Журнал LinuxFormat - перейти на главную

LXF155:Кру­тить мо­тор­чик

Материал из Linuxformat
Перейти к: навигация, поиск
Подписка на печатную версию
Весь 2015 год (12 номеров)
Первое полугодие (6 номеров)
Второе полугодие (6 номеров)
Подписка на электронную версию
Весь 2015 год (12 номеров)
Первое полугодие (6 номеров)
Второе полугодие (6 номеров)
Подшивки старых номеров журнала (печатные версии)
Весь 2014 год (12 номеров)
Первое полугодие (6 номеров)
Второе полугодие (6 номеров)


Arduino Управляем сервопориводами и шаговыми двигателями

Arduino: Моторы и дви­же­ние

По­ра дви­гать­ся даль­ше – Ник Вейч за­став­ля­ет ко­ле­са крутить­ся.


С тех са­мых пор, как Майкл Фа­ра­дей на­чал экс­пе­ри­мен­ти­ро­вать с про­водника­ми в чаш­ках со рту­тью, в элек­тронике, по­жа­луй, ничем не доста­вить боль­ше­го и мгно­венно­го удов­ле­тво­рения, как при­вес­ти что-то в дви­жение.

Схе­мы Arduino обыч­но ис­поль­зу­ют­ся для управ­ления ро­бо­та­ми, но ро­бо­ты не мо­гут по­бе­жать, пре­ж­де чем сде­ла­ют пер­вый неуве­рен­ный шаг, по­это­му здесь мы рас­смот­рим осно­вы дви­га­те­лей и сер­во­при­во­дов.

Го­во­ря о сер­во­при­во­де, обыч­но име­ют в ви­ду уст­рой­ст­во, ча­ще все­го встре­чаю­щее­ся в ра­дио­управ­ляе­мом обо­ру­до­вании, где оно при­ме­ня­ет­ся для управ­ления ру­лем или дру­ги­ми дви­жу­щи­ми­ся час­тя­ми.

Этот тип сер­во­при­во­да – обыч­но со­че­тание несколь­ких эле­мен­тов: дви­га­те­ля, ко­то­рый да­ет энер­гию; шес­терней, со­еди­няю­щих дви­га­тель с его при­вод­ным ры­ча­гом (ко­то­рый мо­жет иметь раз­лич­ную фор­му и раз­ме­ры); и уст­рой­ст­ва об­рат­ной свя­зи, обыч­но по­тен­цио­мет­ра, с по­мо­щью ко­то­ро­го сер­во­при­вод мо­жет точ­но оп­ре­де­лить по­ло­жение ры­ча­га.


Сер­во­при­вод име­ет три про­во­да: по крас­но­му и чер­но­му обыч­но по­да­ет­ся на­пря­жение пи­тания, по треть­ему, как пра­ви­ло, жел­то­му или оран­же­во­му – управ­ляю­щий сиг­нал. Сер­во­при­во­ды ра­бо­та­ют от ана­ло­го­вых управ­ляю­щих сиг­на­лов, ис­поль­зую­щих то­ко­вый им­пульс. Ши­ри­на им­пуль­са оп­ре­де­ля­ет по­ло­жение ры­ча­га.

По со­гла­шению, им­пульс дли­тель­но­стью 1,5 мс пе­ре­ме­ща­ет сер­во­при­вод в ней­траль­ное по­ло­жение, сред­нюю точ­ку – ме­ж­ду на­чаль­ной и конеч­ной точ­ка­ми, а весь диа­па­зон воз­мож­ных по­ло­жений по­кры­ва­ет ши­ри­на им­пуль­сов от 1 до 2 мс.

Для пи­тания од­но­го неболь­шо­го RC-сер­во­при­во­да доста­точ­но линии пи­тания Arduino +5 В, но ес­ли их боль­ше, под­клю­чи­те бо­лее под­хо­дя­щий ис­точник пи­тания. К сча­стью, RC-сер­во­при­во­ды обыч­но пре­крас­но ра­бо­та­ют от на­пря­жения 5 или 6 В, по­это­му Arduino и все сер­во­при­во­ды мож­но под­клю­чить к од­но­му внешнему ис­точнику.

