Сервопривод (радиоуправление) - Servo (radio control)
Сервоприводы (также RC-сервоприводы ) - это небольшие дешевые серийные серводвигатели или другие приводы, используемые для радиоуправления и малой робототехники .
Большинство сервоприводов являются поворотными приводами, хотя доступны и другие типы. Иногда используются линейные приводы , хотя чаще используется поворотный привод с коленчатым рычагом и толкателем. Некоторые типы, первоначально использовавшиеся в качестве парусных лебедок для модельных яхт , могут непрерывно вращаться.
строительство
Типичный сервопривод состоит из небольшого электродвигателя, приводящего в движение редуктор. Потенциометра соединен с выходным валом. Некоторая простая электроника обеспечивает сервомеханизм с обратной связью .
Операция
Положение выхода, измеренное потенциометром, постоянно сравнивается с заданным положением от устройства управления (т. Е. Радиоуправления). Любая разница вызывает сигнал ошибки в соответствующем направлении, который приводит в движение электродвигатель вперед или назад и перемещает выходной вал в заданное положение. Когда сервопривод достигает этого положения, сигнал ошибки уменьшается, а затем становится равным нулю, после чего сервопривод останавливается.
Если положение сервопривода изменяется по сравнению с заданным, происходит ли это из-за изменения команды или из-за того, что сервопривод механически выталкивается из заданного положения, сигнал ошибки появится снова и заставит двигатель восстановить выходной вал сервопривода в необходимое положение. .
Почти все современные сервоприводы являются пропорциональными сервоприводами , где это заданное положение может быть где угодно в пределах диапазона движения. Ранние сервоприводы и предшествующее устройство, называемое спусковым механизмом , могли перемещаться только в ограниченное количество установленных положений.
Подключение
Сервоприводы радиоуправления подключаются через стандартное трехпроводное соединение: два провода для источника питания постоянного тока и один для управления, по которому передается сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Каждый сервопривод имеет отдельное соединение и сигнал ШИМ от приемника радиоуправления. Этот сигнал легко генерируется простой электроникой или микроконтроллерами, такими как Arduino . Это, вместе с их низкой стоимостью, привело к их широкому применению в робототехнике и физических вычислениях .
В сервоприводах RC используется трехконтактный разъем с шагом 0,1 дюйма (гнездовой), который соединяется со стандартными квадратными контактами 0,025 дюйма. Самый распространенный порядок - сигнал, + напряжение, земля. Стандартное напряжение составляет 4,8 В постоянного тока, однако 6 В и 12 В также используются на некоторых сервоприводах. Управляющий сигнал представляет собой цифровой ШИМ-сигнал с частотой кадров 50 Гц. В течение каждых 20 мс цифровой импульс с активным высоким уровнем контролирует положение. Номинальный диапазон импульса составляет от 1,0 мс до 2,0 мс, причем 1,5 мс всегда является центром диапазона. Ширина импульса вне этого диапазона может использоваться для «перебега» - перемещения сервопривода за пределы его нормального диапазона.
Есть два основных типа ШИМ. Каждый ШИМ определяет значение, которое используется сервоприводом для определения своего ожидаемого положения. Первый тип - «абсолютный» и определяет значение шириной импульса времени активного высокого уровня с произвольно длинным периодом низкого времени. Второй тип - «относительный» и определяет значение как процент времени, в течение которого элемент управления находится в активном состоянии: высокий или низкий. «Абсолютный» тип позволяет до восьми сервоприводов совместно использовать один канал связи путем мультиплексирования сигналов управления с использованием относительно простой электроники и является основой современных RC сервоприводов. «Относительный» тип - это более традиционное использование ШИМ, при котором простой фильтр нижних частот преобразует «относительный» ШИМ-сигнал в аналоговое напряжение. Оба типа являются ШИМ, поскольку сервопривод реагирует на ширину импульса. Однако в первом случае сервопривод также может быть чувствительным к порядку импульсов.
Сервопривод управляется тремя проводами: заземлением, питанием и управлением. Сервопривод будет перемещаться на основе импульсов, посылаемых по управляющему проводу, которые задают угол рычага привода. Сервопривод ожидает импульс каждые 20 мс, чтобы получить правильную информацию об угле. Ширина сервоимпульса определяет диапазон углового движения сервопривода.
Сервоимпульс шириной 1,5 мс обычно устанавливает сервопривод в его «нейтральное» положение (обычно половина указанного полного диапазона), импульс 1,0 мс устанавливает его в 0 °, а импульс 2,0 мс на 90 ° ( для сервопривода 90 °). Физические ограничения и время работы сервооборудования различаются в зависимости от марки и модели, но полное угловое движение сервопривода обычно находится в диапазоне от 90 ° до 180 °, а нейтральное положение (45 ° или 90 °) почти всегда составляет 1,5. РС. Это «стандартный импульсный серворежим», используемый всеми аналоговыми сервоприводами для любителей.
Цифровой сервопривод для хобби управляется теми же импульсами «стандартного импульсного серво режима», что и аналоговый сервопривод. Некоторые цифровые сервоприводы для хобби можно установить в другой режим, который позволяет контроллеру робота считывать фактическое положение вала сервопривода. Некоторые цифровые сервоприводы для хобби могут быть дополнительно установлены в другой режим и «запрограммированы», чтобы они имели желаемые характеристики ПИД-регулятора, когда они позже управлялись стандартным RC-приемником.
Сервоприводы RC обычно получают питание от приемника, который, в свою очередь, питается от аккумуляторных блоков или электронного регулятора скорости (ESC) со встроенной или отдельной схемой элиминатора батареи (BEC). Обычно используются аккумуляторные батареи NiCd , NiMH или литий-ионно-полимерные (LiPo). Номинальные значения напряжения различаются, но большинство приемников работают при 5 или 6 В.
Механическая спецификация
Производители и дистрибьюторы сервоприводов с дистанционным управлением часто используют сокращенные обозначения механических свойств сервоприводов. Обычно указываются две цифры: угловая скорость вращения вала сервопривода и механический крутящий момент, создаваемый на валу. Скорость выражается как временной интервал, который требуется сервоприводу для поворота вала на угол 60 °. Крутящий момент выражается как вес, который сервопривод может поднять, если он висит на шкиве определенного радиуса, установленном на валу.
Например, если модель сервопривода описана как «0,2 с / 2 кг», это следует интерпретировать как «Этот сервомеханизм вращает вал на 60 ° за 0,2 секунды, и он может поднять 2 кг груза, используя 1 см. радиусный шкив ». То есть эта конкретная модель сервопривода вращает вал с угловой скоростью (2π / 6) / 0,2 с = 5,2 рад / с, создавая при этом силу 2 кг × 9,81 м / с 2 = 19,6 Н на расстоянии 1 см, т.е. 19,6 Н × 0,01 м = крутящий момент 0,196 Н · м.
Хотя это и не соответствует ни системе единиц СИ, ни британской системе мер, сокращенное обозначение на самом деле весьма полезно, поскольку типичными являются команды поворота вала на 60 °, кривошипы вала длиной 1 см, а также «силы» стержня управления в килограмм-силовом диапазоне. в мире радиоуправляемого хобби.
Сервоприводы непрерывного вращения
Сервоприводы с непрерывным вращением - это сервоприводы, которые не имеют ограниченного угла хода, вместо этого они могут вращаться непрерывно. Их можно рассматривать как двигатель и коробку передач с сервоприводом. В таких сервоприводах входной импульс определяет скорость вращения, и типичное центральное значение 1,5 мс является положением остановки. Меньшее значение должно вращать сервопривод по часовой стрелке, а большее - против часовой стрелки.
Побеги
Самой ранней формой последовательного (хотя и не пропорционального) привода для радиоуправления был спусковой механизм . Подобно устройству, используемому в часах, этот спуск управляет высвобождением накопленной энергии из пружины или резиновой ленты. Каждый сигнал от передатчика приводит в действие небольшой соленоид, который затем позволяет вращать собачку с двумя или четырьмя лопастями . Собачка, как часы, имеет два поддона, так что собачка может вращаться только на положение одного лепестка за один импульс сигнала. Этот механизм позволяет простому передатчику с ключом осуществлять последовательное управление, т. Е. Выбор между рядом определенных позиций на модели.
Типичный четырехлепестковый спуск, используемый для управления рулем направления, устроен так, что первое и третье положения расположены «прямо вперед», а положения два и четыре - как «левый» и «правый» руль направления. Один импульс из первого прямого положения позволяет ему двигаться влево, или три импульса будут выбирать вправо. Следующий одиночный импульс возвращается в режим прямого движения. Такую систему сложно использовать, поскольку она требует, чтобы оператор запомнил, в каком положении находится спусковой механизм, и, следовательно, требуется ли для следующего поворота один или три импульса от текущего положения. Развитием этого была двухлепестковая собачка, в которой непрерывное нажатие на передатчик (и, таким образом, удерживание соленоида на месте) можно было использовать для выбора положений поворота с той же последовательностью манипуляций, независимо от того, каково предыдущее положение.
Спасательные механизмы были маломощными, но легкими. Таким образом, они были более популярны для изготовления моделей самолетов, чем модели лодок. Если передатчик и приемник имели несколько каналов управления (например, язычковый приемник с частотной манипуляцией ), тогда несколько спусковых механизмов можно было использовать вместе, по одному для каждого канала. Даже при использовании одноканальных радиоприемников последовательность спусковых механизмов иногда могла быть каскадной. Перемещение одного спуска давало импульсы, которые, в свою очередь, приводили к запуску второго спуска с меньшей скоростью. К началу 1970-х годов системы аварийного спасения перестали использоваться в радиоуправлении в пользу сервоприводов.
Центробежный привод с шаровой головкой
Привод муху мяч был введен в R / C моделированием в 1951 годе Брайтон Павла, и состоял из электродвигателя и центробежного регулятора , подключенного к свободной выполняющейся оси , которая может, во время работы двигателя, дергать управление рулевого стержень путем варьирования градусов. Используемый с радиоуправляемой системой управления, это позволяло в некоторой степени управлять положением руля направления, изменяя время нажатия клавиш. Руль направления будет возвращаться пружиной, когда скорость двигателя уменьшится.