16_11.pdf

Robotyka

Sterownik

serwomechanizmów

2217

Tym razem Autor zaprasza

Czytelników na niebezpieczną

wyprawę. Udamy się na teren

bagnisty i grząski, gdzie słońce nigdy

nie wschodzi, a ziemia usiana jest

kośćmi śmiałków, którzy niebacznie

zapuścili się na ten opuszczony

przez bogów i ludzi obszar. Sytuacja

nie jest jednak beznadziejna i należy

mieć nadzieję, że nasze kości nie

będą bielały obok szczątków innych

elektroników, którzy prowadzili

nierówną walkę z... mechaniką!

Wygraliśmy już przecież jedną

bitwę: walkę o skonstruowanie

napędu do pojazdów mechanicznych

nie wymagającego stosowania

skomplikowanej przekładni.

Na początku roku 1997 możemy bez

przesady stwierdzić, że konstruowanie

układów elektronicznych przestało być

większym problemem. Zaprojektować

możemy praktycznie każdy układ elekt−

roniczny, realizujący dowolne funkcje.

Ważny jest tylko ciekawy pomysł,

a reszta to już rutynowe prace projek−

towe.

Każde urządzenie elektroniczne musi

jednak do czegoś służyć, choćby do ro−

bienia dowcipów. Musi posiadać jakieś

wejścia i wyjścia służące wprowadzaniu

danych i prezentacji efektów pracy ukła−

du. Najczęściej nie mamy z tym więk−

szych kłopotów. Na rynku dostępne są

wszelkiego rodzaju klawiatury, wyświet−

lacze, przetworniki elektroakustyczne,

wystarczy tylko odpowiednio połączyć

kabelki. Kłopoty zaczynają się w momen−

cie, kiedy efektem pracy układu elektro−

nicznego ma być działanie mechaniczne:

poruszanie “czegoś”. Weźmy najprost−

szy przykład: chcemy zbudować model

samochodu lub statku. Nie jest na razie

istotne, czy nasz model będzie sterowa−

ny drogą radiową, podczerwienią czy też

najprostszą metodą: kablem. W każdym

wypadku musimy drogą elektroniczną

przekazać do modelu informacje o kącie,

pod jakim musi zostać ustawiony me−

chanizm skrętny kół lub ster kierunku. In−

formacje takie przekazać łatwo, ale co

ma poruszać mechanizmy wykonawcze?

Co ma ustawić np. ster wysokości

w modelu samolotu? Musi to być wyko−

nane z wielką precyzją i praktycznie bez

jakiegokolwiek opóźnienia. Mechanizm

wykonawczy musi się poruszyć o do−

kładnie taki sam kąt, o jaki przesunęliś−

my manipulator w nadajniku. Albo inny

przykład: chcemy zdalnie sterować ka−

merą video podczas wykonywania zdjęć

przyrodniczych, lub też poruszać kamerą

w systemie dozoru. Samodzielne wyko−

nanie potrzebnych nam układów mecha−

nicznych raczej nie wchodzi w grę, chy−

ba że ktoś jest fanatycznym wielbicielem

mechaniki precyzyjnej i posiada odpo−

wiednio wyposażoną pracownię. Na

szczęście takie układy mechaniczne są

od dawna produkowane seryjnie i moż−

na je bez większych problemów nabyć

za niewygórowaną cenę. Są to serwo−

mechanizmy modelarskie.

Kolegów, którzy zajmują się także mo−

delarstwem, autor prosi o opuszczenie

poniższego fragmentu artykułu, ponie−

waż będzie w nim mowa o sprawach

doskonale im znanych. Natomiast tych

Czytelników, którzy dotąd nie zetknęli

się z tymi niezmiernie użytecznymi ele−

mentami zapraszam do lektury. Autor

ma zamiar wyjaśnić zasadę działania ser−

womechanizmu, w skrócie omówić za−

sady ich stosowania i oczywiście zapro−

ponować prosty układ elektroniczny ste−

rujący dwoma serwami. Układ ten został

zaprojektowany jako sterownik mecha−

nizmu pozycjonującego kamerę telewizji

przemysłowej w systemie nadzoru, ale

może znaleźć także inne zastosowania.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97

Robotyka

Rys. 1. Serwomechanizm.