Для фор­ми­ро­вания им­пуль­са не ну­жен вы­со­кий ток, и для их пи­тания не нуж­ны до­полнитель­ные ре­ле или тран­зи­сто­ры, что то­же хо­ро­шо, по­сколь­ку на ко­рот­ких ин­тер­ва­лах вре­мени, с ко­то­ры­ми мы ра­бо­та­ем, с ними мо­гут возник­нуть труд­но­сти.

На са­мом де­ле, эти вре­мен­ные ин­тер­ва­лы мо­гут по­ме­шать эф­фек­тив­но­му управ­лению сер­во­при­во­дом из ко­да Arduino. К сча­стью, су­ще­ст­ву­ет стан­дарт­ная биб­лио­те­ка, с редкой креативностью на­зван­ная Servo. Ес­ли вы под­клю­чи­те свой сер­во­при­вод в со­от­вет­ст­вии с рис. 1, то смо­же­те по­экс­пе­ри­мен­ти­ро­вать с ним и об­на­ру­жить его пре­де­лы.

Стан­дарт­ный при­мер ко­да для на­шей си­туа­ции – шаб­лон под на­званием “Sweep”, ко­то­рый мож­но най­ти в при­ме­рах, по­став­ляе­мых с Arduino. В нем для по­сте­пен­но­го из­менения по­ло­жения сер­во­при­во­да от 0 до 180 гра­ду­сов ис­поль­зу­ют­ся функ­ции по­зи­циониро­вания. Од­на­ко, ес­ли вы не уве­ре­ны в пре­дель­ных зна­чениях для сво­его уст­рой­ст­ва, сна­ча­ла мож­но по­про­бо­вать что-нибудь по­про­ще.

(thumbnail)
Ос­вой­те ос­но­вы — и воз­мож­но все.
  1. include <Servo.h>

Servo servo1; // create servo object

void setup()

{

servo1.attach(9);

}

void loop()

{

servo1.writeMilliseconds(1500);

delay(200);

servo1.writeMilliseconds(700);

delay(200);

servo1.writeMilliseconds(2200);

delay(200);

}

Ме­тод .writeMilliseconds() не со­дер­жит код, пре­об­ра­зую­щий угол в ши­ри­ну им­пуль­са, и про­сто фор­ми­ру­ет им­пульс за­дан­ной дли­тель­но­сти. Эти зна­чения мож­но умень­шать и уве­ли­чи­вать до тех пор, по­ка при­вод не пе­ре­станет дви­гать­ся, а за­тем ис­поль­зо­вать их в ка­че­­ст­ве пре­дель­ных при инициа­ли­за­ции уст­рой­ст­ва:

servo1.attach(9,650,2350);

Па­ра­мет­ры этой функ­ции – но­мер вы­во­да, минималь­ная ши­ри­на им­пуль­са и мак­си­маль­ная ши­ри­на им­пуль­са. Здесь мы ис­поль­зу­ем для сер­во­при­во­да вы­вод 9 – имен­но этот вы­вод ис­поль­зу­ет­ся ча­ще все­го. В ста­рых вер­си­ях ко­да Arduino биб­лио­те­ка ра­бо­та­ла толь­ко с вы­во­да­ми 9 и 10, и да­же сей­час на всех пла­тах, кро­ме Mega, вы­зов биб­лио­те­ки сер­во­при­во­да при­ве­дет к то­му, что на этих вы­во­дах пе­ре­станет ра­бо­тать ШИМ (ши­рот­но-им­пульс­ная мо­ду­ля­ция), по­это­му мо­же­те восполь­зо­вать­ся и ими.

Ес­ли вы хо­ти­те или вам нуж­но за­пи­сы­вать дан­ные в сер­во­при­вод вруч­ную, восполь­зуй­тесь встро­ен­ной функ­ци­ей map:

value = map(value,0,179,650,2350);

ко­то­рая про­мас­шта­би­ру­ет вход­ное зна­чение ме­ж­ду пер­вой па­рой чи­сел в со­от­вет­ст­вую­щее зна­чение ме­ж­ду вто­рой па­рой чи­сел.



(thumbnail)
Рис. 1. Про­стая управ­ляю­щая цепь — ди­од пре­дот­вра­ща­ет не­же­ла­тель­ные эф­фек­ты об­рат­ной ЭДС.

Сер­во­при­во­ды по­лез­ны для управ­ления все­ми ви­да­ми ро­бо­то­техники, а так­же для ра­дио­управ­ляе­мых са­мо­ле­тов. По­жа­луй, са­мое про­стое, что мож­но сде­лать с их по­мо­щью – из­ме­рить фи­зи­че­­ский угол. Кро­ме сер­во­при­во­да, по­на­до­бит­ся толь­ко мик­ро­пе­ре­клю­ча­тель, под­клю­чен­ный к «пле­чу» или дви­жу­ще­му­ся ры­ча­гу сер­во­при­во­да. За­тем мож­но под­ве­сить это к циф­ро­во­му вхо­ду и про­ве­рять его в ка­ж­дом цик­ле (или вме­сто это­го упот­ре­бить пре­ры­вания – см. пре­ды­ду­щую ста­тью) что­бы уви­деть, коснул­ся ли ры­чаг че­го-ли­бо, см. Схе­му 1.

(thumbnail)
На­стоя­щий ша­го­вый дви­га­тель из­нут­ри. Боль­ше сер­деч­ни­ков уве­ли­чи­ва­ют ко­ли­че­ст­во ша­гов в пол­ном обо­ро­те, но про­вод­ни­ков для управ­ле­ния все рав­но че­ты­ре.
  1. include <Servo.h>

Servo servo1;

int switchpin = 2;

int sensorValue = 0;

int pos = 0;

void setup()

{

servo1.attach(9,540,2350);

pinMode(switchpin, INPUT);

Serial.begin(9600);

}

void loop()

{

digitalWrite(switchpin, HIGH);

for(pos = 0; pos < 180; pos += 1)

{

servo1.write(pos);

sensorValue = digitalRead(2);

if (sensorValue == LOW ){

Serial.println(servo1.read(), DEC);

servo1.write(0);

delay(1000);

break;

}

delay(10);

}

}

Мы под­клю­чи­ли пе­ре­клю­ча­тель ме­ж­ду «зем­лей» и вы­во­дом 2 Arduino (вы­во­ды 0 и 1 луч­ше не тро­гать: они ис­поль­зу­ют­ся для USB-ин­тер­фей­са, и иногда в шаб­ло­нах, где они при­ме­ня­ют­ся, за­груз­ка мо­жет про­ис­хо­дить некор­рект­но).

В основ­ном цик­ле мы про­хо­дим по зна­чениям уг­ла и об­нов­ля­ем по­ло­жение сер­во­при­во­да. При ка­ж­дом про­дви­жении ры­ча­га мы про­ве­ря­ем, что пе­ре­клю­ча­тель на­жат; это оз­на­ча­ет, что ры­чаг коснул­ся че­го-то. Тогда мы воз­вра­ща­ем ры­чаг в ну­ле­вое по­ло­жение и вы­хо­дим из цик­ла, пе­ред этим от­пра­вив зна­чение уг­ла в по­сле­до­ва­тель­ный порт. Мож­но бы­ло про­сто вы­вес­ти зна­чение пе­ре­мен­ной pos, но что­бы немно­го по­ри­со­вать­ся, мы восполь­зо­ва­лись ме­то­дом .read() объ­ек­та сер­во­при­во­да.

Этот ме­тод на са­мом де­ле не оп­ре­де­ля­ет по­ло­жение сер­во­при­во­да по вол­шеб­ст­ву, а оп­ра­ши­ва­ет те­ку­щее со­стояние сиг­на­ла, ко­то­рый мы от­прав­ля­ем, и пре­об­ра­зу­ет его в угол. Су­ще­ст­ву­ют дат­чи­ки по­сто­ян­но­го вра­щения, ко­то­рые по су­ще­ст­ву боль­ше по­хо­жи на ша­го­вые дви­га­те­ли. В этих слу­ча­ях ши­ри­на им­пуль­са оп­ре­де­ля­ет ско­рость их вра­щения.

