Датчики

7. SG-90

Сервопривод SG-90

Сервопривод - это мотор-редуктор, способный поворачивать выходной вал в заданное положение (на заданный угол) и удерживать его в этом положении, вопреки сопротивлениям.

Сервоприводы — семейство устройств, состоящих из двигателя и системы управления на основе отрицательной обратной связи. Главной отличительной чертой таких приводов является возможность точного управления параметрами движения, например, скоростью, усилием или удерживаемым положением вала. В любительской сфере в сервоприводах обычно контролируется последний параметр – положение вала.

Общее устройство и принцип работы

Логика работы сервопривода довольно проста. На вход подается управляющий ШИМ сигнал, который сравнивается с сигналом, генерируемым системой обратной связи. И если длительность импульса сигнала обратной связи оказывается короче длительности импульса ШИМ сигнала, то двигатель вращается в одном направлении, а если длиннее, то в противоположном. Если же импульсы сигналов совпадают, то двигатель остается неподвижным.

Важным моментом здесь является то, что длительность импульсов обратной связи регулируется встроенным потенциометром, положение вала которого устанавливается валом двигателя через зубчатую передачу: куда вал двигателя, туда и ручка потенциометра. Таким образом за любом движением вала двигателя последует изменение длины импульсов сигала обратной связи. Эта сцепка и образует обратную связь. Увидеть ее можно на схеме устройства серводвигателя выше.

Стоит отметить, что сам двигатель постоянного тока приводится в движение тоже импульсным сигналом. Длина импульса этого сигнала есть разность длины импульса входного ШИМ сигнала и импульса обратной связи. Отсюда становится вполне очевидно, почему двигатель остается неподвижным, когда длины импульсов равны. Однако на практике, по причине плохого качества сигнала, погрешности, изношенности потенциометра и инерции может возникать дребезг, приводящий к хаотичным, небольшим по амплитуде подергиваниям двигателя (в англ. терминологии – jitter). Для борьбы с этим явлением управляющей электронике задается условие, согласно которому слишком маленькие разности между импульсами игнорируются и не приводят к генерации импульсов управления двигателем. Например, могут игнорироваться все разности короче 4 мкс. Эта зона нечувствительности получила название «мертвая зона» (в англ. терминологии – deadband).

Направление вращения вала двигателя задается полярностью напряжения сигнала.

Основные характеристики сервоприводов

Тип сервопривода: аналоговые и цифровые

Главное отличие между аналоговыми и цифровыми сервоприводами состоит в способе обработки управляющего сигнала и сигнала обратной связи. В остальном их устройство и принципы работы совпадают.

Большинство аналоговых моделей, в силу особенностей устройства плат их управления, способны принимать и обрабатывать управляющие импульсы с частотой 50 Гц, то есть каждые 20 мс. Как следствие и сигналы на двигатель тоже отправляются каждые 20 мс. Это значит, что чем ближе вал к своему «пункту назначения», заданному управляющим ШИМ сигналом, тем слабее сигнал, посылаемый на двигатель, ведь длина его импульсов сокращается по мере приближения к заданной позиции. Поэтому при малых отклонениях двигатель уже не может развивать большой момент силы. Кроме того нельзя забывать про наличие у сервоприводов «мертвых зон».

В цифровых сервоприводах эти недостатки в значительной степени устраняются доработкой платы управления, а именно – применением специальных микроконтроллеров. Данное техническое решение позволяет увеличить частоту сигналов до 200 Гц и более. В результате сервопривод становится более шустрым: быстрее реагирует на внешние воздействия и развивает необходимый крутящий момент, мертвые зоны становятся намного короче.

Цифровые сервоприводы решают проблемы, связанные с низкой частотой сигналов, но вместе с тем становятся сложнее в производстве, а потому – дороже. Кроме того они потребляют больше энергии, чем аналоговые.

Угол поворота

Одной из характерных особенностей большинства сервоприводов является ограниченный угол поворота вала. Это объясняется использованием потенциометра в качестве датчика положения. Среди сервоприводов, распространенных в любительской сфере, наиболее часто встречаются модели с допустимым углом поворота 60°—180°, хотя можно встретить и приводы рассчитанные на 360°.

Момент силы (крутящий момент)

С практической точки зрения этот параметр говорит нам, какого веса тяжесть способен удерживать сервопривод на плече указанной длины. Например, сервопривод с моментом силы 2 кгс∙см может удерживать груз весом 2 кг на горизонтальном рычаге длиной 1 см.

Более строгая формулировка звучит следующим образом: момент силы есть векторная физическая величина, равная векторному произведению вектора силы и радиус-вектора, проведённого от оси вращения к точке приложения этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело.

Единица измерения данной величины в системе СИ — ньютон-метр [Н∙м], но на практике часто можно встретить другую единицу — килограмм-силы-сантиметр [кгс∙см]. Также кгс∙см часто записывают как кг∙см.

1 кгс∙см ≈ 0,098 Н∙м.

Скорость

Скорость сервопривода традиционно измеряется в секундах на 60° [сек/60°]. Эта величина говорит о том, за сколько секунд выходной вал сервопривода повернется на 60°.

Стоит отметить, что обычно более скоростные приводы имеют меньший момент силы, и наоборот – более мощные серводвигатели крутятся медленнее, чем менее мощные.

Мертвая зона

Как уже было описано выше, мертвые зоны предусмотрены с целью предотвращения возможного «дребезжания» (jitter) двигателя. Однако слишком большие мертвые зоны отрицательно сказываются на точности позиционирования вала привода. Слишком же короткие мертвые зоны могут недостаточно эффективно справляться со своей задачей.

Обычно «ширина» мертвой зоны указывается в микросекундах. Например, наличие мертвой зоны в 4 мкс говорит о том, что всякая разность импульсов управляющего сигнала и сигнала обратной связи короче 4 мкс будет игнорироваться платой управления и не будет приводить к генерации сигнала управления двигателем.

Спецификация SG-90:

Вес серво	9 грамм
Размеры	21.5мм X 11.8мм X 22.7мм
Напряжение питания	4,8 ... 6 В
Момент (усилие)	1.2 кг*см при напряжении 4,7В
Время поворота на 60°	0,12 сек. при напряжении 4,7В
Рабочая температура	-30°C … +60°C
Длина кабеля	23 см
Материал шестерней	Нейлон
Механика	Аналоговая
Dead-set	7 мкс

Подключение к контроллеру Arduino:

Pin Brown = connect to - / GND
Pin Orange = connect to +5V
Pin Yellow = in this example connect to Digital port

Источник