Mikrocontroller - Ein Leitfaden für Anfänger - Einführung in Servos und Verständnis von Drehmoment

Mikrocontroller – Ein Leitfaden für Anfänger – Einführung in Servos und Verständnis des Drehmoments

Es gibt so viele Arten von Servomechanismen (oder kurz Servos) und die Art und Weise, wie sie an Mikrocontroller angeschlossen werden müssen. Doch bevor wir uns mit den Details der Programmierung und des Anschlusses des Servos an den Mikrocontroller beschäftigen, wollen wir uns ansehen, wie sie funktionieren und welche verschiedenen Arten von Servos es gibt.

Regelkreis

Okay, Sie wissen also, was eine Schleife ist, richtig? Die Regelung ist nicht allzu weit von diesem Konzept entfernt. Es gibt eigentlich zwei Haupttypen der Steuerung: die offene Regelschleife und die geschlossene Regelschleife. Bei der offenen Regelschleife sagen Sie einem "Ding", eine bestimmte Aufgabe auszuführen, und hoffen, dass das "Ding" das getan hat, was Sie ihm gesagt haben. Sie sind blind dafür, was das "Ding" tatsächlich getan hat.

Bei der geschlossenen Regelschleife sagen Sie einem "Ding", eine bestimmte Aufgabe auszuführen, und nachdem das "Ding" die Aufgabe erledigt hat, informiert Sie das "Ding" über den Status der Aufgabe. Wenn der Status genau dem entspricht, was Sie für das "Ding" angegeben haben, dann ist das "Ding" bereit für die nächste Aufgabe. Wenn der Status nicht korrekt ist und die Aufgabe nicht abgeschlossen wurde, dann weisen Sie dem "Ding" eine neue Aufgabe zu, damit es die vorherige Aufgabe abschließen kann. Dies geschieht so oft, wie es dauert, um die ursprüngliche Aufgabe abzuschließen.

Im Hinblick auf (oder in der Funktion von) Servos geschieht die Regelung folgendermaßen: Bei Hobby-Servos gibt der Mikrocontroller dem Servo den Befehl über den Rotationsgrad (wo die Welle des Servos positioniert werden soll). Dieser Rotationsgrad liegt tatsächlich in Form eines PWM-Signals vor (nähere Details zu PWM finden Sie hier: ****). Die PWM (Pulsweitenmodulation) wird an den Servo ausgegeben. Die Breite des Pulses im PWM-Signal definiert die Position der Servowellenposition. Ehrlich gesagt, ist es dem Mikrocontroller ziemlich egal, ob der Servo die befohlene Position erreicht, aber glücklicherweise kümmert sich der Servo darum und der Motor im Servo wird von seiner eigenen Schaltung informiert, ob die Position korrekt ist oder nicht. Wenn die Position nicht korrekt ist, dann befiehlt der Servo weiter, rückwärts (wenn der Motor das Ziel überschritten hat) und vorwärts (wenn der Motor die befohlene Position nicht ganz erreicht hat).

Im Servo befinden sich also ein Motor und ein Potentiometer. Diese beiden Geräte sind mechanisch miteinander verbunden. Die Abtriebswelle des Motors ist mechanisch mit der Welle des Potentiometers verbunden, und wenn Sie mein Tutorial über Potentiometer gelesen/gesehen haben, werden Sie wissen, dass es verwendet werden kann, um eine variable Spannung (oder Widerstand) anzuzeigen und genau dieses Gerät wird die Schaltung informieren, ob der Motor in der richtigen Position ist. Da der Servo ein Potentiometer verwendet, wissen Sie auch, dass die meisten Potentiometer nur in einem bestimmten Gradbereich gedreht werden können. Dies begrenzt die Gesamtdrehung des Servos und die meisten Hobby-Servos können nur einen Bereich von 180 Grad erreichen. Es gibt jedoch eine Möglichkeit, diese Servos für eine kontinuierliche Drehung zu modifizieren, und eine Methode kann hier eingesehen werden: www.acroname.com/robotics/info/ideas/continuous/continuous.html

Andere Arten von Servos funktionieren etwas anders. In vielen Fällen ist der Mikrocontroller, den Sie programmieren, an den Operationen der Regelung beteiligt. Das heißt, der Mikrocontroller gibt ein Signal (oder eine Folge von Signalen) aus und erwartet eine Rückmeldung vom Servo. Typischerweise ist die Rückmeldung ein Impuls von einem Gerät namens Encoder. Ein Encoder ist ein Gerät, das ein Ein- und Aussignal liefert, wenn es sich dreht (oder sich bei Linearencodern verschiebt). Encoder unterscheiden sich sehr stark von Potentiometern in Hobby-Servos. Ein Encoder verwendet typischerweise Licht und eine lichtempfindliche Komponente sowie ein Rad mit Schlitzen (oder Plastikscheiben mit Markierungen), um die Position zu bestimmen. Wenn sich das Rad (oder die Scheibe) dreht (sich mit der Motorwelle dreht), befindet sich das Licht auf einer Seite des Rades und der Lichtsensor auf der anderen. Wenn der Lichtsensor das Licht sehen kann, sendet der Encoder einen Impuls. Wenn sich das Rad dreht, werden mehrere Impulse vom Encoder ausgegeben. Dies ist sehr ähnlich einem Tastendruck oder mehreren Tastendrücken.