Ша­го­вый дви­га­тель – уди­ви­тель­ная вещь. Ес­ли обыч­ный дви­га­тель мож­но вклю­чить, вы­клю­чить и, воз­мож­но, из­менить на­прав­ление, ша­го­вый дви­га­тель по­зво­ля­ет управ­лять сво­ей ра­бо­той во впе­чат­ляю­щих объ­е­мах.

(thumbnail)
Схе­ма 1. Про­стая схе­ма из­ме­ре­ния уг­ла с сер­во­при­во­дом.
|

С эти­ми боль­ши­ми воз­мож­но­стя­ми при­хо­дит не боль­шая от­вет­ст­вен­ность, а лишь немно­го лишнего бес­по­кой­ст­ва. Во врез­ке опи­сан один из по­пу­ляр­ных ти­пов ша­го­во­го дви­га­те­ля и по­ка­зан прин­цип его ра­бо­ты, но, хо­тя знать, как он ра­бо­та­ет, по­лез­но, ес­ли вы не хо­ти­те уг­луб­лять­ся в де­та­ли, то суть в сле­дую­щем: дви­га­те­лем управ­ля­ют воз­бу­ж­дае­мые элек­тро­магниты внут­ри него, ко­то­рые за­став­ля­ют ро­тор дви­гать­ся. За­тем элек­тро­магниты мож­но воз­бу­дить в про­ти­во­по­лож­ном на­прав­лении, что­бы ро­тор про­дви­нул­ся еще немно­го. По­это­му дви­жение про­из­во­дит­ся ша­га­ми, и в ка­ж­дом ша­ге вы или кон­трол­лер долж­ны управ­лять энер­ги­ей, про­те­каю­щей че­рез элек­тро­магниты.

Для ра­бо­ты элек­тро­магнит­ных сер­дечников тре­бу­ет­ся несколь­ко боль­шая мощ­ность, чем мо­жет пре­доста­вить пла­та Arduino, а за­час­тую и боль­шее на­пря­жение пи­тания, по­это­му на­пря­мую к вы­во­дам Arduino под­клю­чать их нель­зя. Когда нам нуж­на боль­шая мощ­ность, мы об­ра­ща­ем­ся к на­шим кремние­вым друзь­ям, тран­зи­сто­рам.


(thumbnail)
Схе­ма 2. Двух­про­вод­ная схе­ма управ­ле­ния ша­го­вым дви­га­те­лем.

Мощ­ный тран­зи­стор лег­ко мо­жет пре­доста­вить ток и на­пря­жение, доста­точ­ные для пи­тания сер­дечников, и на рис. 1 по­ка­за­на про­стая схе­ма с тран­зи­сто­ром. Ди­од ну­жен толь­ко для за­щи­ты от об­рат­ной ЭДС – дви­га­тель мо­жет не толь­ко по­треб­лять энер­гию, но и генери­ро­вать ее, а скач­ки то­ка, от­прав­ляю­щие­ся об­рат­но в на­шу цепь, нам не нуж­ны. Для од­но­по­люс­но­го дви­га­те­ля эту схе­му доста­точ­но ум­но­жить на че­ты­ре (обыч­ное ко­ли­че­­ст­во схем сер­дечников в дви­га­те­ле). Ой, а я ска­зал о том, что су­ще­ст­ву­ют раз­лич­ные ти­пы дви­га­те­лей? Ос­нов­ных ти­пов три:

1 От­но­си­тель­но нерас­про­странен­ный и до­ро­гой универ­саль­ный ша­го­вый дви­га­тель

2 Удоб­ный в ис­поль­зо­вании од­но­по­люс­ный ша­го­вый дви­га­тель

3 По­все­ме­ст­но рас­по­странен­ный и нена­деж­ный двух­по­люс­ный ша­го­вый дви­га­тель.

Чем же они раз­ли­ча­ют­ся? Все де­ло в про­во­дах. В од­но­по­люс­ном дви­га­те­ле две це­пи сер­дечников ак­ку­рат­но со­еди­ня­ют­ся в цен­тре, а зна­чит, мож­но по­дать пи­тание на центр и вклю­чать или вы­клю­чать сер­дечники на ка­ж­дой сто­роне, за­зем­ляя их.

В двух­по­люс­ном дви­га­те­ле це­пи сер­дечников от­дель­ные, но для их пи­тания нуж­но по­да­вать на­пря­жение в раз­лич­ной по­ляр­но­сти в за­ви­си­мо­сти от ша­га.

Схе­ма для управ­лениям ими сложнее, но в дви­га­те­ле лег­ко раз­мес­тить боль­ше сер­дечников, по­это­му двух­по­люс­ные дви­га­те­ли ве­ро­ятнее все­го най­ти в ста­ром офис­ном обо­ру­до­вании.

В универ­саль­ном ша­го­вом дви­га­те­ле есть про­во­да для лю­бых ти­пов ви­га­те­лей, и его мож­но под­клю­чить как од­но­по­люс­ный или двух­по­люс­ный дви­га­тель. Мы со­сре­до­то­чим­ся на двух­по­люс­ном дви­га­те­ле по­то­му, что с ним у вас с наи­боль­шей ве­ро­ят­но­стью мо­гут возник­нуть труд­но­сти, а так­же по­то­му, что ско­рее все­го вам по­па­дет­ся имен­но та­кой.

Нам нуж­но по­да­вать на­пря­жение на сер­дечники точ­но так­же, как рань­ше (см. рис. 1), но как из­ме­нять его по­ляр­ность? От­вет – с по­мо­щью мосто­вой кон­ст­рук­ции на дио­дах. Ес­ли вам зна­ко­мы схе­мы мосто­вых вы­пря­ми­те­лей в ис­точниках пи­тания, на­ша схе­ма мо­жет по­ка­зать­ся немно­го по­хо­жей, и во мно­гом это так, не счи­тая то­го, что ре­ша­ет она поч­ти про­ти­во­по­лож­ную за­да­чу. На рис. 2 по­ка­за­на рас­про­странен­ная схе­ма H-моста.

Дио­ды га­ран­ти­ру­ют, что ток те­чет толь­ко ту­да, ку­да нам нуж­но, и за­щи­ща­ет схе­му от «от­да­чи» дви­га­те­ля, а пе­ре­клю­чение вы­пол­ня­ет­ся дву­мя тран­зи­сто­ра­ми. На схе­ме вы ви­ди­те, что вход­ные сиг­на­лы сна­ча­ла про­хо­дят че­рез эле­мен­ты «ис­клю­чаю­щее или» (XOR). Они нуж­ны для то­го, что­бы обе сиг­наль­ные линии не со­дер­жа­ли вы­со­ко­го уров­ня в один мо­мент вре­мени, так как это вы­зо­вет ко­рот­кое за­мы­кание и не очень по­нра­вит­ся ва­ше­му ис­точнику пи­тания. Эта схе­ма под­ра­зу­ме­ва­ет, что для дви­га­те­ля ис­поль­зу­ет­ся от­дель­ный ис­точник пи­тания, и мы на­стоя­тель­но ре­ко­мен­ду­ем вам сде­лать имен­но так.

Мо­жет по­ка­зать­ся, что для ра­бо­ты дви­га­те­ля нуж­но при­ло­жить слиш­ком мно­го до­полнитель­ных уси­лий, осо­бен­но когда вы понимае­те, что вам на са­мом де­ле нуж­ны две этих схе­мы, по од­ной для ка­ж­до­го сер­дечника. К сча­стью, мир ком­мер­че­­ских ин­те­граль­ных схем сно­ва спа­са­ет всех нас, и на рын­ке мож­но най­ти мно­же­ст­во ва­ри­ан­тов мик­ро­схем двой­но­го H-моста по доступ­ным це­нам.

Ка­кая мик­ро­схе­ма вам по­на­до­бит­ся, за­ви­сит от ти­па дви­га­те­ля, но по­пу­ляр­ная мик­ро­схе­ма L293D по­дой­дет для боль­шин­ст­ва ша­го­вых дви­га­те­лей, ко­то­рые мо­гут вам встре­тить­ся. Ти­пич­ный ва­ри­ант под­клю­чения при­ве­ден на схе­ме 2. В ней, бла­го­да­ря то­му фак­ту, что несколь­ко пар про­во­дов од­но­вре­мен­но на­хо­дят­ся в со­стоянии «единица» или «ноль», чис­ло управ­ляю­щих вы­во­дов уда­ет­ся со­кра­тить до двух (с по­мо­щью несколь­ких до­полнитель­ных тран­зи­сто­ров).

Что ка­са­ет­ся управ­ления дви­га­те­лем – ну, для это­го опять же есть стан­дарт­ная биб­лио­те­ка:

(thumbnail)
Тео­ре­ти­че­ская схе­ма уп­ро­щен­но­го двух­по­люс­но­го ша­го­во­го дви­га­те­ля.
  1. include <Stepper.h>

Stepper myStepper(100, 9,10);

void setup() {

myStepper.setSpeed(10);

}

void loop() {

myStepper.step(100);

delay(500);

myStepper.step(-100);

delay(500);

}

Stepper – еще од­на стан­дарт­ная биб­лио­те­ка Arduino, ко­то­рая за­бо­тит­ся о генера­ции управ­ляю­щих сиг­на­лов и да­же умеет ра­бо­тать с дву­мя или че­тырь­мя вы­во­да­ми. Чис­ло вы­во­дов за­да­ет­ся при инициа­ли­за­ции объ­ек­та Stepper: пер­вый па­ра­метр – ко­ли­че­­ст­во ша­гов в пол­ном обо­ро­те, за ним идут два или че­ты­ре ис­поль­зуе­мых вы­во­да.

В ме­то­де setup за­да­ет­ся ско­рость дви­га­те­ля (в обо­ро­тах в ми­ну­ту). Управ­ление ско­ро­стью осу­ще­ст­в­ля­ет­ся от­дель­но от ра­бо­ты дви­га­те­ля, но нуж­но об этом помнить, по­то­му что это мо­жет при­вес­ти к бло­ки­ров­ке Arduino (то есть ис­полнение ко­да бу­дет за­дер­жа­но до тех пор, по­ка дви­га­тель не про­вернет­ся на оп­ре­де­лен­ное ко­ли­че­­ст­во ша­гов). Та­ким об­ра­зом, луч­ше пе­ре­ме­щать­ся неболь­ши­ми ша­га­ми и час­то, вме­сто то­го, что­бы сра­зу рвануть на боль­шое ко­ли­че­­ст­во ша­гов.

Ме­тод .step() вы­зы­ва­ет по­во­рот ро­то­ра дви­га­те­ля на за­дан­ное ко­ли­че­­ст­во ша­гов впе­ред (или, ес­ли ар­гу­мент от­ри­ца­те­лен, на­зад) с те­ку­щей ско­ро­стью. Та­ким об­ра­зом, 100 ша­гов на 100-ша­го­вом дви­га­те­ле, ра­бо­таю­щем с час­то­той 10 обо­ро­тов в ми­ну­ту, зай­мут 6 се­кунд.

Вот и все, что нуж­но для управ­ления дви­га­те­лем. Да­лее в этой се­рии мы рас­смот­рим управ­ле­ние дву­мя дви­га­те­ля­ми для соз­да­ния рель­со­вой те­леж­ки.

Источник — «http://wiki.linuxformat.ru/wiki/index.php?title=LXF155:%D0%9A%D1%80%D1%83%C2%AD%D1%82%D0%B8%D1%82%D1%8C_%D0%BC%D0%BE%C2%AD%D1%82%D0%BE%D1%80%C2%AD%D1%87%D0%B8%D0%BA&oldid=16471»
Персональные инструменты
купить
подписаться
Яндекс.Метрика