koder i dekoder w systemnie proporcjonalnym.pdf

Projekty AVT

sterowania w systemie

proporcjonalnym

2285

Na łamach EdW temat zdalnego stero−

wania modeli był jak dotąd niezbyt dob−

rze traktowany, pomimo że wielu Czytel−

ników domaga się w swoich listach opra−

cowania i zamieszczenia w EdW opisu

aparatury RC (Remote Control) przezna−

czonej dla modelarzy. Ja szczególnie

czuję się w tej sprawie winny, ponieważ

jestem także modelarzem, wprawdzie

z braku czasu niezbyt ostatnio aktywnym.

Niestety, nie mam dla moich Czytelników

zbyt dobrych wiadomości. Jak dotąd, nie

udało nam się opracować układu kom−

pletnej aparatury RC nadającej się do kie−

rowania wszelkiego rodzaju modelami.

Problem tkwi nie w części cyfrowej takiej

aparatury, lecz w radiowym kanale łącz−

ności, którego poprawne wykonanie jest

w warunkach amatorskich niezwykle

trudne. Pewnym pocieszeniem jest dla

mnie fakt, że dobrej klasy aparaturę RC,

nadającą się do kierowania modeli latają−

cych, potrafi wyprodukować jedynie kilka

firm na świecie. Pisałem już Wam o tym:

aparatura do kierowanie modelami latają−

cymi musi spełniać bardzo ostre kryteria

niezawodności, praktycznie niemożliwe

do spełnienia przez nawet zaawansowa−

nego elektronika hobbystę. Co zatem

mamy zrobić z tak ciekawym tematem?

Odłożyć ad acta i zabrać się za coś inne−

go? W żadnym przypadku, postaramy się

zrobić następny krok naprzód i nawet je−

żeli nie zbudujemy jeszcze profesjonalnej

aparatury RC, do znacznie zbliżymy się

do tego celu.

Chciałbym zapoznać Was z techniką

sterowania proporcjonalnego, stosowa−

ną w wszelkiego typu aparaturach zdal−

nego sterowania, obojętne czy wyko−

rzystują one do przesyłania danych łącz−

ność radiową czy inne rodzaje komunika−

cji. W swoim czasie przekazałem już

Wam kilka podstawowych informacji

o serwomechanizmach, będących nie−

zwykle ciekawym „przełożeniem” po−

między elektroniką i mechaniką, i stano−

wiących niezbędny składnik każdego

systemu zdalnego sterowania w syste−

mie proporcjonalnym. Dzisiaj rozszerzy−

my ten temat i postaramy się zbudować

kompletny układ zawierający koder i de−

koder sterowania proporcjonalnego, nie−

stety jak na razie bez kanału łączności ra−

diowej. Z pewnością wielu moich Czytel−

ników zniechęci się w tym momencie

i zaprzestanie dalszej lektury. Ich argu−

mentacja może być z pozoru słuszna:

„Po co nam taki układ, za pomocą które−

go nie możemy zdalnie kierować mode−

lami i będziemy musieli dopiero czekać

na opracowanie systemu przekazywania

informacji?”. Macie rację, ale tylko częś−

ciowo. Po pierwsze, proponowany układ

i wiele innych, z którymi w przyszłości

się zapoznamy może posłużyć do rozbu−

dowy i modernizacji już posiadanych apa−

ratur RC. Wiadomo, że w rękach hobbys−

tów znajduje się pewna ilość sprzętu RC

o marnych parametrach, kwalifikujących

go co najwyżej do sterowania zabawka−

mi. Mam tu na myśli aparatury dwukana−

łowe, które nadają się co najwyżej do

kierowania prostymi modelami pojaz−

dów kołowych lub pływających. Za po−

mocą naszego układu, wykorzystując

sprawny kanał łączności posiadanej apa−

ratury RC możemy wykonać w pełni pro−

fesjonalne urządzenie, posiadające aż

piętnaście niezależnych kanałów stero−

wania proporcjonalnego i wyposażone

w dodatkowe układy dostępne jak dotąd

jedynie dla profesjonalnych modelarzy.

A właśnie, korzystając z okazji chciałbym

podziękować jednemu z nich: mojemu

Koledze redakcyjnemu, Redaktorowi Na−

czelnemu Młodego Technika, panu Ada−

mowi Dębowskiemu za bezcenną po−

moc w projektowaniu tego i innych ukła−

dów związanych z modelarstwem. To, że

każdy układ, który pozwolę sobie Wam

zaprezentować, był oceniany przez za−

wodnika ze światowej czołówki modela−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98

K oder i dekoder

Projekty AVT

rzy specjalizujących się w akrobacji sa−

molotowej, daje nam pewność, że przy−

najmniej założenia postawione przez

konstruktora były słuszne. Wracajmy jed−

nak do naszego układu. Nie zawsze

zresztą łączność radiowa będzie nam ko−

niecznie potrzebna. Do kierowania mo−

delami pojazdów wystarczy niekiedy ka−

nał łączności wykorzystujący promienio−

wanie podczerwone, taki, jaki wykorzys−

tywaliśmy w cyfrowym układzie zdalne−

go sterowania opisanym w EdW 1/97.

Zdalne sterowanie w systemie propor−

cjonalnym to zresztą nie tylko modele: to

także sterowanie makietami używanymi

w kinematografii a mogącymi także zna−

leźć zastosowanie w reklamie i rozryw−

ce. To także konstruowanie robotów

i maszyn kroczących, z których opisem

zapoznamy się w jednym z najbliższych

numerów EdW. Do sterownia makietą

lub robotem wystarczy nieraz nawet

łączność przewodowa, dzięki której bę−

dziemy mogli za pomocą jednego prze−

wodu przekazywać sygnały sterujące do

piętnastu serwomechanizmów.

Nie zawsze tak wielka liczbę kanałów

sterowania proporcjonalnego będzie nam

potrzebna. Na szczęście zawsze możemy

ją ograniczyć i używać nawet jednego tyl−

ko kanału.

Proponowany układ, pomimo że reali−

zuje on dość złożone funkcje, jest banal−

nie prosty i możliwy do wykonania nawet

dla zupełnie początkującego elektronika.

Nie wymaga on ani uruchamiania ani re−

gulacji dokonywanej za pomocą kosztow−

nych przyrządów laboratoryjnych. Jeżeli

dodam, że zbudowany został z wykorzys−

taniem zaledwie sześciu, łatwo dostęp−

nych i tanich układów scalonych z rodziny

CMOS, to mam nadzieję,x że zachęcę

tym moich Czytelników do przeczytania

dalszej części artykułu.

i sterowaniu proporcjonalnym. Na po−

czątek: skąd wzięła się nazwa „ste−

rowanie proporcjonalne”? Otóż, najpros−

tszy układ sterowania proporcjonalnego

składa się z potencjometru i prostego

układu elektronicznego generującego

ciąg impulsów prostokątnych o czasie

trwania zależnym od ustawienia poten−

cjometru. Impulsy kierowane są do ser−

womechanizmu, którego wał napędowy

ustawia się zawsze proporcjonalnie do

kąta ustawienia potencjometru w nadaj−

niku. Mówiąc najogólniej, sterowanie

proporcjonalne polega na wiernym po−

wtarzaniu ruchów manipulatora w nadaj−

niku przez mechanizm wykonawczy od−

biornika. Zarówno kąt obrotu manipula−

tora jak i szybkość jego ruchu muszą zo−

stać wiernie odtworzone przez serwo−

mechanizm wykonawczy. Spełnienie

tych warunków pozwala na idealnie pre−

cyzyjne kierowanie modelem, czy też in−

nym urządzeniem, którego poczynania

musimy zdalnie nadzorować. Serwome−

chanizm modelarski składa się z nastę−

pujących bloków funkcjonalnych:

Opis układu

Schemat elektryczny kodera i deko−

dera układu zdalnego sterowania w sys−

temie proporcjonalnym został pokazany

na rrysunku 1 i 2. Zanim jednak przejdzie−

my do analizy schematów, powiedzmy

sobie parę słów o serwomechanizmach

Rys.. 1..

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98

Projekty AVT

Rys.. 2..

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.

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 właściwego mo−

mentu obrotowego na wale napędo−

wym serwa.

3.Potencjometru osadzonego bezpo−

średnio na wale napędzającym me−

chanizmy wykonawcze. Napięcie na

środkowej nóżce potencjometru

jest ściśle proporcjonalne do kąta

pod jakim aktualnie ustawione jest

kółko sterujące mechanizmem wy−

konawczym.

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 poda−

nej na wejście układu i takie sterowa−

nie kierunkiem obrotów silnika, aby te

napięcia były równe.

To wszystko mieści się w obudowie

niewiele większej od pudełka zapałek.

Największymi zaletami serwomecha−

nizmu jest jego duży (kilka kg/cm

w przypadku serw standardowych

i znacznie większy w przypadku serw

wyczynowych) moment obrotowy

i wielka szybkość działania. Są one także

z zasady zasilane z typowego (4,8 ...

6VDC) napięcia zasilania i są sterowane

identycznymi sygnałami. Zakres napięć

zasilających wynika z faktu, że odbiorni−

ki radiowe aparatur do zdalnego stero−

wania i serwomechanizmy zasilane są

prawie zawsze ze wspólnego źródła,

którym są cztery baterie R6 lub cztery

akumulatorki NiCd.

Na wejście układu elektronicznego

sterującego pracą serwomechanizmu

podawany jest ciąg impulsów o czasie

od 1ms do 2 ms Właśnie czas trwania

tych impulsów decyduje o kącie, pod ja−

kim zostanie ustawiony wał napędowy

mechanizmu. I tu bardzo ważna uwaga:

napisałem, że czas trwania impulsów

sterujących pracą serwa wynosi 1−2ms,

ale odnosi to się jedynie do standardu

stosowanego w aparaturach RC, produ−

kowanych na potrzeby modelarzy. Na

obudowie serwomechanizmu podany

jest zwykle maksymalny kąt, o jaki mo−

że obrócić się jego wał napędowy, wy−

noszący zwykle 60°, a niekiedy 90°. Ja

także w to wierzyłem, ale do czasu. Do−

świadczalnie stwierdziłem, że maksy−

malny kąt obrotu standardowego serwa

modelarskiego, a z tymi urządzeniami

będziemy mieli przede wszystkim do

czynienia, wynosi nawet ponad

180°, przy stosowaniu impulsów steru−

jących o czasie trwania od ok. 0,5 do ok.

3 ms! To ważna, bardzo ważna informa−

cja, z której będziemy w najbliższej

przyszłości często korzystać, jednak

z jednym zastrzeżeniem. Otóż, popular−

ne serwa standardowe reagują na im−

pulsy dłuższe i krótsze od przyjętych

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98

Projekty AVT

Rys.. 3..

Na rysunku 2

możemy zoba−

czyć schemat

dekodera, które−

go zadaniem jest

skierowanie

właściwych im−

pulsów do odpo−

wiednich serwo−

mechanizmów.

Dekoder zbudo−

wany został tak−

że z trzech ukła−

dów scalonych

CMOS. Impulsy

wejściowe podawane są ze złącza JP16

na wejście CLK licznika binarnego IC1A.

Wyjścia tego licznika połączone są z we−

jściami adresowymi multipleksera – de−

multipleksera IC3. Każdy impuls powodu−

je zwiększenie zawartości licznika o 1 i na

wyjściach IC3 ukazuje się kolejno stan

wysoki, którego czas trwania zależy od

długości kolejnego impulsu wejściowe−

go. Do wyjść demultipleksera IC3 dołą−

czone są za pośrednictwem złącz JP1

JP15 wejścia serwomechanizmów.

Mogłoby się zdawać, że osiągnęliśmy

nasz cel: serwomechanizmy otrzymują

przecież potrzebne im impulsy sterują−

ce! Tak jednak nie jest: zauważmy że to,

do którego serwomechanizmu dotrze

kolejny impuls jest całkowicie sprawą

przypadku i że potrzebny jest jakiś układ

synchronizujący pracę kodera i oddalone−

go od niego nawet o setki metrów deko−

dera. Zauważmy, że impulsy wejściowe

po zanegowaniu przez bramkę IC2B po−

dawane są także na wejście zerujące

drugiego licznika binarnego IC1B. Z ko−

lei, na wejście zegarowe tego licznika

docierają impulsy generowane przez

prosty generator zbudowany na bramce

z histerezą IC2A. Częstotliwość pracy te−

go generatora zależna jest od pojemnoś−

norm. Jednak serwa wyczynowe, po−

siadające wbudowany system mikro−

procesorowy (TAK!) sterujący ich pracą

nie dają „się oszukać” i lekceważą im−

pulsy o nietypowym czasie trwania. Tak

więc niekiedy bardziej opłaca się zasto−

sować tanie, popularne serwo, a me−

chanizmy wyczynowe pozostawić do

przeznaczonych im zadań. Dlaczego tak

dużo piszę o nietypowym sterowaniu

serwomechanizmami? Okaże się to już

w najbliższej przyszłości!

Tak więc, wiemy już jakie funkcje mu−

si realizować nasz układ: analizować usta−

wienie piętnastu potencjometrów i gene−

rować impulsy o czasie trwania propor−

cjonalnym do wartości rezystancji każde−

go potencjometru. Impulsy muszą być

generowane kolejno i następnie pod po−

stacią ciągu zero – jedynkowego kierowa−

ne do odbiornika. Zadaniem dekodera

jest zdekodowanie odebranego ciągu

sygnałów i skierowanie impulsów o od−

powiednim czasie trwania do właściwych

serwomechanizmów. Brzmi to bardzo

skomplikowanie, ale popatrzmy, jak pros−

tymi środkami zrealizowaliśmy postawio−

ne założenia konstrukcyjne.

