Маломощные сервоприводы — компактные электромеханические устройства, предназначенные для точного управления угловым положением вала или скоростью вращения. Они состоят из:
- двигателя постоянного тока;
- редуктора;
- схемы управления;
- датчика обратной связи (обычно потенциометра).
Их применяют, чтобы задавать положение или скорость вала.
Сервоприводы небольшой мощности широко применяются в моделизме, робототехнике, небольших автоматизированных системах благодаря их компактности, доступной стоимости и простому подключению.
С помощью сервоприводов можно управлять движением в различных приложениях: от рулевых механизмов в радиоуправляемых (RC) моделях самолетов, автомобилей и лодок до суставов манипуляторов в робототехнике. Например, в RC-автомобилях сервопривод регулирует угол поворота колес. Их простая конструкция и гибкость управления делают их идеальными для прототипных задач.
Сервоприводы небольшой мощности отличаются от мощных меньшим крутящим моментом (до 15 кг·см), низким рабочим напряжением (4,8–7,2 В) и компактными размерами (обычно 20–60 г, около 40×20×40 мм). Они потребляют меньше энергии, что позволяет использовать их в портативных устройствах. Однако они не подходят для задач с высокими нагрузками, таких как промышленные манипуляторы.
Мощные сервоприводы
Мощные модели предназначены для приложений, требующих значительных усилий и высокой надежности, таких как станки с ЧПУ, промышленные роботы и системы автоматизации производства. Они обладают крутящим моментом свыше 15 кг·см (часто 50–100 кг·см и более), работают при напряжениях 12–48 В и имеют мощность от десятков до сотен ватт. В отличие от маломощных, они оснащаются более сложными схемами управления, часто цифровыми. Их использование возможно при подключении к внешним источникам питания.
Применение мощных сервоприводов включает управление тяжелыми механизмами, такими как конвейеры, роботизированные манипуляторы и системы точного позиционирования в аэрокосмической промышленности. Их конструкция более прочная. Как правило, установлены бесколлекторные двигатели, что обеспечивает долговечность и высокую эффективность таких агрегатов. К их недостаткам относятся более высокая цена и сложность подключения по сравнению с маломощными сервоприводами.
Характеристики сервоприводов
Понимание характеристик необходимо для управления и выбора подходящего устройства. Для управления сервоприводами важно учитывать следующие параметры, которые определяют их производительность и область применения.
1. Крутящий момент.
Крутящий момент — это сила, с которой сервопривод вращает вал. Для маломощных сервоприводов он составляет 1–15 кг·см (0,1–1,5 Н·м). Например, популярная модель TowerPro SG90 обеспечивает момент 1,8 кг·см при 4,8 В, а MG995 — до 10 кг·см при 6 В. Расчет момента проводится по известной формуле M = F × d, где F — сила (в кг), d — расстояние от оси вращения (в см). Эта характеристика критически важна для задач, где сервопривод должен преодолевать сопротивление, например в рулевом управлении автомобилей.
2. Рабочее напряжение.
Рабочее напряжение для сервопривода обычно находится в диапазоне 4,8–7,2 В, что делает приборы совместимыми с батарейным питанием, например 5 В от USB или 6 В от NiMH-аккумуляторов. Ток потребления варьируется от 100–200 мА в режиме холостого хода до 1-2 А при максимальной нагрузке. Например, MG995 потребляет до 1,2 А при застопоренном роторе. Неправильное напряжение может привести к перегреву или поломке двигателя, поэтому выбор источника питания с необходимыми характеристиками — важное требование.
3. Максимальный угол поворота.
Маломощные сервоприводы делятся на два вида по углу вращения: стандартные (до 180°) и непрерывного вращения (360°). Эта характеристика определяет тип задач, для которых подходит сервопривод. Стандартные модели, такие как SG90, точно задают положение вала в диапазоне 0–180°, что подходит для управления рулевыми поверхностями в RC-моделях. Сервоприводы непрерывного вращения, такие как DS04-NFC, управляют скоростью и направлением, а не положением. Это делает их идеальными для колесных роботов.
4. Скорость поворота.
Скорость вращения вала измеряется в секундах на 60 градусов и для маломощных сервоприводов составляет 0,1–0,2 с/60° при 4,8–6 В. Например, SG90 имеет скорость 0,12 с/60° при 4,8 В, а MG995 — 0,17 с/60° при 6 В. Высокая скорость важна для динамичных приложений, таких как RC-автомобили, где требуется быстрый отклик. Эта характеристика влияет на динамику работы устройства.
5. Размеры и вес.
Эти характеристики важны, когда подбирают устройство для конкретного приложения.
Маломощные сервоприводы имеют компактные размеры, которые варьируются от 23×12×29 мм (SG90, 9 г) до 40×20×40 мм (MG995, 55 г). Это позволяет использовать их для небольших устройств, таких как дроны, роботизированные платформы или камерные стабилизаторы.
Способы управления сервоприводом
Для управления сервоприводами используются различные методы — от простых тестеров до цифровых контроллеров. Управляющий сигнал — это ШИМ (широтно-импульсная модуляция) с частотой 50 Гц и длительностью импульсов 0,5–2,5. Рассмотрим основные способы управления сервоприводами.
1. Тестер сервопривода.
Тестер — это простое устройство, генерирующее ШИМ-сигнал для проверки и настройки сервопривода. Он позволяет вручную задавать положение вала без программирования, что удобно для диагностики и изучения принципа работы сервопривода. Тестер подключается напрямую к сервоприводу через три провода: питание (4,8–6 В), земля и сигнальный провод. Это простое подключение делает тестеры популярными среди начинающих разработчиков.
2. Управление через GPIO микрокомпьютера Repka Pi.
Для управления сервоприводами через Repka Pi или Raspberry Pi используется подключение к портам GPIO. Схема подключения включает три линии: питание (5-6 В), земля и сигнальный пин GPIO.
С помощью библиотеки pigpio на Python можно генерировать ШИМ-сигнал с длительностью импульсов 0,5–2,5 мс, где 1,5 мс соответствует нейтральному положению вала. Например, импульс 1 мс задает положение 0°, а 2 мс — 180°.
Чтобы управлять сервоприводами удаленно, используют цифровой контроллер.
3. Управление сервоприводом постоянного вращения DS04-NFC.
Сервопривод DS04-NFC относится к виду непрерывного вращения, где ШИМ-сигнал управляет скоростью и обратным направлением вращения вала, а не положением. Импульс длительностью 1,5 мс останавливает двигатель; импульсы короче 1,5 мс вращают вал в одну сторону, длиннее — в обратную. DS04-NFC подходит для задач, таких как колесный привод в роботах. Управление осуществляется через цифровой контроллер, например Arduino.
Калибровка сервопривода
Калибровка сервопривода необходима для точной работы в заданных пределах, обеспечивая корректное позиционирование или регулировку скорости. Она включает настройку нейтрального положения и определение границ движения вала.
Установка сервопривода в нейтральное положение
Нейтральное положение вала стандартного сервопривода соответствует углу 90° и достигается при ШИМ-импульсе длительностью 1,5 мс. Для сервопривода используется тестер или цифровой контроллер, такой как Arduino, отправляющий сигнал 1,5 мс. Если вал отклоняется от центра, потенциометр (встроенный датчик обратной связи) позволяет скорректировать настройку механически или программно.
Определение длины импульсов для крайних положений вала
Для стандартных сервоприводов крайние положения вала задаются импульсами 0,5 мс (0°) и 2,5 мс (180°). Калибровку выполняют с помощью контроллера Arduino. Он отправляет импульсы разной длительности для проверки диапазона вращения. Точные значения могут варьироваться из-за производственных допусков. По этой причине следует тестировать сервопривод для каждого конкретного случая.
Калибровка сервопривода постоянного вращения DS04-NFC
Для DS04-NFC калибровка — подбор импульсов для управления скоростью и обратным направлением. Нейтральное положение (остановка вала) достигается импульсом около 1,5 мс, однако точное значение может отличаться. Импульсы 1 мс и 2 мс задают максимальную скорость в прямом и обратном направлениях. Настройка для стабильной работы проводится с помощью тестера или платы Arduino.
Заключение
Маломощные сервоприводы — универсальные устройства, обеспечивающие точное управление движением в компактных системах. Их характеристики, такие как крутящий момент, скорость, угол вращения и размеры, делают их идеальными для моделизма, робототехники и образовательных проектов. Для управления сервоприводами используются простые тестеры, цифровые контроллеры или микрокомпьютеры. Точная калибровка обеспечивает надежную работу, будь то позиционирование или непрерывное вращение. При условии правильного выбора и настройки сервоприводы эффективно решают задачи в самых разных приложениях.