Wenn der Mikrocontroller also ein Signal an den Servo ausgibt, erwartet er ein Signal zurück vom Servo. Wenn kein Signal zurückkommt, versucht der Mikrocontroller immer wieder, bis das Signal zurückkommt. Sie fragen sich wahrscheinlich... nun, was ist, wenn das Signal nie zurückkommt. Das könnte daran liegen, dass der Servo einfach nicht genug Drehmoment hat, um die vom Mikrocontroller befohlene Position zu erreichen.

Drehmoment

Drehmoment ist die Kraft, mit der der Motor die Welle drehen kann, und wird durch ein Gewicht und eine Länge gemessen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, über Drehmoment nachzudenken. Eine davon ist, wie viel Gewicht erforderlich wäre, um eine Welle zu drehen, was sozusagen die gebräuchliche Art ist, Drehmoment zu erklären. Ich möchte mich jedoch darauf konzentrieren, wie viel Motorleistung erforderlich wäre, um ein Gewicht zu bewegen, anstatt wie viel Gewicht erforderlich wäre, um die Motorwelle zu drehen. Wenn ich Sie damit nicht völlig verwirrt habe, dann machen Sie das gut.

Stellen Sie sich also vor, Sie haben einen Motor und dieser Motor hat eine Welle. Die Welle hat einen Mittelpunkt (die Mitte des Durchmessers der Welle, wenn man die Welle von einem Ende aus betrachtet). Das Drehmoment wird von diesem Mittelpunkt aus gemessen. Erinnern Sie sich, ich sagte, dass Drehmoment eine Messung einer Kraft und einer Länge ist. Die Längenabmessung ist eine Länge, die vom Mittelpunkt der Welle aus gemessen wird und senkrecht zur Welle verläuft. Die Länge wäre typischerweise eine einzelne Einheit, wie ein Fuß, ein Zoll, ein Zentimeter usw. Ein Beispiel für eine Drehmomentmessung wäre so etwas wie Fuß-Pfund, womit ein Automotor gemessen werden könnte. Der Fuß repräsentiert die Messung von der Mitte der Welle bis zu einem Fuß. Die Drehmomenteinheiten können jede Einheit des Gewichts und jede Einheit der Länge zusammen sein, wie: oz-in (Unzen-Zoll), ft-lb (Fuß-Pfund), kg-m (Kilogramm-Meter), Nm (Newton-Meter) usw.

Das Gewicht wäre ein bestimmter Betrag, der an dieser einen Fuß-Messung von der Mitte der Welle entfernt hängt. Dieses Gewicht könnte so groß sein, dass, wenn der Motor mit voller Leistung läuft, das Gewicht den Motor in umgekehrter Richtung dreht. Nehmen wir zum Beispiel an, wir haben ein brandneues Tesla Elektrofahrzeug, und nehmen wir an, dass der Elektromotor 500 Fuß-Pfund Drehmoment hat. Wenn wir ein 600 Pfund schweres Gewicht genau einen Fuß von der Mitte der Motorwelle entfernt aufhängen würden, sagen wir, mit einem Metallstab oder so etwas, dann könnte der Motor das Gewicht nicht tragen und die Welle würde sich in die entgegengesetzte Richtung drehen. Wenn wir ein 400 Pfund schweres Gewicht an der Ein-Fuß-Markierung aufhängen würden, dann würde sich der Motor in die richtige Richtung drehen, aber er würde sich schwer tun. Wenn ein 500 Pfund schweres Gewicht an der Ein-Fuß-Markierung platziert wird, dann würde sich der Motor überhaupt nicht drehen. Dies wird manchmal als Haltedrehmoment bezeichnet.

Wir können dieses Gewicht auch an verschiedenen Stellen der Längenmessung von der Wellenmitte aus anbringen. Nehmen wir an, wir haben dieselben 500 Pfund an diesem Stab, der in der Mitte der Welle befestigt ist, aber Sie platzieren die 500 Pfund stattdessen bei der Hälfte (1/2) eines Fußes statt bei der Ein-Fuß-Markierung, dann wird der Motor keine Probleme haben, sich in die richtige Richtung zu drehen, da dies Ihr Gewicht im Wesentlichen halbieren würde. Je näher das Gewicht der Wellenmitte kommt, desto proportionaler wird das Gewicht reduziert. Das heißt, wenn die 500 Pfund an diesem Stab an der 1/2-Fuß-Markierung drücken, dann ist es aus Sicht des Motors so, als ob nur 250 Pfund an der Ein-Fuß-Markierung drücken. Okay, kehren wir diese Idee um und platzieren die 500 Pfund Kraft an der 2-Fuß-Markierung, dann wird es aus Sicht des Motors so aussehen, als ob 1000 Pfund an der Ein-Fuß-Markierung wären.

Es mag so klingen, als sei diese Drehmomentdiskussion in Bezug auf diese Mikrocontroller-Tutorials nicht so wichtig, aber wenn es darum geht, Servos zu verstehen, wird Drehmoment für die Entwicklung Ihres gesamten Projekts entscheidend sein. Stellen Sie sich vor, Sie benötigen diesen Servo, um ein Objekt anzuheben, das ein Gewicht von 100 Unzen hat, und dieser Servo ist mit 200 Unzen-Zoll Drehmoment bewertet, dann wüssten Sie, dass das 100-Unzen-Objekt irgendwo innerhalb einer Länge von 2 Zoll platziert werden müsste.