Analizę schematu rozpoczniemy od

układu nadajnika. Został on zbudowany

z wykorzystaniem zaledwie trzech, tanich

i łatwo dostępnych układów scalonych

CMOS z rodziny 4000.

Generator sterujący pracą kodera zo−

stał skonstruowany z dwóch przerzutni−

ków monostabilnych zawartych

w strukturze układu 4098 – IC2. Czas

trwania impulsu generowanego przez

przerzutnik IC2B jest stały i określony

wartościami rezystancji R17 i pojem−

ności C4. Natomiast czas trwania impul−

sów generowanych przez IC2A zależny

jest od pojemności C3 i aktualnie dołą−

czonej do jego wejścia RC rezystancji.

Ciąg impulsów prostokątnych wytwa−

rzanych przez generator podawany jest

na wejście licznika binarnego IC1A. Wy−

jścia tego licznika dołączone są do

wejść adresowych multipleksera – de−

multipleksera IC3. Do wejść tego ukła−

du dołączonych jest 15 szeregowo połą−

czonych par, rezystor + potencjometr

(P1 R9 i P15 R16). Każdy kolejny impuls

wytwarzany przez generator z IC2

zwiększa stan licznika IC1A o 1 i w kon−

sekwencji do wejścia RC IC2A dołącza−

ne są kolejne potencjometry i rezystory.

Czas trwania impulsów tworzonych

przez IC2A zmienia się więc proporcjo−

nalnie do ustawienia potencjometrów.

Należy zauważyć, że do wejścia Y0 IC3

dołączony jest nie potencjometr z rezys−

torem, lecz jedynie pojedynczy rezystor

o wartości znacznie większej od maksy−

malnej rezystancji którejkolwiek z par

potencjometr + rezystor. Wynika z tego,

że w momencie kiedy na wyjściach licz−

nika IC1A będzie panował stan

0000(BIN), to generowany przez IC2A

impuls będzie o rząd wielkości dłuższy

od pozostałych. Ma to kapitalne znacze−

nie dla poprawnej pracy całego syste−

mu, o czym dowiemy się za chwilę.

Ciąg impulsów tworzonych przez ko−

der kierowany jest do wyjścia OUT

i stamtąd, za pośrednictwem jeszcze nie−

określonego toru transmisyjnego, do de−

kodera. Dla uproszczenia załóżmy, że to−

rem tym jest zwykły przewód. Przebiegi

występujące na wyjściu kodera są poka−

zane na rysunku.

Rys.. 4..

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98

Projekty AVT

ci C1 i połączonych szeregowo rezystan−

cji R1 i PR1 i została dobrana tak, że

w czasie 3 ms licznik nie „zdąży” doli−

czyć do wartości większej niż

0111(BIN). Na wyjściu Q3 licznika IC1B

panuje stale stan niski, aż do momentu

nadejścia impulsu znacznie dłuższego od

3 ms. Pamiętamy, że taki impuls zosta−

nie wygenerowany przez koder w mo−

mencie stanu zerowego licznika IC1A (w

koderze). Pojawienie się takiego impulsu

na wejściu dekodera spowoduje, że na

wyjściu Q3 IC1B pojawi się na moment

stan wysoki i w konsekwencji licznik

IC1A zostanie natychmiast wyzerowany.

A więc nasz układ działa już poprawnie:

rozsynchronizowanie kodera i dekodera

nie może trwać dłużej niż, w najgorszym

przypadku, przez jeden cykl pracy, co nie

ma praktycznego znaczenia przy stero−

waniu jakimkolwiek urządzeniem. Żadne

bowiem serwo nie jest w stanie zareago−

wać w tak krótkim czasie na fałszywy im−

puls sterujący. Układ synchronizujący ko−

der z dekoderem zadziała także, jeżeli na

skutek np. zakłóceń synchronizacja zo−

stanie zerwana.

Dla łatwiejszego zrozumienia zasady

działania dekodera na rrysunku 4 zostały

pokazane przebiegi i stany logiczne

w ważniejszych punktach układu.

Przebieg oznaczony „A” został zare−

jestrowany na wejściu dekodera. Widać

na nim ciąg impulsów przeznaczonych

do sterowania serwomechanizmami

oraz impuls synchronizujący o czasie

trwania ponad 10ms, a więc co najmniej

trzykrotnie dłuższy od pozostałych. Pod−

czas testowania układu do kodera dołą−

czone były jedynie dwa potencjometry,

a pozostałe zostały zastąpione zworami.

Jest to najprostszy sposób ograniczenia

liczby kanałów, w przypadku kiedy nie

potrzebujemy sterować jednocześnie aż

piętnastoma serwami.

Przebieg „B” został zarejestrowany na

wejściu zerującym licznika IC1A, a tym

samym na wyjściu Q3 licznika IC1B. Wy−

raźnie widać na nim występowanie im−

pulsu zerującego licznik IC1A i synchroni−

zujący pracę układu.

Przebieg „C” to ciąg impulsów zega−

rowych doprowadzanych do wejścia licz−

nika IC1B, a przebieg „D” został zarejes−

trowany na wejściu zerującym tego licz−

nika. Porównanie obydwu przebiegów

wyraźnie ukazuje, jak licznik zerowany

był przed osiągnięciem stanu większego

od 1000(BIN) i dopiero nadejście impul−

su synchronizującego pozwoliło na zli−

czenie ponad 8 impulsów i wyzerowanie

licznika IC1A.

Układ kodera może być zasilany napię−

ciem stałym o wartości dopuszczalnej dla

rodziny układów CMOS. Problemy poja−

wiają się przy zasilaniu dekodera. Sam

układ pobiera pomijalnie mały prąd, cze−

go jednak nie można w żadnym wypadku

powiedzieć o 15 serwomechanizmach,

nawet tych o stosunkowo niewielkiej

mocy. Jedno tylko serwo może pod ob−

ciążeniem pobierać prąd ponad 1A i jeże−

li wszystkie serwa zostaną naraz włączo−

ne, to chwilowy pobór prądu może

wzrosnąć do kilkunastu amperów. Na

płytce układu dekodera znajduje się zasi−

lacz stabilizowany, zbudowany z wyko−

rzystaniem popularnego scalonego stabi−

lizatora napięcia typu LM350. Może on

dostarczyć prądu o natężeniu nie przekra−

czającym 3A, co w wielu przypadkach

może okazać się zupełnie wystarczające.

Nie zawsze przecież będziemy wykorzys−

tywać wszystkie możliwości naszego

układu i stosować 15 serwomechaniz−

mów i nie zawsze będą się one porusza−

ły jednocześnie. Sądzę, że w przypadku

budowy urządzenia wymagającego za−

stosowania wszystkich serwomechaniz−

mów najlepszym wyjściem z sytuacji bę−

dzie zastosowania zasilania akumulatoro−

wego. Można zastosować zarówno

4 akumulatory NiCd, jak i pojedynczy aku−

mulator kwasowy niewylewny o napięciu

6V. Zastosowanie okresowo doładowy−

wanego akumulatora o małej rezystancji

wewnętrznej zawsze będzie rozwiąza−

niem tańszym niż budowa zasilacza

o ogromnej wydajności prądowej (trans−

formator!).

Montaż i uruchomienie

Na rrysunku 5 została pokazana płytka

obwodu drukowanego i rozmieszczenie

elementów układu kodera, a na rrysun−

ku 6 – dekodera. Obydwie płytki zostały

zaprojektowane na laminacie dwuwars−

twowym z metalizacją otworów. Montaż

układów wykonujemy w typowy sposób,

rozpoczynając od elementów o najmniej−

szych gabarytach. Jako złącza JP1...JP15

na płytce dekodera zastosujemy listwy

po 3 goldpiny każda, co umożliwi łatwe

połączenie układu z serwomechanizma−

mi wyposażonymi w standardowe wtyki.

Zmontowany układ wymaga jedynie

prostej regulacji. Prowizorycznie łączymy

koder z dekoderem za pomocą odcinków

przewodów i ustawiamy potencjometr

montażowy PR1 w dekoderze na maksi−

mum oporności. Do wejścia zerującego

licznika IC1A dołączamy próbnik stanów

logicznych i powoli pokręcając PR1 uzys−

kujemy pojawianie się krótkich impulsów

na tym wejściu. Na−

stępnie przekręcamy

jeszcze trochę poten−

cjometr montażowy

„na zapas” i kończy−

my regulację.

Warto jeszcze

zwrócić uwagę na

płytkę dekodera. Je−

żeli będzie ona praco−

wała w modelu,

a w szczególności

w modelu samolotu,

to znajdzie się w eks−

tremalnie ciężkich

warunkach, narażona

Rys.. 5.. Schematt monttażowy koderra

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: