Sterownik_rygla_z_serwomechanizmem.pdf

Sterownik rygla z serwomechanizmem

P R O J E K T Y

Sterownik rygla

z serwomechanizmem

kit AVT−364

Proponowany uk³ad jest

drugim z†serii urz¹dzeÒ

bÍd¹cych ìprze³oøeniamiî

pomiÍdzy uk³adami

elektronicznymi

a†mechanicznymi. W†naszym

piúmie zajÍliúmy siÍ juø

problemem sterowania silnikÛw

krokowych - silnikÛw daj¹cych

konstruktorowi wrÍcz

nieograniczone pole dzia³ania,

zapewniaj¹cych nieosi¹galn¹

dla innych silnikÛw precyzjÍ

i, co byÊ moøe najwaøniejsze,

umoøliwiaj¹cych "napÍdzanie"

rÛønych urz¹dzeÒ bez

stosowania skomplikowanych

przek³adni mechanicznych.

Temat silnikÛw krokowych

by³ takøe wielokrotnie

poruszany w†ìm³odszej

siostrzeî EP - Elektronice dla

Wszystkich, gdzie

opublikowano wiele opisÛw

sterownikÛw do tych silnikÛw.

Chcia³bym zapoznaÊ

CzytelnikÛw z†niezwykle

ciekawym, i†daj¹cym

konstruktorom takøe

wielkie moøliwoúci,

urz¹dzeniem elektrome-

chanicznym. Dla tych

CzytelnikÛw, ktÛrzy za-

jmuj¹ lub zajmowali siÍ mode-

larstwem i†konstruowali modele

klasy RC, urz¹dzenie to nie

bÍdzie øadn¹ nowoúci¹. Znaj¹ je

od dawna, ale byÊ moøe nie

wiedz¹, jak jest zbudowane i†jak

naleøy nim sterowaÊ, aby mak-

symalnie wykorzystaÊ jego moø-

liwoúci.

Kaøde urz¹dzenie elektronicz-

ne musi do czegoú s³uøyÊ, cho-

ciaøby do robienia dowcipÛw.

Musi posiadaÊ jakieú wejúcia

i†wyjúcia, s³uø¹ce do wprowa-

dzania danych i†prezentacji efek-

tÛw pracy uk³adu. NajczÍúciej

nie mamy z†tym wiÍkszych k³o-

potÛw. Na rynku s¹ dostÍpne

wszelkiego rodzaju klawiatury,

wyúwietlacze, przetworniki elek-

troakustyczne, wystarczy tylko

odpowiednio po³¹-

czyÊ ìkabelkiî.

K³opoty zaczyna-

j¹ siÍ w†momencie,

kiedy efektem pracy uk³adu elek-

tronicznego ma byÊ dzia³anie me-

chaniczne: poruszanie ìczegoúî.

Weümy najprostszy przyk³ad: chce-

my zbudowaÊ model samochodu

lub statku. Nie jest na razie

istotne, czy nasz model bÍdzie

sterowany drog¹ radiow¹, podczer-

wieni¹ czy teø najprostsz¹ metod¹

- poprzez kabel. W†kaødym wy-

padku musimy drog¹ elektronicz-

n¹ przekazaÊ do modelu informa-

cje o†k¹cie, pod jakim musi zostaÊ

ustawiony mechanizm skrÍtny kÛ³

lub ster kierunku.

Informacje takie moøna prze-

kazaÊ stosunkowo ³atwo, ale co

ma poruszaÊ mechanizmy wyko-

nawcze? Co ma ustawiÊ np. ster

wysokoúci w†modelu samolotu?

Musi to byÊ wykonane z†wielk¹

precyzj¹ i†praktycznie bez jakie-

gokolwiek opÛünienia, bo inaczej

tor podejúcia do l¹dowania moøe

zakoÒczyÊ siÍ kilka metrÛw pod

ziemi¹. Mechanizm wykonawczy

musi siÍ poruszyÊ o†dok³adnie

taki sam k¹t, o†jaki przesunÍliú-

my manipulator w†nadajniku.

Inny przyk³ad: chcemy zdal-

nie sterowaÊ kamer¹ wideo pod-

czas wykonywania zdjÍÊ przy-

rodniczych lub teø poruszaÊ tak¹

kamer¹ w†systemie dozoru. Sa-

modzielne wykonanie potrzeb-

nych nam uk³adÛw mechanicz-

nych raczej nie wchodzi w†grÍ,

chyba, øe ktoú jest fanatycznym

wielbicielem mechaniki precy-

zyjnej i†posiada odpowiednio wy-

posaøon¹ pracowniÍ. Na szczÍú-

cie takie uk³ady mechaniczne s¹

od dawna produkowane seryjnie

i†moøna je bez wiÍkszych prob-

lemÛw nabyÊ za niewygÛrowan¹

cenÍ. S¹ to serwomechanizmy

modelarskie.

Czym jest ten, tak reklamo-

wany przez autora, serwomecha-

Rys. 1. Schemat blokowy

przedstawiający konstrukcję

serwomechanizmu.

Elektronika Praktyczna 2/98

Sterownik rygla z serwomechanizmem

Rys. 2. Schemat blokowy układu elektrycznego

serwomechanizmu.

Potencjometr osa-

dzony bezpoúrednio

na wale napÍdzaj¹-

cym mechanizmy

wykonawcze. Na-

piÍcie na úrodko-

wej nÛøce poten-

cjometru jest pro-

porcjonalne do k¹-

ta pod jakim aktu-

alnie jest ustawione kÛ³ko ste-

ruj¹ce mechanizmem wyko-

nawczym.

Uk³ad elektroniczny. Jest on

zwykle zrealizowany na jed-

nym, wyspecjalizowanym uk³a-

dzie scalonym. Zadaniem

ìelektronicznego sercaî serwa

jest porÛwnanie napiÍcia otrzy-

mywanego z†potencjometru

z†napiÍciem otrzymanym po

przetworzeniu informacji poda-

nej na wejúcie uk³adu (np.

z†odbiornika radiowego) i†takie

sterowanie kierunkiem obrotÛw

silnika, aby napiÍcia te by³y

rÛwne. Jest to klasyczny przy-

k³ad sprzÍøenia zwrotnego,

rÛwnie podrÍcznikowy, jak re-

gulator Watta. Na rys. 2 po-

kazano schemat blokowy ser-

womechanizmu, ale najbar-

dziej interesuj¹ca bÍdzie infor-

macja o†rodzaju sygna³u wej-

úciowego, jaki musi byÊ dostar-

czony na wejúcie serwa.

Przebieg tego sygna³u pokaza-

no na rys. 3 . Zosta³ on zare-

jestrowany bezpoúrednio na

wyjúciu odbiornika zdalnego

sterowania, obs³uguj¹cego jed-

noczeúnie cztery serwa. Jak

widaÊ na rysunku, do serwo-

mechanizmu s¹ wysy³ane,

w†odstÍpach 18,2ms, krÛtkie

impulsy dodatnie z†odbiornika.

Czas trwania tych impulsÛw

nizm? Produkowane s¹ serwo-

mechanizmy rÛønych typÛw: od

potÍønych urz¹dzeÒ do zastoso-

waÒ przemys³owych, skompliko-

wanych si³ownikÛw napÍdzaj¹-

cych stery bojowych i†cywilnych

samolotÛw w†systemie FLY BY

WIRE , aø po proste i†tanie serwa

modelarskie (widoczny na zdjÍ-

ciu modelu).

Na rys. 1 przedstawiono blo-

kowo budowÍ serwomechaniz-

mu. Oto krÛtkie scharakteryzo-

wanie najistotniejszych elemen-

tÛw.

Silnik napÍdowy. Jest to silnik

komutatorowy pr¹du sta³ego,

pracuj¹cy w†zakresie napiÍÊ

od 4,8..6VDC. Pomimo niepo-

zornych wymiarÛw, silnik taki

wyrÛønia siÍ bardzo starannym

wykonaniem i†duø¹ sprawnoú-

ci¹. Zastosowanie takiego w³aú-

nie silnika jest konieczne, po-

niewaø serwo musi pracowaÊ

z†duø¹ prÍdkoúci¹ i†jednoczeú-

nie wytwarzaÊ duøy moment

obrotowy, czyli spe³niaÊ dwa

sprzeczne ze sob¹ warunki.

Przek³adnia mechaniczna. Jest

to zespÛ³ kÛ³ek zÍbatych, naj-

czÍúciej wykonanych z†wyso-

kiej jakoúci tworzywa sztucz-

nego. Zadaniem przek³adni jest

redukcja wysokich obrotÛw sil-

nika i†zapewnienie w³aúciwego

momentu obrotowego serwa.

Rys. 3. Przebiegi sterujące pracą

serwomechanizmu.

wynosi od 1†do 2ms. W³aúnie

czas trwania tych impulsÛw

decyduje o†wartoúci napiÍcia

porÛwnywanego z†napiÍciem

otrzymywanym z†potencjomet-

ru pomiarowego.

NajwiÍkszymi zaletami serwo-

mechanizmu jest jego duøy (kilka

kg/cm) moment obrotowy i†wielka

szybkoúÊ dzia³ania. Moøna nawet

zaryzykowaÊ stwierdzenie, øe ser-

wo reaguje bez opÛünienia, po-

niewaø cz³owiek nie jest w†stanie

tak szybko przesun¹Ê dr¹øka ma-

nipulatora, aby opÛünienie serwo-

mechanizmu by³o zauwaøalne.

Mechanizmy te cechuje z†zasady

duøa trwa³oúÊ i†niezawodnoúÊ.

Od ich jakoúci zaleøy bowiem

bezpieczeÒstwo modelu, ktÛrego

wartoúÊ wynosi nieraz kilka ty-

siÍcy z³otych (nie licz¹c trudnej

do oszacowania wartoúci ogrom-

nego nak³adu pracy w³oøonej

w†jego wykonanie)!

WiÍkszoúÊ produkowanych

wspÛ³czeúnie serwomechanizmÛw

modelarskich posiada standardo-

Rys. 4. Schemat elektryczny urządzenia.

Elektronika Praktyczna 2/98

Sterownik rygla z serwomechanizmem

we wymiary. S¹ one zwykle

zasilane napiÍciem 4,8..6VDC

i†sterowane identycznymi sygna-

³ami. Zakres napiÍÊ zasilaj¹cych

wynika z†faktu, øe odbiorniki ra-

diowe aparatur do zdalnego ste-

rowania i†serwomechanizmy s¹

zasilane z†zasady ze wspÛlnego

ürÛd³a, ktÛrym s¹ cztery baterie

R6 lub cztery akumulatorki NiCd.

A†teraz pora na bardzo waøn¹

uwagÍ praktyczn¹. WiÍkszoúÊ

producentÛw podaje maksymal-

ny k¹t, o†jaki moøe obrÛciÊ siÍ

kÛ³ko serwomechanizmu. Moøe

on byÊ rÛwny ±45 O lub ±60 O o d

neutrum. Tak wiÍc ca³kowity k¹t

obrotu serwa wynosi 90 lub 120 O ,

co w†niektÛrych, nietypowych za-

stosowaniach moøe okazaÊ siÍ

zbyt ma³¹ wartoúci¹. Z†praktyki

jednak wynika, øe wiÍkszoúÊ

serwomechanizmÛw, szczegÛlnie

tych prostych i†tanich, moøna

obrÛciÊ o†znacznie wiÍkszy k¹t,

przekraczaj¹cy nawet 180 O . Na-

leøy wtedy odejúÊ od ìpodrÍcz-

nikowychî wartoúci d³ugoúci im-

pulsu steruj¹cego i†stosowaÊ im-

pulsy nieco krÛtsze i†d³uøsze. Na

taki chwyt nie dadz¹ siÍ jednak

ìnabraÊî nowoczesne serwa ste-

rowane mikroprocesorami, ktÛ-

rych stosowanie w†naszych pros-

tych konstrukcjach nie ma naj-

mniejszego technicznego i†eko-

nomicznego uzasadnienia.

ciem. Przyda³oby siÍ coú moc-

niejszego (np. solidny rygiel lub

zasuwa podobna do stosowanych

w†zamkach mechanicznych). Skok

takiego rygla musi jednak wyno-

siÊ co najmniej 1..2cm i†o†zasto-

sowaniu elektromagnesu nie ma

co nawet myúleÊ. Ca³y ten prob-

lem moøemy w†prosty i†tani spo-

sÛb rozwi¹zaÊ stosuj¹c serwome-

chanizm modelarski. Uk³ad nim

steruj¹cy jest prosty i tani, a†moø-

na go wykonaÊ dos³ownie w†kil-

kanaúcie minut. Uk³ad moøe

wspÛ³pracowaÊ z†dowolnym za-

mkiem elektronicznym, na ktÛre-

go wyjúciu pojawia siÍ niski

i†wysoki poziom logiczny.

bÍdzie znajdowaÊ siÍ w†jednym

ze skrajnych po³oøeÒ. Po zmia-

nie stanu niskiego na wysoki

kÛ³ko obrÛci siÍ, zajmuj¹c drugie

ze skrajnych po³oøeÒ (wykonuj¹c

obrÛt o†k¹t ustalony za pomoc¹

PR1 i†PR2). Jak juø wspomniano,

k¹t ten moøe nawet przekraczaÊ

180 O .

Z†kÛ³kiem serwa jest po³¹czo-

ny mimoúrodowo rygiel zamka,

ktÛry jest przesuwany z†jednego

po³oøenia do drugiego. Ze stan-

dardowym kÛ³kiem napÍdowym

stosowanym w†serwach modelar-

skich skok rygla moøe wynosiÊ

ok. 2cm. WiÍkszy skok moøemy

uzyskaÊ stosuj¹c kÛ³ko o†wiÍk-

szej úrednicy, lecz zwi¹zane to

bÍdzie ze zmniejszeniem si³y

napÍdzaj¹cej rygiel. Po³¹czenie

serwa z†ryglem zosta³o dodatko-

wo objaúnione na rys. 5 .

Opis dzia³ania uk³adu

Schemat elektryczny sterow-

nika serwomechanizmu zosta³

pokazany na rys. 4 i, jak widaÊ,

wzmianka o†prostocie uk³adu nie

by³a bynajmniej przesadn¹.

Uk³ad zosta³ zbudowany z†wyko-

rzystaniem dwÛch uk³adÛw sca-

lonych NE555. Pierwszy z†nich

- IC1 - pracuje w†typowym uk³a-

dzie generatora astabilnego. Ge-

neruje on przebieg o†okresie ok.

20ms. Drugi uk³ad jest wykorzys-

tywany jako generator monosta-

bilny, wyzwalany opadaj¹cym

zboczem przebiegu generowane-

go przez IC1. Tak wiÍc, IC2 co

20ms generuje impuls o†czasie

trwania zaleønym od pojemnoúci

C2 i†rezystancji PR1 i†R2 oraz,

po w³¹czeniu tranzystora T1,

PR2 i†R5. Jeøeli tranzystor T1 nie

przewodzi, to czas trwania im-

pulsu generowanego przez IC2

wynosi ok. 2ms. Jeøeli na wejúcie

uk³adu (IN) zostanie podany stan

wysoki, to tranzystor T2 zacznie

przewodziÊ, polaryzuj¹c za po-

úrednictwem rezystora R8 bazÍ

tranzystora T1. Po w³¹czeniu

tego tranzystora rezystancja

PR1+R2 zostanie zbocznikowana

rezystancj¹ PR2+R5 i†czas trwa-

nia impulsu wyjúciowego zosta-

nie skrÛcony do ok. 1ms.

Generowany przez IC2 ci¹g

impulsÛw idealnie odpowiada

przebiegowi, jaki powinien byÊ

podawany na wejúcie

serwomechanizmu do-

³¹czonego do z³¹cza

CON1. Jeøeli na we-

júcie IN uk³adu zosta-

nie doprowadzony stan

niski, to kÛ³ko serwa

Montaø i uruchomienie

Na wk³adce wewn¹trz nume-

ru zosta³a przedstawiona, doúÊ

nietypowo wygl¹daj¹ca, p³ytka

obwodu drukowanego, a†na rys.

6 rozmieszczenie na niej ele-

mentÛw.

P³ytka sk³ada siÍ z†dwÛch

czÍúci o†identycznych wymia-

rach. W†jednej zosta³ wyciÍty

prostok¹tny otwÛr umoøliwiaj¹cy

zamocowanie standardowego ser-

wa modelarskiego, a†na drugiej

zosta³ umieszczony uk³ad elek-

troniczny.

Moøemy go zmontowaÊ na

trzy sposoby.

1.PozostawiÊ p³ytkÍ tak¹, jak¹

jest i†umieúciÊ serwomecha-

nizm w jednej p³aszczyünie

z†czÍúci¹ elektroniczn¹.

2.Przeci¹Ê p³ytkÍ za pomoc¹

pi³ki do metalu wzd³uø zazna-

czonych na stronie opisowej

linii i†zlutowaÊ j¹ pod k¹tem

prostym. Na p³ytce s¹ umiesz-

czone specjalnie przygotowa-

ne, odpowiednio duøe punkty

lutownicze umoøliwiaj¹ce po-

³¹czenie dwÛch czÍúci przez

lutowanie.

3.Przeci¹Ê p³ytkÍ i†wykorzystaÊ

tylko jej ìelektroniczn¹î czÍúÊ.

