Středoškolská technika 2011 SERVO DRIVER

www1.fs.cvut.cz
  • No tags were found...

Středoškolská technika 2011 SERVO DRIVER

Středoškolská technika 2011Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUTSERVO DRIVERMichal ToufarStřední průmyslová škola TřebíčManželů Curieových 734


OBSAHUvodní stranaiÚvod 41 SERVO DRIVER 51.1 Technické vlastnosti zařízení .................................................................... 51.2 I/O rozhraní ............................................................................................... 51.3 Technické zpracování výrobku ................................................................. 62 SOFTWAROVÁ ČÁST 62.1 Program pro ATMega 88-20PU ............................................................... 62.1.1 Blokové schéma zapojení mikroprocesoru……………………..…..62.1.2 Diagram programové regulace………………..……………..……..62.1.3 Popis funkce programu…………………………………………......72.2 Servo tuning .............................................................................................. 72.2.1 Print screen………………………………………..……………......73 ENKODÉRY 83.1 Princip a účel enkodérů ............................................................................. 83.2 Typy enkodérů .......................................................................................... 84 ROZVĚTVENÉ REGULAČNÍ OBVODY 94.1 Obody s pomocnou regulovanou veličinou ............................................ 115 SERVOMOTORY 125.1 Řízení a regulace ..................................................................................... 125.2 Vyobrazení servomotoru ......................................................................... 135.3 Vysvětlení popisů ................................................................................... 135.4 Fotodokumentace servomotoru ............................................................... 145 Závěr 15


LITEATURA A INFORMAČNÍ ZDROJE 16Seznam symbolů, veličin a zkratek 17Seznam příloh 18A.1 Obvodové zapojení ................................................................................. 19A.2 Deska plošného spoje – top (strana součástek) ....................................... 20A 2.1 TOP pohled - rozložení součástekA 2.2 TOP pohled - vodivé spoje……………………………………….20A.3 Deska plošného spoje – bottom (strana spojů) ....................................... 21A 3.1 Botton pohled - rozložení součástekBA 3.2 Botton pohled - vodivé spoje…………………………………….21SEZNAM SOUČÁSTEK……………………………………………....22SEZNAM OBRÁZKŮObr. 2.1: Blokové schéma zapojení mikroprocesoru .................................................... 6Obr. 2.2: Programový diagram programové regulace. .................................................. 6Obr. 2.3: Print screen - ukázka z programu Servo tuning…………..……………....…7Obr. 3.1 Signál jednoduchého enkodéru…………………………………………...…8Obr. 3.2 Signál dvojitého enkodéru……………………………………..……........…8Obr. 4.1: Blokové schéma regulačního obvodu…………………………………...…10Obr. 4.2: Schéma rozsvětleného regulačního obvodu………………...……………...11Obr. 4.3: Regulace teploty s plynem regulačního kotle………………....………...…11Obr. 5.1: Řez servomotorem ……………………….………………………………..13Obr. 5.2: Vyobrazení servomotorů …………………..…………………………...…14


ÚVODJedná se driver řízený mikrokontrolérem. Regulační hodnoty lze do nastavit jižnainstalované v zařízení, kde se bude vykonávat regulace.Obsahuje i další funkce, např. reset, chybový výstup, enkodér a připojovacíkonektor pro sériovou komunikaci s mikrokontrolérem přes PC.Tento driver lze použít pro napájení stejnosměrných lineárních servomotoru.S napájením do 80V a procházejícím proudem max. 10A.Pro případné zájemce pro zhotovení je oboustranná deska navržena v softwaruEagle 5.7.4


1 SERVO DRIVERJak již bylo zmíněno výše, jedná se o driver pro řízení servo-motoru s enkodérem.Maximální napájecí napětí motorů je 80V a maximální procházející proud 10A. Řízenípomocí vstupu Dir (směr) a Step (krok). Dále zařízení obsahuje chybový výstupindikující ztrátu polohy, přetížení, nadproudu a limity pojezdu. Obsahuje programovacívstup procesoru (ISP). Přes seriový kanál Uart a přiloženy software Servo Tunig lzezapsat přesné regulační hodnoty.Technické vlastnosti zařízenío Vsup enkodérůo Řízení step/diro Chybový výstup, ztráty polohy, přetížení a nadprouduo Vstupy pro limity pojezduo Programovací vstup procesoruo Nastavovací vsup parametru procesoru (U art , USB)o 12V svorka pro připojení externího zařízení (aktivní chlazení)o Galvanické oddělení vstupů za použití optočlenůMaximální hodnoty na regulované částio U max 80Vo I max 10AI/O rozhraníOvládací vstupy pro přesné seřízení vlastností zařízení.Error výstup – chybový výstup, na které se může připojit nadřazený systém, kterývyhodnotí chybu nebo např. resetuje celé zařízení. Tento výstup je oddělenoptočlenem.U art – ovládaní sériového kanálu z připojeného PC a za použití software Servotuningkde lze nastavit konstanty flash paměti v MCU.Reset – pokud na tento vsup, přivedeme mikroprocesoru log. 0 resetujeme jen dopočátečního stavu.Programmer/limit – slouží pro naprogramování mikroprocesoru přes ISProzhraní. Toto rozhraní umožnuje programování přímo na desce.Step – Vstup řídicích impulsu pro otáčení.Dir – Vstup ovládá log. 0 nebo log. 1 směr otáčení motoru.Limit L – Vstup, který vyhodnocuje maximální pojezd vlevo.Limit R – Vstup, který vyhodnocuje maximální pojezd vpravo.5


Technické zpracování výrobkuVýrobek je navržen v návrhovém programu Eagle ver. 5.7 na oboustranné desce,která je prokovená mezi vrstvami. Vyobrazené desky jsou uvedeni na konci v příloze.Podstatná část použitých diskrétních součástek je typu SMT vel. 1206. Některésoučástky jak např. mikroprocesor je použít standartní pouzdro DIL usazené v příslušnépatici.2 SOFTWAROVÁ ČÁSTV této části je blokově vyobrazen a popsán program mikroprocesoru, který jenapsán v assembleru (jazyk symbolických adres).Program pro ATMega 88-20PUBlokové schéma zapojení mikroprocesoruDiagram programové regulaceObr. 2.1Obr.2.26


Popis funkce programuNa obr 2.1 je vyobrazen diagram programové regulace. Jedná se o kaskádníregulaci, která má výhodu rychlejší regulace systému a teoretické vysvětlení je uvedenov kapitole 3.V programu je vytvořena spojitá regulace typu PID a záporná zpětná vazba jevytvořena pomocí PG (enkodérů), kde je signál přiveden na Position couter (čítačpolohy).Program dále též vyhodnocuje např. točivý moment (Torque limit)Servo-tunningTento program slouží pro úplné do nastavení servo-pohonu přímo v zařízení. Lzezapsat hodnoty do flash paměti mikroprocesoru tyto parametry:# 1 - rychlostní limit# 2 (KF) - rychlost reakce zesílení# 3 (KP) - proporcionální zesílení# 4 (Ki) - integrální zesílení# 5 - momentový limit# 6 - zpět - EMF náhradu ziskuPrint-screenObr 2.37


3 ENKODÉRYPrincip a účel enkodérůZákladním principem funkce enkodérů je měření přítomnosti či nepřítomnostinějakého dobře detekovatelného materiálu na otáčejícím se kolečku. V případětachometru pro jízdní kolo je to magnet, v případě kuličkové myši je to díra v kolečkuatp.Typy enkodérůV robotické praxi se nejčastěji setkáváme s enkodéry optickými. V případě reflexních(odrazových) enkodérů jsou zdroj „světla” i jeho přijímač společně umístěny na jednéstraně kolečka, na kterém jsou reflexní a matné plošky. Jejich střídání před přijímačempři otáčení kolečka na něm způsobuje změny napětí v důsledku změny množstvídetekovaného světla. Získáme obdélníkový signál, kde každý obdélník odpovídá jednéreflexní či matné ploše. Při jejich rovnoměrném rozmístění po obvodu kolečkaodpovídá jeden obdélník otočení vždy o shodný počet stupňů. Enkodérům generujícítakovýto pravidelný obdélníkový signál říkáme inkrementální. U transmisivníchenkodérů jsou zdroj a přijímač umístěny na opačných stranách děravého kolečka.Reflexní plošky jsou zde suplovány dírami.Pokud máme zaručeno, že vždy víme, na kterou stranu se kolečko otáčí, tak z výšeuvedených informací poměrně snadno získáme ujetou vzdálenost. Z kalibrovatenkodéry můžeme například tak, že necháme robota kousek popojet, přesně změřímeujetou vzdálenost, spočítáme počet „obdélníků” naměřených během tohoto pohybu azměřenou vzdálenost vydělíme tímto počtem. Získáme tím „délku” jednoho„obdélníku” (často se tomuto údaji říká enkodérový tik).V případě, že informaci o směru otáčení nemáme, z výše popsaného enkodéru jinezískáme. Pro zjištění směru otáčení potřebujeme na kolečku ještě jeden senzor, kterýje v ideálním případě namontován tak, že jeho signál je s původním signálem fázověposunut a to nejlépe o 90°.Obr. 3.1 Signál jednoduchého enkodérůObr. 3.2 Signál dvojitého enkodérů8


4 Rozvětnené regulační obvodyKe zlepšení kvality regulace volíme často složitější uspořádání regulačníhoobvodu s větším počtem regulačních smyček. Regulovaná soustava a regulátor jsou pakpropojeny větším počtem vazeb a takovým regulačním obvodům pak říkáme rozvětvenéregulační obvody. U nich se k původnímu (hlavnímu) regulátoru přidává druhý(pomocný) regulátor, přibývají další veličiny a obvod se zákonitě větví. Úkolemrozvětvených regulačních obvodů je zlepšit kvalitu regulace a někdy i stabilitu regulace(např. u regulovaných soustav s dopravním zpožděním), kdy v jednoduchém regulačnímobvodu se už sebelepším nastavením parametrů regulátoru tato kvalita či stabilita zlepšitnedá.Rozlišujeme čtyři základní typy rozvětvených regulačních obvodů• obvody s pomocnou regulovanou veličinou• obvody s pomocnou akční veličinou• obvody s měřením poruchy• obvody s modelem regulované soustavy.9


Obvody s pomocnou regulovanou veličinou10


5 SERVOMOTORYServomotor zkráceně servo je motor pro pohony (většinou elektrické, ale existují takéhydraulická, pneumatická či dokonce parní serva), u kterých lze na rozdíl od běžnéhomotoru nastavit přesnou polohu natočení osy. Ovládají se jím například posuvy u CNCstrojů, nastavení čtecí hlavičky u pevného disku. Všechny RC (Radio control) modelypoužívají malá modelářská serva.Servo také často pracuje na podstatně menších otáčkách, než je pro daný typ strojeobvyklé.V širším slova smyslu je servomotorem jakýkoli motor sloužící k motorickému řízenípolohy nahrazující práci člověka. Může to být: elektromagnet, elektromotor,pneumatický či hydraulický píst nebo i topný odporový drát na bimetalu.Servomotor může zařízení polohovat: do dvou nebo více diskrétních poloh, nebo iplynule mezi krajními polohami.Řízení a regulaceO poloze zařízení lze usuzovat bez zpětné vazby, např: podle počtu impulzů vyslanýchdo krokového motorku, podle času po který byl pohon zapnutý.Vlastnosti servomotoru vylepšuje použití snímačů pro odečet polohy. Signál těchtočidel lze využít k dalšímu řízení pohonu, například vypnout motor po dojezdu do krajnípolohy. Zavedením lineární záporné zpětné vazby lze servomotorem řídit polohuzařízení v celém rozsahu jeho pracovní dráhy. Je k tomu zapotřebí řídicí systém zvanýregulátor.Poloha hřídele servomotoru bývá zjišťována elektricky pomocí fotoelektrickéhosnímače (encoder) nebo pomocí rozkladače (selsynu). Pro levné aplikace lze použítoptické snímání pomocí kódového kotoučku či proužku, gray code.12


Vyobrazení servomotoruobr. 5.1 Řez servomotoremVysvětlení popisů:Encodér - enkodérBrush - kartáčBrush cover - katačový krytIronnles winding - neželezné vynutíHousing (magnetic return) - obal (magnetické stínění)Commutator - komutátorMagnet - magnetShaft - hřídelMotor flange - příruba motoruBall bearing - kuličkové ložiskoMotor pinion - motorový pastorekGear mounting plate - Zařízení pro montážní deskuPlanet carrier plate - kruhová nosná deskaInternal gear - vnitřní ozubeníBall bearing - kuličkové ložiskoGearhead flange - převodovková přírubaOutput shaft - výstupní hřídel13


Fotodokumentace servomotorůobr. 5.2 Vyobrazení servomotorů14


ZÁVĚRCelé zařízení je teoreticky popsáno a veškerý obslužný software je připojen jevolně přístupný na internetových stránkách. Program, jak je již uvedeno, je napsánv programovacím jazyce assembler a je uveden jak napsán v příkazech, tak již přeložendo strojového kódu.Kaskádní regulace, jak je již uvedeno víše, zaručuje rychlejší odezvu a tím i lepšíregulaci daného zařízení, v němž bude ovládací elektronické zařízení aplikováno.Modulárnost tohoto zařízení, jistě nalezne široké využití v řídící technice u pohonuservomotoru.15


