Сервоприводы (также RC-сервоприводы ) — это небольшие, дешевые серводвигатели массового производства или другие приводы , используемые для радиоуправления и мелкомасштабной робототехники . [ нужна цитата ]
Большинство сервоприводов представляют собой поворотные приводы , 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 моделей яхт , могут вращаться непрерывно.
Типичный сервопривод состоит из небольшого электродвигателя, приводящего в движение ряд редукторов. К выходному валу подключен потенциометр . Некоторые простые электронные устройства обеспечивают сервомеханизм с замкнутым контуром .
Положение выхода, измеренное потенциометром, постоянно сравнивается с положением, заданным системой управления (т. е. радиоуправлением). Любое различие приводит к появлению сигнала ошибки в соответствующем направлении, который приводит электродвигатель в движение вперед или назад и перемещает выходной вал в заданное положение. Когда сервопривод достигает этого положения, сигнал ошибки уменьшается, а затем становится нулевым, после чего сервопривод перестает двигаться.
Если положение сервопривода изменяется по сравнению с заданным, будь то из-за изменения команды или из-за того, что сервопривод механически выталкивается из заданного положения, сигнал ошибки появится снова и заставит двигатель вернуть выходной вал сервопривода в необходимое положение. .
Почти все современные сервоприводы являются пропорциональными сервоприводами , где заданное положение может находиться где угодно в пределах диапазона движения. Ранние сервоприводы и устройство-предшественник, называемое спусковым механизмом , могли перемещаться только в ограниченное количество заданных положений.
Сервоприводы радиоуправления подключаются через стандартное трехпроводное соединение: два провода для питания постоянным током и один для управления, несущий сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Каждый сервопривод имеет отдельное подключение и ШИМ-сигнал от приемника радиоуправления. Этот сигнал легко генерируется простой электроникой или микроконтроллерами , такими как Arduino . Это, вместе с их низкой стоимостью, привело к их широкому распространению в робототехнике и физических вычислениях .
В сервоприводах RC используется трехконтактное гнездо с расстоянием 0,1 дюйма (гнездо), которое соединяется 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 напряжения 6 В и 12 В. 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. Номинальная длительность импульса составляет от 1,0 мс до 2,0 мс, при этом 1,5 мс всегда являются центром диапазона. Ширина импульса за пределами этого диапазона может быть использована для «перебега» — перемещения сервопривода за пределы нормального диапазона.
Существует два основных типа ШИМ. Каждый ШИМ определяет значение, которое используется сервоприводом для определения ожидаемого положения. Первый тип является «абсолютным» и определяет значение по ширине импульса времени активного высокого уровня с произвольно длинным периодом низкого времени. Второй тип является «относительным» и определяет значение в процентах времени, в течение которого элемент управления находится в активном высоком состоянии по сравнению с низким временем. «Абсолютный» тип позволяет использовать до восьми сервоприводов один канал связи путем мультиплексирования управляющих сигналов с помощью относительно простой электроники и является основой современных RC-сервоприводов. «Относительный» тип — это 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: земля, питание и управление. Сервопривод будет двигаться в зависимости от импульсов, передаваемых по проводу управления, 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 длительностью 1,5 мс обычно устанавливает сервопривод в «нейтральное» положение (обычно половину заданного полного диапазона), импульс длительностью 1,0 мс устанавливает его в положение 0°, а импульс длительностью 2,0 мс — в положение 90° ( для сервопривода 90°). Физические ограничения и время работы сервопривода варьируются в зависимости от марки и модели, но обычное угловое движение сервопривода происходит где-то в диапазоне 90–180°, а нейтральное положение (45° или 90°) почти всегда составляет 1,5°. РС. Это «стандартный импульсный режим сервопривода», используемый всеми аналоговыми сервоприводами для хобби.
Цифровой сервопривод для хобби управляется теми же импульсами «стандартного импульсного режима сервопривода», что и аналоговый сервопривод. [1] Некоторые цифровые сервоприводы для хобби можно установить в другой режим, который позволяет контроллеру робота считывать фактическое положение вала сервопривода. Некоторые цифровые сервоприводы для хобби можно дополнительно перевести в другой режим и «запрограммировать», чтобы они имели желаемые характеристики ПИД-регулятора , когда они позже управляются 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). Обычно используются аккумуляторы NiCd , NiMH или литий-ионно-полимерного типа (LiPo). Номинальные напряжения различаются, но большинство приемников работают при напряжении 5 В или 6 В.
