Arduino-библиотека AccelStepper

Стандартной библиотеки Stepper вполне достаточно для простого применения с одним двигателем. Библиотека AccelStepper значительно улучшает стандартную библиотеку Stepper, позволяя подключать несколько шаговых двигателей с управ­ляемым ускорением и замедлением. Можно создать несколько объектов AccelStepper, давая уникальное имя каждому двигателю.

 

Контрольные вопросы:

1. Как осуществляется управление шаговым двигателем?

2. Какие достоинства и недостатки шаговых двигателей?

3. Какие функции библиотеки Stepper используются?

4. Какие функции библиотеки AccelStepper используются?

Лекция 53 Ардуино и сервоприводы

Цели лекции:

1. Изучение принципа работы сервопривода.

2. Изучение функции attach() библиотеки Servo.

3. Изучение функции detach() библиотеки Servo.

4. Изучение функции write(int) библиотеки Servo.

5. Изучение функции writeMicrosconds(int) библиотеки Servo.

6. Изучение функции read() библиотеки Servo.

7. Изучение функции attached() библиотеки Servo.

 

Сервоприводы

Сервопривод, она же серва, servo, рулевая машинка — устройство, обеспечиваю­щее преобразование сигнала в строго соответствующее этому сигналу перемещение (как правило, поворот) исполнительного устройства. Представляет собой прямо­угольную коробку с мотором, схемой и редуктором внутри и выходным валом, ко­торый может поворачиваться на строго фиксированный угол, определяемый вход­ным сигналом. Как правило, этот угол имеет предел в 60 градусов, иногда в 180. Бывают сервоприводы и постоянного вращения.

На вал надевается рычаг в форме круга, крестовины или перекладинки для переда­чи вращающего движения на рабочий орган. После поворота вал остается в том же положении, пока не придет иной управляющий сигнал. Смысл сервопривода в га­рантированном выполнении заданной команды. Если внешняя сила не позволит выполнить поворот на нужный угол, сервопривод все равно закончит движение по­сле окончания действия мешающего внешнего воздействия. Воспрепятствовать этому может лишь разрушение сервопривода, снятие внешнего управляющего сиг­нала или пропадание напряжения питания.

Большинство сервоприводов внешне похожи друг на друга— как пра­вило, это прямоугольный корпус (внутри которого прячутся мотор, шестерни и управляющая схема) с крепежными ушками по бокам и выходным валом, располо­женным на верхней крышке. Внешний вид сервопривода изображен на рисунке 53.1.

К валу крепится сменный (иду­щий в комплекте) передаточный элемент в виде диска (с отверстиями по кругу), крестовины с отверстиями на концах всех его перекладин или рычага, насаженного на выходной вал либо своим центром, либо одним из концов. Как правило, этот сменный элемент белого цвета.

Иногда сервопривод имеет форму цилиндра — тогда его верхняя часть при работе поворачивается вокруг своей оси. Некоторые сервоприводы вместо выходного вала оснащаются шкивом (катушкой). На такой шкив наматывается (или с него сматы­вается) тросик, с помощью которого управляют каким-то внешним приспособлени­ем — например, парусом в моделях судов или яхт.

Рисунок 53.1-Сервопривод

 

Сервопривод — электрическое исполнительное устройство. Он подключается с помощью трех проводов к управляющему устройству (драйверу или контроллеру) и источнику питания.

По способу управления сервоприводы подразделяются на аналоговые и цифровые. Аналоговые управляются аналоговым сигналом — буквально частотой, параметры которой задаются с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Цифровые сервоприводы управляются цифровым сигналом, представляющим собой кодовые команды, передаваемые по последовательному интерфейсу. Аналоговые сервопри­воды намного дешевле цифровых.

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, его управляющий орган 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, выходной вал повора­чивается на несколько градусов в противоположном направлении. 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 1 мс и ширина макси­мального импульса — 2 мс.

Различаются сервоприводы и габаритами. Существуют так называемые стандарт­ные сервоприводы. Их габариты и вес в общем модельном ряду соответствуют не­которым средним значениям. Они самые дешевые — в пределах 10-20 долларов. При уменьшении или увеличении размеров сервопривода в сторону от "стандарт­ного" цена сервопривода возрастает пропорционально отклонению размеров. Как и самые маленькие (микросервы), так и самые большие (супермощные) сервоприво­ды, — это самые дорогие устройства, цена их может доходить до сотен долларов.

Сервоприводы различаются также материалом шестеренок. Самые дешевые серво­приводы оснащены шестернями из пластмассы. Более дорогие — с одной выходной шестерней из металла. Самые дорогие — с металлическими шестернями. Соответ­ственно виду материала изменяется нагрузочная способность сервопривода. Самый слабый сервопривод — с пластиковыми шестернями, самый мощный — с металли­ческими.

 

Различия сервоприводов определяются и типом подшипников. Самые дешевые не имеют подшипников вообще. Пластмассовые шестерни на пластмассовых валах крутятся в отверстиях пластмассовых пластин, соединяющих шестерни в единый редуктор. Это самые недолговечные сервоприводы. Более дорогие сервоприводы имеют металлическую, обычно латунную, втулку на выходном валу. Эти сервы бо­лее долговечны. Еще более дорогие сервы имеют настоящий подшипник на выход­ном валу, на который приходится самая большая нагрузка. Подшипник может быть шариковым или роликовым. Шариковый дешевле, роликовый компактнее и легче. В самых дорогих сервоприводах на всех (металлических!) шестернях стоят под­шипники. Это — самые долговечные и надежные устройства.

Сервоприводы различаются и по толщине. Она может сильно варьироваться при одинаковых размерах по высоте и длине. Чем меньше толщина, тем выше цена, по­скольку в узком корпусе труднее разместить шестерни.

Наконец, сервоприводы различаются по фирме-производителю. Самые раскручен­ные бренды продают самые дорогие сервоприводы. При этом в их ассортименте будут и самые дорогие, и самые дешевые, но даже самый простенький и дешевый стандартный сервопривод крупного бренда стоит дороже, иногда существенно до­роже, чем аналогичный сервопривод с наклейкой менее раскрученного имени и, тем более, с именем никому не известной фирмы.

Очень мощные и очень дорогие сервоприводы могут иметь любую внешнюю фор­му, определяемую назначением сервопривода. Так, сервоприводы для андроидов (человекоподобных роботов) могут быть шаровидными или дисковидными. Но обычно сервопривод — это все-таки черный параллелепипед с белой фитюлькой на верхней крышке.

 

 

Сервоприводы применяются в основном в промышленности (манипуляторы, стан­ки и т. п.). В них установлены, как правило, мощные двигатели, в том числе шаго­вые, что позволяет использовать их в автоматических манипуляторах (в промыш­ленных роботах).

Сервоприводы для моделирования имеют гораздо более худшие характеристики, чем промышленные. Основным их параметром является момент сил, приложенных к "качалке" на заданном расстоянии от оси. Обычно такой момент измеряется в кг/см. Самые "слабые" сервоприводы тянут 1‑2 кг/см. Самые мощные не про­мышленные сервоприводы — более 100 кг/см. Момент также зависит от питающе­го напряжения.

Немаловажным параметром является и скорость вращения вала сервопривода. Как правило, она измеряется в сек/60°. Скорость сервопривода обычно важна, если он применяется совместно с гироскопом или акселерометром (например, в моделях вертолетов).