LITERATURA A INFORMAČNÍ ZDOJE1. Stránky http://www.robotika.cz/ - automatizace, robotika2. Stránky http://www.wikipedia.cz/ - informace o řízení3. Stránky http://www.c-n-c.cz/ - obvodové zapojení a další důležité informace4. Švarc I.: Teorie automatického řízení, VUT Brno, fakulta strojního inženýrství, str.48 - 505. Stránky http://www.beechservices.com/Images/servomotor2.gif - řez motorem6. Stránky http://mrbenbenzftc.en.made-in-china.com/offer/EqPxymBDvfYM/Sell-Servo-Motor.html - typy servomotoru16


SEZNAM SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEKvelMCUI/ODIRSTEPSMTvelikost daného pouzdra, označení typuMicroprocesor, mikrokontrolér (ATMega88-20)IN/OUT vsup/výstup vstupně-výstupní rozhraní- směr- kroksurface mount technology – tech. pro povrchovou montážEncodér- enkodérBrush- kartáčBrush cover - katačový krytIronnles winding - neželezné vynutíHousing (magnetic return) - obal (magnetické stínění)Commutator - komutátorMagnet- magnetShaft- hřídelMotor flange - příruba motoruBall bearing - kuličkové ložiskoMotor pinion - motorový pastorekGear mounting plate - Zařízení pro montážní deskuPlanet carrier plate - kruhová nosná deskaInternal gear - vnitřní ozubeníBall bearing - kuličkové ložiskoGearhead flange - převodovková přírubaOutput shaft - výstupní hřídel17


SEZNAM PŘÍLOHA Návrh zařízení 24A.1 Obvodové zapojení ................................................................................. 24A.2 Deska plošného spoje – top (strana součástek) ....................................... 25A 2.1 TOP pohled - rozložení součástekA 2.2 TOP pohled - vodivé spoje……………………………………….25A.3 Deska plošného spoje – bottom (strana spojů) ....................................... 26A 3.1 Botton pohled - rozložení součástekA 3.2 Botton pohled - vodivé spoje……………………………..……...26B Seznam součástek 2718


NÁVRH ZAŘÍZENÍObvodové zapojení19


A.2 Deska plošného spoje – top (strana součástek)A 2.1 TOP pohled - rozložení součástekRozměr desky 75x 85 [mm], měřítko M1:1A 2.2 TOP pohled - vodivé spojeRozměr desky 75x 85 [mm], měřítko M1:120


A.3 Deska plošného spoje – bottom (strana spojů)A 3.1 Botton pohled - rozložení součástekRozměr desky 75 x 85 [mm], měřítko M1:1A 3.2 Botton pohled - vodivé spojeRozměr desky 75 x 85 [mm], měřítko M1:121


SEZNAM SOUČÁSTEKOznačení Hodnota Pouzdro PopisR1 220Ω SMD vel. 1206 rezistorR2 220Ω SMD vel. 1206 rezistorR3 330Ω SMD vel. 1206 rezistorR4 330Ω SMD vel. 1206 rezistorR5 10KΩ SMD vel. 1206 rezistorR6 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR7 10KΩ SMD vel. 1206 rezistorR8 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR9 10KΩ SMD vel. 1206 rezistorR10 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR11 10Ω SMD vel. 1206 rezistorR12 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR13 22KΩ SMD vel. 1206 rezistorR14 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR15 22KΩ SMD vel. 1206 rezistorR16 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR17 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR18 100KΩ SMD vel. 1206 rezistorR19 100KΩ SMD vel. 1206 rezistorR20 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR21 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR22 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR23 100KΩ SMD vel. 1206 rezistorR24 100KΩ SMD vel. 1206 rezistorR25 100KΩ SMD vel. 1206 rezistorR26 470Ω SMD vel. 1206 rezistorR27 10KΩ SMD vel. 1206 rezistorR28 10KΩ SMD vel. 1206 rezistorR29 10KΩ SMD vel. 1206 rezistor22/25


R30 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR31 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR32 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR33 1KΩ SMD vel. 1206 rezistorR34 22Ω SMD vel. 1206 rezistorR35 200Ω SMD vel. 1206 rezistorR36 22Ω SMD vel. 1206 rezistorR37 200Ω SMD vel. 1206 rezistorR38 27KΩ SMD vel. 1206 rezistorR39 10KΩ Axiální 5x10mm TrimerR41 10KΩ SMD vel. 1206 rezistorR42.1 1,5kΩ SMD vel. 1206 rezistorR42.2 1,5kΩ Rozteč 15mm Metalizovaný rezistor – 2WR43.3 1,5kΩ Rozteč 15mm Metalizovaný rezistor – 2WR45 22Ω SMD vel. 1206 rezistorR46 200Ω SMD vel. 1206 rezistorR47 1,5k Ω Rozteč 15mm Metalizovaný rezistor – 2WR48 22Ω SMD vel. 1206 rezistorR49 200Ω SMD vel. 1206 rezistorXS1 - ARK 500/2 Šroubovací svorkovniceXS2 - ARK 500/2 Šroubovací svorkovniceXS3 - PSH 6 KonektorLXS3 - ARK 500/2 Šroubovací svorkovniceXP1_1 - ARK 500/2 Šroubovací svorkovniceXP1_2 - ARK 500/3 Šroubovací svorkovniceXP2 - ARK 500/2 Šroubovací svorkovniceXP3 - ARK 500/2 Šroubovací svorkovniceXP4 - ARK 500/2 Šroubovací svorkovniceXP5 - ARK 500/2 Šroubovací svorkovniceRES - JUMP2 Řadový lámající konektorC1 100nF SMD vel. 1206 Keramický kondenzátorC2 220μF/16V radiální Elektrolytický kondenzátorC3 100nF SMD vel. 1206 Keramický kondenzátorC4 100nF SMD vel. 1206 Keramický kondenzátor23/25


C5 220μF/16V radiální Elektrolytický kondenzátorC6 100nF SMD vel. 1206 Keramický kondenzátorC7 220μF/16V radiální Elektrolytický kondenzátorC9 220nF SMD vel. 1206 Keramický kondenzátorC10 220nF SMD vel. 1206 Keramický kondenzátorC11 1nF SMD vel. 1206 Keramický kondenzátorC12 1nF SMD vel. 1206 Keramický kondenzátorC13 1nF SMD vel. 1206 Keramický kondenzátorC14 470μF/100V radiální Elektrolytický kondenzátorC15 22pF SMD vel. 1206 Keramický kondenzátorC16 22pF SMD vel. 1206 Keramický kondenzátorC17 1n SMD vel. 1206 Keramický kondenzátorC18 100nF/100V radiální Elektrolytický kondenzátorC19 1nF SMD vel. 1206 Keramický kondenzátorOK1 PC817 DIP 8 optočlenOK2 HCPL2631 DIP 16 dvojitý optočlenOK3A PC817 DIP 8 optočlenOK3B PC817 DIP 8 optočlenIC1 LM393N DIP 16 dvojitý komparátorIC2 IR2184 DIP 8 Výkonový budičIC3 IR2184 DIP 8 Výkonový budičIC4 LM393N DIP 8 Dvojitý komparátorIC5 7805 TO 220 SMD Monolitický stabilizátorMCU ATMega88-20PU DIL 28 mikrokontrolérD1 1N4148 SMD vel. 1206 univerzální diodaD2 1N4148 SMD vel. 1206 univerzální diodaD3 1N4148 SMD vel. 1206 univerzální diodaD4 1N4148 SMD vel. 1206 univerzální diodaD5 1N4148 SMD vel. 1206 univerzální diodaD6 SUF4007 vel. 1206 Rychlé univerzální diodyD7 SUF4007 vel. 1206 Rychlé univerzální diodyD8 BZV55C15SMD 0.5W – SMD Zenerova dioda 15VD9 1N4148 SMD vel. 1206 univerzální diodaD10 BZV55C15SMD 0.5W – SMD Zenerova dioda 15V24/25


D11 1N4148 vel. 1206 univerzální diodaD12 BZV55C15SMD 0.5W – SMD Zenerova dioda 15VD13 1N4148 vel. 1206 univerzální diodaD14 BZV55C15SMD 0.5W – SMD Zenerova dioda 15VD15 transil DIP 2 Schottky SMDD16 1N4148 vel. 1206 univerzální diodaD17 transil DIP 2 Schottky SMDD18 1N4148 vel. 1206 univerzální diodaLED1 LED vel. 1206 LED vel. 1206 LED OranžováLED2 LED vel. 1206 LED vel. 1206 LED ČervenáLED3 LED vel. 1206 LED vel. 1206 LED ZelenáT1 IRFP260 TO220 Tranzistor MOSFTT2 IRFP260 TO220 Tranzistor MOSFTT3 IRFP260 TO220 Tranzistor MOSFTT4 IRFP260 TO220 Tranzistor MOSFTQ1 16MHz Krystal SMD Krystal25/25

More magazines by this user
Similar magazines