Как устроен и работает сервопривод

К коллектору присоединяется группа для теплого пола – совокупность различных элементов и оборудования. В прямой зависимости от комплектации находится цена на коллектор. Для удобства можно разделять комплектацию на четыре группы — от самой простой к самой сложной:

• Самый простой в сборе вариант – коллектор с выходами под евроконусы. По сути это обычный патрубок с внешними и внутренними резьбами, к которым подсоединяют трубопровод. Его можно сделать самостоятельно, но для применения в системе теплого пола необходимо будет докупить остальные элементы узла.
• Следующий вариант — выходы коллектора оборудованы вентилями регулировки потока, которые стоят на месте подключения трубопроводов контура. Этот популярный вид коллекторов в основном произведен в Китае. Встречающаяся проблема в таких вентилях — подтекающие ручки регулировки. Избавиться от проблемы можно, заменив уплотнительные кольца. Эта коллекторная группа не рассчитана на установку дополнительных элементов. Применять такой коллектор можно в системах с одинаковыми контурами без автоматического регулирования температуры.
• Еще более дорогой коллекторный узел для теплого пола — когда на выходах установлены регулировочные вентили оборудованные сервоприводами. Они могут работать с термостатами. Также, в комплектации предусмотрены фитинги для присоединения труб из полипропилена. Цена такого коллектора сильно зависит от производителя и вида сервоприводов.
• Самый полный вариант состоит из подающего коллектора с расходомерами для теплого пола и обратного с сервоприводами. Применяют такие группы при разнодлинных контурах отопления, где отрегулировать подачу теплоносителя вручную не представляется возможным. Расходомер для теплого пола дает возможность отстроить отдельно каждый контур.

Подающий коллектор должен располагаться выше обратного. Это поможет избежать нагрева элементов, установленных на обратке, например, термостатических головок, что приведет к неправильному функционированию всей системы.

Если стоит задача разработать систему отопления с максимальной эффективностью, независимо от ее сложности, рекомендуется применение сервоприводов для регулировки температуры теплоносителя.

Сервопривод для отопления (2 видео)

Как выглядит сервопривод (25 фото)

Сервопривод крышки багажника

Современные автомобили большей частью выпускаются с автоматическим открыванием и закрыванием багажника. Для этого требуется установка сервопривода. Производители применяют 2 способа, чтобы обеспечить авто подобной опцией. Надежным вариантом является пневмопривод, но он стоит дороже. Электропривод управляется несколькими способами на выбор:

• с пульта;
• кнопка на дверной панели водителя;
• ручка на крышке багажника.

Ручное открывание не всегда удобное, особенно зимой, когда замок может замерзнуть. Сервопривод багажника совмещается с замком, что дополнительно защищает авто от несанкционированного проникновения.

Устройства применяются на иномарках, но при желании их можно установить на отечественных моделях. Предпочтительно использовать привод с электродвигателем.

Есть еще устройства с магнитными пластинами, но они сложней и применяются реже.

Самыми дешевыми являются электроприборы, предназначенные только для открывания. Можно подобрать привод багажника, состоящий из электродвигателя с инерционным механизмом, отключающийся при возникновении препятствия перемещению. Дорогие модели состоят из устройства подъема и опускания крышки, доводчика запорного механизма, контроллера и датчиков.

Установка и настройка сервопривода крышки багажника производятся на заводе, но простые устройства могут быть установлены своими руками.

Классификация устройств

Итак, сервопривод можно разделить на такие виды:

• Механический. Он достаточно прост для управления, так как имеет элементарное устройство. Главным достоинством представленного изделия является его невысокая стоимость и долговечность. Для регулирования температуры достаточно просто немного повернуть колесико на приборной панели в сторону увеличения или уменьшения показателя. При этом постоянный контроль работы аппарата производить не надо, так как дальнейшее функционирование происходит автоматически. Единственным недостатком механического сервопривода, который предназначается для водяного теплого пола, является то, что нет возможности запрограммировать минимальное температурное значение. Поэтому ручная настройка может занять некоторое время. Если есть необходимость уйти из дома на длительное время, нужно будет выставить необходимое температурное значение вручную.

Сервоприводы для коллектора водяного пола

• Электронный. Такой сервопривод обладает широкими функциональными возможностями. Благодаря электронному дисплею можно наблюдать, насколько правильно работает система водяного теплого пола, есть ли неисправности. Кроме того, представленное приспособление имеет такое же простое устройство, как механический вариант. Однако использовать его гораздо удобнее. Регулировка температуры водяного теплого пола производится автоматически, без вмешательства человека. Однако использование его имеет существенный недостаток: достаточно высокую стоимость.

Установленные на коллектор сервиприводы

• Дистанционный. Главным преимуществом представленного приспособления является то, что все необходимые настройки можно совершать, не находясь вблизи коллектора. То есть дистанционный сервопривод имеет 2 датчика, которые могут очень точно отслеживать разницу температур в помещении. При этом такое устройство способно функционировать примерно в 9-ти разных режимах. Поэтому приспособление дает возможность строго следить за тем, сколько электрической энергии расходуется. Главным требованием к такому сервоприводу является то, что на коллектор лучше устанавливать тот аппарат, который идет в комплекте с системой водяного теплого пола. То есть фирма-изготовитель должна быть одна и та же.

Кроме того, можно выделить еще закрытые и нормально открытые аппараты. Если взять первый случай, то тут клапан находится закрытым по умолчанию, поэтому даже при подаче напряжения теплоноситель не пройдет через него. Что касается нормально открытого сервопривода, то нагретая вода проходит через него без препятствий.

Видео, описывающее работу теплого пола с нормально открытыми сервоприводами:

Принцип работы

За счёт нихромового нагревательного прибора, который является проводником электротока, осуществляется расширение толуола в сильфоне. В этом и заключается работа сервопривода для тёплого пола.

Сервомотор имеет пружинный механизм и ёмкость со специальной жидкостью, которая при повышении температуры расширяется и влияет на шток, что в свою очередь выдвигается и надавливает на шток термоклапана. Клапан закрывается автоматически.

За счёт напряжения нагревается и расширяется жидкость. У этого прибора нет электромагнитного мотора.

Использованная сила появляется от расширения жидкости под температурным воздействием. Этот привод – термопривод.

Из-за этого при подаче напряжения на сервопривод закрытие клапана происходит лишь через определённое время, что было потрачено на подогрев жидкости. Занимаемое время – 1-3 мин.

Если напряжение будет отсутствовать, сервомотор остынет, а клапан вернётся в своё исходное положение. Остывает устройство немного дольше, чем нагревается.

Есть сервоприводы для тёплого пола, которые не имеют расширяющей жидкости. Принцип работы данных приборов заключается в перемещении штока за счёт нагрева компенсационного термоэлемента (является пластиной / пружиной, которая меняет при нагреве своё положение).

Сверху сервомотора находится выдвигающийся механизм, требуемый для того, чтобы определять насадку привода в термостатическом клапане и отображает режим: Вкл./Выкл.

Сервопривод для коллектора тёплого водяного пола имеет функцию антиперегрева и механизм, который автоматически отключает питание. Прибор устанавливается на коллекторный термоклапан либо отдельный термоклапан.

Коллектор с установленными сервоприводами

Принцип работы сервопривода

Через нихромовый нагревательный элемент проходит электрический ток за счет чего происходит расширение жидкости (толуола) в сильфоне. Именно из этого состоит принцип действия сервопривода для теплого пола.

Сервопривод для теплого пола состоит из пружинного механизма и емкости, в которую помещена специальная жидкость. Эта жидкость под воздействием температуры расширяется и оказывает воздействие на шток, который выдвигается и давит на шток термоклапана. Клапан автоматически оказывается закрыт.

Под воздействием напряжения происходит нагрев и расширение жидкости. То есть у данного сервопривода отсутствует электромагнитный мотор. Использованная сила происходит от расширения жидкости под действием температуры. Такой привод называется термоприводом.

Поэтому при подаче напряжения на сервопривод клапан закрывается только через некоторый промежуток времени, потраченный на прогрев жидкости. Данное время варьируется от 1 до 3 минут.

При отсутствии напряжения сервопривод остынет и клапан вернется к исходному положению. Остывание аппарата занимает времени намного дольше, чем его нагрев.

Существуют сервоприводы для теплого пола, не имеющие жидкости для расширения. Механизм такого привода состоит в перемещении штока за счет нагревания компенсационного термоэлемента. Термоэлемент представляет собой пластину или пружину, изменяющую при нагреве свое положение.

Сверху у сервопривода расположен выдвигающийся механизм, который необходим для следующего. Он определяет посадку привода в термоклапане и показывает режим клапана: Вкл./Выкл.

Сервопривод для теплого пола имееет защиту от перегрева и встроенный механизм отключения питания. Данные приводы подключаются на термостатический клапан коллектора или отдельный термостатический клапан.

Популярные производители сервоприводов для водяного теплого пола

Приобрести сервомоторы можно разными способами, такими как: интернет, строй магазины, рынок. Выпускаются они разными производителями и имеют свои особенности. По отзывам потребителей, лучшими фирмами считаются.

 «VALTEC»

В данной фирме для производства основных систем отопления и их дополнительного оборудования принимают участия высококвалифицированные русские и итальянские сотрудники. Лучшими сервоприводами их производства считаются:

1. A. – эти сервоприводы относятся к виду «нормально» открытых. Производятся механическими моделями и имеют следующие характеристики: присоединительный размер — м 30 х 15; мощность – 2 Вт.; сечение проводника – 0,75 кв. мм.
2. 0. – данный прибор выпускается «нормально» закрытым с экранным дисплеем. . В конструкцию сервопривода входит толуол, благодаря которому он может использоваться для трехходовых клапанов.
3. 0. – это устройство функционирует за счет жидкости в сильфоне. Выпускается в «нормально» открытом виде. Работа производится, через комплектующий переходник. Мощность изделия – 1,8 Вт, сечение проводников – 0,75 кв.мм.

VALTEC

«Watts»

«Watts» — считается одной из ведущих компаний, в производстве дополнительных термоэлементов для теплого пола. Особенностью фирмы является качество продукции, при доступной цене. Эффективными сериями сервоприводов, данных производителей считаются:

1. 22С. — данное оборудование для регулирования температурного режима, устанавливается на обратном теплоносителе. Выпускаются они в «нормально» открытом и закрытом виде. Мощность изделия составляет – 2,5 Вт.
2. 22СХ. — эти приборы выпускаются в «нормально» открытом и закрытом виде, электрическими моделями. Уровень потребляемой электроэнергии – 1,8 Вт., рабочий температурный режим – 100 – 110 °С.
3. — сервоприводы данной серии для коллектора, выпускаются со светодиодным индикатором. За счет него можно отследить процесс работы оборудования. При поступлении электроэнергии высвечивается зеленый цвет, при ее отсутствии – синий.

Watts

«Rehau»

Сервомоторы данной немецкой фирмы, считаются лучшим дополнительным оборудованием для теплых полов. Зарекомендованными, инновационными сериями считаются:

1. UNI на 230, 24 В. При помощи адаптера сервоприводы этой серии . Визуальное отслеживание работы системы производится через встроенный индикатор. Сечение кабеля — 0,5 кв.мм.
2. UNI 230, 24. Выпускается данный сервопривод со встроенным монитором, в «нормально» закрытом виде.  Крепится изделие, как на подающий теплоноситель, так и на обратку.

Rehau

Рассмотрев виды сервомоторов, и ознакомившись с их принципом работы, можно самостоятельно убедиться, что при их использовании повышается функциональность водяной системы.

Приборы надежны, полностью управляют температурой и легки в использовании.

Выполнив правильный монтаж, сервоприводы для коллектора теплого водяного пола смогут прослужить достаточно долгое время, что позволит при желаемом микроклимате, экономить на семейном бюджете.

AdminАвтор статьи

Что такое сервопривод и как он работает

Современный человек не мыслит свою жизнь без автоматизации производственных процессов. Все больше работы выполняют роботы и манипуляторы, заменяя человека. Во всех этих механизмах широко применяют сервопривод.

В повседневной жизни они встречаются в системах кондиционирования, автомобилях, отопительных приборах и т.д.

В этой статье мы рассмотрим устройство, принцип работы и область применения сервопривода, чтобы читателям сайта Сам Электрик стало понятно, что собой представляет данный механизм.

Назначение и устройство

Широкое применение сервопривод нашел в робототехнике, машиностроении, автомобилестроении, автоматизации процессов в производстве. С его помощью приводятся в действие манипуляторы, выполняется открытие (полное или неполное) или закрытие (прикрытие) заслонок, в станкостроении для подачи режущего инструмента и других исполнительных механизмов.

• Представляет собой устройство, состоящее их электродвигателя, редуктора, датчика положения (энкодера) или резистора и контроллера (устройства управления).
• Простыми словами — это электромеханический привод, который через внутреннюю обратную связь, устанавливает точное положение вала механизма в зависимости от внешних управляющих сигналов.
• На рисунке представлен разрез устройства:
• 

Сервоприводы выпускаются различной мощности и назначения: небольшой мощности от 0,05 кВт, применяемые в автомобилестроении и робототехнике, например, sg90 и значительной мощности в 15 кВт. Последние монтируются в промышленных манипуляторах, станках с ЧПУ, для управления задвижками в нефтегазовой промышленности и т.д.

Не всегда в качестве мотора на сервопривод монтируется электродвигатель. В качестве привода может использоваться цилиндр со штоком, приводящийся в движение сжатым воздухом или жидкостью.

Виды сервопривода

Сервоприводы подразделяют на электромеханические. В них механизм состоит из электродвигателя и редуктора. Отличаются относительно невысоким быстродействием.

Различают по типу примененного двигателя:

• синхронные, имеют высокую точность вращения выходного вала, быстро набираю обороты;
• асинхронные, отличаются стабильным вращением вала;
• с коллекторным двигателем постоянного или переменного тока (универсальным).

Сервоприводы, где движущим механизмом является поршень с цилиндром, имеют высокое быстродействие. Применяется в автомобиле для переключения скоростей в АКПП. Монтируется в роботах, перемещающих грузы более ста килограмм. В промышленных установках, для переключения заслонок в упаковочных автоматах, где в качестве энергоносителя применяют сжатый воздух.

Основные характеристики сервопривода:

• Основным параметром является крутящий момент или усилие на валу. В паспортных данных указываются две величины, относительно разного напряжения питания.
• Быстродействие, показывает, за какой промежуток времени произойдет поворот выходного вала на 600. Указываются значения для разной величины напряжений.
• Какой используется управляющий сигнал, аналоговый или цифровой.
• Питающее напряжение. Большинство небольших приводов питается напряжением от 4,8 до 7,2 Вольт. Применяется, например, в радиоуправляемых моделях. Комплектуется тремя проводами и имеет стандартную распиновку. На белый, коричневый или желтый подается сигнал управления, на красный напряжение питания, а черный – общий провод.
• Рабочий угол поворота, обычно он составляет 1800 или 3600. Выпускаются модернизированные приводы с постоянным вращением вала;
• Материал изготовления шестеренок редуктора. Они изготавливаются из латуни, карбона, пластика или могут быть комбинированные.

В электромеханическом сервоприводе применяются электродвигатели с сердечником, при работе которых возникает вибрация, когда происходит вращение маятника. Это уменьшает точность поворота выходного вала.

Лишены этого недостатка моторы с минимальной кинетической энергией ротора. Такие привода необходимы для ЧПУ станка, чтобы точно установить исполнительный механизм. Однако, они дороже двигателей с сердечником.

Самым распространенным редуктором является шестеренчатый, который предназначен для понижения частоты вращения и увеличения момента на выходном валу. Реже применяют привод с червячным редуктором, который имеет большое передаточное число, но дороже и сложнее в производстве.

Область применения

Сервопривод нашел широкое применение в робототехнике и манипуляторах. При создании небольших механизмов используют сервопривод mg995 и ему подобные.

Для управления современными приводами в радиолюбительских изделиях часто используется представители семейства ардуино. Оно представляет набор электронных устройств, предназначенных для управления роботами и приборами автоматики, где применяется сервопривод. Управляющий сигнал может быть аналоговым или цифровым.

Схема подключения привода к устройству управления представлена на рисунке. Устройство может управлять несколькими приводами.

Для теплых полов используют автоматику, которая поддерживает заданную температуру. А подачу теплоносителя, который представляет собой горячую воду от отопительного котла, регулирует сервопривод.

Его подключают к устройству управления, которое контролирует температуру с помощью датчика температуры, и выдает команду на электротермический сервопривод типа RBM 24V. Также может применяться сервопривод АС230V с регулятором.

Регулирование температуры в отоплении осуществляется автоматикой, для чего используется сервопривод типа ICMA NC230V или NC24V. Приборы выпускаются на различное напряжение питания.

Унифицированный сервопривод, используемый в автомобиле, имеет малые габариты. Предназначен для работы с бортовым напряжением на 12 Вольт. Он интегрирован с центральным замком, устанавливается на все двери машины, в том числе и на пятую дверь (дверь багажника).

Также механизм управляет подачей горячей жидкости на печку. Работает в паре с термоэлектрическим датчиком, сигнал от которого поступает на устройство управления. После анализа датчик подает команду на сервопривод, который увеличивает или уменьшает подачу жидкости.

1. Например, для автомобилей ВАЗ применяют электропривод с редуктором SL-5.
2. 
3. Это далеко не полный перечень применения таких устройств.

Достоинства и недостатки

Сервопривод имеет преимущества перед аналогичными устройствами, например, шаговыми двигателями. За счет обратной связи механизм может корректировать положение вала, независимо от нагрузки на ось, что позволяет устанавливать рабочий механизм с высокой точностью.

Основными преимуществами являются:

• высокая точность позиционирования;
• с помощью редуктора понижаются обороты и повышается момент;
• позиционирование рабочего органа можно легко откорректировать, внеся изменение в программу управления;
• возможность достигать больших ускорений при работе, что делает сервопривод более подходящим к использованию в быстродействующих устройствах, по сравнению с шаговыми двигателями;
• равномерный момент почти во всем диапазоне скоростей;
• хорошо переносят перегрузки.

К недостаткам можно отнести:

• наличие редуктора (особенно критично если в нём пластиковые шестерни или из мягких металлов);
• износ резистивных дорожек (если для обратной связи при позиционировании используется потенциометр);
• сложная настройка программы управления, для получения результатов высокой точности;
• высокая стоимость оборудования (по сравнению с шаговыми двигателями, например);
• точность зачастую меньше, чем у шаговых двигателей.

Но учтите что все преимущества и недостатки усреднены, могут быть как шаговые двигатели, которые в определенном применении покажут себя лучше сервопривода, так и наоборот.

Заключение

Автоматическое управление бытовыми и производственными системами прочно вошло в нашу жизнь. В последнее время стал широко применяться привод под управлением программируемых блоков различного назначения типа ардуино.

Это позволило создать принципиально новые любительские летающие радиоуправляемые устройства, роботы, детские игрушки. В промышленности сервопривод применяют в станках, на экскаваторе, на квадроцикле и т.д. Сегодня невозможно представить нашу жизнь без сервоприводов.

На видео представлена работа аналоговых сервоприводов sg90 в модели робота-паука:

Теперь вы знаете, что такое сервопривод, как он устроен и для чего нужен. Надеемся, предоставленная информация помогла вам освоить данную тему и разобраться в основных моментах. Если возникли вопросы, задавайте их в х под статьей!

Материалы по теме:

Управление сервоприводом (сервомашинкой) с помощью микроконтроллера ATMega

Сервомашинки или сервоприводы нашли широкое применение не только в роботостроении, моделизме, но и в различных отраслях промышленности и приборостроении.

Как устроена сервомашинка

Большинство сервоприводов используют три провода для работы. Провод для питания, обычно 4.8В или 6В, общий провод (земля) и сигнальный провод. Управляющий сигнал передает информацию о требуемом положении выходного вала. Вал связан с потенциометром, который определяет его положение. Контроллер в сервоприводе по сопротивлению потенциометра и значению управляющего сигнала определяет, в какую сторону требуется вращать мотор, чтобы получить нужное положение выходного вала. Чем выше напряжение питания сервопривода, тем быстрее он работает и больший момент развивает.

Характеристики сервоприводов

Размер и вес

Размеры бывают: «микро», «мини», «стандартный» и «гигант». В пределах каждого класса размеры могут немного меняться. Средние размеры сервоприводов для справки:

• Микро: 24мм x 12мм x 24мм, вес: 5-10 г.
• Мини: 30мм x 15мм x 35мм, вес 25 г.
• Стандарт: 40мм x 20мм x 37мм, вес: 50-60 г.

Скорость

Скорость сервоприводов измеряется временем поворота качалки сервопривода на угол 60 градусов при напряжении питания 4.8В и 6В. Например, сервопривод с параметром 0.22с/60° при 4.8В поворачивает вал на 60 градусов за 0.22с при напряжении питания 4.8В. Это не так быстро, как может показаться. Наиболее быстрые сервоприводы имеют время перемещения от 0.06 до 0.09с.

Угол поворота

Сервоприводы могут иметь угол поворота вала 60, 90, 180 градусов. Угол поворота ограничивается электроникой и механически. Существуют сервоприводы без ограничения, т.е. вращающиеся на 360 градусов.

Если у Вас имеется сервопривод с рабочим диапазоном 60 градусов, то расширить его можно только изменив конструкцию сервомашинки. Иногда можно увеличить диапазон специальным образом исказив управляющий сигнал.

Но это нестандартный и ненадежный способ.

Момент на валу

Момент сервопривода измеряется по весу груза в кг, который сервопривод может удерживать неподвижно на качалке с плечом 1 см. Указывают две цифры, для напряжения питания 4.8В и 6В.

Например, если указано, что сервопривод развивает 10кг/см, значит, что на качалке длиной 1см сервопривод может развить усилие 10 кг, прежде чем остановится.

Для качалки в 2см такой сервопривод сможет развить усилие 5кг, а на 5мм 20кг.

Цифровые и аналоговые сервоприводы

Цифровые и аналоговые сервоприводы механически не отличаются друг от друга. У них те же корпуса, моторы, шестеренки и даже потенциометры. Все дело в способе управления мотором. Цифровые сервоприводы более точны и, как правило, имеют меньшее время реакции. Но они потребляют больше энергии, чем аналоговые сервоприводы. Управляющий сигнал для аналоговых и цифровых сервоприводов одинаков.

Управляющий сигнал

Управляющий сигнал представляет собой импульсы переменной ширины. Импульсы повторяются с постоянной частотой (как правило, с частотой 50Гц). Положение сервопривода определяется шириной импульса. Для типичного сервопривода, используемого в радиоуправляемых моделях, длительность импульса в 1500 мкс означает, что сервопривод должен занять среднее положение. Увеличение или уменьшение длины импульса заставит сервопривод повернуться по часовой или против часовой стрелки, соответственно.

Таким образом, для управления сервоприводом нам потребуется формировать ШИМ с частотой 50 герц. При этом для положения «0» длительность импульса должна составлять 1000 микросекунд, а для положения «максимум» — 2000 микросекунды. Среднее положение — 1500 микросекунд.

Схема сервотестера

Финалом наших изысканий будет плата сервотестера, работающая с двумя сервоприводами. Светодиоды отображают режим сервотестера.

Формировать ШИМ будем использовать аппаратные возможности микроконтроллера ATMega8, а задающий сигнал будем формировать с учетом положения потенциометра.

Управляющие сигналы для сервоприводов формируются на ногах OC1A, OC1B.
Режимы переключаются кнопкой. Три светодиода отображают режим работы сервотестера.

• Режим 1 — положение сервомашинок задается потенциометром
• Режим 2 — задается среднее положение сервоприводов
• Режим 3 — задающий сигнал циклически изменяется от одного крайнего положения к другому.

Питание сервотестера осуществляется от батарей напряжением 6..12В.

• Печатная плата
• 
• Файл печатной платы в формате lay можно скачать в конце статьи.
  Скачать плату, прошивку, исходный код
• Исходный код

#include
#include
#include

//=================================== АЦП ==================================
//Инициализация АЦП:
void adc_init(void){
ADCSRA = _BV(ADEN) | _BV(ADPS0) | _BV(ADPS1) | _BV(ADPS2); // prescaler = 128
}

//Чтение канала АЦП:
uint32_t adc_read(uint8_t ch){
ADMUX = _BV(REFS0) | (ch & 0x1F); // set channel (VREF = VCC)
ADCSRA &= ~_BV(ADIF); // clear hardware «conversion complete» flag
ADCSRA |= _BV(ADSC); // start conversion

while(ADCSRA & _BV(ADSC)); // wait until conversion complete

return ADC; // read ADC (full 10 bits);
}

int main() {
char mode=0; // Режим — по умолчанию 0
int direct=0;
uint16_t adc_result;

#define ICR_MAX F_CPU/50 // ICR1(TOP) = fclk/(N*f) ; N-Делитель; f-Частота; 1000000/1/50 = 20000
#define OCR_MIN ICR_MAX/20
#define OCR_MAX ICR_MAX/10
#define OCR_CENTER (ICR_MAX/4/10)*3

// На порту кнопки включаем подтягивающий резистор
DDRB &= ~(1

Обратная связь от сервопривода или «забиваем гвозди»

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

Берём исходные части: 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. 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

// разрешене аналогого порта
#define A_MAX 1024

// опорное напряжение на котором работает серва
#define A_VREF 5

// предельные уровни сигнала с сервы
#define A_VMIN 0.43
#define A_VMAX 2.56

Servo servo;

int lastHitAngle = 0;
int hitAngleMatches = 0;
bool jobDone = false;

/*
* Возвращает текущий угол поворота сервы исходя
* из сигнала с его потенциометра
*/
int realAngle()
{
return map(
analogRead(A5),
A_MAX * A_VMIN / A_VREF,
A_MAX * A_VMAX / A_VREF,
0, 180);
}

void setup()
{
}

void loop()
{
if (jobDone)
return;

// включаем серву и просим повернуться до положения 70°
servo.attach(6);
servo.write(70);

// ждём поворота. 5° запаса на всякие погрешности
while (realAngle() < 65) ; // бросаем молоток и ждём немного пока он успокоится servo.detach(); delay(1500); // запоминаем угол после падения и сопоставляем его с // предыдущим int hitAngle = realAngle(); if (hitAngle == lastHitAngle) ++hitAngleMatches; else { lastHitAngle = hitAngle; hitAngleMatches = 0; } // если угол не менялся 5 раз — мы закончили if (hitAngleMatches >= 5)
jobDone = true;
}
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!

Как работает сервопривод. Санкт-Петербургский сайт любителей радиоуправляемых автомобилей

• Как работает сервопривод?
• Автор статьи: Владислав Ярополов.
• Целью этой статьи является обзор того, как работает сервопривод и как с ним взаимодействовать.

Сервопривод управляется с помощью импульсов переменной длительности. Для посылки импульсов используется сигнальный провод. Параметрами этих импульсов являются минимальная длительность, максимальная длительность и частота повторения. Из-за ограничений во вращении сервопривода, нейтральное положение определяется как положение, в котором сервопривод обладает одинаковым потенциалом вращения в обоих направлениях. Важно отметить, что различные сервоприводы обладают разными ограничениями в своем вращении, но они все имеют нейтральное положение, и это положение всегда находится в районе длительности импульса в 1,5 миллисекунды (1,5 мс).

Угол поворота определяется длительностью импульса, который подается по сигнальному проводу. Это называется широтно-импульсной модуляцией. Сервопривод ожидает импульса каждые 20 мс. Длительность импульса определяет, насколько далеко должен поворачиваться мотор. Например, импульс в 1,5 мс диктует мотору поворот в положение 90 градусов (нейтральное положение).

Когда сервопривод получает команду на перемещение, он перемещается в это положение и удерживает его. Если внешняя сила действует на сервопривод, когда он удерживает заданное положение, сервопривод будет сопротивляться перемещению из этого положения.

Максимальная величина силы, которую может выдерживать сервопривод, характеризует вращающий момент сервопривода.

Однако, сервопривод не навсегда удерживает свое положение, импульсы позиционирования должны повторяться, информируя сервопривод о сохранении положения.

Когда импульс, посылаемый на сервопривод, становится короче 1,5 мс, сервопривод поворачивает выходной вал на несколько градусов против часовой стрелки и удерживает это положение. Когда импульс шире, чем 1,5 мс, тогда происходит противоположное.

Минимальная и максимальная ширина импульса, который управляет сервоприводом, является свойством конкретного сервопривода. Различные марки, и даже различные сервоприводы одной марки, обладают различным минимумом и максимумом.

Как правило, ширина минимального импульса составляет примерно 1мс и ширина максимального импульса составляет 2 мс.

Другой параметр, который характеризует сервопривод, это скорость вращения. Это время, которое требуется сервоприводу для поворота из одного положения в другое. Самый худший случай, когда сервопривод находится в минимальном положении, и получает команду на перемещение в максимальное положение. В сервоприводах с высоким вращающим моментом это может занимать несколько секунд.

Вернуться к списку   Обсудить на форуме

Сервопривод: что это такое, принцип работы, виды, для чего используется

Работа устройства происходит по принципу обратного взаимодействия с системными сигналами. Сервопривод в определенный момент времени получает входящие параметры регулирующего значения и поддерживает его на выходе производимого элемента.

Конструкция устройства

Механизм подобного типа обычно имеет следующие составляющие:

1. Привод — электрический мотор с редуктором или похожие устройства. Необходим для уменьшения скорости движения, если она слишком большая.
2. Датчик обратной связи или потенциометр, меняющий угол поворота вала.
3. Блок, отвечающий за управление и питание.
4. Вход или конвертер.

В принципе работы самого простого варианта лежит схема обрабатывания значений, исходящих от датчика обратной связи и настраиваемых входящих сигналов для подачи напряжения необходимой полярности на двигатель.

Сложные устройства, работающие с использованием микросхем, учитывают инерцию, обеспечивая ровный период разгона или торможения, что помогает уменьшить уровень нагрузок и добиться точной синхронизации показателей.

Разновидности

Различают два вида сервоприводов:

1. Синхронные – задают темп скорости вращения двигателя и другие параметры, быстрее достигая указанной скорости вращения.
2. Асинхронные – способны сохранять работу двигателя даже при низких оборотах.

Также устройства разделяют на электромеханические и электрогидромеханические по особенностям конструкции и принципу работы.

Основные характеристики

Механизмы имеют ряд параметров, характеризующих их работу:

1. Усиление на валу оказывает прямое влияние на крутящий момент. Это значение является одной из ключевых характеристик, в паспорте устройства может указываться несколько параметров для различных величин напряжения.
2. Скорость поворота также имеет важное значение в работе механизма. Обычно указывается в параметре времени – необходимо, чтобы выходной вал изменил свое направление на 60 градусов.
3. Указывается тип устройств — цифровой или аналоговый. Цифровые управляются при помощи кодовых команд, которые последовательно передаются через интерфейс. Аналоговые управляются через подачу разных частот, параметры которых задаются определенным образом.
4. Питание может быть различным, но у большинства таких агрегатов оно находится в диапазоне 4,8-7,2 вольта.
5. Угол поворота. Обычно это значение в 180 или 360 градусов.
6. Сервопривод может быть переменного или постоянного вращения.

Имеет значение материал изготовления. Детали могут быть металлическими, пластиковыми, либо в комбинированном составе.

Управление серводвигателем

К устройству по присоединенному к нему проводу подается управляющий сигнал, представляющий собой импульсы постоянной частоты и переменной ширины.

При подаче сигнала в проводимую схему генератор производит свой импульс, размер которого устанавливается с помощью потенциометра.

Другая часть схемы проводит анализ всех поступаемых сигналов, и если он разный, то происходит включение сервопривода. Если размеры импульсов равнозначные, электромотор отключается.

Серводвигатели отличаются своим разнообразием по конструкции и принципу действия. Модели бывают со щетками и без щеток. Первая категория представлена двигателями постоянного тока.

Устройства, имеющие щетки, более разнообразны – к ним относятся шаговые двигатели и работающие от переменного тока. Последняя группа делится еще на два вида — синхронные и асинхронные.

Синхронные двигатели, в зависимости от особенностей работы, могут быть вращающимися или линейными.

В работе моторов также используется сервоусилитель – это элемент конструкции, который обеспечивает подачу питания и управление двигателем с постоянными магнитами. Может работать при необходимости и в автономном режиме, при помощи специальной программы, которая предварительно загружается в память устройства.

Агрегаты, гарантирующие высокую точность работы, являются весьма востребованными. Подобные двигатели широко применяются в различных сферах промышленности, всевозможных станках и оборудовании, автомобилестроении.

Область применения

В данный момент сервоприводы получили достаточно широкое распространение. Их можно встретить в точных приборах, автоматах, производящих различные платы, программируемых станках, промышленных роботах и других механизмах. Большую популярность приводы такого типа приобрели в авиамодельной сфере за счет эффективного расхода энергии и равномерного движения.

Сервоприводы меняются и развиваются. В самом начале появления они обладали коллекторными моторами с обмотками на роторе. Постепенно число обмоток выросло, также увеличилась и скорость вращения и разгона.

Позже обмотки начали располагаться снаружи магнита, что также способствовало повышению эффективности работы. Дальнейшие усовершенствования позволили отказаться от коллектора, стали использоваться постоянные магниты ротора.

Наиболее популярны сейчас сервоприводы, которые работают от программируемого контроллера. Это дает возможность создавать приборы высокой точности и современную технику.

Возможность достижения высокой точности часто становится решающим фактором для применения сервопривода. Кроме того, благодаря новым цифровым разработкам, позволяющим предусмотреть различные способы связи с объектами, система использует компьютер для управления и настройки, что значительно упрощает работу.

В различных сферах также используются серводвигатели. Они могут перемещать выходной вал в заданное положение и удерживать его автоматически. Также помогут придать движение какому-либо механизму, координируемому вращениями вала. Для мотора важными параметрами являются равномерность и тональность движения, эффективность затрачиваемой энергии.

Как работают серводвигатели

Узнайте все преимущества серводвигателей, а также достоинства и недостатки выбора этого типа двигателей для вашего проекта.

Если вы работаете над проектом, в котором есть движущаяся часть, вы, вероятно, будете искать двигатель, чтобы сделать это движение возможным. В этой серии статей мы рассмотрим наиболее популярные типы двигателей, которые используют разработчики. Сначала мы рассмотрели коллекторные двигатели постоянного тока, затем перешли к бесколлекторным двигателям.

Чтобы узнать, для каких проектов лучше всего подходят серводвигатели, ознакомьтесь с обзором:

• Какой тип электродвигателя лучше всего подходит для моего проекта?

В то время как коллекторные и бесколлекторные двигатели постоянного тока тесно связаны между собой, серводвигатели предлагают другой тип движения и мощности.

Обзор серводвигателей

Серводвигатели – это специальный тип двигателей, который в отличие от большинства других двигателей предназначен для точного позиционирования, а не для управляемой скорости. Это делает их хорошим выбором при создании роботов.

Серводвигатели широко используются в роботах, поскольку они позволяют контроллерам роботов устанавливать соединения под точными углами.

Таким образом, в отличие от коллекторных двигателей, которые при подаче различных напряжений могут работать на определенных скоростях, при использовании серводвигателя компьютер посылает сигнал команды, которая указывает серводвигателю перейти к конкретному углу:

myservo.write(90); // установить серводвигатель на 90 градусов (его средняя точка)

Как работают серводвигатели?

Конструкция серводвигателя немного сложнее, чем у коллекторного двигателя постоянного тока.

Основные рабочие компоненты серводвигателя

Ядро серводвигателя, реальный двигатель внутри сервопривода, представляет собой коллекторный двигатель постоянного тока, такой же, как те, что мы обсуждали ранее.

Однако в дополнение к этому двигателю имеется пара других компонентов, которые делают сервопривод уникальным среди других типов двигателей. Это всё связано с позиционированием.

В верхней части двигателя, под верхней крышкой, находится набор шестеренок. Эти шестеренки выполняют две основные задачи:

1. Они дают двигателю механическое преимущество, создавая больший крутящий момент, по сравнению с тем, что дает двигатель самостоятельно.
2. Шестерни соединяют двигатель и датчик положения. В большинстве сервоприводов датчик положения – это потенциометр. Потенциометр позволяет сервоприводу точно знать угол наклона вала двигателя (так называемого выходного вала сервопривода).

Наконец, сервоприводом управляет встроенная плата, которая переводит команды, полученные по сигнальному проводу от подключенного компьютера, в движения двигателя.

Достоинства серводвигателей

Система абсолютного позиционирования

Основной смысл использования сервоприводов заключается в том, что они позволяют компьютеру устанавливать определенный угол, к которому будет двигаться двигатель.

Высокий крутящий момент на высокой скорости

Благодаря системе зубчатых передач сервоприводы способны создавать высокий крутящий момент, а также двигаться на высоких скоростях.

Высокий удерживающий момент

Другое преимущество использования сервопривода состоит в том, что когда он установлен под определенным углом, сервопривод будет противодействовать силам, пытающимся вывести его из установленного положения. Если сила, которая воздействует на сервопривод, слишком велика для удержания сервопривода, и двигатель перемещается из своего положения, после снятия силы он вернется назад.

Оценка характеристик серводвигателей

Недостатки серводвигателей

Механическая сложность

Сервоприводы объединяют в себе коллекторный двигатель постоянного тока, потенциометр, сложный набор шестеренок и плату контроллера. Эта сложность означает, что по сравнению с другими типами двигателей у сервоприводов существует большее количество потенциальных точек отказа

Высокая стоимость

Из-за своей сложности сервоприводы (особенно высокопроизводительные модели) могут стоить дорого.

Сложная обвязка

По сравнению с другими типами двигателей, которые могут быть установлены в отверстия или в стандартные шаблоны монтажных отверстий, сервоприводы сложнее внедрить в конструкцию.

Вал двигателя смещен относительно центра корпуса, как и монтажные фланцы. На задней стороне корпуса нет точки опоры. Верхняя часть двигателя не совсем плоская. Все эти факторы в совокупности делают включение сервоприводов в проекты немного сложнее.

Оригинал статьи:

• Scott Hatfield. How a Servo Motor Works

Теги

ДвигательРобототехникаСерводвигательСервоприводЭлектродвигатель

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации требуется время на премодерацию.