Подготовка к настройке драйвера сервомотора

Принцип работы сервопривода

Рисунок 3. Принцип работы сервопривода

Движение редукторного выходного вала, который связан сервоприводом с шестернями, происходит за счёт работы электродвигателя. Для регулирования оборотов предназначен редуктор. Для управления необходимыми механизмами вал соединяется непосредственно с ними.

Его положение контролирует специальный датчик (на них основано всё устройство), который преобразует угол поворота в электро-сигналы. Такой датчик носит название энкодера. Во время поворота бегунка сопротивление энкодера изменяется. Это изменение пропорционально зависимо от угла поворота датчика. Благодаря этому принципу работы механизм можно зафиксировать в нужной позиции.

Для поддержания отрицательной обратной связи используется электронная плата, которая обрабатывает сигналы, приходящие от энкодера. Она сравнивает параметры и определяет запускать или остановить электродвигатель.

1 Gravitonus Growie

Лучший помощник родителям Gravitonus Growie заслуженно пользуется народной популярностью. Положительные отзывы свидетельствуют о его свойствах поддерживать осанку, снимать дискомфорт с мышц. Растущий стул имеет компактные размеры, втиснется в любую нишу. Он подойдет как малышам, так и подросшим детям. Сидя на стульчике, они могут кушать за столом, заниматься учебой, рисовать. Высота регулируется по 11 позициям. Как утверждает бренд, настройки подходят ребятам до 18 лет и 90 кг.

Учитывая безопасные материалы, цена стула довольно доступна. Фирма не использует смолы, краски и лаки. Изделие практически полностью состоит из перерабатываемых веществ. Оно выполнено из дерева с экологичной пропиткой, продлевающей срок службы. Удобная подножка позволяет ребенку самостоятельно забраться на стул, помощь родителей не нужна. Сильные руки требуются для изменения высоты. Однако это и плюс: дети не смогут случайно повредить положение стула.

Переделка сервопривода в серво непрерывного вращения

Как описывалось выше, сервопривод управляется импульсами переменной ширины, которые задают угол поворота. Текущее положение считывается с потенциометра. Если рассоединить вал и потенциометр, серводвигатель будет принимать положение движка потенциометра как в средней точке. Все эти действия приведут к тому, что будет убрана обратная связь. Это позволяет управлять скоростью и направлением вращения по сигнальному проводу, и создать серво непрерывного вращения

При этом важно отметить, что серво постоянного вращения не может поворачиваться на определенный угол и делать строго заданное количество оборотов

Чтобы произвести вышеописанные действия, придется разобрать устройство и внести изменения в конструкцию.

В Ардуино IDE нужно создать небольшой скетч, который поставит качалку в среднее положение.

#include
Servo myservo;
void setup(){
myservo.attach(9);
myservo.write(90);
}
void loop(){
}

После этого устройство нужно подключить к Ардуино. При подключении серво начнет вращаться. Нужно добиться ее полной остановки путем регулирования резистора. После того, как вращение прекратится, нужно найти вал, вытащить из него гибкий элемент и установить обратно.

Этот метод имеет несколько недостатков – настройка резистора до полной остановки неустойчива, при малейшем ударе/нагреве/охлаждении настроенная нулевая точка может сбиться. Поэтому лучше использовать способ замены потенциометра подстроечником. Для этого нужно вытащить потенциометр и заменить его на подстроечный резистор с таким же сопротивлением. Нулевую точку нужно настроить калибровочным скетчем.

Любой из методов переделки сервопривода в серво непрерывного вращения имеет свои недостатки. Во-первых, сложно настроить нулевую точку, любое движение может ее сбить. Во-вторых, диапазон регулирования мал – при небольшом изменении ширины импульса скорость может значительно измениться. Расширить диапазон можно программно в Ардуино.

Виды и характеристики

Серводвигатели выпускаются в самых разных вариантах, позволяющих использовать их во многих областях. Основные конструкции разделяются на коллекторные и бесколлекторные, предназначенные для работы от постоянного и переменного тока.

