Сервоприводы (также RC-сервоприводы ) — это небольшие, дешевые, серийно выпускаемые серводвигатели или другие приводы, используемые для радиоуправления и малогабаритной робототехники . [ требуется ссылка ]
Большинство сервоприводов являются вращающимися приводами , хотя доступны и другие типы. Иногда используются линейные приводы , хотя чаще используют вращающийся привод с коленчатым рычагом и толкателем. Некоторые типы, изначально использовавшиеся в качестве парусных лебедок для яхтенных моделей , могут вращаться непрерывно.
Типичный сервопривод состоит из небольшого электродвигателя, приводящего в движение цепь редукторов. Потенциометр соединен с выходным валом. Некоторые простые электронные схемы обеспечивают замкнутый цикл сервомеханизма .
Положение выхода, измеряемое потенциометром, постоянно сравнивается с заданным положением с управления (т. е. радиоуправления). Любое различие приводит к появлению сигнала 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 и затем становится нулевым, и в этот момент сервопривод прекращает движение.
Если положение сервопривода изменится по сравнению с заданным, будь то из-за изменения команды или из-за механического выталкивания сервопривода 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 эта заданная позиция может быть где угодно в пределах диапазона движения. Ранние сервоприводы и предшествующее устройство, называемое спусковым механизмом , могли перемещаться только в ограниченное количество установленных положений.
Радиоуправляемые сервоприводы подключаются через стандартное трехпроводное соединение: два провода для источника постоянного тока и один для управления, перенося 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 .
Сервоприводы RC используют трехконтактный разъем с шагом 0,1 дюйма (мама), который сопрягается со стандартными квадратными штырьками 0,025 дюйма. Наиболее распространенный порядок — сигнал, +напряжение, земля. Стандартное напряжение составляет 4,8 В постоянного тока, однако на некоторых сервоприводах также используются 6 В и 12 В. Управляющий сигнал — это цифровой ШИМ-сигнал с частотой кадров 50 Гц. В течение каждого временного интервала 20 мс активный высокий цифровой импульс управляет положением. Номинальный диапазон импульса составляет от 1,0 мс до 2,0 мс, при этом 1,5 мс всегда являются центром диапазона. Длительность импульса за пределами этого диапазона может использоваться для «перебега» — перемещения сервопривода за пределы его нормального диапазона.
Существует два основных типа ШИМ. Каждый ШИМ определяет значение, которое используется сервоприводом для определения его ожидаемого положения. Первый тип - «абсолютный» и определяет значение по ширине импульса активного высокого уровня с произвольно длинным периодом низкого уровня. Второй тип - «относительный» и определяет значение по проценту времени, в течение которого элемент управления находится в активном высоком состоянии по сравнению с низким уровнем. «Абсолютный» тип позволяет восьми сервоприводам совместно использовать один канал связи путем мультиплексирования сигналов управления с использованием относительно простой электроники и является основой современных RC-сервоприводов. «Относительный» тип - более традиционное использование ШИМ, при котором простой фильтр нижних частот преобразует «относительный» сигнал ШИМ в аналоговое напряжение. Оба типа являются ШИМ, поскольку сервопривод реагирует на ширину импульса. Однако в первом случае сервопривод также может быть чувствителен к порядку импульсов.
Сервопривод управляется тремя проводами: заземление, питание и управление. Сервопривод будет двигаться на основе импульсов, посылаемых по проводу управления, которые устанавливают угол рычага привода. Сервопривод ожидает импульс каждые 20 мс, чтобы получить правильную информацию об угле. Ширина сервоимпульса определяет диапазон углового движения сервопривода.
Импульс сервопривода шириной 1,5 мс обычно устанавливает сервопривод в его «нейтральное» положение (обычно половину указанного полного диапазона), импульс 1,0 мс устанавливает его в 0°, а импульс 2,0 мс в 90° (для сервопривода 90°). Физические ограничения и тайминги аппаратного обеспечения сервопривода различаются в зависимости от марки и модели, но полное угловое движение общего сервопривода будет проходить где-то в диапазоне 90° – 180°, а нейтральное положение (45° или 90°) почти всегда составляет 1,5 мс. Это «стандартный режим импульсного сервопривода», используемый всеми аналоговыми сервоприводами для хобби.
Цифровой сервопривод для хобби управляется теми же импульсами «стандартного режима импульсного сервопривода», что и аналоговый сервопривод. [1] Некоторые цифровые сервоприводы для хобби можно настроить на другой режим, который позволяет контроллеру робота считывать фактическое положение вала сервопривода. Некоторые цифровые сервоприводы для хобби можно опционально настроить на другой режим и «запрограммировать», чтобы они имели желаемые характеристики ПИД-регулятора , когда они позже будут управляться стандартным RC-приемником. [2]
RC сервоприводы обычно питаются от приемника, который в свою очередь питается от аккумуляторных батарей или электронного регулятора скорости (ESC) со встроенной или отдельной схемой выпрямителя батареи (BEC). Обычные аккумуляторные батареи бывают NiCd , NiMH или литий-ионные полимерные батареи (LiPo). Номинальные напряжения различаются, но большинство приемников работают при 5 В или 6 В.
Производители и дистрибьюторы любительских RC-сервоприводов часто используют специфическую сокращенную запись механических свойств сервоприводов. Обычно указываются две цифры: угловая скорость вращения вала сервопривода и механический крутящий момент, создаваемый на валу. Скорость выражается как временной интервал, необходимый сервоприводу для поворота вала на угол 60°. Крутящий момент выражается как вес, который может быть поднят сервоприводом, если он висит на шкиве с определенным радиусом, установленном на валу.
Например, если модель сервопривода описана как «0,2 с / 2 кг», это следует интерпретировать как «Этот сервопривод поворачивает вал на 60° за 0,2 секунды и способен поднять груз массой 2 кг с помощью шкива радиусом 1 см». То есть, эта конкретная модель сервопривода вращает вал с угловой скоростью (2π / 6) / 0,2 с = 5,2 рад / с, создавая силу 2 кг × 9,81 м/с 2 = 19,6 Н на расстоянии 1 см, т. е. она создает крутящий момент 19,6 Н × 0,01 м = 0,196 Нм.
Хотя эта сокращенная запись не соответствует ни системе единиц СИ, ни имперской системе, она на самом деле весьма полезна, поскольку команды поворота вала на 60°, кривошипы вала длиной 1 см, а также «силы» тяг управления в диапазоне килограмм-сил являются типичными для мира любительского радиоуправления.
Сервоприводы непрерывного вращения — это сервоприводы, которые не имеют ограниченного угла хода, вместо этого они могут вращаться непрерывно. Их можно рассматривать как двигатель и коробку передач с элементами управления входом сервопривода. В таких сервоприводах входной импульс приводит к скорости вращения, а типичное центральное значение 1,5 мс является положением остановки. Меньшее значение должно поворачивать сервопривод по часовой стрелке, а большее — против часовой стрелки.
Самой ранней формой последовательного (хотя и не пропорционального) привода для радиоуправления был спусковой механизм . [3] Подобно устройству, используемому в часах, этот спусковой механизм управляет высвобождением накопленной энергии из пружины или резиновой ленты. Каждый сигнал от передатчика приводит в действие небольшой соленоид, который затем позволяет вращаться двух- или четырехлепестковой собачке . Собачка, как и часы, имеет две паллеты , так что собачка может вращаться только на одно положение лепестка за импульс сигнала. Этот механизм позволяет простому передатчику с ключом осуществлять последовательное управление, т. е. выбор между несколькими определенными положениями в модели.
Типичный четырехлепестковый спусковой механизм, используемый для управления рулем, устроен так, что первое и третье положения — «прямо вперед», а положения два и четыре — «левый» и «правый» руль. Одиночный импульс из первого прямолинейного положения позволяет ему двигаться влево, а три импульса — вправо. Еще один импульс возвращает в прямолинейное положение. [4] Такая система сложна в использовании, так как требует от оператора помнить, в каком положении находится спусковой механизм, и, следовательно, требуется ли для следующего поворота один или три импульса из текущего положения. Развитием этого стала двухлепестковая собачка, в которой непрерывное нажатие передатчика (и, таким образом, удержание соленоидного поддона на месте) можно было использовать для выбора положений поворота с той же последовательностью нажатия, независимо от предыдущего положения. [4]
Спусковые механизмы были маломощными, но легкими. Поэтому они были более популярны для моделей самолетов, чем для моделей лодок. [3] Если передатчик и приемник имели несколько каналов управления (например, частотно-манипулируемый герконовый приемник ), то можно было использовать несколько спусковых механизмов вместе, по одному для каждого канала. [3] Даже с одноканальными радиоприемниками последовательность спусковых механизмов иногда могла быть каскадной. Перемещение одного спускового механизма давало импульсы, которые, в свою очередь, приводили в действие второй, более медленный спусковой механизм. [4] Спусковые механизмы исчезали из радиоуправления в пользу сервоприводов к началу 1970-х годов. [3]
Спусковой механизм Graupner Kinematic может использоваться для управления рулем и электродвигателем с одним каналом. Короткие импульсы для двигателя: вперед - стоп - назад - стоп и т. д. и длинные импульсы для руля: прямо вперед - поворот налево - прямо вперед - поворот направо - прямо вперед и т. д.
Привод fly-ball был представлен в моделировании R/C в 1951 году Брайтоном Полом [5] и состоял из электродвигателя и центробежного регулятора, соединенных с свободно вращающейся осью, которая могла при работающем двигателе тянуть стержень управления рулем направления в разной степени. При использовании с радиосистемой с ключом это позволяло контролировать положение руля направления, изменяя время нажатия ключа. Руль направления оттягивался пружиной, когда скорость двигателя уменьшалась.
