Разработка роботов
Электроприводы роботов
Здесь мы начинаем цикл статей, посвященный электроприводам роботов. Данная статья будет иметь исключительно прикладное назначение, ее целью будет осветить продукты, которые доступны для приобретения у нас в России, рассказать об особенностях работы, о доступных системах управления, а также поделиться практическим опытом использования приводов во время подготовки к соревнованиям Eurobot.
Отличительной особенностью приводов роботов является наличие управления. Это означает, что система управления должна обеспечивать на выходе как можно точнее задаваемый параметр: момент, скорость, положение, ускорение. Иногда, возможны их сочетания, например распространены СУ с контурами скорости и положения, некоторые имеют возможности ограничения момента, а также задания ускорения (как правило стартового и финишного).
У нас в стране приводами занимаются такие компании, как:
— Purelogic (ребята, жаль, что вы теперь в Воронеже :()
— Авитон (двигатели Maxon, фирменные системы управления и прочие редкости для нашей страны, заказ)
Я не рассматриваю многие компании, которые занимаются продажей асинхронных двигателей. Наиболее доступны приводы в НПФ Электропривод, но и этот ассортимент, как увидим потом, не покрывает потребностей мобильной робототехники. Для начала рассмотрим типы доступных приводов ( на примере продукции НПФ Электропривод):
1. Шаговый двигатель. Это наиболее простой в управлении, высокомоментный, доступный и дешевый тип привода, в простейшем случае не требующий обратной связи. Его главными недостатками являются:
— Возможный пропуск шагов под нагрузкой
— Резонансные частоты и сопутствующий пропуск шагов
— Ограниченная динамика, при превышении которой происходит срыв синхронного движения.
Это тот тип приводов, с управления которыми стоит начать, потому, что имеют простое управление и доступны как готовые драйвера и СУ, так как и отработанные схемы драйвер+ключи, занимающие не так много места на плате.
Стоит отметить появления «умных» шаговых приводов, где уже интегрировано управление ( а иногда и есть обратная связь, что повышает динамику). Но стоят совершенно необоснованно дорого.
1.FL20STh, FL28STH
— Момент: от 0.18 до 1.2 Кгс ( напомню, 9.88 Кгс=1 Нм)
— Фазовые токи от 0.6А до 0.95 А
— Фланец 20 или 28 мм (В обозначение двигателя первые цифры это размер фланца, STH означает — высокомоментые, затем идет длина двигателя, затем через тире обозначение вида 2804, где 280 — 2.8 А, фазовый ток, 4-число выводов, пример FL57STH56-2804)
Этот агрегат — один из наиболее компактных ходовых шаговых двигателей. Такие двигатели вряд ли пригодны для движения робота, но очень хороши для исполнительных механизмов. В роботе Евробот 2011 мы использовали его для движения конвееров. У нас возникла проблема с перегревом этого двигателя, которая решилась более точной уставкой по току драйвера. (Об этом чуть позже).
2. FL35ST, FL39ST
— Статический момент 0,5 -2,9 кгс*см
— Фазовые токи от 0.16А до 0.65 А
Еще один тип компактных шаговиков. Эта модель отличается малой длиной, 20мм — это самые короткие ходовые двигатели из ассортимента. Эту модель я не использовал. Но это именно тот вариант, когда нужна малая длина двигателя для вспомогательных операций.
— Крутящий момент до 4,4 кгс*см,
— Стоимость от 900 до 1100 руб
— Фазовые токи: от 0.3А до 1.68А
Одна из самых популярных моделей двигателей. Таким уже вполне можно как рулить вашей машиной, так и выполнять вспомогательные операции. Диапазон фазовых токов позволяет его использовать совместно с дешевой связкой L293+L298, если речь о встроенном в плату управлении (а больше тут и не нужно).
4. FL57ST и FL57STH. Гибридные шаговые двигатели. Названы так из-за добавок в магниты, увеличивающих момент. Напомню, что момент зависит от тока в обмотке и от силы постоянных магнитов.
— Аналоги ДШИ-200, кр. момент 2,88-18,9 кгс*см
— Стоимость: от 1300 до 2250 руб
— Фазовые токи: от 0.4 до 2.8 А
Этот привод использовался нами в проекте Евробот-2010 и является отличным тяговым двигателем для робота массой до 8 кг. Часть моделей обладает высоким фазовым током до 2.8А, такой вариант не пригоден для связки L293+L298 при номинальном токе. Дальнейшее увеличение момента связано с серьезным ростом фазовых токов и удорожанием СУ, нами рассматриваться не будет, исключение составит лишь модель привода AD-200, которая решает часть проблемы, связанной с дальнейшим увеличением момента.
