крутящий момент 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 поворота

Скорость сервопривода — это время, которое требуется выходному валу повернуться на 60°. Характеристика 0,1 с/60° означает, что сервопривод поворачивается на 60° за 0,1 с. Из неё можно вычислить скорость в оборотах в минуту, но так сложилось, что при описании сервоприводов чаще всего используют именно интервал времени за 60°.

Форм-фактор

Сервоприводы различаются по размерам. И хотя официальной классификации не существует, производители давно придерживаются нескольких размеров с общепринятым расположением крепёжных элементов.

Внутренний интерфейс

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.

Материалы шестерней

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.

Коллекторные и бесколлекторные моторы

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.

Сервопривод постоянного вращения

Сервоприводы обычно имеют ограниченный угол вращения 180 градусов, их так и называют «сервопривод 180°».

Но существуют сервоприводы с неограниченным углом поворота оси. Это сервоприводы постоянного вращения или «сервоприводы 360°».

Сервопривод постоянного вращения можно управлять с помощью библиотек Servo или Servo2 . Отличие заключается в том, что функция Servo.write(angle) задаёт не угол, а скорость вращения привода:

Для иллюстрации работы с сервами постоянного вращения мы собрали двух мобильных ботов — на Arduino Uno и Iskra JS. Инструкции по сборке и примеры скетчей смотрите в статье собираем ИК-бота.

Примеры работы с Arduino

Схема подключения

Многие сервоприводы могут быть подключены к Arduino непосредственно. Для этого от них идёт шлейф из трёх проводов:

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 .

Ограничение по питанию

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:

Ограничение по количеству подключаемых сервоприводов

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.

Пример использования библиотеки Servo

По аналогии подключим 2 сервопривода

Библиотека Servo не совместима с библиотекой VirtualWire для работы с приёмником и передатчиком на 433 МГц.

Альтернативная библиотека Servo2

Библиотеки для управления сервоприводами (Servo) и для работы с приёмниками / передатчиками на 433 МГц VirtualWire используют одно и то же прерывание. Это означает, что их нельзя использовать в одном проекте одновременно. Существует альтернативная библиотека для управления сервомоторами — Servo2.

Все методы библиотеки Servo2 совпадают с методами Servo.

Пример использования библиотеки Servo

Примеры работы с Espruino

Примеры работы с Raspberry Pi

Вывод

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!

Регулировка двигателя с сервоприводом

Источники питания PULS на DIN-рейке являются надежными, малогабаритными и соответствуют всем важным стандартам для использования в автоматизации зданий.

Автомобильная промышленность

Источники питания PULS на DIN-рейке превосходят высокие требования 24-7 к автомобильной продукции с точки зрения надежности и срока службы.

Бесштоковые актуаторы Kollmorgen. Конструкция

В статье рассмотрена конструкция бесштокового актуатора Kollmorgen

Буферные модули на основе конденсатора

До сих пор в ИБП постоянного тока для промышленных установок используются почти исключительно свинцово-кислотные батареи. Тем не менее, пользователям приходится сталкиваться с такими недостатками как ограниченный срок службы, ограниченный температурный диапазон и большой вес этих батарей.

В каких случаях стоит применять двигатели DDR Kollmorgen

Не секрет , что двигатели Direct Drive Rotary (DDR) или переводя на русский прямые двигатели имеют стоимость гораздо выше, чем обычные серводвигатели. Но есть решения в которых применение DDR оправдано реальными факторами . Разберем их

Видеообзор встроенной функции MotionTask и описание простого примера

В данном видео кратко представлен обзор встроенной функции MotionTask

Датчики обратной связи для серводвигателей АКМ с сервоусилителем AKD. Параметры.

В статье вы найдете таблицу с параметрами различных датчиков обратной связи для серводвигателей АКМ с сервоусилителем AKD

Зачем выбирать бескорпусной двигатель для вашей сервосистемы.

Бескорпусные или «комплекты серводвигателей» открывают многочисленные возможности производительности в разработке элементов движения для вашей мехатронной системы.

Защита от электромагнитных помех в сервостистемах

В данной статье мы рассмотрим основные параметры серводвигателей и как осуществлять подбор.

Источники питания PULS на DIN-рейке — в сердцах лучших машин.

На протяжении десятилетий машиностроители доверяют надежности и мощности продукции PULS

Источники питания RAILwna на DIN-рейке — новый стандарт в железнодорожной отрасли

Те, кто опаздывал в ожидании поезда из-за технических проблем, очень хорошо знают, что самым высоким приоритетом на железной дороге должна быть более надежная технология.

Как настроить сервоусилитель S700-300 для работы с мотором стороннего производителя

Грамотная настройка сервосистемы — залог успешной и высокопроизводительной работы. В статье вы найдете ссылку на подробное описание настройки сервоусилителей S300 и S700 c двигателями сторонних производителей

Как подготовить линейный сервопривод к началу эксплуатации

Статья посвящена ключевым моментам выбора и настройке линейного серводвигателя в системе сервопривода.

Как работает серводвигатель (видео)

Видео обзор работы серводвигателя с объяснением (субтитры)

Как работает шаговый двигатель (видео)

В видеообзоре наглядно демонстрируется с описанием работа шагового двигателя

Как работают системы измерения расстояния (видео)

Как работают системы измерения расстояния (видео)

Компактные источники питания на DIN-рейку 36 Вт, 60 Вт и 90 Вт с основными базовыми функциями

Новейшими и самыми маленькими представителями семейства продуктов PIANO в настоящее время являются источники питания на DIN-рейке 24 В PIM36 (36 Вт – скоро будут доступны), PIM60 (60 Вт) и PIM90 (90 Вт).

Конструкция линейного сервомотора серии ICH от Kollmorgen

В статье рассмотрена конструкция и основные элементы линейного сервомотора серии ICH от Kollmorgen

Конструкция серводвигателя на постоянных магнитах

Схема и видео демонстрации работы серводвигателя на постоянных магнитах

Конструкция электромеханического привода Tolomatic серия IMA

Конструкция электромеханического привода Tolomatic серия IMA

Контуры регулирования сервосистемы. Что это

В статье рассмотрены три контура регулирования сервопривода: Контур скорости, контур тока и контур положения

Нехитрые цифры. Часть 1. Линейное и вращательное движение

Как обосновать выбранную сервосистему? Как рассчитать мощность серводвигателя? Какой датчик обратной связи необходим? На все эти и другие вопросы мы постараемся ответить в наших статьях «Нехитрые цифры»

Нехитрые цифры. Часть 2. Расчет момента инерции для линейного и вращательного движения

Продолжаем цикл статей посвященных расчетам параметров электрических приводов. В данной статье приведены формулы расчет моментов инерции.

Новые решения от PULS GmbH: экономичность при высокой надежности

Серия PIANO PIC предназначена для решений, требующих источники питания на DIN-рейке и ориентированых на широкий спектр применения. Обеспечивает простоту без компромиссов со свойственными продукции PULS: эффективностью, большим сроком службы, высокой надежностью и малыми размерами.

Нужна ли сервосистема или нет

Вы действительно нуждаетесь в сервосистеме? Возможно асинхронный двигатель с устройством обратной cвязи может предложить более эффективное решение для специфических задач? Пристальный взгляд на описание и рабочие характеристики серво и асинхронных двигателей может заставить задуматься.

Обратная связь Абсолютный энкодер Конструкция Принцип работы + видео

Обратная связь Абсолютный энкодер Конструкция Принцип работы + видео

Обратная связь. ComCoder

ComCoder совокупность работы инкрементально энкодера и датчика Холла

Обратная связь. Инкрементальный энкодер. Конструкция. Принцип работы + видео

Обратная связь Инкрементальный энкодер. Конструкция. Принцип работы. + видео

Обратная связь. Применение резольвера + видео

Резольвер или по другому вращающийся трансформатор представляет собой.

Полоса пропускания сервопривода. Почему это важно.

В данной статье мы рассмотрим что такое полоса пропускания сервопривода и почему этот параметр имеет большое значения при выборе сервосистемы

Простое решение для простого движения от Kollmorgen

Вы когда нибудь задумывались подключить сервоусилитель к панели оператора и подавать управляющие сигналы, нет? Тогда читайте нашу статью о том как просто и без лишних затрат организовать простой цикл движения сервопривода

Сервоактуаторы Kollmorgen. Конструкция, особенности

Сервоактуаторы Kollmorgen. Конструкция, особенности.

