Έλεγχος κινητήρων σέρβο

servo_motor
servo_motorservo_driver_with_555_in_breadboardservo_driver_with_555_in_breadboard_2
2 5 2 Product


Μικροί κινητήρες σέρβο μπορούν εύκολα να ελεγχθούν από το απλό κύκλωμα που περιγράφουμε εδώ. Το κύκλωμα ελέγχου σέρβο βασίζεται στο 555 και είναι στην πραγματικότητα ένας ασταθής πολυδονητής σταθερής συχνότητας και μεταβλητού εύρους παλμών.

Το κύκλωμα μπορεί να τροφοδοτηθεί με τάσεις από 4.5 έως 12V και η τάση τροφοδοσίας θα πρέπει να είναι ίση με την ονομαστική τάση λειτουργίας του κινητήρα σέρβο που επιθυμούμε να ελέγχουμε. Το αρχικό κύκλωμα που σχεδιάσαμε δοκιμάστηκε στα 5V. Δεδομένου όμως ότι ο χρονισμός του 555 δεν επηρεάζεται από την τάση τροφοδοσίας, το κύκλωμα αναμένεται να λειτουργεί άψογα με οποιαδήποτε τάση τροφοδοσίας.

Servo motor

Οι μικροί κινητήρες σέρβο (radio control ή RC servos) έχουν τρία καλώδια. Τα δύο απο αυτά είναι για την τάση τροφοδοσίας και το ένα είναι για το σήμα ελέγχου. Οι κινητήρες σέρβο ελέγχονται με την τεχνική PWM (pulse width modulation), δηλαδή με παλμούς μεταβλητού εύρους. Η θέση που θα στραφεί ο άξονας του κινητήρα καθορίζεται από μία παλμοσειρά που εφαρμόζεται στο καλώδιο ελέγχου. Η παλμοσειρά αποτελείται από επαναλαμβανόμενους όμοιους παλμούς και το εύρος των παλμών καθορίζει τη συγκεκριμμένη θέση - γωνία  στην οποία θα στραφεί ο άξονας του κινητήρα.

Ο χρονισμός που απαιτούν οι σέρβο κινητήρες γενικώς διαφέρει από κατασκευαστή σε κατασκευαστή αλλά σε σε γενικές γραμμές όλοι οι σέρβο κινητήρες στρέφονται στην ουδέτερή τους θέση (σε γωνία 90ο) όταν εφαρμόζονται παλμοί εύρους περίπου 1.5 milliseconds (ms) στον ακροδέκτη ελέγχου τους. Oι παλμοί ελέγχου θα πρέπει να αποστέλλονται συνεχώς με ρυθμό από 40 έως 200 παλμοί ανά δευτερόλεπτο (δηλαδή με συχνότητα από 40 Hz έως 200 Hz). Η ακριβής συχνότητα επανάληψης των παλμών δεν είναι ιδιάιτερα σημαντική καθόσον φυσικά βρίσκεται εντός των ορίων που προαναφέραμε.

Κύκλωμα ελέγχου κινητήρων σέρβο
Το κύκλωμα ελέγχου κινητήρων σέρβο με το 555


Το κύκλωμα ελέγχου σέρβο κινητήρων με το 555 που παρουσιάζουμε εδώ σχεδιάστηκε για κινητήρες σέρβο με τις κάτωθι προδιαγραφές:

  • Τάση τροφοδοσίας: 5 με 12 V
  • Συχνότητα παλμών ελέγχου = 50 Hz (20 ms / κύκλο)
  • Στροφή τέρμα αριστερόστροφα /(0°) με εύρος παλμού = 1 ms
  • Στροφή στην ουδέτερη θέση/(90°) με εύρος παλμού = 1.5 ms
  • Στροφή τέρμα δεξιόστροφα /(180°) με εύρος παλμού = 2 ms
Servo control
Έλεγχος σέρβο

Έτσι λοιπόν, το κύκλωμα του ασταθή πολυδονητή σχεδιάστηκε για να παράγει μία κυματομορφή συχνότητας 50Hz. Σε αυτή την κυματομορφή, το έυρος του παλμού στη διάρκεια ενός κύκλου λειτουργίας μπορεί να ρυθμιστεί μεταξύ 1 και 2ms από το ποτενσιόμετρο VR1.

Γενικώς, οι προδιαγραφές του κυκλώματος αρκούν για τον έλεγχο των  περισσοτέρων σέρβο. Ακόμη όμως κι αν τύχει τα όρια 1 έως 2ms να μην επαρκούν για τον πλήρη έλεγχο κάποιου σέρβο (στροφή σε όλες τι θέσεις), μπορούν να γίνουν μετατροπές στις τιμές των εξαρτημάτων για να εξασφαλιστούν τα απαιτούμενα όρια λειτουργίας.  Για παράδειγμα, αν χρησιμοποιηθεί ένα ποτενσίομετρο 22KΩ αντί γι αυτό των 10KΩ που προβλέπεται στο αρχικό κύκλωμα, τα όρια του εύρους των παλμών μπορούν να μετατεθούν στην ευρύτερη περιοχή από 0.5 έως 2.5 ms.

Το κύκλωμα παράγει παλμούς μεταβλητού εύρους αλλά η συχνότητα των  παλμών παραμένει σταθερή. Αυτό συμβαίνει διότι ο ασταθής πολυδονητής που χρησιμοποιούμε στο κύκλωμά μας διαφέρει από την κλασική συνδεσμολογία ασταθούς λειτουργίας του 555. Στο κύκλωμά μας χρησιμοποιούμε διαφορετικούς κλάδους για τη φόρτιση και την εκφόρτιση του C1. Ο C1 φορτίζεται μέσω της D2 αλλά εκφορτίζεται μέσω της D1. Το ποτενσιόμετρο VR1 χρησιμοποιείται για να διατηρεί συμμετρικές πτώσεις τάσης μεταξύ των δύο κλάδων και έτσι ρυθμίζει το εύρος των παλμών χωρίς να επηρεάζει τη συχνότητα του ταλαντωτή. Τη στιγμή που ο δρομέας του ποτενσιομέτρου στρέφεται προς μία κατεύθυνση, η αντίσταση που προστίθεται στον ένα κλάδο αφαιρείται από τον άλλο. Με αυτό τον τρόπο, ο συνολικός κύκλος φόρτισης - εκφόρτισης του C1 διατηρείται σταθερός αλλά αλλάζουν οι επιμέρους χρόνοι φόρτισης και εκφόρτισης που ρυθμίζουν το εύρος των παλμών της παραγόμενης κυματομορφής.