Niezwyk³e zastosowanie

Proponowany uk³ad jest chy-

ba najprostszym, lecz w†prakty-

ce bardzo uøytecznym, przyk³a-

dem wykorzystania serwomecha-

nizmu. W†literaturze dla elektro-

nikÛw opisano dziesi¹tki uk³a-

dÛw najrÛøniejszych zamkÛw

elektronicznych (sam mam kilka

na sumieniu). NajczÍúciej jed-

nak taki opis koÒczy³ siÍ lako-

nicznym stwierdzeniem w†rodza-

ju: ì†po prawid³owym wybraniu

kodu na wyjúciu uk³adu pojawia

siÍ stan wysokiî. I†co dalej? Co

w³aúciwie mamy pod³¹czyÊ do

tego wyjúcia, aby uzyskaÊ moø-

liwoúÊ pewnego zamkniÍcia np.

drzwi do mieszkania?

NajczÍúciej, jako uk³ady wy-

konawcze zamkÛw elektronicz-

nych, s¹ wykorzystywane rygle

elektromagnetyczne. Jest to jed-

nak zamkniÍcie raczej symbolicz-

ne, taki rygiel moøna bowiem

wywaøyÊ mocniejszym kopniÍ-

Rys. 5. Sposób sterowania rygla zamka przy

pomocy serwomechanizmu.

Elektronika Praktyczna 2/98

Sterownik rygla z serwomechanizmem

Uk³ad zmontowany ze spraw-

dzonych elementÛw nie wymaga

uruchamiania, a†jedynie prostej

regulacji za pomoc¹ potencjo-

metrÛw montaøowych PR1 i†PR2.

Potencjometrami tymi ustawiamy

dwa skrajne po³oøenia kÛ³ka na-

pÍdowego serwomechanizmu.

Uk³ad powinien byÊ zasilany

napiÍciem 4,8..6VDC, najlepiej

stabilizowanym. PobÛr pr¹du

przez czÍúÊ elektroniczn¹ jest

niewielki, ale mocno obci¹øone

serwo moøe chwilowo pobieraÊ

pr¹d nawet kilku amperÛw (ser-

womechanizmy wyczynowe).

Opisany powyøej prosty uk³ad

jest jedynie przyk³adem wyko-

rzystania tak uøytecznego me-

chanizmu, jakim jest modelars-

kie serwo.

Nie mam bynajmniej zamiaru

na tym poprzestaÊ i†jeøeli Redak-

tor Naczelny EP pozwoli, to w†naj-

bliøszym czasie zostanie opubli-

kowany kolejny opis uk³adu wy-

korzystuj¹cego serwomechanizmy.

Ponadto, jeøeli idea stosowania

tych urz¹dzeÒ w†naszych kon-

strukcjach spotka siÍ z†uznaniem

CzytelnikÛw, to poczynione zosta-

n¹ starania, aby trudne do zdo-

miniaturowy

potencjometr montażowy

R1, R6, R7, R8: 1k

R2: 33k

Ω

R4: 220k

Ω

Kondensatory

C1: 4,7nF

C2: 47nF

C3, C5: 10nF

C4, C7: 100nF

C6: 100

Rys. 6. Rozmieszczenie elementów

na płytce drukowanej.

F/6,3V

Półprzewodniki

IC1, IC2: NE555

T1: BC557 lub odpowiednik

T2: BC548 lub odpowiednik

Różne

CON1, CON2: 3 goldpiny

Niezaleønie od tego, ktÛry

sposÛb wykonania urz¹dzenia

wybierzemy, montaø musimy

przeprowadziÊ w†typowy spo-

sÛb, rozpoczynaj¹c od elemen-

tÛw o†najmniejszych gabarytach,

a†koÒcz¹c na kondensatorach

elektrolitycznych i†ewentualnym

przykrÍceniu serwomechanizmu

do p³ytki. Jako z³¹cze CON1

zastosujemy trzy goldpiny, uzys-

kuj¹c w†ten sposÛb gniazdo pa-

suj¹ce do standardowego wtyku

serwa.

bycia, standardowe serwomecha-

nizmy modelarskie znalaz³y siÍ

w†ofercie handlowej AVT.

Pomyúlcie tylko, ile cieka-

wych urz¹dzeÒ moøna zbudo-

waÊ z†ich wykorzystaniem i†na-

piszcie do naszej redakcji.

Zbigniew Raabe, AVT

Elektronika Praktyczna 2/98

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

PR1, PR2: 10k

R3: 10k

R5: 20k

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: