556 Servo Driver: 5 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Servos (também servos RC) são servomotores pequenos e baratos produzidos em massa, usados para controle de rádio e robótica em pequena escala. Eles são projetados para serem facilmente controlados: a posição do potenciômetro interno é continuamente comparada com a posição comandada do dispositivo de controle (ou seja, o controle de rádio). Qualquer diferença dá origem a um sinal de erro na direção apropriada, que impulsiona o motor elétrico para frente ou para trás, movendo o eixo para a posição comandada. Quando o servo atinge esta posição, o sinal de erro reduz e então torna-se zero, ponto em que o servo para de se mover.

Os servos de controle de rádio são conectados por meio de uma conexão padrão de três fios: dois fios para uma fonte de alimentação CC e um para controle, carregando um sinal de modulação por largura de pulso (PWM). A tensão padrão é 4,8 V DC, porém 6 V e 12 V também são usados em alguns servos. O sinal de controle é um sinal PWM digital com uma taxa de quadros de 50 Hz. A cada 20 ms, um pulso digital ativo alto controla a posição. O pulso varia nominalmente de 1,0 ms a 2,0 ms, com 1,5 ms sempre sendo o centro da faixa.

Você não precisa de um microcontrolador ou computador para controlar um servo. Você pode usar o venerável 555 timer IC para fornecer os pulsos necessários para um servo.

Muitos circuitos baseados em microcontroladores estão disponíveis na rede. Existem também alguns circuitos disponíveis para testar servo com base em um único 555, mas eu queria uma temporização precisa sem a variação da frequência. No entanto, tinha que ser barato e fácil de construir.

Etapa 1: PWM O quê?

Como o próprio nome sugere, o controle de velocidade de modulação por largura de pulso funciona acionando o motor com uma série de pulsos "ON-OFF" e variando o ciclo de trabalho, a fração de tempo em que a tensão de saída está "ON" em comparação com quando está "OFF"”, Dos pulsos, mantendo a frequência constante.

O conceito por trás deste circuito é que ele usa dois temporizadores para gerar o sinal de saída PWM (Modulação por Largura de Pulso) para acionar o servo.

O primeiro temporizador opera como um multivibrador astável e gera a "frequência portadora", ou a frequência dos pulsos. Parece confuso? Bem, embora a largura de pulso da saída possa variar, queremos que o tempo desde o início do primeiro pulso até o início do segundo pulso seja o mesmo. Esta é a frequência das ocorrências de pulso. E é aqui que este circuito supera a frequência variável da maioria dos circuitos 555 simples.

O segundo temporizador atua como um multivibrador monoestável. Isso significa que ele deve ser acionado para gerar um pulso próprio. Como dito acima, o primeiro temporizador irá disparar o segundo em um intervalo fixo definido pelo usuário. O segundo temporizador, entretanto, tem um potenciômetro externo que é usado para definir a largura do pulso de saída ou, com efeito, determinar o ciclo de trabalho e, por sua vez, a rotação do servo. Vamos ao esquema …

Etapa 2: Um pouco de matemática … Frequência

O circuito usa um LM556 ou NE556, que pode ser substituído por dois 555. Decidi usar o 556 porque é um 555 dual em um pacote. O circuito do temporizador esquerdo, ou gerador de frequência, é configurado como um multivibrador astável. A ideia é fazer com que ele produza uma frequência portadora de cerca de 50 Hz, de onde um ciclo de trabalho será adicionado pelo cronômetro do lado direito, ou gerador de largura de pulso.

C1 carrega por meio de R1, R4 (usado para definir a frequência) e R2. Durante esse tempo, a saída é alta. Então C1 descarrega através de R1, e a saída é baixa.

F = 1,44 / ((R2 + R4 + 2 * R1) * C1)

F = 64Hz para R1 = 0

F = 33Hz para R1 = 47k

No circuito simulado simplificado, entretanto, R1 é omitido e a frequência é de 64 Hz fixos.

Muito importante! Queremos que o tempo em que a saída é baixa seja menor do que a largura de pulso mínima do gerador de largura de pulso.

Etapa 3: Um pouco de matemática … Pulso

O gerador de largura de pulso, ou cronômetro direito, é configurado no modo monoestável. Isso significa que toda vez que o temporizador é acionado, ele dá um pulso de saída. O tempo de pulso é determinado por R3, R5, R6 e C3. Um potenciômetro externo (100k LIN POT) é conectado para determinar a largura de pulso, que determinará a rotação e extensão da rotação no servo. R5 e R6 são usados para ajustar com precisão as posições mais externas do servo, evitando que ele vibre. A fórmula usada é a seguinte:

t = 1,1 * (R3 + R5 + (R6 * POT) / (R6 + POT)) * C4

Portanto, o tempo mínimo de pulso quando todos os resistores variáveis são definidos para zero é:

t = 1,1 * R3 * C4

t = 0,36 ms

Observe que esse tempo mínimo de largura de pulso é maior do que o pulso de disparo para garantir que o gerador de largura de pulso não gere pulsos de 0,36 ms um após o outro, mas em uma frequência constante de + - 64Hz.

Quando os potenciômetros são ajustados para o máximo, o tempo é

t = 1,1 * (R3 + R5 + (R6 * POT) / (R6 + POT)) * C4

t = 13 ms

Ciclo de trabalho = largura / intervalo de pulso.

Portanto, a uma frequência de 64 Hz, o intervalo de pulso é de 15,6 ms. Portanto, o Ciclo de Trabalho varia de 2% a 20%, com o centro sendo 10% (lembre-se de que o pulso de 1,5 ms é a posição central).

Para fins de clareza, os potenciômetros R5 e R6 foram removidos da simulação e substituídos por um único resistor e um único potenciômetro.

Etapa 4: Basta com a matemática! Agora vamos jogar

Você pode jogar a simulação AQUI: basta clicar no botão "Simular", aguardar o carregamento da simulação e depois clicar no botão "Iniciar simulação": aguarde a estabilização da tensão, depois clique e segure o botão esquerdo do mouse no potenciômetro. Arraste o mouse e mova o potenciômetro para controlar o servo.

Você pode observar a mudança da largura do pulso no osciloscópio superior, enquanto a frequência do pulso permanece a mesma no segundo osciloscópio.

Etapa 5: Por último, mas não menos importante … a coisa real

Se você quiser ir mais longe e construir o próprio circuito aqui, você pode encontrar o esquema, layout de PCB (é um PCB de um lado que você pode fabricar facilmente em casa), layout de componentes, layout de cobre e lista de peças.

Uma pequena nota sobre os aparadores:

• o aparador azul define a frequência do sinal
• o aparador preto do meio define o limite inferior de rotação
• o aparador preto restante define o limite superior de rotação

Uma nota rápida útil para calibrar o circuito para um servo em particular:

1. defina o potenciômetro principal para zero
2. ajuste o aparador preto do meio até que o servo esteja firmemente definido no limite inferior sem vibração
3. agora defina o potenciômetro principal para o máximo
4. ajuste o aparador preto restante até que o servo esteja firmemente definido no limite superior sem vibração

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Prêmio Juízes no Desafio de Dicas e Truques de Eletrônica