Производители и дистрибьюторы любительских радиоуправляемых сервоприводов часто используют специальные сокращенные обозначения механических свойств сервоприводов. Обычно указываются две цифры: угловая скорость вращения сервовала и механический крутящий момент , возникающий на валу. Скорость выражается как интервал времени, который требуется сервоприводу для поворота вала на угол 60°. Крутящий момент выражается как вес, который может поднять сервопривод, если он подвешен на шкиве определенного радиуса, установленном на валу.
Например, если модель сервопривода описывается как «0,2 с / 2 кг», это следует интерпретировать как «Этот сервопривод вращает вал на 60° за 0,2 секунды и способен поднять груз массой 2 кг с помощью 1 Шкив радиуса см". То есть данная 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. создает крутящий момент 19,6 Н × 0,01 м = 0,196 Нм.
Хотя это и не соответствует ни системе единиц СИ, ни британской системе единиц, сокращенное обозначение на самом деле весьма полезно, поскольку типичны команды вращения вала на 60 °, кривошипы вала длиной 1 см, а также «силы» управляющего стержня в диапазоне килограмм-сил. в мире хобби RC.
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, а типичное центральное значение в 1,5 мс соответствует положению 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 контролирует высвобождение накопленной энергии из пружины или резиновой ленты. Каждый сигнал передатчика приводит в действие небольшой соленоид, который затем позволяет вращаться двух- или четырехлепестковой собачке . Защелка, как и часы, имеет два поддона, так что собачка может поворачиваться только на одну позицию за импульс сигнала. Этот механизм позволяет простому передатчику с ключом обеспечивать последовательное управление, то есть выбор между несколькими определенными позициями на модели.
Типичный четырехлепестковый спусковой механизм, используемый для управления рулем направления, устроен так, что первое и третье положения находятся «прямо вперед», а положения два и четыре — «левый» и «правый» руль направления. Одиночный импульс из первого положения прямолинейного движения позволяет ему переместиться влево, или три импульса позволят выбрать правое положение. Следующий одиночный импульс возвращается в прямое движение. [4] Такую систему сложно использовать, поскольку она требует, чтобы оператор помнил, в каком положении находится спусковой механизм, и, следовательно, требует ли следующий поворот одного или трех импульсов от текущего положения. Развитием этого стала двухлепестковая собачка, в которой можно было использовать непрерывное управление передатчиком (и, таким образом, удержание поддона соленоида на месте) для выбора положений поворота с той же последовательностью клавиш, независимо от предыдущего положения. [4]
Спуски были маломощными, но легкими. Таким образом, они были более популярны среди моделей самолетов, чем моделей лодок. [3] Если передатчик и приемник имели несколько каналов управления (например, герконовый приемник с частотной манипуляцией ), тогда можно было использовать несколько спусковых устройств вместе, по одному на каждый канал. [3] Даже при использовании одноканальных радиоприемников последовательность спусковых механизмов иногда может быть каскадной. Перемещение одного спускового механизма давало импульсы, которые, в свою очередь, приводили в движение второй, более медленный спусковой механизм. [4] К началу 1970-х годов спусковые механизмы исчезли из радиоуправления в пользу сервоприводов. [3]
Кинематический спуск Граупнера может использоваться для управления рулем направления и электродвигателем по одному каналу. Короткие импульсы для мотора; вперед-стоп-реверс-стоп и т.д. и длинные импульсы на руль направления; прямо - повернуть налево - прямо - повернуть направо - прямо и т. д.
Шаровой привод был представлен в радиоуправляемом моделировании в 1951 году Брайтоном Полом [5] и состоял из электродвигателя и центробежного регулятора , соединенного со свободно вращающейся осью, которая при работающем двигателе могла управлять рулем направления. стержень в разной степени. При использовании с радиосистемой с ключом это позволяло в некоторой степени контролировать положение руля направления, изменяя время нажатия клавиши. Руль направления оттягивался пружиной назад при уменьшении скорости двигателя.