Кроме того, каждый сервомотор может быть синхронным и асинхронным. Синхронные устройства обладают способностью задавать высокоточную скорость вращения, а также углы поворотов и ускорение. Эти приводы очень быстро набирают номинальную скорость вращения. Сервоприводы в асинхронном исполнении управляются за счет изменения параметров питающего тока, когда его частота меняется с помощью инвертора. Они с высокой точностью выдерживают заданную скорость даже при самых низких оборотах.

В зависимости от принципиальной схемы и конструкции, сервоприводы могут быть электромеханическими и электрогидромеханическими. Первый вариант, включающий редуктор и двигатель, отличается низким быстродействием. Во втором случае действие происходит очень быстро за счет движения поршня в цилиндре.

Каждый сервопривод характеризуется определенными параметрами:

• Крутящий момент или усилие, создаваемое на валу. Считается наиболее важным показателем работы сервопривода. Для каждой величины напряжения существует собственный крутящий момент, отражаемый в паспорте изделия.
• Скорость поворота. Данный параметр представляет собой определенный период времени, который требуется, чтобы изменить позицию выходного вала на 600. Эта характеристика также зависит от конкретного значения напряжения.
• Максимальный угол поворота, на который может развернуться выходной вал. Чаще всего эта величина составляет 180 или 3600.
• Все сервоприводы разделяются на цифровые и аналоговые. В зависимости от этого и осуществляется управление сервоприводом.
• Питание серводвигателей. В большинстве моделей используется напряжение от 4,8 до 7,2В. Питание и управление осуществляется с помощью трех проводников.
• Возможность модернизации в сервопривод постоянного вращения.
• Материалы для редуктора могут использоваться самые разные. Шестерни изготавливаются из металла, карбона, пластика или комбинированных составов. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками. Например, пластиковые детали плохо выдерживают ударные нагрузки, но устойчивы к износу в процессе длительной эксплуатации. Металлические шестерни, наоборот, быстро изнашиваются, зато они обладают высокой устойчивостью к динамическим нагрузкам.

Критерии выбора вида сервопривода

В данном разделе постараемся ответить на вопрос. На чем основывается выбор приборов того или иного вида.

Если вырешили оснастить свою отопительную систему «теплый водяной пол» сервоприводами, учитывайте параметры эксплуатации вашего отопления. В каком положении большую часть времени должен находиться клапан. В той ситуации, когда для вас теплый пол является основным вариантом обогрева жилых помещений, когда горячий теплоноситель постоянно поступает в трубопровод, делайте ставку на сервомотор нормально открытый. Такой вид является идеальным в условиях длительного отопительного сезона.

Для регионов с теплым климатом подойдет сервомотор нормальный закрытый. Если вам не страшна размораживание отопительного контура, и вы периодически включаете напольный обогрев, этот прибор будет вполне справляться со своими функциями.

В большинстве случае подобные устройства в домашних системах отопления с греющими полами не используются

Поэтому при покупке, обратите внимание, требуется или нет к прибору монтаж электронного регулятора. Если в инструкции написано что такое оснащение необходимо, значит, вы имеете дело с электронным сервоприводом

Скажем сразу, такой прибор использовать в домашних условиях нецелесообразно и нерентабельно.

Обязательно прочтите: как сделать водяной пол от газового котла?

Сфера применения

На схеме трехходовой клапан установлен на обратке

Регулировка температуры в помещении чаще всего выполняется двумя способами:

• с помощью терморегуляторов – оптимальный вариант в случае, если используются радиаторы отопления. В таком случае регуляторы устанавливаются перед каждой батареей и автоматически регулируют поступление в радиатор теплоносителя;
• с помощью сервопривода – чаще всего используется при необходимости регулировки температуры теплых полов.

Один из вариантов схемы подключения теплого пола

В случае с теплыми полами особенно важно удерживать теплоноситель не выше определенной температуры. Если, например, регулировать подачу теплоносителя с помощью обычных терморегуляторов, то при пуске системы может возникнуть ситуация, когда в трубы пойдет горячая вода

В результате по полу будет просто некомфортно ходить какое-то время, а возможен и выход из строя части труб.

