Подключение сервоприводов к Arduino. Сервоприводы Ардуино SG90, MG995: схема подключения и управление

Как уже говорилось, сервопривод это точный исполнитель который получая на вход значение управляющего параметра стремится создать и поддерживать значение на выходе исполнительного элемента.

В данной статье рассмотрим что же из себя представляют управляющие импульсы, а также то, как лучше подключать сервоприводы к Arduino.

Используемые компоненты (купить в Китае):

. Управляющая плата

. Соединительные провода

Полезная вещь для проверки сервориводов

О том как входные импульсы преобразуются в сигналы управления мотором мы уже рассказали в этой , о самих сигналах управления мотором и их отличиях в различных типах сервоприводов можно прочитать . В данной же статье речь пойдет непосредственно о управляющих импульсах, будут даны примеры как их сгенерировать на Arduino.

Управляющий сигнал представляет из себя импульсы с нужной нам шириной, которые посылаются с определенной частотой. Для рассматриваемых нами сервоприводов частота посылания импульса почти всегда будет около 50 Гц (это примерно 1 раз в 20мс), а ширина импульса будет лежать в пределе от 544мкс до 2400мкс.

Как видно из картинке, импульс шириной в 544мкс выставит выводной вал в положение 0°, 1520мск соответствует углу в 90°, а 2400мкс соответствует 180°.

Изменяя ширину импульсов в данных пределах мы сможем точно задавать угол поворота выводного вала, но об этом чуть позже. На данном этапе статьи хочется рассказать о том как подключить сервопривод к Arduino.

Для подключения к контроллеру от сервопривода тянется 3 провода обжатых стандартным 3 пиновым разъемом с шагом 2.54мм. Цвета проводов могут варьироваться. Коричневый или черный - земля (GND), красный - плюс источника питания (VTG), оранжевый или белый - управляющий сигнал (SIG).

Подключение сервоприводов к Arduino

У старых Ардуин, укомплектованных мегой 8, имеется всего три ШИМ вывода (digital 9,10,11), у Ардуин укомплектованных мегой 168 или 328 их 6 (digital 3,5,6,9,10,11). Семейство Arduino MEGA имеет на своем борту целых 14 ШИМ выводов.

Купить в России

Попался под руку популярный недорогой сервопривод SG90. И задумалось управлять им, но без микроконтроллера. В этой статье я изложу ход мыслей разработчика при реализации одного из вариантов решения.

Кому интересно, прошу под кат.

Идея

Знания

Задача

Реализация

Поиск альтернатив

Схема такого генератора выглядит так:

Немного теории

Тогда схема примет следующий вид:

Далее начинается самое интересное. Расчетных формул для получения значений сопротивлений обеспечивающих требуемые длительности импульсов нет, поэтому на уровне интуиции (опытным путем, с помощью переменного резистора) определяем значения сопротивления, при которых устанавливаются требуемые значения длительностей импульсов. Затем изменяем схему так, чтобы при изменении сопротивления фоторезистора общее сопротивление изменялось, устанавливая требуемые значения длительностей импульсов.

Итоговая схема принимает следующий вид:

Пояснения к итоговой схеме

Результат

– это привод, вал которого может встать в заданное положение или поддерживать заданную скорость вращения. Другими словами, валом сервопривода можно управлять, например, задавая ему положение в градусах или определенную частоту вращения.

Используются в самых разных областях, например, в робототехнике они помогают моделировать различные движения роботов. Сервоприводы – эффективное решение для перемещения механизмов в пространстве.

В этом уроке мы научимся управлять сервоприводом .

Для урока нам понадобиться:

Подключение к Arduino

Для достижения самых разных целей робототехники к программируемому контроллеру Arduino может быть подключен сервопривод. Подключение осуществляется через кабели, которые выходят из сервопривода. Обычно это три кабеля: красный; коричневый или черный; желтый, оранжевый или белый.

Подключение сервопривода к плате Arduino производится через ШИМ-выводы. Что Такое PWM (ШИМ) мы уже рассматривали в уроке: Плавное включение светодиода на Arduino с помощью ШИМ (PWM)

За основу возьмем урок Подключение кнопки и светодиода плате Arduino к схеме добавим сервопривод и вот что у нас должно получиться.

Изменим код:

#include // подключаем библиотеку для работы с сервоприводом Servo servo; // объявляем переменную servo типа "servo" int led_pin=3; // пин подключения int button_pin = 4; // пин кнопки // переменные int buttonState = 0; // переменная для хранения состояния кнопки void setup() { pinMode(led_pin, OUTPUT); // Инициализируем цифровой вход/выход в режиме выхода. pinMode(button_pin, INPUT); // Инициализируем цифровой вход/выход в режиме входа. servo.attach(5); // привязываем сервопривод к аналоговому выходу 10 } void loop() { buttonState = digitalRead(button_pin);// считываем значения с входа кнопки if (buttonState == HIGH) { digitalWrite(led_pin, HIGH);// зажигаем светодиод servo.write(0); //ставим вал на 180 delay (1000); // задержка в 1 секунду } else { digitalWrite(led_pin, LOW);// выключаем светодиод servo.write(180); //ставим вал на 0 delay (1000); // задержка в 1 секунду } }

#include // подключаем библиотеку для работы с сервоприводом

Мы еще не работали с библиотеками. Библиотека это класс, содержащий функции которые мы можем использовать в нашей программе. Библиотека позволяет сократить объем написанного кода и скорость разработки приложения.

Ка вы поняли строка выше подключает нашу библиотеку Servo.h, после чего мы можем использовать все функции данной библиотеки.

Servo servo; // объявляем переменную servo типа "servo"

Объявлением переменную, она нам понадобиться для работы с библиотекой.

Servo.attach(5); // привязываем сервопривод к аналоговому выходу 5

Функция библиотеки Servo.

Servo.write(180); //ставим вал на 180

С помощью данной функции мы можем повернуть сервопривод на заданный угол.

Следующий урок: IR Пульт. Включение выключение светодиода.

Наряду с контроллером и сенсорами, актуаторы являются важным составляющим всех без исключения роботов. Они вращают колеса робота, позволяя ему перемещаться в пространстве, и приводят в действие мощные манипуляторы, которыми он хватает предметы.

В этом уроке мы будем работать с одним из таких актуаторов, который называется сервоприводом (или сервомашинкой). В отличие от обычного электромотора, сервопривод представляет собой сложное составное устройство, состоящее из двигателя постоянного тока, шестеренного редуктора, потенциометра и электронной схемы. Всё это позволяет сервоприводу поворачивать вал строго на заданный угол, и удерживать его. С помощью таких приводов можно, например, сделать вот такой несложный манипулятор:

1. Подключение к Ардуино

Итак, как уже говорилось выше, сервопривод славится тем, что может поворачиваться на заданный угол. Как же мы будем указывать ему этот угол? Предлагаю использовать для этой цели переменный резистор, он же — потенциометр. Будем вращать ручку потенциометра, а контроллер будет командовать сервоприводу поворачиваться на соответствующий угол.

У потенциометра есть всего три вывода. Крайние подключим к +5В и земле, а центральный к аналоговому входу A0.

У сервопривода SG90 также имеется три контакта. Обычно они окрашиваются следующим образом:

• коричневый — земля;
• красный — питание +5В;
• оранжевый (или желтый) — сигнальный.

Сигнальный провод подключим в цифровому выходу №8. В итоге, получим такую схему:

Подключать оба устройства к Ардуино Уно удобнее через макетную плату:

2. Программа

Теперь напишем несложную программу, которая свяжет все элементы нашего аппарата строгой логикой. Все что нам требуется от контроллера — это:

• считывать показания с потенциометра в диапазоне от 0 до 1023;
• преобразовывать полученное число в угол от 0 до 180 градусов;
• передавать полученный угол на сервопривод.

Для написания программы используем наш . Задействуем блок сервопривода, блок чтения из аналогового порта и функцию отображения одного диапазона значений в другой.

Нажав в конструкторе кнопку «Arduino», откроем страницу с исходным кодом программы для среды Arduino IDE:

#include Servo servos; void setup(){ } void loop(){ servos.attach(8); servos.write((map(analogRead(A0), 0, 1024, 0, 180))); delay(50); }

Как видно из программы, для управления сервоприводом мы использовали библиотеку Servo . В этой библиотеке есть несколько полезных нам функций:

• attach(номер_вывода) — инициализация сервопривода;
• write(угол) — поворот сервопривода на заданный угол;
• read() — получение текущего угла сервопривода.

Для отображения множества чисел 0 — 1023 в множество 0-180, конструктор применил функцию map . Ту же самую операцию, можно было осуществить с помощью выражения:

int angle = (value / 1023.0) * 180;

Загружаем программу на Ардуино Уно, и смотрим что получилось!

Теперь, вы знаете что такое сервопривод, и можете легко им управлять. Вперед! К созданию роботов-манипуляторов и шагающих роботов-пауков!

Думаю любой человек представляет себе, что такое электродвигатель, нет? — тогда вспомните какой нибудь вентилятор. Какая характерная черта? Правильно, подали напряжение он крутится, сняли напряжение — не крутится. Сервопривод, это тоже движок, но в отличие от других, на сколько скажешь ему повернуться, на столько он и повернется и остановится. Пока держится управляющий сигнал, сервопривод будет фиксировать свое положение. Можете его хоть руками покрутить, он все равно вернется в заданное положение.

Угол на который поворачивается серва, задается шириной импульса. Стоит уточнить небольшую тонкость, сервоприводы бывают разные. Бывают такие, которые крутятся постоянно в определенную сторону, при этом ширина импульса влияет только на скорость поворота. Бывают многооборотистые. Те о которых речь пойдет дальше, на сайте производителя имеют явную маркировку, в которой указан угол поворота. Поэтому учтите если серва, не имеет явной маркировки, то может оказаться так, что она тупо постоянно вращается. Не путайте, надписи 0.20 sec/60° означают скорость вращения, они никак не связаны с максимальным углом поворота.