Система RediMount™ Kollmorgen

Система крепления RediMount™ обеспечивает быструю и безошибочную установку планетарных редукторов MICRON TRUE Planetary™ к практически всем серводвигателям, существующим на рынке.

Снижение тепловых потерь в шкафах АСУ ТП

В статье рассматривается влияние тепловых потерь на надежность и эффективность шкафов управления и автоматики, а также представлены возможности блоков питания на DIN-рейке, разработанных компанией PULS, с эффективностью более 95% (для серии CP10).

Советы по применению сервосистем

Для успешного применения сервопривода необходимо внимание к деталям, начиная с уровня системы до отдельных узлов. Некоторые полезные советы и практические рекомендации могут облегчить эту работу.

Температура окружающей среды предъявляемая к серводвигателям AKM и AKM2G

Рабочая температура внешней окружающей среды для серводвигателей серии AKM и AKM2G обусловлена смазкой в подшипнике. В стандартном исполнении температурный диапазон составляет .

Теория управления с обратной связью. Линейные системы.

В любой системе, если существует линейная связь между двумя переменными, то говорят, что она является линейной системы.

Технология встроенных магнитов в бесщеточных серводвигателях

Фрэнк Бартос Control Engineering Использование технологии встроенных магнитов в бесщеточных двигателях, по сравнению с технологией поверхностных постоянных магнитов, позволяет увеличить производительность приводов за счет возрастания плотности потока магнитного поля при сохранении высокого крутящего момента на больших скоростях вращения.

Типы исполнения валов серводвигателей

Типы исполнения валов серводвигателей

Устройства обратной связи – Делаем правильный выбор — Введение — Часть 1

Технологии серводвигателей не теряют актуальности год от года: активно разрабатываются конструкции со встраиваемыми электродвигателями, модели с компактными корпусами из нержавеющей стали, головками с планетарной передачей и даже со встроенными приводами.

Формулы расчет регенеративной энергии

В данной статье представлены формулы расчет регенеративной энергии и возможные к поставке тормозные резисторы и модули рекуперации

Функциональные возможности современного сервопривода

Современный сервопривод представляет собой сложное интеллектуальное устройство. Помимо задач движения, выполняемых с помощью современных методов с высокой точностью, сервоприводы выполняют множество вспомогательных задач: контроль силовых токов, регулировка напряжения питания в динамических режимах, контроль температуры двигателя и системы управления, отслеживание аварийных ситуаций и адекватная реакция на них.

Функция Wake and Shake в сервоприводах Kollmorgen

Одной из основных функций привода (сервоусилителя) бесщеточного серводвигателя является коммутация силовых фаз. Коммутацией силоых фаз называется текущий переход от одной обмотки двигателя к следующей обмотке.

Частота перехода. Как использовать в настройках сервосистемы

Чтобы понять, как коэффициент усиления и фазовая частота перехода используются для определения стабильности, давайте посмотрим, что именно они представляют.

Что выбрать. Серводвигатель или шаговый двигатель

Что выбрать? Серводвигатель или шаговый двигатель? Попробуем разобраться вместе с Hurley Gill системным инженером компании Kollmorgem.

Что означает длина стека у шаговых двигателей

Давайте рассмотрим взаимосвязь между длиной стека и типоразмерами NEMA. Чем больше размер NEMA тем, больше крутящий момент мы получим на валу шагового двигателя. Но это не одномерный процесс: при заданном типа размере NEMA длина двигателя может увеличиваться приводя к увеличению крутящего момента.

Что такое MTBF (Средняя наработка на отказ).

Средняя наработка на отказ (англ. Mean time between failures, MTBF) — технический параметр, характеризующий надёжность восстанавливаемого прибора, устройства или технической системы.

Что такое продукция класса EAR99

Каждый раз при формировании заказа клиента на продукцию Kollmorgen мы запрашиваем данные конечного пользователя. Зачем и почему мы это делаем вы можете прочесть здесь.

Что такое сервопривод

Привод с управлением через отрицательную обратную связь.

Энергетический сектор

PULS предлагает прочные и надежные источники питания на DIN-рейке, модули резервирования и системы ИБП для жестких условий окружающей среды в энергетическом секторе.

Это не всегда может быть свинцовым. Буферные модули на основе конденсатора

До сих пор в ИБП постоянного тока для промышленных установок используются почти исключительно свинцово-кислотные батареи. Тем не менее.