Установка сервопривода с 3-ходовым клапаном до коллектора позволит избежать этого. Обычно так и поступаю, тем более что цена такого устройства минимальна.

Скетч для управления сервоприводом в Arduino

Управление сервоприводом напрямую через изменение в скетче длительности импульсов – достаточно нетривиальная задача, но у нас, к счастью, есть отличная библиотека Servo, встроенная в среду разработки Arduino. Все нюансы программирования и работы с сервоприводами мы рассмотрим в отдельной статье. Здесь же приведем простейший пример использования Servo.

Алгоритм работы прост:

• Для начала мы подключаем Servo.h
• Создаем объект класса Servo
• В блоке setup указываем, к какому пину подключен серво
• Используем методы объекта обычным для C++ способом. Самым популярным является метод write, которому мы подаем целочисленное значение в градусах (для сервопривода 360 эти значения будут интерпретироваться по-другому).

Пример простого скетча для работы с сервоприводом

Пример проекта, в котором мы сразу сначала устанавливаем серводвигатель на нулевой угол, а затем поворачиваем на 90 градусов.

#include 

Servo servo;  // Создаем объект
void setup() {
  servo.attach(9);   // Указываем объекту класса Servo, что серво присоединен к пину 9
  servo1.write(0);   // Выставляем начальное положение 
  }

void loop() {
  servo.write(90); // Поворачиваем серво на 90 градусов
  delay(1000);        
  servo.write(1800);
  delay(100);        
  servo.write(90);
  delay(1000);
  servo.write(0);
  delay(1000);        
}

Скетч для двух сервпоприводов

А в этом примере мы работаем сразу с двумя сервоприводами:

#include 

Servo servo1;  // Первый сервопривод
Servo servo2;  // Второй сервопривод

void setup() {
  servo1.attach(9);   // Указваем объекту класса Servo, что серво присоединен к пину 9
  servo2.attach(10);  // А этот servo присоединен к 10 пину
  
}

void loop() {
  // Выставялем положения
  servo1.write(0); 
  servo2.write(180);
  delay(20);        
  // Меняем положения
  servo2.write(0); 
  servo1.write(180);
}

Управление сервоприводом с помощью потенциометра

В этом примере поворачиваем серво в зависимости от значения, полученное от потенциометра. Считываем значение и преобразовываем его в угол с помощи функции map:

//Фрагмент стандартного примера использования библиотеки Servo
void loop() {
  val = analogRead(A0); // Считываем значение с пина, к которому подключен потенциометр
  val = map(val, 0, 1023, 0, 180); // Преобразуем число в диапазоне от 0 до 1023 в новый диапазон - от 0 до 180.
  servo.write(val);             
  delay(15);
}

Основные характеристики изделия

Работа сервопривода характеризуется двумя основными показателями: скоростью поворота и усилия на валу. Первая величина служит показателем времени, которое измеряется в секундах. Усилие мерится в кг/см, то есть, какой уровень усилия развивает механизм от центра вращения.

Сейчас выпускают механизмы, функционирующие при показателе напряжения питания от 4,8 до 6 В. Чаще этот показатель равен 6 В. Однако не все модели рассчитаны на широкий диапазон напряжений. Иногда двигатель сервопривода работает лишь при 4,8 В или же только при 6 В (последние конфигурации производятся крайне редко).

Функции: основные и дополнительные

Распределение теплоносителя по контурам — основная задача коллектора теплого пола, но выполнять он может еще массу дополнительных функций. Например, чаще всего в коллекторе есть два запорных клапана: на подаче и на «обратке». Через них система заполняется теплоносителем, тестируется (опрессовывается) и сливается. Также оснащаются коллекторы спускными клапанами, через которые выходит воздух из системы. Это общие устройства.

Коллектор теплого пола распределяет горячий теплоноситель с гребенки подачи, и собирает остывший на гребенке «обратки»

Дополнительные устройства коллектора

Есть на коллекторах еще и доп. устройства, которые устанавливаются на каждый контур или петлю теплого пола. Чаще всего используются расходомеры. Они устанавливаются на подающей гребенке и служат для выравнивания гидравлического сопротивления разных по длине петель теплого пола. Во всех инструкциях рекомендуют контура для подогрева пола делать одинаковой длины. На практике это часто нереально. Но если разной длины контура подключить к раздаче напрямую, то большая часть потока пойдет через самый короткий, ведь у него самое маленькое гидравлическое сопротивление. Чтобы этого не произошло, ставят расходомеры. При их помощи регулируют потоки в каждой петле теплого пола, заужая/расширяя просвет для прохождения теплоносителя.

Так выглядят расходомеры. При старте системы они заполнены воздухом, потом в них может появиться теплоноситель. Это нормально, работе то не мешает

На обратном коллекторе, на выходе каждого контура, стоят запорные клапана. С их помощью можно отключить один или несколько отопительных контуров. И таким образом регулировать температуру пола и/или воздуха в комнате. Также это делать можно расходомером, уменьшая поток теплоносителя, если стало слишком жарко, увеличивая, если замерзли.

Устройство автоматической регулировки температуры

Конечно, можно регулировать теплоотдачу и так, руками, но можно это дело предоставить автоматике. Тогда на место ручных расходных клапанов на обратном коллекторе ставят сервомоторы, а в комнате размещают термостат (терморегулятор) обычный или программируемый.

Терморегуляторы могут контролировать температуру воздуха в комнате, а могут — температуру теплого пола. Температуру теплого пола контролирует выносной датчик, который подсоединяется к терморегулятору. Датчик нужно устанавливать до заливки стяжки.

Терморегулятор и сервопривод для водяного подогрева. Один из множества вариантов

Для установки датчика, контролирующего температуру пола, от терморегулятора вниз пробивают в стене штробу. В нее укладывается гофрошланг, который должен заходить на пол и заканчиваться на расстоянии не менее 50см от стены. Причем конец гофорошланга должен располагаться между трубами, а не ближе к одной из них — так его показания будут более точными. Прокладывая гофру, старайтесь, чтобы поворотов было как можно меньше, и все они были плавными.

Тот конец гофры, который оказывается в стяжке, нужно заделать, чтобы в него не попал раствор при заливке стяжки. Можно хорошо замотать изолентой или сделать пробку из пенопласта. Вся эта процедура нужна для того, чтобы датчик температуры пола можно было при необходимости вытаскивать и менять.

Так выглядеть может схема подключения с двухходовым клапаном, управлением от терморегулятора и сервоприводами

Поставим датчик на место. Для этого с того конца гофорошланга, который находится возле терморегулятора, просто опускаете датчик (он прикреплен к длинному проводу) до упора. Если провод слишком мягкий, и датчик никак не пройдет поворот, попробуйте использовать толстую садовую леску в качестве протяжки. Обычно это помогает.

При использовании датчиков постоянная температура будет поддерживаться автоматически. Механизм управления в этом случае простой. Вы на термостате выставляете желаемую температуру. При отклонении фактической температуры воздуха от заданной на 1оС соответствующему сервомотору подается команда на включение/отключение подачи теплоносителя.

Дверные магнитные защелки: типы, достоинства и недостатки

Как работает сервопривод

Вращение выходного вала редуктора, связанного шестернями с сервоприводом, осуществляется путем запуска и остановки электродвигателя. Сам редуктор необходим для регулировки числа оборотов. Выходной вал может быть соединен с механизмами или устройствами, которыми необходимо управлять. Положение вала контролируется с помощью датчика обратной связи, способного преобразовывать угол поворота в электрические сигналы и на котором построен принцип работы всего устройства.

Этот датчик известен также, под названием энкодера или потенциометра. При повороте бегунка, его сопротивление будет изменяться. Изменения сопротивления находится в прямой пропорциональной зависимости с углом поворота энкодера. Данный принцип работы позволяет устанавливать и фиксировать механизмы в определенном положении.

Дополнительно каждый серводвигатель имеет электронную плату, обрабатывающую внешние сигналы, поступающие от потенциометра. Далее выполняется сравнение параметров, по результатам которого производится запуск или остановка электродвигателя. Следовательно, с помощью электронной платы поддерживается отрицательная обратная связь.

Подключить серводвигатель можно с помощью трех проводников. По двум из них подается питание к электродвигателю, а третий служит для прохождения сигналов управления, приводящих вал в определенное положение.

Предотвратить чрезмерные динамические нагрузки на электродвигатель возможно с помощью плавного разгона или такого же плавного торможения. Для этого применяются более сложные микроконтроллеры, обеспечивающие более точный контроль и управление позицией рабочего элемента. В качестве примера можно привести жесткий диск компьютера, в котором головки устанавливаются в нужную позицию с помощью точного привода.

Виды и классификация прибора

В настоящее время, потребительский рынок предоставляет несколько моделей для сервоприводов теплого водяного пола. У каждого есть свои преимущества и недостатки. По классификации работ, они разделяются на три основных вида:

1. Механический. Данное оборудование просто в применении, все настройки выполняются вручную, поворотом колесика. К плюсам механического сервопривода относят: высокую прочность и доступную цену. К отрицательным качествам – невозможность установить оптимальный микроклимат.
2. Электронный. Данная модель оснащена дисплеем, через который можно визуально отслеживать процесс работы нагревательной системы и температурный режим. К достоинствам изделия относят наличие функций, которые дают возможность задавать желаемый микроклимат для определенного времени суток. Настройка и регулировка выполняется как вручную, так и автоматически. По отзывам потребителей отрицательных качеств у прибора нет.
3. Дистанционный. Отличительной чертой этого прибора заключается в том, что все настройки можно совершать через инфракрасный канал или радиоуправление. Таким образом, даже находясь на большом расстоянии от дома, хозяин сможет выставить желаемую температуру к своему приезду.

Индикация положения клапана на сервоприводе и его устройство: 1- Гайка; 2 — Пружина; 3 — Сильфон; 4 — Корпус со светодиодами; 5 — Вспомогательный контакт; 6 — Кабель

Стоит также отметить, что в не зависимости от классификации работ, сервопривода для коллектора теплого водяного пола подразделяются и по конструкции «нормального» положения клапана:

1. Нормально открытый. Такой вид используют, при желании постоянной циркуляции теплоносителя. Обусловлено это тем, что клапан у оборудования изначально находится в открытом положении, поэтому даже при его поломке или в отсутствии электроэнергии, водяная система сможет снабжать трубопровода горячей водой.
2. Нормально закрытый. Данная модель отличается от первой тем, исходное положение клапана – закрытый вид. Поэтому, ее не рационально использовать при регулярных перебоях электроэнергии в северных регионах страны.
3. Универсальный. Это новый вид сервопривода, который от требований обогревающей модели может изменять изначальное положение клапана.

Установка Сервопривода на коллеторе

Перед тем, как отдать свое предпочтение тому, или иному виду сервомотору, нужно ознакомиться с его характеристиками нагревательных элементов. Такая подробность связана с тем, что время воздействия клапана при нагревании и остывании сильфона разная. В среднем при нагреве сильфона, клапан начинает действовать, через 2 – 3 минуты, при остывании – 10 – 15 минут.

Заключение

Сервоприводы играют очень важную роль для многих проектов Ардуино, от робототехнических до систем умного дома. Все, что связано с движением,  традиционно требует особых знаний и создать полноценный правильно работающий привод – непростая задача. Но с помощью серводвигателей можно во многих случаях упростить задачу, поэтому серво постоянно используется даже в проектах начального уровня.

В этой статье мы постарались раскрыть разные аспекты использования сервоприводов в проектах arduino: от подключения до написания скетчей. Выбрав самую простую модель серво (например, sg 90) вы сможете без труда повторить приведенные примеры и создать свои первые проекты, в которых что-то движется и изменяется. Надеемся, эта статья поможет вам в этом.