Перейдем к теории. Представляем себе микроконтроллер с подключенным к АЦП входу резистором R и некий движок, который крутится по ШИМ сигналу PWM. Допустим уровень сигнала АЦП напрямую связан с ШИМ выходом, тогда когда мы будем крутить резистор, то скорость будет меняться, когда напряжение АЦП станет равным 0, движок остановится.

Теперь рассмотрим вариант 2. Ручка резистора насажена на вал двигателя, таким образом, что когда двигатель вращается, он изменяет сопротивление резистора, следовательно и напряжение, которое подается на вход АЦП. При этом, если имеется еще один источник сигнала, то микроконтроллер сравнивает напряжение на входах и если оно больше, то крутит в одну сторону, если меньше, то в другую. Рано или поздно напряжения уровняются и движок остановится. Поэтому серва включает в себя все что нарисовано: резистор, микроконтроллер, двигатель. Внешний сигнал естественно подавать должны мы, чтобы управлять.

Типовые кишки выглядят так:

На фотке видно что резистор и моторчик соединяется через кучу шестеренок, поэтому если полезете внутрь будьте готовы что на вас высыпется все это добро. Вид снизу

Чаще всего ширина импульса колеблется в диапазоне от 1100мкс до 1900мкс, при периоде 20мс, но цифры могут отличаться, причем достаточно сильно. Пример из даташита:
Control System: +Pulse Width Control 1520usec Neutral
Required Pulse: 3-5 Volt Peak to Peak Square Wave
Operating Voltage: 4.8 Volts
Operating Speed (6V): 0.20sec/60 degrees at no load
Operating Angle: 45 Deg. one side pulse traveling 400usec
Continuous Rotation Modifiable: No
Direction: Counter Clockwise/Pulse Traveling 1520-1900usec

Отсюда четко видно, что средняя точка 1520мкс, чтобы повернуть такую серву на 45градусов, уже нужно подать импульс 1900мкс, соответственно остальные углы рассчитываются пропорцией. Чтобы повернуть на -45 градусов нужно подать импульс 1100мкс. Т.е. диапазон 90град. Еще видно, что под Continuous Rotation сей девайс не заточен, что хорошо.

Перейдем к практике. Есть поциент Futaba S3152, которым нужно покрутить туды — сюды.

Также можно это дело потестить в протеусе. Обычное подключение по трем проводам красный +5В, черный — земля, белый — управляющий.

В последних версиях CAVR, в Codewizard появилось много ништяков, например можно вбить цифры в попугаях и увидеть период и импульс в секундах. Собственно нам важен режим fast pwm top ICR. Примечателен этот режим тем, что ICR задает период, а OCR ширину импульса.

Период вычисляется очень просто:
ICR = (Частота таймера/50Hz)-1

Тогда нужную ширину импульса можно легко вычислить по пропорции:
20ms = ICR
?ms = OCR

В итоге можно переписать так:
OCR = (x*ICR)/20; где x это необходимая длительность импульса. Например, нужна длительность импульса в 1мс, значит OCR= (1*9C3)/20=0x7C.

Собственно и все. Теперь исходим из того, что нейтральная точка = 1524мкс или OCR1 = (1.524*9C3)/20 = 0xBE и зависимости от тогу куда нам нужно повернуть пересчитываем OCR. Простенький пример, поворачиваем на -45, затем 0 и потом +45.

#include #include void main(void) { // Function: Bit7=In Bit6=In Bit5=In Bit4=In Bit3=Out Bit2=In Bit1=Out Bit0=In DDRB=(0<

Получилось так:

Для stm32 приведу пример настройки, которая помойму даже проще. Пример для stm32f103, нога PA1, тактовая 72МГц.

//Настройка ножки PA1 на альтернативную функцию GPIO_InitTypeDef PORT_SETUP; PORT_SETUP.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; PORT_SETUP.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; PORT_SETUP.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &PORT_SETUP); //настройка таймера TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_SETUP; TIM_SETUP.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_SETUP.TIM_Period = 4096; TIM_SETUP.TIM_Prescaler = 351; // 72мгц/4096/351=50hz TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_SETUP); //настройка ШИМ TIM_OCInitTypeDef PWM_SETUP; //PWM_SETUP.TIM_Pulse = 200; //4096 = 20ms 200 ~ 1ms PWM_SETUP.TIM_Pulse = 0; PWM_SETUP.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; PWM_SETUP.TIM_OutputState =TIM_OutputState_Enable; PWM_SETUP.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; TIM_OC2Init(TIM2, &PWM_SETUP); TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); while(1) { .... //где то внутри основного цикла меняем угол поворота переменной result TIM2->CCR2 = (4096 * result)/20000; }

И пара бонусных моментов. Особо крутые сервоприводы могут программироваться, качаешь отдельную софтинку, покупаешь спецпрограмматор и втыкаешься в те же 3 провода и можно регулировать параметры. Фактически прошивайка работает по юарту.

Еще один момент, это крепление нагрузки. Пластиковые штуки, которые крепятся на вал называются качалками.