Работаем с сервоприводами

Внешний вид Fritzing Условное обозначение на схеме

Сервопривод — это механизм с электромотором с управлением. Вы можете вращать механический привод на заданный угол с заданной скоростью или усилием.

Наиболее популярны сервоприводы, которые удерживают заданный угол и сервоприводы, поддерживающие заданную скорость вращения.

Сервоприводы имеют несколько составных частей. Привод — электромотор с редуктором. 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 — рычаг в форме круга, крестовины или перекладинки для передачи вращающего движения на рабочий орган. Для контроля положения используется 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 и землю, третий доставляет управляющий сигнал, который используется для выставления положения устройства.

Крутящий момент и скорость поворота

Крутящий момент — векторная физическая величина, равная произведению радиус-вектора, проведённого от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело. 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.

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.

Виды сервоприводов

Сервоприводы бывают аналоговые и цифровые. 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.

Шестерни для сервоприводов бывают из разных материалов: пластиковые, карбоновые, металлические.

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 недостаток — 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. Они достаточно дорогие.

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. У 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.

Подключение к Arduino

Многие сервоприводы могут быть подключены к Arduino непосредственно. Для этого от них идёт шлейф из трёх проводов:

• красный — питание; подключается к контакту 3.3/5V или напрямую к источнику питания
• коричневый или чёрный — земля
• жёлтый или белый — сигнал; подключается к цифровому выходу Arduino

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.

На большинстве плат Arduino библиотека Servo поддерживает управление не более 12 сервоприводами, на Arduino Mega — 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.

Библиотеки для управления сервоприводами (Servo) и для работы с приёмниками/ передатчиками на 433 МГц VirtualWire используют одно и то же прерывание. Это означает, что их нельзя использовать в одном проекте одновременно. Существует альтернативная библиотека для управления сервомоторами — Servo2.

Сервоприводы обычно имеют ограниченный угол вращения 180 градусов, их так и называют «сервопривод 180°». Но существуют сервоприводы с неограниченным углом поворота оси. Это сервоприводы постоянного вращения или «сервоприводы 360°».

Иногда при подключении серводвигателя не отрабатывают заданные команды или отрабатывают некорректно. Причина в том, что сервомоторы требуют достаточно большую мощность для питания, особенно в начале движения ротора. Эти резкие скачки потребляемой мощности могут сильно «просаживать» напряжение на Arduino. Может произойти даже перезагрузка платы. Если подобное происходит, вам надо добавить конденсатор (470 мкФ или больше) между рельсами GND и 5V на вашей макетке. Конденсатор выполняет роль своеобразного резервуара для электрического тока. Когда серводвигатель начинает работать, он получает остатки заряда с конденсатора и от источника питания Arduino одновременно. Длинная нога конденсатора — это позитивный контакт, она подключается к 5V. Отрицательный контакт часто маркируется символом ‘-‘.

Управляем через импульсы

Для начала попробуем управлять вручную без библиотек. Считываем показания из Serial Monitor — нужно ввести число от 0 до 9. Эти значения равномерно распределим на 180 градусов и получим 20 градусов на каждую единицу показаний.

Библиотека Servo

Можно генерировать управляющие импульсы самостоятельно, но это настолько распространённая задача, что для её упрощения существует стандартная библиотека Servo.

Сервопривод постоянного вращения можно управлять с помощью библиотек Servo или Servo2. Отличие заключается в том, что функция Servo.write(angle) задаёт не угол, а скорость вращения привода.

Библиотека Servo позволяет осуществлять программное управление сервоприводами. Управление осуществляется следующими функциями:

• attach() — присоединяет объект к конкретному выводу платы. 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. Возвращаемого значения нет.
• write() — отдаёт команду сервоприводу принять некоторое значение параметра. Синтаксис: servo.write(angle), где angle — угол, на который должен повернуться сервопривод
• writeMicroseconds() — отдаёт команду послать на сервопривод имульс определённой длины, является низкоуровневым аналогом предыдущей команды. Синтаксис следующий: servo.writeMicroseconds(uS), где uS — длина импульса в микросекундах. Возвращаемого значения нет.
• read() — читает текущее значение угла, в котором находится сервопривод. Синтаксис: servo.read(), возвращается целое значение от 0 до 180
• attached() — проверка, была ли присоединён объект к конкретному пину. Синтаксис следующий: servo.attached(), возвращается логическая истина, если объект была присоединён к какому-либо пину, или ложь в обратном случае
• detach() — производит действие, обратное действию attach(), то есть отсоединяет объект от пина, к которому был приписан. Синтаксис: servo.detach()

В библиотеке Servo для Arduino по умолчанию выставлены следующие значения длин импульса: 544 мкс — для 0° и 2400 мкс — для 180°.

Пример подключения двух сервоприводов.

Библиотека Servo не совместима с библиотекой VirtualWire для работы с приёмником и передатчиком на 433 МГц, так как они используют одно и то же прерывание. Это означает, что их нельзя использовать в одном проекте одновременно. Существует альтернативная библиотека для управления сервомоторами — Servo2. Все методы библиотеки Servo2 совпадают с методами Servo.

При работе с сервоприводами на 360 градусов функции работают по другому.

Sweep

Скетч File | Examples | Servo | Sweep постоянно поворачивает насадку на 180 градусов и возвращает её обратно. В примере используется встроенная библиотека Servo.

Общая схема — красный провод идёт к питанию 5V, чёрный или коричневый идёт к GND, а жёлтый или белый к выводу платы (в нашем примере вывод 9).

Скетч File | Examples | Servo | Knob управляет сервоприводом при помощи потенциометра. В примере используется встроенная библиотека Servo.

Общая схема: у сервопривода — красный провод идёт к питанию 5V, чёрный или коричневый идёт к GND, а жёлтый или белый к выводу платы (в нашем примере вывод 9). У потенциометра средняя ножка соединяется с аналоговым выходом A0, остальные к питанию и земле.

Случайные повороты

Будем поворачивать серводвигатель на случайную величину. Практического смысла немного, но для демонстрации подойдёт.

Сервоприводы. Виды и устройство. Характеристики и применение

Сервоприводы и механизмы оснащены датчиком, который отслеживает определенный параметр, например усилие, положение или скорость, а также управляющий блок в виде электронного устройства. Задачей этого устройства является поддержание необходимых параметров в автоматическом режиме во время функционирования устройства, в зависимости от вида поступающего сигнала от датчика в определенные периоды времени.

Виды сервоприводов

При необходимости создания управления несколькими группами сервоприводов используют контроллеры с ЧПУ, которые собраны на схемах программируемых логических контроллеров. Такие сервоприводы способны обеспечить крутящий момент 50 Н*м, мощностью до 15 киловатт.

Синхронные способны задать скорость вращения электродвигателя с большой точностью, так же как ускорение и угол поворота. Синхронные виды приводов могут быстро достигать номинальной скорости вращения.

Асинхронные способны точно выдерживать скорость даже на очень низких оборотах.

Сервоприводы принципиально разделяют на электромеханические и электрогидромеханические . Электромеханические приводы состоят из редуктора и электродвигателя. Но их быстродействие оказывается намного меньше. В электрогидромеханических приводах движение создается путем движения поршня в цилиндре, вследствие чего быстродействие оказывается на очень высоком уровне.

Устройство и работа

От обычного электродвигателя сервопривод отличается тем, что можно задать точное положение вала в градусах. Сервоприводы – это любые механические приводы, которые включают в себя датчик некоторого параметра и блок управления, который способен автоматически поддерживать требуемые параметры, соответствующие определенным внешним значениям.

1 — Шестерни редуктора
2 — Выходной вал
3 — Подшипник
4 — Нижняя втулка
5 — Потенциометр
6 — Плата управления
7 — Винт корпуса
8 — Электродвигатель постоянного тока
9 — Шестерня электродвигателя

Для преобразования электрической энергии в механическое движение, необходим электродвигатель. Приводом является редуктор с электродвигателем. Редуктор требуется для снижения скорости двигателя, так как скорость слишком большая для применения. Редуктор состоит из корпуса, в котором расположены валы с шестернями, способными преобразовывать и передавать крутящий момент.

Путем запуска и останова электродвигателя можно приводить в движение выходной вал редуктора, который связан с шестерней сервопривода. К валу можно присоединять устройство или механизм, которым требуется управлять. Кроме этого для контроля положения вала требуется наличие датчика обратной связи. Этот датчик может преобразовать угол поворота снова в сигнал электрического тока.

Такой датчик получил название энкодера. В качестве энкодера может применяться потенциометр. Если бегунок потенциометра поворачивать, то будет изменяться его сопротивление. Значение этого сопротивления прямо пропорционально зависит от угла поворота потенциометра. Таким образом, есть возможность добиться установки определенного положения механизма.

Кроме выше названного потенциометра, редуктора и электродвигателя, сервоприводы оснащены электронной платой, которая обрабатывает поступающий сигнал внешнего значения параметра от потенциометра, сравнивает, и в соответствии с результатом сравнения запускает или останавливает электродвигатель. Другими словами эта электронная начинка отвечает за поддержку отрицательной обратной связи.

Подключение сервопривода осуществляется тремя проводниками, два из которых подают питание напряжением электродвигателя, а по третьему проводнику поступает сигнал управления, с помощью которого выполняется установка положения вала двигателя.

Кроме электродвигателя, играть роль привода может и другой механизм, например пневматический цилиндр со штоком. В качестве датчика обратной связи применяют также датчики поворота угла, либо датчик Холла. Управляющий блок является сервоусилителем, частотным преобразователем, индивидуальным инвертором. Он может содержать также и датчик сигнала управления.

При необходимости создания плавного торможения или разгона для предотвращения чрезмерных динамических нагрузок двигателя, выполняют схемы более сложных микроконтроллеров управления, которые могут контролировать позицию рабочего элемента намного точнее. Подобным образом выполнено устройство привода установки позиции головок в компьютерных жестких дисках.

Характеристики сервоприводов

Основные параметры, которые характеризуют сервоприводы:

• Усилие на валу. Этот параметр является крутящим моментом. Это наиболее важный параметр сервопривода. В паспортных данных чаще всего указывается несколько значений момента для разных величин напряжения.
• Скорость поворота также является важной характеристикой. Она указывается в эквиваленте времени, необходимом для изменения позиции выходного вала привода на 60 градусов. Этот параметр также могут указывать для нескольких значений напряжения.
• Тип сервоприводов бывает аналоговый или цифровой.
• Питание. Основная часть сервоприводов функционирует на напряжении 4,8-7,2 вольта. Питание подается чаще всего по трем проводникам: белый – сигнал управления, красный – напряжение работы, черный – общий провод.
• Угол поворота – это наибольший угол, на который выходной вал способен повернуться. Чаще всего этот параметр равен 180 или 360 градусов.
• Постоянного вращения. При необходимости обычный сервопривод можно модернизировать для постоянного вращения.
• Материал изготовления редуктора сервоприводов бывает различным: карбон, металл, пластик, либо комбинированный состав. Шестерни, выполненные из пластика, не выдерживают ударных нагрузок, однако обладают высокой износостойкостью. Карбоновые шестерни намного прочнее пластмассовых, но имеют высокую стоимость. Шестерни из металла способны выдержать значительные нагрузки, падения, но имеют низкую износостойкость. Выходной вал редуктора устанавливают по-разному на разных моделях: на втулках скольжения, либо на шариковых подшипниках.

Преимущества

• Легкость и простота установки конструкции.
• Безотказность и надежность, что важно для ответственных устройств.
• Не создают шума при эксплуатации.
• Точность и плавность передвижений достигается даже на малых скоростях. В зависимости от поставленной задачи разрешающая способность может настраиваться работником.

Недостатки

• Сложность в настройке.
• Повышенная стоимость.

Применение

Сервоприводы в настоящее время используются достаточно широко. Так, например, они применяются в различных точных приборах, промышленных роботах, автоматах по производству печатных плат, станках с программным управлением, различные клапаны и задвижки.

Наиболее популярными стали быстродействующие приводы в авиамодельном деле. Серводвигатели имеют достоинство в эффективности расхода электрической энергии, а также равномерного движения.

В начале появления серводвигателей использовались коллекторные трехполюсные моторы с обмотками на роторе, и с постоянными магнитами на статоре. Кроме этого, в конструкции двигателя был узел с коллектором и щетками. Далее, по мере технического прогресса число обмоток двигателя увеличилось до пяти, а момент вращения возрос, так же как и скорость разгона.

Следующим этапом развития серводвигателей было расположение обмоток снаружи магнитов. Этим снизили массу ротора, уменьшили время разгона. При этом стоимость двигателя увеличилась. В результате дальнейшего проектирования серводвигателей было решено отказаться от наличия коллектора в устройстве двигателя. Стали применяться двигатели с постоянными магнитами ротора. Мотор стал без щеток, эффективность его возросла вследствие увеличения крутящего момента, скорости и ускорения.

В последнее время наиболее популярными стали сервомоторы, работающие от программируемого контроллера (Ардуино). Вследствие этого открылись большие возможности для проектирования точных станков, роботостроения, авиастроения (квадрокоптеры).

Так как приводы с моторами без коллекторов обладают высокими функциональными характеристиками, точным управлением, повышенной эффективностью, они часто применяются в промышленном оборудовании, бытовой технике (мощные пылесосы с фильтрами), и даже в детских игрушках.

Сервопривод отопления

По сравнению с механической регулировкой системы отопления, электрические сервоприводы являются наиболее совершенными и прогрессивными техническими устройствами, обеспечивающими поддержание параметров отопления помещений.

1 — Блок питания
2 — Комнатные термостаты
3 — Коммутационный блок
4 — Серводвигатели
5 — Подающий коллектор
6 — Обход
7 — Водяной теплый пол
8 — Обратный коллектор
9 — Датчик температуры воды
10 — Циркулярный насос
11 — Шаровый клапан
12 — Регулировочный клапан
13 — Двухходовой термостатический клапан

Привод системы отопления функционирует совместно с термостатом, установленным на стену. Кран с электрическим приводом монтируется на трубе подачи теплоносителя, перед коллектором теплого водяного пола. Далее выполняется подключение питания 220 вольт и настройка терморегулятора рабочего режима.

Система управления оснащается двумя датчиками. Один из них расположен в полу, другой в помещении. Датчики передают сигналы на термостат, управляющий сервоприводом, который соединен с краном. Повысить точность регулировки можно путем установки дополнительного прибора снаружи помещения, так как условия климата непрерывно изменяются, и оказывают влияние на температуру в комнате.

Привод механически соединен с клапаном для его управления. Клапаны могут быть двух- и трехходовыми. Двухходовой клапан может изменять температуру воды в системе. Трехходовой клапан способен поддерживать температуру неизменной, однако изменяет потребление горячей воды, которая подается в контуры. В устройстве трехходового клапана имеется два входа для горячей воды (трубы подачи) и выход обратной воды, через который подается смешанная вода с заданной температурой.

Смешивание воды происходит с помощью клапана. При этом осуществляется регулировка подачи теплоносителя в коллекторы. При открывании одного входа, другой начинает закрываться, а расход воды на выходе не изменяется.

Сервоприводы багажника

В настоящее время современные автомобили чаще всего стали производит с функцией автоматического открывания багажника. Для такой цели применяют рассмотренную нами конструкцию сервопривода. Автопроизводители используют два метода для оснащения такой функцией автомобиля.

Конечно, пневмопривод багажника более надежен, однако его стоимость достаточно высока, поэтому в автомобилях такой привод не нашел применения.

Электрический привод выполняется с разными способами управления:

• Рукояткой на крышке багажника.
• Кнопкой на панели двери водителя.
• С пульта сигнализации.

Открывать багажник вручную не всегда бывает удобным. Например, зимой замок имеет свойство замерзать. Сервопривод дополнительно выполняет функцию защиты автомобиля от чужого проникновения, так как совмещен с устройством замка.

Такие приводы багажника используются на некоторых импортных автомобилях, однако, можно установить такой механизм и на отечественных машинах, было бы желание.

Существуют приводы багажника с магнитными пластинами, однако они не нашли применения, так как их устройство достаточно сложное.

Наиболее приемлемыми по цене являются сервоприводы багажника, которые выполняют только открывание. Функция закрывания для них недоступна. Также можно выбрать конструкцию модели привода, имеющего инерционный механизм. Он играет роль блокировки при появлении препятствия при движении багажника.

Дорогостоящие модели сервоприводов включают в себя механизм подъема и опускания багажника, доводчика механизма запирания, датчиков и контроллера. Обычно их на автомобилях устанавливают на заводе, однако простые конструкции вполне можно монтировать самостоятельно.