Подведение итогов

Применение сервоприводов разрешает достигнуть высокой гибкости регулировки отопительной системы. Наряду с этим цена для того чтобы устройства низка, а простота установки лишь додаёт ему популярности. Такая система отопления разрешит адекватно и быстро реагировать на мельчайшее трансформацию температуры в доме (см.кроме этого статью «Установка отопления: советы по выбору компонентов автономной системы»).

На видео продемонстрирован пример установки сервопривода на коллектор отопления.

Сервопривод с выдвижным штоком позволяет управлять клапанами нажимного действия и тем самым автоматизировать работу теплого пола или других элементов системы отопления. Включение и выключение контура с сервоприводом будет осуществляться комнатным термостатом в автоматическом режиме и не зависит от действий человека. Как именно может быть реализована схема и какие сервоприводы обычно применяются…

Принцип работы коллектора теплого пола с сервоприводами

Каждый контур (петля трубопровода) теплого пола оборудуется настроечным клапаном. С помощью него можно задать первоначальные настройки расхода теплоносителя в зависимости от его длины, ведь гидравлические сопротивления у контуров разные. Тем же клапаном можно настроить желаемую температуру, — в санузле +32 град, а в спортзале только +18 град, например…. Чем больше расход через контур, тем больше энергии прибудет.

Второй тип клапанов, используемых на коллекторе теплого пола, — нажимные, которые включают и выключают контура в зависимости от температуры, и управляются сервоприводами.

Как устроен сервопривод

Обычный сервопривод для теплого пола по принципу «включил-выключил» чаще сделан на основе емкости с расширяющейся жидкостью, толуола. При подаче напряжения емкость подогревается спиралью, жидкость расширяется и давит на шток. При отключении объем жидкости уменьшается, происходит возврат в первоначальное положение.

Также возможен вариант конструкции с нагревающейся пластиной, но принцип тот же — при нагреве происходит выдвижение штока. Эти конструкции сервоприводов просты, в них отсутствует электромагнитный движитель и вращение штока, их часто называют также «теплоприводами».

Выдвижение штока будет происходить с задержкой на 1 — 3 минуты, после подачи напряжения как и его возврат после отключения. Но нас интересует, что будет происходить в самой системе при включении и выключении сервопривода, т.е. необходимо рассматривать как ведет себя при этом управляемый клапан…

Два основных вида взаимодействия с клапаном

Система сервопривод-клапан подразделяется на следующие виды.

• Нормально включено. При отсутствии напряжения на сервоприводе управляющий клапан открыт — находится в положении «включено». При подаче напряжения клапан закрывается, движение жидкости через него прекращается.
• Нормально выключено. При отсутствии напряжения клапан закрыт. При подаче энергии — клапан открывается.

Какой из них выбрать?

Какой сервопривод выбрать для теплого пола

Чтобы выбрать вид системы сервопривода с клапаном для оборудования теплого пола нужно решить, — в каком положении клапан будет находится большее количество времени.

Для большинства регионов (у нас регионы холодные), теплый пол в основном находится в работе, как вспомогательно-отопительная и комфортообразующая система. Т.е. по контурам циркулирует теплоноситель большее количество времени отопительного сезона. Частые выключения из-за превышения температуры воздуха могут происходить лишь в небольших внутренних комнатах, где теплый пол — единственная система обогрева.

Поэтому у нас в основном устанавливаются нормально включенные автоматизированные клапаны.

Нужна ли плавная регулировка положения клапана на подаче контуров теплого пола

Сервоприводы для теплого пола могут быть не только по типу «включил/выключил», но и с плавной регулировкой выдвижения, — с электронным управлением подаваемого напряжения, с изменением от ноля до максимума.

Но подобные более дорогие системы для теплого пола не имеют большого практического смысла, скорее наоборот — на привод всегда будет подаваться напряжение, чтобы поддерживать регулировку.

Обычная же схема работы коллектора теплого пола состоит в следующем: тонкая настройка ручным клапаном (устанавливается на гребенке обратки), и отключение контура сервоприводом на подаче по команде термостата.

Более экономичный вариант — управление расходом в контуре с помощью только одного клапана, который сначала балансируется на расход в открытом положении, затем на него ставится сервопривод с помощью которого контур может вовсе отключаться…