Czym jest więc ten tak reklamowany

przez autora serwomechanizm? Produ−

kowane są serwomechanizmy różnych

typów: od potężnych urządzeń do zasto−

sowań przemysłowych, skomplikowa−

nych siłowników napędzających stery

samolotów w systemie “FLY BY WI−

RE”, aż po proste i tanie serwa modelar−

skie. Na fotografii pokazano właśnie taki

serwomechanizm: urządzenie wielkości

pudełka zapałek, zaopatrzone w rucho−

me kółeczko i kabelek zasilający.

Serwomechanizm modelarski składa

się z następujących bloków funkcjonal−

nych (patrz rysunek 1

Rys. 2. Schemat blokowy serwomechanizmu.

Rys. 3. Przebiegi sterujące.

rysunek 1):

1.Silnika napędowego. Jest to silnik ko−

mutatorowy prądu stałego, pracujący

w zakresie napięć od 4,8 do 6VDC. Po−

mimo niepozornych wymiarów silnik

taki wyróżnia się bardzo starannym

wykonaniem i bardzo wielką spraw−

nością. Zastosowanie takiego właśnie

silnika jest konieczne, ponieważ ser−

wo musi pracować z dużą prędkością

i jednocześnie wytwarzać duży mo−

ment obrotowy, czyli spełniać dwa,

sprzeczne ze sobą warunki.

2.Przekładni mechanicznej. Jest to po

prostu zespół kółek zębatych wykona−

nych najczęściej z wysokiej jakości

tworzywa sztucznego. Zadaniem prze−

kładni jest redukcja wysokich obrotów

silnika i zapewnienie dużego momen−

tu obrotowego serwa.

3.Potencjometru osadzonego bezpo−

średnia na wale napędzającym mecha−

nizmy wykonawcze. Napięcie na środ−

kowej nóżce potencjometru jest ściśle

proporcjonalne do kąta pod jakim aktu−

alnie ustawione jest kółko sterujące

mechanizmem wykonawczym.

4. Układu elektronicznego zrealizowane−

go z zasady na jednym, wyspecjalizo−

wanym układzie scalonym. Zadaniem

“elektronicznego serca” serwa jest

porównanie napięcia otrzymywanego

z potencjometru z napięciem otrzyma−

nym po przetworzeniu informacji po−

danej na wejście układu (np. z odbior−

nika radiowego) i takie sterowanie kie−

runkiem obrotów silnika, aby te napię−

cia były równe. Jest to klasyczny przy−

kład sprzężenia zwrotnego, równie

“podręcznikowy” jak regulator Watta.

Na rysunku 2

pomiarowego. Czasowe przesunięcie

impulsów w dwóch kanałach jest w na−

szym układzie dziełem przypadku. Nato−

miast rysunek nieźle oddaje rzeczywiste

przesunięcia czasowe, które występują

w aparaturze radiowej do zdalnego ste−

rowania.

Wielu Czytelników z pewnością spy−

ta, dlaczego impulsy sterujące nadawa−

ne są w tak dużych odstępach? Powód

jest bardzo prosty: “pozostały” czas

przeznaczony jest na przesłanie informa−

cji do innych serwomechanizmów, co

najlepiej ilustruje rysunek 4

rysunek 4

rysunku 2 pokazano schemat blo−

kowy serwomechanizmu, ale dla nas

najbardziej interesująca będzie infor−

macja o rodzaju sygnału wejściowego,

jaki musi zostać dostarczony na we−

jście serwa.

Przebieg tego sygnału został pokaza−

ny na rysunku 3

rysunku 2

rysunku 3. Został ona zarejestro−

wany bezpośrednio z wyjścia odbiornika

zdalnego sterowania za pomocą progra−

mu “Oscyloskop na PC” (błędna nazwa,

jest to analizator stanów logicznych). Jak

widać na rysunku, z odbiornika wysyłane

są do serwomechanizmu w odstępach

ok. 20ms krótkie impulsy dodatnie o cza−

sie trwania od 1 do 2ms. Właśnie czas

trwania tych impulsów decyduje o war−

tości napięcia porównywanego z napię−

ciem otrzymywanym z potencjometru

rysunku 3

Rys. 4. Przebiegi przy sterowaniu

kilkoma serwomechanizmami.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97

rysunek 1

rysunek 4.

Największymi zaletami serwomecha−

nizmu jest jego duży (kilka kilogramów)

moment obrotowy i wielka szybkość

działania. Można nawet zaryzykować

stwierdzenie, że serwo reaguje bez

opóźnienia, ponieważ człowiek nie jest

w stanie tak szybko przesunąć drążka

rysunek 4

Robotyka

Rys. 5. Przykłady wykorzystania serwomechanizmu.

łej jakości kompletny układ napędowy do

modeli pojazdów! Oczywiście układ

elektroniczny sterujący pracą serwa nie

jest wtedy potrzebny, ponieważ silnik

dołączamy bezpośrednio do zasilania

(można tu wykorzystać moduł sterowni−

ka silników prądu stałego wchodzący

w skład kitu AVT−2047). Jakie zalety i ja−

kie wady w porównaniu z silnikiem kro−

kowym ma taki napęd? Autor pozosta−

wia rozstrzygnięcie tej sprawy Czytelni−

kom. Jedno jest pewne: uszkodzonych

serwomechanizmów nie należy nigdy

wyrzucać! W przypadku awarii elektroni−

ki wykorzystamy zawsze silnik z prze−

kładnią, a w razie uszkodzenia elemen−

tów mechanicznych dla części elektro−

nicznej zawsze znajdziemy ciekawe za−

stosowania. Większość serwomechaniz−

mów potrzebnych do testów i badań nie−

zbędnych do napisania tego artykułu au−

tor otrzymał od kolegi z redakcji Młode−

go Technika. Jest on modelarzem spe−

cjalizującym się w akrobacji samoloto−

wej i należy w tej dziedzinie do ścisłej

światowej czołówki. Serwa całkowicie

dla niego bezużyteczne, nadające się je−

go zdaniem jedynie do wyrzucenia, oka−

zały się pełnowartościowymi urządzenia−

mi dla nas, profanów.

Czas wreszcie przejść od teorii do

praktyki i zaproponować Czytelnikom

budowę chyba najprostszego z możli−

wych sterownika serwa, a właściwie

dwóch serwomechanizmów. Układ zo−

stał zaprojektowany z myślą o zastoso−

waniu do zdalnego (jak na razie z wyko−

rzystaniem kabla) pozycjonowania kame−

manipulatora, aby takie opóźnienie było

zauważalne. Mechanizmy te cechuje

z zasady duża trwałość i niezawodność.

Od ich jakości zależy bowiem bezpie−

czeństwo modelu, którego wartość wy−

nosi nieraz kilkanaście i więcej milionów

starych złotych (nie licząc trudnej do

oszacowania wartości ogromnego nakła−

du pracy włożonej w jego wykonanie)!

Większość produkowanych współcześ−

nie serwomechanizmów modelarskich

posiada standardowe wymiary. Są one

także z zasady zasilane z typowego

(4,8...6VDC) napięcia zasilania i są stero−

wane w identyczny sposób. Zakres na−

pięć zasilających wynika z faktu, że od−

biorniki radiowe aparatur do zdalnego

sterowania i serwomechanizmy zasilane

są z zasady ze wspólnego źródła, którym

są cztery baterie R6 lub cztery akumula−

torki NiCd.

rysunku 5 pokazano chyba najbardziej ty−

powe zastosowanie serwa do napędu

steru kierunku samolotu lub statku. Ry−

sunek nie wymaga chyba komentarza,

może z wyjątkiem stwierdzenia, że za−

miast steru może być przez serwo stero−

wana np. ręka robota.

Warto jeszcze wspomnieć o nietypo−

wym, ale bardzo ciekawym zastosowa−

niu serwa. Otóż w większości tych me−

chanizmów możliwe jest usunięcie po−

tencjometru i blokady uniemożliwiającej

obrót kółka napędowego o kąt większy

niż ok. 270 o . Co nam daje taka przerób−

ka? W jej wyniku otrzymujemy doskona−

Rys. 6. Schemat ideowy układu sterowania.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97

rysunku 5

Jak należy stosować te niezwykle cie−

kawe urządzenia? Nie będziemy tu za−

jmować się rozwiązywaniem problemów

mechanicznych i podamy jedynie prosty

przykład, pozostawiając szczegółowe

rozwiązanie wyobraźni Czytelników. Na

rysunku 5

Robotyka

mów, omówimy działanie tylko jednego

z nich.

Zadaniem generatora multistabilnego

zrealizowanego na układzie U1 jest ge−

nerowanie krótkich impulsów w odstę−

pach co 20ms. Impulsy te wyzwalają ge−

nerator monostabilny − U2. Czas trwania

impulsów generowanych przez ten

układ jest zależny od aktualnej wartości

połączonych szeregowo − równolegle re−

zystancji R3, R4, PR1, PR2 i P1. Poten−

cjometry montażowe służą do jednora−

zowego ustawienia zakresu zmian regu−

lacji długości impulsów wyjściowych.

Natomiast potencjometr P1 jest właści−

wym elementem sterującym. Od jego

położenia zależeć będzie kąt pod jaki zo−

stanie ustawiony mechanizm wykonaw−

czy serwomechanizmu. W układzie mo−

delowym sygnały sterujące przekazywa−

ne były do serwomechanizmów drogą

przewodową. Można pomyśleć o zasto−

sowaniu transmisji innego rodzaju, ale

opisany układ nie bardzo nadaje się do

współpracy z nadajnikami radiowymi czy

też aparaturą sterującą pracującą w pod−

czerwieni. Układ aparatury zdalnego ste−

rowania z możliwością przesłania infor−

macji do czterech serwomechanizmów

jest obecnie opracowywany i zostanie

opublikowany w jednym z najbliższych

numerów EdW. To chyba wszystko, co

można powiedzieć o tak prostym ukła−

dzie.

Montaż i uruchomienie

Mozaika ścieżek płytki drukowanej

układu została pokazana na wkladce,

a rozmieszczenie elementów na rysunku

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

PR1, PR3: 100k W

PR2, PR4: 4,7k W

P1, P2: 47k W /A obrotowy

R1, R5: 560 W

R2, R6: 270k W

R3, R7: 8,2k W

R4, R8: 47k W

Kondensatory

C1, C3, C5, C7: 10nF

C2, C4, C6, C8, C10: 100nF

C9: 100µF/16V

Półprzewodniki

Rys. 7. Rozmieszczenie elementów

na płytce drukowanej.

Półprzewodniki

U1...U4: NE555

Różne

Z1: 6 goldpin jednorzędowy

Z2: ARK2

ry video zamocowanej na kolejnym

wcieleniu raabowozu. Może on jednak

zostać użyty do zupełnie innych celów,

wszędzie tam, gdzie potrzebne jest płyn−

ne i szybkie obracanie jakimś elemen−

tem mechanicznym.

Opis ukladu

Schemat elektryczny układu pokazany

został na rysunku 6

rysunku 6. Oczywiście, znowu

NE555 i to aż cztery kostki! Od razu wia−

domo, kto ten układ projektował! Ale

bądźcie sprawiedliwi, Drodzy Czytelnicy,

czy w inny sposób można było zrealizo−

wać ten układ prościej i taniej? NE555 to

naprawdę wspaniały układ i nie jest

przesadą twierdzenie, że potrafi on pra−

wie wszystko.

Jak już wspomnieliśmy, zadaniem na−

szego układu będzie wysyłanie do ser−

womechanizmu impulsów o regulowa−

nym czasie trwania 1...2ms w odstę−

pach co 20ms. Tę właśnie funkcję reali−

zuje proponowane urządzenie. Ponie−

waż składa się ono z dwóch identycz−

nych bloków funkcjonalnych, po jed−

nym dla każdego z serwomechaniz−

jąc od elementów najmniejszych, czyli

od wlutowania zworki oznaczonej na

stronie opisowej literą Z. Serwomecha−

nizmy dołączamy do układu za pośred−

nictwem złącza typu goldpin − Z1. Aby

uniemożliwić ewentualną pomyłkę kolo−

ry przewodów zasilających serwa zosta−

ły odpowiednio oznaczone na płytce (B −

czarny, R − czerwony, Y − żółty). Układ

nie wymaga uruchamiania, lecz tylko

prostej regulacji. Potencjometrami mon−

tażowymi regulujemy układ tak, aby

w skrajnych położeniach potencjomet−

rów P1 i P2 kółka serwomechanizmów

przyjmowały także skrajne położenie.

Układ modelowy zmontowano we

współpracy z serwomechanizmem

RS2001MG (PRAFA).

Jeżeli poruszony w tym artykule te−

mat spotka się z zainteresowaniem Czy−

telników, AVT dołoży starań aby serwo−

mechanizmy modelarskie znalazły się

w jej ofercie handlowej.

rysunku

7. To, co widzimy na rysunku, odbiega

nieco od wyglądu prototypu pokazanego

na fotografii. Dwa złącza typu ARK2 zo−

stały zastąpione jednym złączem typu

goldpin. Umożliwia to wygodniejsze do−

łączenie serwa do układu za pośrednict−

wem typowej wtyczki. Montaż wykonu−

jemy w sposób tradycyjny, rozpoczyna−

rysunku

Zbigniew Raabe

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/97

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

Kondensatory

Półprzewodniki

Różne

rysunku 6

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: