Распиновка серводвигателя. Управление серводвигателями с помощью микроконтроллеров AVR AtMega32. Рассмотрим основные параметры, которые характеризуют сервоприводы

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

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

FutabaS3003 проводки.

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

2.BLACK-> Земля

3.WHITE -> Сигнал управления.

Управление Сервоприводом.

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

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

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

Управление Серво двигателем.

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

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

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

Функциитаймера в режими 14

• РежимFAST PWM
• T T OP Значение = ICR1

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

COM1A1= 1 и COM1A0 = 0 (PWM Источник)

COM1B1= 1 и COM1B0 = 0 (PWM канал B)

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

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

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

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

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

Программа управления двигателем.

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

Параметрыдля правильной работы программы .

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

Схема

ПРИЛОЖЕНИЯ:

Думаю любой человек представляет себе, что такое электродвигатель, нет? — тогда вспомните какой нибудь вентилятор. Какая характерная черта? Правильно, подали напряжение он крутится, сняли напряжение — не крутится. Сервопривод, это тоже движок, но в отличие от других, на сколько скажешь ему повернуться, на столько он и повернется и остановится. Пока держится управляющий сигнал, сервопривод будет фиксировать свое положение. Можете его хоть руками покрутить, он все равно вернется в заданное положение.

Угол на который поворачивается серва, задается шириной импульса. Стоит уточнить небольшую тонкость, сервоприводы бывают разные. Бывают такие, которые крутятся постоянно в определенную сторону, при этом ширина импульса влияет только на скорость поворота. Бывают многооборотистые. Те о которых речь пойдет дальше, на сайте производителя имеют явную маркировку, в которой указан угол поворота. Поэтому учтите если серва, не имеет явной маркировки, то может оказаться так, что она тупо постоянно вращается. Не путайте, надписи 0.20 sec/60° означают скорость вращения, они никак не связаны с максимальным углом поворота.

Перейдем к теории. Представляем себе микроконтроллер с подключенным к АЦП входу резистором R и некий движок, который крутится по ШИМ сигналу PWM. Допустим уровень сигнала АЦП напрямую связан с ШИМ выходом, тогда когда мы будем крутить резистор, то скорость будет меняться, когда напряжение АЦП станет равным 0, движок остановится.

Теперь рассмотрим вариант 2. Ручка резистора насажена на вал двигателя, таким образом, что когда двигатель вращается, он изменяет сопротивление резистора, следовательно и напряжение, которое подается на вход АЦП. При этом, если имеется еще один источник сигнала, то микроконтроллер сравнивает напряжение на входах и если оно больше, то крутит в одну сторону, если меньше, то в другую. Рано или поздно напряжения уровняются и движок остановится. Поэтому серва включает в себя все что нарисовано: резистор, микроконтроллер, двигатель. Внешний сигнал естественно подавать должны мы, чтобы управлять.

Типовые кишки выглядят так:

На фотке видно что резистор и моторчик соединяется через кучу шестеренок, поэтому если полезете внутрь будьте готовы что на вас высыпется все это добро. Вид снизу

Чаще всего ширина импульса колеблется в диапазоне от 1100мкс до 1900мкс, при периоде 20мс, но цифры могут отличаться, причем достаточно сильно. Пример из даташита:
Control System: +Pulse Width Control 1520usec Neutral
Required Pulse: 3-5 Volt Peak to Peak Square Wave
Operating Voltage: 4.8 Volts
Operating Speed (6V): 0.20sec/60 degrees at no load
Operating Angle: 45 Deg. one side pulse traveling 400usec
Continuous Rotation Modifiable: No
Direction: Counter Clockwise/Pulse Traveling 1520-1900usec

Отсюда четко видно, что средняя точка 1520мкс, чтобы повернуть такую серву на 45градусов, уже нужно подать импульс 1900мкс, соответственно остальные углы рассчитываются пропорцией. Чтобы повернуть на -45 градусов нужно подать импульс 1100мкс. Т.е. диапазон 90град. Еще видно, что под Continuous Rotation сей девайс не заточен, что хорошо.

Перейдем к практике. Есть поциент Futaba S3152, которым нужно покрутить туды — сюды.

Также можно это дело потестить в протеусе. Обычное подключение по трем проводам красный +5В, черный — земля, белый — управляющий.

В последних версиях CAVR, в Codewizard появилось много ништяков, например можно вбить цифры в попугаях и увидеть период и импульс в секундах. Собственно нам важен режим fast pwm top ICR. Примечателен этот режим тем, что ICR задает период, а OCR ширину импульса.

Период вычисляется очень просто:
ICR = (Частота таймера/50Hz)-1

Тогда нужную ширину импульса можно легко вычислить по пропорции:
20ms = ICR
?ms = OCR

В итоге можно переписать так:
OCR = (x*ICR)/20; где x это необходимая длительность импульса. Например, нужна длительность импульса в 1мс, значит OCR= (1*9C3)/20=0x7C.

Собственно и все. Теперь исходим из того, что нейтральная точка = 1524мкс или OCR1 = (1.524*9C3)/20 = 0xBE и зависимости от тогу куда нам нужно повернуть пересчитываем OCR. Простенький пример, поворачиваем на -45, затем 0 и потом +45.

#include #include void main(void) { // Function: Bit7=In Bit6=In Bit5=In Bit4=In Bit3=Out Bit2=In Bit1=Out Bit0=In DDRB=(0<

Получилось так:

Для stm32 приведу пример настройки, которая помойму даже проще. Пример для stm32f103, нога PA1, тактовая 72МГц.

//Настройка ножки PA1 на альтернативную функцию GPIO_InitTypeDef PORT_SETUP; PORT_SETUP.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; PORT_SETUP.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; PORT_SETUP.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &PORT_SETUP); //настройка таймера TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_SETUP; TIM_SETUP.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_SETUP.TIM_Period = 4096; TIM_SETUP.TIM_Prescaler = 351; // 72мгц/4096/351=50hz TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_SETUP); //настройка ШИМ TIM_OCInitTypeDef PWM_SETUP; //PWM_SETUP.TIM_Pulse = 200; //4096 = 20ms 200 ~ 1ms PWM_SETUP.TIM_Pulse = 0; PWM_SETUP.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; PWM_SETUP.TIM_OutputState =TIM_OutputState_Enable; PWM_SETUP.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; TIM_OC2Init(TIM2, &PWM_SETUP); TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); while(1) { .... //где то внутри основного цикла меняем угол поворота переменной result TIM2->CCR2 = (4096 * result)/20000; }

И пара бонусных моментов. Особо крутые сервоприводы могут программироваться, качаешь отдельную софтинку, покупаешь спецпрограмматор и втыкаешься в те же 3 провода и можно регулировать параметры. Фактически прошивайка работает по юарту.

Еще один момент, это крепление нагрузки. Пластиковые штуки, которые крепятся на вал называются качалками.

Наряду с контроллером и сенсорами, актуаторы являются важным составляющим всех без исключения роботов. Они вращают колеса робота, позволяя ему перемещаться в пространстве, и приводят в действие мощные манипуляторы, которыми он хватает предметы.

В этом уроке мы будем работать с одним из таких актуаторов, который называется сервоприводом (или сервомашинкой). В отличие от обычного электромотора, сервопривод представляет собой сложное составное устройство, состоящее из двигателя постоянного тока, шестеренного редуктора, потенциометра и электронной схемы. Всё это позволяет сервоприводу поворачивать вал строго на заданный угол, и удерживать его. С помощью таких приводов можно, например, сделать вот такой несложный манипулятор:

1. Подключение к Ардуино

Итак, как уже говорилось выше, сервопривод славится тем, что может поворачиваться на заданный угол. Как же мы будем указывать ему этот угол? Предлагаю использовать для этой цели переменный резистор, он же — потенциометр. Будем вращать ручку потенциометра, а контроллер будет командовать сервоприводу поворачиваться на соответствующий угол.

У потенциометра есть всего три вывода. Крайние подключим к +5В и земле, а центральный к аналоговому входу A0.

У сервопривода SG90 также имеется три контакта. Обычно они окрашиваются следующим образом:

• коричневый — земля;
• красный — питание +5В;
• оранжевый (или желтый) — сигнальный.

Сигнальный провод подключим в цифровому выходу №8. В итоге, получим такую схему:

Подключать оба устройства к Ардуино Уно удобнее через макетную плату:

2. Программа

Теперь напишем несложную программу, которая свяжет все элементы нашего аппарата строгой логикой. Все что нам требуется от контроллера — это:

• считывать показания с потенциометра в диапазоне от 0 до 1023;
• преобразовывать полученное число в угол от 0 до 180 градусов;
• передавать полученный угол на сервопривод.

Для написания программы используем наш . Задействуем блок сервопривода, блок чтения из аналогового порта и функцию отображения одного диапазона значений в другой.

Нажав в конструкторе кнопку «Arduino», откроем страницу с исходным кодом программы для среды Arduino IDE:

#include Servo servos; void setup(){ } void loop(){ servos.attach(8); servos.write((map(analogRead(A0), 0, 1024, 0, 180))); delay(50); }

Как видно из программы, для управления сервоприводом мы использовали библиотеку Servo . В этой библиотеке есть несколько полезных нам функций:

• attach(номер_вывода) — инициализация сервопривода;
• write(угол) — поворот сервопривода на заданный угол;
• read() — получение текущего угла сервопривода.

Для отображения множества чисел 0 — 1023 в множество 0-180, конструктор применил функцию map . Ту же самую операцию, можно было осуществить с помощью выражения:

int angle = (value / 1023.0) * 180;

Загружаем программу на Ардуино Уно, и смотрим что получилось!

Теперь, вы знаете что такое сервопривод, и можете легко им управлять. Вперед! К созданию роботов-манипуляторов и шагающих роботов-пауков!

Серводвигатели используются не только в авиамоделизме и робототехнике, их можно так же использовать в устройствах бытового назначения. Небольшие размеры, высокая производительность, а так же проста управления серводвигателем делают их наиболее подходящими для осуществления дистанционного управления различными устройствами.

Совместное применение серводвигателей с радиомодулями примема-передачи не создает никаких трудностей, достаточно на стороне приемника просто подключить к серводвигателю соответствующий разъем, содержащий питающее напряжение и управляющий сигнал, и дело сделано.

Но если мы хотим управлять серводвигателем «вручную», например, с помощью потенциометра, нам необходим генератор импульсного управления. Ниже представлена достаточно простая схема генератора на основе интегральной микросхемы 74HC00.

Данная схема позволяет осуществлять ручное управление серводвигателями путем подачи управляющих импульсов шириной 0,6 до 2 мс. Схему можно применить, например, для поворота небольших антенн, наружных прожекторов, камер видеонаблюдения и т.д.

Управления серводвигателем. Описание контроллера

Основой схемы является микросхема 74HC00 (IC1) представляющая собой 4 логических элемента И-НЕ. На элементах IC1A и IC1B создан генератор, на выходе которого образуются импульсы с частотой 50 Гц. Эти импульсы активируют RS-триггер, состоящий из логических элементов IC1C и IC1D.

С каждым импульсом идущим с генератора выход IC1D устанавливается в «0» и конденсатор С2 разряжается через резистор R2 и потенциометр P1. Если напряжение на конденсаторе С2 снижается до определенного уровня, то RC-цепь переводит элемент в противоположное состояние. Таким образом, мы на выходе получаем прямоугольные импульсы с периодом 20 мс. Ширина импульсов устанавливается потенциометром P1.

Например, сервопривод Futaba S3003 изменяет угол вращения вала на 90 градусов за счет управляющих импульсов продолжительностью от 1 до 2 мс. Если мы изменим ширину импульса от 0,6 до 2 мс, то угол поворота составит до 120 °. Компоненты в схеме подобраны таким образом, что выходной импульс находится в диапазоне от 0,6 до 2 мс, и поэтому угол установки составляет 120 °. Серводвигатель S3003 от Futaby имеет достаточно большой крутящий момент, и ток потребления может составлять от десятков до сотен мА в зависимости от механической нагрузки.

Конструкция

Схема управления серводвигателем собрана на двусторонней печатной плате размером 29 х 36 мм. Монтаж очень простой, так что со сборкой устройства вполне может справиться даже начинающий радиолюбитель.

Если в работе сервопривода возникают нарушения, то, как правило, об этом говорят соответствующие шумы: жужжание, потрескивание и прочее. Ниже рассмотрим основные причины таких шумов.

Невозможность поворота на заданный угол

Бывают случаи, когда поворот сервопривода на заданный угол невозможен. Например, на его пути возникает какая-либо преграда. Этой преградой может стать закрепленное на сервоприводе устройство или его часть. Упираясь в преграду, сервопривод начинает характерно жужжать. Чтобы решить данную проблему, в программу вносятся команды, ограничивающие перемещение сервопривода путем изменения угла перемещения.

Настройки начальной и конечной позиции

Иногда необходимо подкорректировать координаты начальной или конечной позиции. Это нужно когда значения датчика и фактического положения выходного вала расходятся относительно конечной позиции последнего. Например, выходной вал находится в конечной позиции, но датчик считает, что он еще ее не достиг и пытается заставить выходной вал продолжить движение. Возникает характерный шум. В этом случае начальная позиция не обязательно должна начинаться с 0°С, а конечная не обязательно должна заканчиваться на 180°C. Эти предельные значения можно немного сдвинуть на 5-10°C, и проблема будет решена.

Заключение

На сегодняшний день сервопривод – это необходимый элемент в робототехнике, с помощью которого воплощаются многие творческие проекты. Этот умный управляемый моторчик предназначен для моделирования движения. Пользоваться его функциями достаточно просто, уже написано множество программ, которые могут быть использованы в качестве трафарета для воплощения собственных идей. Сервопривод подключается к программируемому контроллеру Arduino. Все тонкости этого процесса подробно освещены как в этой статье, так и в других статьях, выложенных в сети.

Современные магазины предлагают большой выбор сервоприводов. Зная нужные характеристики, легко подобрать подходящую модель.