5. AD-200. Для своих габаритов и токов выдает гигантский момент. Работает в связке L293+L298 на максимальной уставке по току, при этом драйвер греется приемлемо, а двигатель выдает большой момент.
— Максимальный крутящий моментом 31 кг*см
— Стоимость от 2600 до 2800 рублей.
— 4х и 8ми выводные (дело в том, что эти двигатели — 4х фазные, допускают как минимум 3 схемы соединения обмоток, если соединить конец первой фазы и начало второй, а тоже самое сделать для 3 и 4 фазы, то получим просто 4х выводной движок, при этом сопротивление фазы вырастит в 2 раза, а индуктивность в 4 раза, при этом тот же самый момент двигатель разовьет уже при 1.4 А тока фазы. Это позволяет их использовать совместно с L293+L298. Но увеличение индуктивности плохо сказывается на их скоростных характеристиках, поэтому максимальная скорость при таком управлении будет невелика: не более 2-3 Гц).
— Фазовые токи зависят от схемы соединения: от 1.4 А до 2.8 А
6. Шаговые двигатели с редуктором. На примере FL57STH56-2804AG.
В чем отличие редукторов шаговых двигателей?
— передаточное отношение от 3 до 150
— двигатели идут сразу с предустановленным редуктором. Он не может быть подобран отдельно. (Досадное недоразумение).
— редуктор на рисунке — цилиндрический, хотя встречаются и планетарные.
— данные редукторы предназначены для дробления шага. Они не рассчитаны на пропорциональное увеличение нагрузки. Поэтому наивно полагать, что редуктор с передаточным отношением 150 позволит использовать вам его под нагрузкой в 150 раз большей номинальной двигателя. ( как правило, предельная нагрузка таких редукторов — не более 5-10 Н*м)
— устанавливаются на фланец двигателя, блокируют возможность установки позади, как это можно делать в случае отсутствия редуктора.
Система управления шаговым двигателем:
В проекте Eurobot 2011 я использовал связку L293+L298N с активным охлаждением. По моим наблюдениям эта связка вполне пригодна вкупе с хорошим охлаждением управлять всеми рассмотренными здесь моделями, за исключением тех, где фазовые токи больше 2 Ампер (здесь можно поиграться с VRef и понизить ток обмотки).
Пояснение к схеме:
— Я использовал L298N в корпусе Multiwatt. Она обеспечивает наибольший допустимый ток фазы и обладает самой большой способностью к отдаче тепла, что в данном случае актуально. Обозначение HN в конце — это достаточно редкий тип углового корпуса, который в данном случае более приемлем, так как одну сторону полномостовой схемы можно охлаждать в плату, что я и делал.
— Защитные диоды — диоды Шоттки 1N5821. Более приемлемы здесь диодные DIP сборки, но их не было в наличии
— Резисторы на 0.5 Ом. Это мощные SQP резисторы на 5 ватт. Здесь используются для косвенного измерения тока, номинал очень важен.
— A+,A-,B+,B- это и есть выходы на шаговый двигатель. Эта схема предназначена для коммутации 4х выводных двигателей ( но как вы, наверно, догадались, в него можно превратить 6 и 8 выводной двигатель).
— VRef. Задает максимальный ток фазы. Это очень важно и лучшим вариантом было бы посадить эту ножку на ЦАП или регулировать это напряжение потенциометром. Так как для различных двигателей уставка по току будет разная. В случае невыполнения регулировки вам грозит перегрев двигателя или драйвера с возможным выходом из строя.
Эту связку я копирую по одной на каждый движок. Управление по сути задается ножкой PUL в виде ШИМ ( да, скважность тут важна, ее значение можно посмотреть по даташиту), частота ШИМ при этом задает скорость движения двигателя. Есть возможность выбрать режим полушага. На контроллере требует одного таймера, идеальным вариантом будет аппаратный ШИМ (с ножки OCn для AVR. Для упрощения можно даже использовать режим CTC и генерировать меандр различной частоты. ). Подробнее об управлении и код будет позже в другой статье, где управление будет описано более интеллектуально.
Примечание: Шагом вперед было бы использование более новых мосфет интегрированных драйверов типа L6203, где более низкое сопротивление открытого канала транзисторов Н-моста, и как следствие, более низкое тепловыделение и более высокий допустимый ток, но редкость и высокая цена этих микросхем в корпусе Multiwatt пока ограничивает это. L6203 имеет максимальный ток фазы — до 4А, поэтому может использоваться для любого шагового двигателя вплоть до больших моделей с фланцем 86.
Другим способом является использование готовых драйверов в корпусе. Например, в проекте Евробот 2010 мы использовали драйверы М325 от Leadshine.
— Подходят для всех шаговых двигателей, описанных в этой статье
— Возможность дробления шага до 1/8
— По звуку, видимо внутри сдвоенный Н-мост на мосфет транзисторах. Практические не греются.
К сожалению, это просто тупой усилитель сигналов, к которому еще нужен контроллер. Классным вариантом было бы использование smart-motor в виде вот такой штуки:
— Здесь интегрирована силовая часть. На вход подаем по сути лишь питание и интерфейс связи.
— Эти умные продукты часто имеют соответствующую поддержку в виде библиотек. Это здорово для разработки
— А вот теперь о стоимости. Имел с ними дело только один раз и речь шла о 500$
— Производитель обещает существенное увеличение динамики привода за счет улучшенного управления и наличия обратной связи.
Вывод: шаговый двигатель — наиболее простой с точки зрения управления. Обладает невысокой стоимостью, отработанными схемными решениями, позволяющими делать платы управления даже на несколько двигателей, приемлемыми по стоимости готовыми драйверами, высокой точностью операций, но при этом имеют не лучшую динамику, дорогие интегрированные системы управления. Очевидно, что дальнейшим шагом вперед является использование коллекторных двигателей постоянного тока, о чем дальше.
Коллекторные двигатели постоянного тока.
Отличное решение для повышения динамики робота. Обратная связь может быть реализована с использованием инкрементальных энкодеров. Также встречаются приводы с аналоговым датчиком скорости, правда довольно редко и, как правило, в старых изделиях.
Преимущества:
— линейная зависимость момента от тока ( за исключением режима прерывистых токов при ШИМ и малой электромагнитной постоянной)
— возможны сравнительно простые схемы управления
Как ни странно, но в нашей стране не так-то просто приобрести такой мотор-редуктор с энкодером. На рынке, конечно, доступны дешевые китайские модели, но о них чуть позже. Часто ДПТ идут с редуктором, нас в данном случае интересуют цилиндрические и планетарные, причем последние в большей мере, их и рассмотрим также на примере продукции НПФ Электропривод.
Модели ДПТ с планетарным редуктором — это серия IG, типоразмер от 12 до 90. Эта гамма двигателей имеет номинальный момент на выходе редуктора от долей Нм до 18 Нм у старших моделей, передаточные числа от 3 вплоть до 4096 (для маленьких моделей). Напряжение питания, как правило, либо 12, либо 24 вольта. Некоторые модели комплектуются энкодерами. Здесь стоит обратить внимание на следующий факт: эти энкодеры основаны на датчиках Холла (кстати, все-таки двухканальных). Все бы было здорово, ведь например у Maxon есть тоже такие с разрешающей способностью от 128 до 1000 меток на оборот, НО здесь вам придется иметь дело с устройствами с количеством меток от 16 до 24 на оборот. Это не шутка. Даже имея редуктор с большим передаточным отношением, вы получите вряд ли более 1Кгц. Для систем управления мобильными роботами, где контур скорости реализован аппаратно в виде отдельной платы, а контур положения — программный и может варьироваться по типу регуляторов, этот вариант не подходит. Так как чрезмерная дискретность приводит к дрожанию системы, особенно на малых скоростях. Кроме того, эти дешевые системы ( стоимость порядка 2000-3000 руб) имеют довольно низкий КПД, большое трение в редукторе, в связи с чем еще имеют место автоколебания при управлении. Они могут отлично подойти для СУ с контуром положения в таких системах, как протяжные устройства и прочее, где не особо важно качество процесса по скорости, но важна точность пройденного пути.
Но не все так плохо, например доступна у нас следующая интересная модель PT4835
- Мощность — 35Вт
- Напряжение питания — 12В
- Скорость холостого хода — 3600 Об/мин
- Номинальная скорость — 3100 Об/мин
- Номинальный ток — 2,9А
- Крутящий момент двигателя (без редуктора) — 0,9 кг*см
- Режим работы — продолжительный
- Стоимость — порядка 10000 руб.
- Оптический энкодер
Вот это уже то, что вполне подойдет для робота, особенно формата Евробот. Цена такого двигателя вплотную приближается к ценам швейцарских двигателей Maxon, но его хотя бы можно купить со склада за приемлемое время.
У нас в распоряжении есть пара коллекторных двигателей RE25 фирмы Maxon. Например, двигатели этого производителя используются в Марсоходах Opportunity космической программы НАСА. Данную модель мы установили в качестве приводной в проекте Евробот-2011. 
— Доступны редукторы планетарные GP 26 B с передаточным отношением 3.8 до 3189.
— Напряжение питания 9-48 вольт (зависит от разновидности модели)
— Имеют высокий КПД, качественные редукторы
— Комплектуются оптическим энкодером (например HEDS5540), а также магниторезистивным энкодером серии MR (стоял по умолчанию, вышел из строя).
— Момент на выходе редуктора по отношению к массе и габаритам и впрямь-таки вызывает уважение.
— Номинальный холостой ток у нашего мотор-редуктора был порядка 0.1 А. А вот максимальный пусковой — 10А.
— В России знаю только одного поставщика — Авитон.
— Если брать мотор-редуктор с энкодером, то обойдется примерно в 11 000 руб.
Системы управления ДПТ с контуром скорости и положения:
Для проекта Евробот 2011 мы рассмотрели множество вариантов: от фирменных систем управления Maxon (кстати, управление для него будет стоить где-то в 1.5 раза дороже мотор-редуктора), китайских поделок, но в итоге остановились на отечественных СУ от «ЗАО Лаборатория электроники». Это модели AWD10-12(24)-1 и AWD10-12(24)-2.
— Размеры 100х80х25мм. (для системы такого класса — маленькие)
— Без корпуса. Занимают меньше места в роботе
— Доступны модели с напряжением питания от 12 до 90 вольт
— Максимальный ток — 10 А. (стоит токоограничение)
— Доступны модели с контуром скорости и положения.
— Дешевые, почти всегда были в наличии.
— RS-485. ( в версии с контуром положения в качестве протокола используется ModBus)
— Есть возможность определять скорость по противоЭДС. Может быть полезно для дешевых решений без обратной связи.
— ПИД регулятор по скорости.
— В версии с контуром положения доступна настройка скоростной характеристики ( трапеция)
По этой плате будет большая статья с кодом, обсуждением достоинств и недостатков. Стоить отметить, что версия с контуром скорости имеет свой протокол, поэтому нам пришлось написать для него реализацию.
Вывод: ДПТ позволяют увеличить динамику мобильного робота. Вместе с этим растет и цена вопроса. Практика показывает, что экономить на двигателе — самый неправильный вариант.
Сервомашинки:
Еще один агрегат из разряда моделизма. Внутри, как правило, имеют тот же ДПТ, обратная связь выполнена в виде переменного резистора. Используются для точных перемещений исполнительных механизмов робота. Про вопросы управления подробно описал товарищ DiHalt в своей статье здесь . Также он же отлично описал, как управлять сразу несколькими сервомашинками с помощью одного таймера здесь. Рассмотрим на примере MG995 (доступна в dealextreme.com за 290 руб).
— Напряжение питания — от 4.5 до 6 вольт
— Угол поворота — 180 градусов.
— Токи потребления — до 400 мА.
Мы купили сразу несколько таких штучек, так как они дешевые. Шли около месяца. Из недостатков — разброс параметров. При одинаковом значении скважности разные сервы могут иметь разные углы поворота. Для питания я обычно ставлю отдельный источник 5В до 3А, например вот такой:
— Вход 18-36 вольт, выход 5 вольт
— Защита от КЗ, переполюсовки
— Проверял на 8 сервах MG995 без нагрузки и на 4 с полной нагрузкой. Токоотдачи хватает.
Серва MG995 относится к среднему классу мощности, для особых случаев, думаю будет полезна следующая модель:
- Размер:67.9×30.2×56мм
- Скорость (4.8V ): 0.20с/60 градусов
- Скорость(6V ): 0.16с/60 градусов
- Минимальный момент (4.8V): 22 кг*см
- Максимальный момент (6V):25 кг*см
- Напряжение: 4,8 — 6 Вольт
- Стоимость около 1200 руб
- Мощнее сервы я не встречал, использовалась нами в проекте Евробот-2010, имеет пластиковый редуктор.
Ассортимент сервомашинок очень широк. Основные производители: Hitec, Futaba, Robo, TowerPro. Futaba относится к более дорогому и качественному типу приводов. Наиболее доступны и дешевы Hitec и TowerPro.
Вывод: Сервомашинки — доступный, сравнительно дешевый и простой в управлении исполнительный механизм. Для них доступны дешевые источники питания.
Заключение: Мною были рассмотрены большинство приводов, с которыми мне пришлось столкнуться. Но в статье отсутствует класс безколлекторных моторов, с которыми у меня нет опыта работы. БДПТ являются следующим шагом развития приводов. Именно на них сейчас активно переходят в автоматизации и робототехнике благодаря отсутствию щеточного узла и, как следствие, увеличенного ресурса. Однако управление ими уже сложнее. Думаю, спустя некоторое время этот тип приводов также получит описание в статье.
Источник
