Как подключить потенциометр к сервоприводу

Как подключить потенциометр к сервоприводу

Скачай курс
в приложении

Перейти в приложение
Открыть мобильную версию сайта

© 2013 — 2024. Stepik

Наши условия использования и конфиденциальности

Public user contributions licensed under cc-wiki license with attribution required

Работаем с сервоприводами

Сервопривод — это механизм с электромотором с управлением. Вы можете вращать механический привод на заданный угол с заданной скоростью или усилием.

Наиболее популярны сервоприводы, которые удерживают заданный угол и сервоприводы, поддерживающие заданную скорость вращения.

Сервоприводы имеют несколько составных частей. Привод — электромотор с редуктором. Зачастую скорость вращения мотора бывает слишком большой для практического использования. Для понижения скорости используется редуктор: механизм из шестерней, передающий и преобразующий крутящий момент.

Включая и выключая электромотор, можно вращать выходной вал — конечную шестерню сервопривода, к которой можно прикрепить нечто, чем мы хотим управлять — рычаг в форме круга, крестовины или перекладинки для передачи вращающего движения на рабочий орган. Для контроля положения используется датчик обратной связи — энкодер, который будет преобразовывать угол поворота обратно в электрический сигнал. Для этого часто используется потенциометр. При повороте бегунка потенциометра происходит изменение его сопротивления, пропорциональное углу поворота. Таким образом, с его помощью можно установить текущее положение механизма.

Кроме электромотора, редуктора и потенциометра в сервоприводе имеется электронная начинка, которая отвечает за приём внешнего параметра, считывание значений с потенциометра, их сравнение и включение/выключение мотора. Она-то и отвечает за поддержание отрицательной обратной связи.

К сервоприводу тянется три провода. Два из них отвечают за питание мотора и землю, третий доставляет управляющий сигнал, который используется для выставления положения устройства.

Крутящий момент и скорость поворота

Крутящий момент — векторная физическая величина, равная произведению радиус-вектора, проведённого от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело. Эта характеристика показывает, насколько тяжёлый груз сервопривод способен удержать в покое на рычаге заданной длины. Если крутящий момент сервопривода равен 5 кг×см, то это значит, что сервопривод удержит на весу в горизонтальном положении рычаг длины 1 см, на свободный конец которого подвесили 5 кг. Или, что эквивалентно, рычаг длины 5 см, к которому подвесили 1 кг.

Скорость сервопривода измеряется интервалом времени, который требуется рычагу сервопривода, чтобы повернуться на 60°. Характеристика 0,1 с/60° означает, что сервопривод поворачивается на 60° за 0,1 с. Из неё несложно вычислить скорость в более привычной величине, оборотах в минуту, но так сложилось, что при описании сервоприводов чаще всего используют такую единицу.

Иногда приходится искать компромисс между этими двумя характеристиками, так как если мы хотим надёжный, выдерживающий большой вес сервопривод, то мы должны быть готовы, что эта могучая установка будет медленно поворачиваться. А если мы хотим очень быстрый привод, то его будет относительно легко вывести из положения равновесия. При использовании одного и того же мотора баланс определяет конфигурация шестерней в редукторе.

Виды сервоприводов

Сервоприводы бывают аналоговые и цифровые. Различаются они лишь внутренней управляющей электроникой. Вместо специальной микросхемы аналогового сервопривода у цифрового собрата можно заметить на плате микропроцессор, который принимает импульсы, анализирует их и управляет мотором. Таким образом, в физическом исполнении отличие лишь в способе обработки импульсов и управлении мотором.

Шестерни для сервоприводов бывают из разных материалов: пластиковые, карбоновые, металлические.

Пластиковые, чаще всего нейлоновые, шестерни очень лёгкие, не подвержены износу, более всего распространены в сервоприводах. Они не выдерживают больших нагрузок, однако если нагрузки предполагаются небольшие, то нейлоновые шестерни — лучший выбор.

Карбоновые шестерни более долговечны, практически не изнашиваются, в несколько раз прочнее нейлоновых. Основной недостаток — дороговизна.

Металлические шестерни являются самыми тяжёлыми, однако они выдерживают максимальные нагрузки. Достаточно быстро изнашиваются, так что придётся менять шестерни практически каждый сезон. Шестерни из титана — фавориты среди металлических шестерней, причём как по техническим характеристикам, так и по цене. Они достаточно дорогие.

Существует три типа моторов сервоприводов: обычный мотор с сердечником, мотор без сердечника и бесколлекторный мотор.

Обычный мотор с сердечником (справа) обладает плотным железным ротором с проволочной обмоткой и магнитами вокруг него. Ротор имеет несколько секций, поэтому когда мотор вращается, ротор вызывает небольшие колебания мотора при прохождении секций мимо магнитов, а в результате получается сервопривод, который вибрирует и является менее точным, чем сервопривод с мотором без сердечника. Мотор с полым ротором (слева) обладает единым магнитным сердечником с обмоткой в форме цилиндра или колокола вокруг магнита. Конструкция без сердечника легче по весу и не имеет секций, что приводит к более быстрому отклику и ровной работе без вибраций. Такие моторы дороже, но они обеспечивают более высокий уровень контроля, вращающего момента и скорости по сравнения со стандартными.

Сервоприводы с бесколлекторным мотором появились сравнительно недавно. У бесколлекторных моторов нет щёток, а значит они не создают сопротивление вращению и не изнашиваются, скорость и момент выше при токопотреблении равном коллекторным моторам. Сервоприводы с бесколлекторным мотором — самые дорогие сервоприводы, однако при этом они обладают лучшими характеристиками по сравнению с сервоприводами с другими типами моторов.

Подключение к Arduino

Многие сервоприводы могут быть подключены к Arduino непосредственно. Для этого от них идёт шлейф из трёх проводов:

• красный — питание; подключается к контакту 3.3/5V или напрямую к источнику питания
• коричневый или чёрный — земля
• жёлтый или белый — сигнал; подключается к цифровому выходу Arduino

Обычный хобби-сервопривод во время работы потребляет более 100 мА. При этом Arduino способно выдавать до 500 мА. Поэтому, если вам в проекте необходимо использовать мощный сервопривод, есть смысл задуматься о выделении его в контур с дополнительным питанием.

На большинстве плат Arduino библиотека Servo поддерживает управление не более 12 сервоприводами, на Arduino Mega — 48. При этом есть небольшой побочный эффект использования этой библиотеки: если вы работаете не с Arduino Mega, то становится невозможным использовать функцию analogWrite() на 9 и 10 контактах независимо от того, подключены сервоприводы к этим контактам или нет. На Arduino Mega можно подключить до 12 сервоприводов без нарушения функционирования ШИМ/PWM, при использовании большего количества сервоприводов мы не сможем использовать analogWrite() на 11 и 12 контактах.

Библиотеки для управления сервоприводами (Servo) и для работы с приёмниками/ передатчиками на 433 МГц VirtualWire используют одно и то же прерывание. Это означает, что их нельзя использовать в одном проекте одновременно. Существует альтернативная библиотека для управления сервомоторами — Servo2.

Сервоприводы обычно имеют ограниченный угол вращения 180 градусов, их так и называют «сервопривод 180°». Но существуют сервоприводы с неограниченным углом поворота оси. Это сервоприводы постоянного вращения или «сервоприводы 360°».

Иногда при подключении серводвигателя не отрабатывают заданные команды или отрабатывают некорректно. Причина в том, что сервомоторы требуют достаточно большую мощность для питания, особенно в начале движения ротора. Эти резкие скачки потребляемой мощности могут сильно «просаживать» напряжение на Arduino. Может произойти даже перезагрузка платы. Если подобное происходит, вам надо добавить конденсатор (470 мкФ или больше) между рельсами GND и 5V на вашей макетке. Конденсатор выполняет роль своеобразного резервуара для электрического тока. Когда серводвигатель начинает работать, он получает остатки заряда с конденсатора и от источника питания Arduino одновременно. Длинная нога конденсатора — это позитивный контакт, она подключается к 5V. Отрицательный контакт часто маркируется символом ‘-‘.

Управляем через импульсы

Для начала попробуем управлять вручную без библиотек. Считываем показания из Serial Monitor — нужно ввести число от 0 до 9. Эти значения равномерно распределим на 180 градусов и получим 20 градусов на каждую единицу показаний.

 int servoPin = 9; // сигнальный провод от серво на порт 9 int val; void setup() < pinMode(servoPin, OUTPUT); Serial.begin(9600); Serial.println("Servo is ready"); >void loop() < // convert number 0 to 9 to corresponding 0-180 degree angle val = Serial.read(); if (val >= '0' && val > > // define a servo pulse function void servoPulse(int pin, int angle) < // convert angle to 500-2480 pulse width int pulseWidth = (angle * 11) + 500; digitalWrite(pin, HIGH); // set the level of servo pin as high delayMicroseconds(pulseWidth); // delay microsecond of pulse width digitalWrite(pin, LOW); // set the level of servo pin as low delay(20 - pulseWidth / 1000); >

Библиотека Servo

Можно генерировать управляющие импульсы самостоятельно, но это настолько распространённая задача, что для её упрощения существует стандартная библиотека Servo.

Сервопривод постоянного вращения можно управлять с помощью библиотек Servo или Servo2. Отличие заключается в том, что функция Servo.write(angle) задаёт не угол, а скорость вращения привода.

Библиотека Servo позволяет осуществлять программное управление сервоприводами. Управление осуществляется следующими функциями:

• attach() — присоединяет объект к конкретному выводу платы. Возможны два варианта синтаксиса для этой функции: servo.attach(pin) и servo.attach(pin, min, max). При этом pin — номер пина, к которому присоединяют сервопривод, min и max — длины импульсов в микросекундах, отвечающих за углы поворота 0° и 180°. По умолчанию выставляются равными 544 мкс и 2400 мкс соответственно. Возвращаемого значения нет.
• write() — отдаёт команду сервоприводу принять некоторое значение параметра. Синтаксис: servo.write(angle), где angle — угол, на который должен повернуться сервопривод
• writeMicroseconds() — отдаёт команду послать на сервопривод имульс определённой длины, является низкоуровневым аналогом предыдущей команды. Синтаксис следующий: servo.writeMicroseconds(uS), где uS — длина импульса в микросекундах. Возвращаемого значения нет.
• read() — читает текущее значение угла, в котором находится сервопривод. Синтаксис: servo.read(), возвращается целое значение от 0 до 180
• attached() — проверка, была ли присоединён объект к конкретному пину. Синтаксис следующий: servo.attached(), возвращается логическая истина, если объект была присоединён к какому-либо пину, или ложь в обратном случае
• detach() — производит действие, обратное действию attach(), то есть отсоединяет объект от пина, к которому был приписан. Синтаксис: servo.detach()

В библиотеке Servo для Arduino по умолчанию выставлены следующие значения длин импульса: 544 мкс — для 0° и 2400 мкс — для 180°.

Пример подключения двух сервоприводов.

 #include // создаём объекты для управления сервоприводами Servo myservo1; Servo myservo2; void setup() < // подключаем сервоприводы к выводам 11 и 12 myservo1.attach(11); myservo2.attach(12); >void loop() < // устанавливаем сервоприводы в серединное положение myservo1.write(90); myservo2.write(90); delay(500); // устанавливаем сервоприводы в крайнее левое положение myservo1.write(0); myservo2.write(0); delay(500); // устанавливаем сервоприводы в крайнее правое положение myservo1.write(180); myservo2.write(180); delay(500); >

Библиотека Servo не совместима с библиотекой VirtualWire для работы с приёмником и передатчиком на 433 МГц, так как они используют одно и то же прерывание. Это означает, что их нельзя использовать в одном проекте одновременно. Существует альтернативная библиотека для управления сервомоторами — Servo2. Все методы библиотеки Servo2 совпадают с методами Servo.

При работе с сервоприводами на 360 градусов функции работают по другому.

Функция Arduino	Сервопривод 180°	Сервопривод 360°
Servo.write(0)	Крайне левое положение	Полный ход в одном направлении
Servo.write(90)	Среднее положение	Остановка сервопривода
Servo.write(180)	Крайне правое положение	Полный ход в обратном направлении

Sweep

Скетч File | Examples | Servo | Sweep постоянно поворачивает насадку на 180 градусов и возвращает её обратно. В примере используется встроенная библиотека Servo.

Общая схема — красный провод идёт к питанию 5V, чёрный или коричневый идёт к GND, а жёлтый или белый к выводу платы (в нашем примере вывод 9).

 #include Servo myservo; // создадим объект сервопривода int pos = 0; // начальная позиция void setup() < myservo.attach(9); // сервопривод на выводе 9 >void loop() < for (pos = 0; pos for (pos = 180; pos >= 0; pos -= 1) < // от 180 до 0 градусов myservo.write(pos); // просим повернуться на позицию значения переменной 'pos' delay(15); // ждём 15ms для достижения позиции >> 

Knob

Скетч File | Examples | Servo | Knob управляет сервоприводом при помощи потенциометра. В примере используется встроенная библиотека Servo.

Общая схема: у сервопривода — красный провод идёт к питанию 5V, чёрный или коричневый идёт к GND, а жёлтый или белый к выводу платы (в нашем примере вывод 9). У потенциометра средняя ножка соединяется с аналоговым выходом A0, остальные к питанию и земле.

 #include Servo myservo; // создадим объект сервопривода int potpin = 0; // аналоговый выход A0 для потенциометра int val; // значение, получаемое от аналогового выхода void setup() < myservo.attach(9); // сервопривод на выводе 9 >void loop() < val = analogRead(potpin); // считываем данные с потенциометра (от 0 до 1023) val = map(val, 0, 1023, 0, 180); // Преобразуем в интервал от 0 до 180 myservo.write(val); // устанавливаем позицию сервопривода delay(15); // небольшое ожидание, чтобы сервопривод успел выполнить команду >

Случайные повороты

Будем поворачивать серводвигатель на случайную величину. Практического смысла немного, но для демонстрации подойдёт.

 #include Servo servo; // создадим объект сервопривода long randomNumber; void setup() < servo.attach(9); randomSeed( analogRead(A0) ); >void loop()

Мастер — класс по робототехнике «Управление сервоприводом через потенциометр»

Всем привет! В этой статье мы научим вас управлять сервоприводом SG90 через Потенциометр!

Краткая справка:
Сервопривод — электромеханический мотор, который имеет выходной вал, способный вращаться вокруг своей оси. Мы в своих проектах используем сервоприводы SG90, в роборуке, например, таких аж 4 штуки! Такое сервопривод имеет пластиковый редуктор, из-за чего при большом усилии шестеренки могут сломаться, поэтому лучше не проворачивайте выходной вал мотора вручную, а используйте для этого команды с микроконтроллера:)

Потенциометр — (он же реостат) — резистор с переменным сопротивлением. Вращая ручку потенциометра, можно менять размер проводящего участка, таким образом меняя сопротивление элемента. Собственно, принцип сегодняшнего мастер-класса будет основан на считывании положения ручки потенциометра и в перевод полученного значения в угол Сервомотора.

Для работы нам понадобятся:
— макетная плата
— плата Arduino Nano
— 6 проводов «Папа-Папа»
— Потенциометр на 100 кОм
— Сервопривод SG90

Для начала, соберем схему подключения Сервопривода к плате Arduino Nano. Крайние контакты потенциометра необходимо подключить на контакты 5V и GND на плате (какой из крайних куда не принципиально). Центральный контакт, который как раз подключен к вращающейся ручке потенциометра, подключаем на любой из аналоговых пинов Arduino, мы подключили на пин A0. Схема подключения выглядит так:

В реальной жизни, выглядит так:

Отлично! Теперь нам необходимо написать программу для считывания показаний потенциометра через аналоговый пин A0. Для этого делаем бесконечный цикл считывания показаний с A0 с задержкой 0,1с (задержку можно менять, для более плавного управления), готовый скетч можно скачать по ссылке.

Теперь в мониторе порта (фиолетовая кнопка в правом верхнем углу) мы можем наблюдать считываемые значения. Так как плата Arduino Nano имеет 10-битный АЦП, плата может выдать всего (2^10) = 1024 значения, соответственно, при вращениии ручки потенциометра от одного крайнего положения к другому мы будем видеть значения от 0 до 1023.

Теперь, когда мы умеем извлекать данные с потенциометра, давайте научимся переводить их в углы для сервомотора. Для этого подключим к нашей схеме Сервомотор.

Для управление сервой, необходимо написать код, который будет переводить показания от потенциометра (0 — 1023) в углы Сервомотора (0 — 90 градусов).
Для этого вводим переменную «Коэффициент», равную отношению «Максимального значения потенциометра» к «Максимальному углу сервомотора». В цикл добавляем команду управление сервомотором, угол определяем как считанное значение потенциометра скорректированное (поделенное) на «Коэффициент». Готовый скетч можно скачать по ссылке.

Готово! Теперь при вращении ручки потенциометра, мы вращаем выходной вал Сервомотора! Для того, чтобы наглядно показать практическую пользу от мастер-класса, мы решили подключить к схеме сервопривод, отвечающий за клешню нашей Роборуки. Вот как это выглядит:

Если вы хотите повторить всё проделанное самостоятельно — все необходимые компоненты есть в нашем курсе «Легкий Старт»

Если хотите попробовать немного попрограммировать RobotON Studio — регистрируйтесь на бесплатное занятие:)

Потенциометр (Trema-модуль v2.0)

Trema-модуль Потенциометр отлично подойдет для управления различными проектами. Исполнен в линейке Trema-модулей, благодаря этому вам не придется ничего паять и собирать на макетной плате.

Удобно использовать для настройки скорости вращения двигателя, угла поворота сервопривода, яркости светодиода и многого другого.

Если вы хотите управлять потенциометром линейным движением, а не вращательным, то можете воспользоваться аналогичным вариантом Trema-модуль ползунковый потенциометр.

Видео:

Подключение:

В комплекте имеется кабель для быстрого и удобного подключения к Trema Shield.

На выходе из датчика мы имеем аналоговый сигнал

Датчик подключается к любому из аналоговых входов.

Модуль удобно подключать 3 способами, в зависимости от ситуации:

Способ — 1 : Используя проводной шлейф и Piranha UNO

Используя провода «Папа — Мама», подключаем напрямую к контроллеру Piranha UNO

Способ — 2 : Используя Trema Set Shield

Модуль можно подключить к любому из аналоговых входов Trema Set Shield.

Способ — 3 : Используя проводной шлейф и Shield

Используя 3-х проводной шлейф, к Trema Shield, Trema-Power Shield, Motor Shield, Trema Shield NANO и тд.

Примеры:

Регулировка потенциометром угла поворота сервопривода.

#include // Подключаем библиотеку для работы с сервоприводом Servo servo1; // Объявляем переменную servo типа "servo1" int8_t potencPin = A0; // Указываем номер вывода, к которому подключен потенциометр int16_t Volume = 0; // Определяем переменную для значений, считанных с потенциометра uint8_t konvert = 0; // Определяем переменную для значений, которые будут передаваться как ШИМ-сигнал void setup() < servo1.attach(3); // привязываем сервопривод к выводу 3 >void loop() < Volume = analogRead(potencPin); // Считываем значения с потенциометра konvert = map(Volume, 0, 1023, 0, 180); // Преобразуем полученный интервал значений с потенциометра в интервал для ШИМ-сигнала servo1.write(konvert); // Подаём на вывод сервопривода значение угла поворота >

Ссылки: