Elektronische Schakelingen, Oefening 2 ET1508-D2, De Futaba S3003 servomotor

Transcriptie

1 Elektronische Schakelingen, Oefening 2 ET1508-D2, De Futaba S3003 servomotor Door: Ali Kaichouhi Doel: Het leren begrijpen van de servo werking van de Futaba S3003 servomotor. Introductie Servomotoren komen vaak voor in besturingssystemen en robot applicaties. Een servomotor is compleet uitgevoerd met een elektronica interface, zodat deze direct door een microcontroller aangestuurd kan worden. In de elektronica is behalve het besturingsgedeelte ook een eindtrap aanwezig om de motor van voldoende stroom te voorzien. Het bezit slechts één besturingssignaal en twee voedingsdraden. Zie figuur 1. 1

2 Het besturingsgedeelte van de Futaba S3003 servomotor berust op het principe van puls breedte modulatie (PWM). De servo verwacht om de 20ms(50Hz, 5-10% duty cycle) een 3-5V puls. De lengte van de puls (duty cycle) bepaald hoever de servo draait (draaiingshoek). Een puls lengte van 1.5ms zal de motor in zijn neutrale stand (90º) brengen. Als de puls korter is dan 1.5ms, dan zal de servo naar de 0º toedraaien. Is de puls lengte groter dan 1.5ms, dan zal de servo naar de 180º toedraaien. Figuur 2 toont dit schematisch weer. 2

3 De werking Om de werking van de Futaba S3003 servo beter te leren begrijpen, is het verstandiger om eerst de basis werking van de servo volgens blokschema te leren begrijpen. Dit doen we m.b.v. het blokschema van figuur 3. Figuur 3: Blokschema van de Futaba S3003 servomotor Intern in de servo is een pulsgenerator aanwezig die een puls genereert waarvan de lengte afhankelijk is van de stand van de motor. De motor stuurt een variabele weerstand (potmeter) aan. De stand van deze potmeter varieert de pulsbreedte van deze puls. De pulsbreedte varieert van 1-2ms. Bij een pulsbreedte van 1.5ms staat de potmeter in het midden. Een inkomende pulssignaal triggert de interne puls generator die een eigen puls genereert. Wat we nu hebben zijn twee pulsen, de inkomende pulssignaal en de puls van de pulsgenerator. Beide pulsen starten op dezelfde tijdstip, maar afhankelijk van de pulsbreedte van het inkomende signaal en de positie van de potmeter, zullen beide pulsen misschien niet op hetdezelfde tijdstip eindigen. Laten we van de situatie uitgaan waarbij het inkomende pulssignaal 1.5ms is en de positie potmeter in de middenstand staat. Onder deze conditie zal de inkomende puls de pulsgenerator triggeren, en beide pulsen starten op hetzelfde tijdstip, en eindigen samen 1.5ms later. Wanneer deze situatie optreedt gebeurt er niets. 3

4 Nu gaan we het inkomende pulssignaal langer maken dan 1.5ms. Net zoals in de vorige situatie, de inkomende pulssignaal triggert de interne pulsgenerator van de servo en de twee pulsen starten op hetzelfde tijdstip, maar nu is het inkomende pulssignaal langer dan de intern in de servo gegenereerde puls en ze zullen niet op hetzelfde tijdstip eindigen. Nu introduceren we een tweede circuit, de Pulsbreedte comparator. Deze vergelijkt het inkomende pulssignaal met de puls van de pulsgenerator. Het uitgangssignaal van deze comparator geeft één van de drie situaties aan, beide signalen zijn gelijk, het inkomende pulssignaal is langer, of het inkomende signaal is korter dan de intern gegenereerde puls. Hoeveel langer of korter het inkomende signaal t.o.v de interne puls is, is niet belangrijk. De puls van de pulsbreedte comparator stuurt het circuit van de motor besturing aan. Dit circuit zorgt voor voldoende vermogen om de motor aan te sturen. De servo motor is een DC motor. Deze kan in beide richtingen draaien door de polariteit van de motor polen om te draaien. En de motor besturing zorgt daarvoor. Afhankelijk van het signaal van de comparator, zal de motor links of rechts gaan draaien. Laten we aannemen, in de situatie waarbij het inkomende pulssignaal groter is dan de interne puls, dat de motor met de klok mee draait. De motor op zijn beurt draait de positie potmeter doormiddel van een schacht. Terwijl de potmeter draait neemt de lengte van de intern gegenereerde puls toe. De servo zal blijven draaien totdat de pulsbreedte comparator meet dat beide pulsen gelijk zijn. Op dit tijdstip zal de motor besturing de motor uitschakelen. Als het inkomende pulssignaal nog langer wordt, zal de pulsbreedte comparator weer een langere inkomende puls detecteren en de motorbesturing een signaal geven om de motor weer met de klok mee te draaien totdat beide pulsen gelijk zijn. Zou het inkomende signaal weer 1.5ms zijn dan zal de pulsbreedte comparator een kortere inkomende puls detecteren en de motorbesturing een signaal geven om de motor tegen de klok in te draaien. Uit bovenstaande omschrijving kunnen we concluderen dat de servomotor niet uit zichzelf terugkeert naar de centrale stand wanneer deze geen ingangssignaal zou ontvangen. Dit betekent dat de servomotor alleen zal bewegen als het inkomende ingangssignaal ongelijk is aan de intern gegenereerde puls van de pulsgenerator. Is er geen ingangssignaal dan zal de servomotor in zijn laatste positie stand blijven. De servomotor wordt niet met een 50Hz signaal aangestuurd wanneer het in beweging is. De uitgang van de pulsbreedte comparator in figuur 3 stuurt een pulsverlenger aan, die op zijn beurt de motorbesturing circuit aanstuurt. De functie van deze pulsverlenger is de smalle puls van de pulsbreedte comparator te verlengen, lang genoeg voordat de volgende puls binnenkomt. Naast een positieregeling heeft de servomotor ook nog een snelheidsregeling. Zie figuur 3. Tussen de motorpulsen door werkt de motor als een generator. Door het draaien van de motor wordt een inductiespanning gegenereerd. De stroom van deze geïnduceerde spanning wijzigt de lading van de condensator C en daarmee de pulsbreedte van de pulsgenerator. Deze additionele ingangssignaal werkt als een rem op de motor. De geïnduceerde spanning is direct rechtevenredig met de snelheid van de motor. Een hogere snelheid betekent dat de motor snelheid meer gedempt wordt. 4

5 Het circuit van de Futaba S3003 servomotor Figuur 4 toont het schema van de Futaba S3003 servomotor. Figuur 4: Elektrische circuit van de Futaba S3003 servomotor. Een inkomende pulssignaal ( pin 12 BA6688 ) triggert de "Lineare Pulse Generator", die een puls genereert waarvan de lengte bepaalt wordt door het teruggekoppelde analoge signaal op pin 10 van de BA6688 (Feedback Signal). Dit signaal is niet alleen de spanning afkomstig van de 5 K positie potentiometer, maar het wordt ook bepaalt door de inductiespanning (Motor Back EMF), de spanning aan de uitgang van de draaiende DC motor (Pin 2 BAL6686). Deze inductiespanning is een maat voor de snelheid en wordt gebruikt voor het dempen van de draaisnelheid van de servomotor. Met als doel te voorkomen dat de motor te snel gaat draaien en zijn ingestelde positie voorbij schiet. Het verschil tussen het inkomend pulssignaal en het signaal van de Puls Generator wordt gebruikt voor het genereren van een PWM (Pulsbreedte Modulatie) signaal(pin 2 en Pin 3 BA6688). Dit signaal stuurt een H-brug aan die de DC motor aanstuurt(pin 2 en Pin 6 BAL6686). 5

6 Servomotor opdrachten Oefening: Het testen van de basisfuncties van de servomotor. In deze oefening gaan we signalen op de verschillende locaties van het motorsysteem bekijken en analyzeren. Metingen zouden uitgevoerd moeten worden voordat en nadat de modificaties op de motor zijn uitgevoerd. Voor deze opdrachten is gegeven: voedingsspanning: Vcc=+5V ingangssignaal: 3-5V, 50 Hz, 5-10% duty cycle Voor het testen van het motorsysteem zijn een multimeter en een oscilloscoop nodig. Test de functionaliteit van het motorsysteem: meet de spanningen: verifiëer of spanningswaardes op de diverse locaties van het motorsysteem juist zijn. Meet de leveringsstroom: verifiëer of de stroom door de voeding correct is. Volg de signalen: voor de gegeven sturing van de motor, volg de signalen op de verschillende locaties van het motorsysteem. Opdracht A. Demonteer de Futaba S3003 servomotor zoals afgebeeld in figuur 10. Figuur 10: Vier bouten verwijderd aan de onderkant van de servo. Plaats vervolgens, zonder de deksel, de vier schroeven terug. Hiermee voorkom je dat het bovenkapje los komt. 6

7 Figuur 11: Pin nummer 1 aanduiding van de IC's. Opdracht B. Varieer de voedingsspanning tussen 4-6V en meet de regulatorspanning aan pin 8 van de BA6688. Verifieer dat de spanningregelaar regelt bij voedingsspanning variaties. Bepaal de voedingsregulatie [mv/v]. Opdracht C. Meet het signaal over de Pulse Stretcher Capaciteit bij pin 7 van de BA6688 en aan een van zijn uitgangen (pin 2 of pin 3) en varieer hierbij het ingangssignaal van 1-2ms. beredeneer je bevindingen. Opdracht D. Meet het terugkoppel signaal op pin 10 van de BA6688 en varieer hierbij het ingangssignaal van 1-2ms. Beredeneer je bevindingen. 7

8 Opdracht E. Meet het signaal over de Pulse Timing capacitor(pin 11) van de BA6688 en varieer hierbij het ingangssignaal van 1-2ms. Doe dit vóór en na de modificatie. Beredeneer je bevindingen. Opdracht F. Geef een beschrijving van het teruggekoppelde regelcircuit. Van de positieregeling vóór en na de modificatie. In te leveren materiaal Een rapport bestaande uit enkele tekeningen van de gemeten signalen van het motorsysteem. Een korte uitleg van de verkregen resultaten worden eveneens verwacht. Modificatie voor een rotatiemotor De uit te voeren modificaties zijn in figuur 4 met grijze kaders aangegeven. De positie potmeter is verbonden met de schacht van de servomotor. Bij modificatie wordt deze vervangen door een 5k meerslagen potmeter. Deze potmeter wordt op de middenstand gefixeerd. Nu is de potmeter niet meer verbonden met de servomotor. Hiermee is de lus voor positieregeling gebroken. De servo denkt nu dat die altijd in zijn neutrale stand staat. Signaal > 1.5ms zorgt ervoor dat de motor met de klok meedraait, echter de potmeter in de gebroken terugkoppeling verteld aan de servo dat deze nog steeds in de neutrale stand staat. De servo zal hierdoor steeds met de klok mee blijven draaien. Voor een signaal < 1.5ms zal de servo om dezelfde reden tegen de klok in blijven draaien. De servo is nu verandert in een continue draaiende motor. Voor deze modificatie heb je de volgende component nodig: onderdeel 5 K Meerslagen trimpotmeter Tabel 1: component onderdeel voor deze modificatie 8

9 Voorts heb je voor deze modificatie en de modificatie voor snelheidsregeling de volgende gereedschap nodig: onderdeel Fijne kniptang Soldeerstation met een fijne soldeertip Zuiglitze of desoldeer pomp Soldeertin Stanley mesje Tabel 2: Gereedschapsonderdelen voor deze modificatie Stap voor stap procedure 1. Schroef de bouten aan de onderkant los en haal voorzichtig het bovenkapje los. Zie figuur 12. Figuur 12: Deksel aan de bovenkant verwijderd. Denk erom dat je de deksel aan de bovenkant van de servo voorzichtig eruit trekt, anders valt de opstelling van de tandwiel overbrenging uit elkaar, met als gevolg dat je niet meer weet hoe deze overbrenging in elkaar zat. 9

10 2. Verwijder voorzichtig de hoofd aandrijfwiel van de tandwiel overbrenging. Laat zoveel mogelijk vet dat op de tandwiel overbrenging aanwezig is intact. Verwijder met een stanley mesje of een fijne kniptang de mechanische stop op de hoofd aandrijfwiel. Het is met een pijl aangegeven in figuur 13. Figuur 13: Hoofd aandrijfwiel met een mechanische stop. Zorg ervoor dat de mechanische stop volledig verwijderd is, zodat het wiel straks vrij kan bewegen. Zie figuur 14. Figuur 14: Mechanische stop volledig verwijderd. 2. Een tweede mechanische stop die aanwezig is, is de potmeter die met de schacht van de servo verbonden is. Deze potmeter moet verwijderd worden. Desoldeer eerst de motor van het PCB bordje. Zie figuur 15. Figuur 15: Desolderen van de servomotor. 10

11 3. Licht het PCB bordje heel voorzichtig op van de behuizing. Het PCB bordje is dan los van de motor. Zie figuur 16. Figuur 16: PCB los van de motor. 4. Desoldeer nu de potmeter uit het PCB. Zie figuur 17. Figuur 17: Servo potmeter aangegeven met een pijl. 5. Soldeer de 5K meerslagen potmeter op het PCB. Zie figuur 18. Figuur 18: 5K trim potmeter toegevoegd. 11

12 Modificatie voor variabele snelheidsregeling De twee andere grijze kaders in figuur 4 geven de modificaties aan voor variabele snelheidsregeling. De snelheidsterugkoppellus met de 910K weerstand geeft slechts 10-20% binnen het bereik van het inkomende pulssignaal een adequate snelheidsregeling. De hoofdoorzaak is dat de snelheid waarmee de servo zich stabiliseert wel adequate genoeg is voor de normale servo, maar dat deze niet snel genoeg is voor de servo als een rotatiemotor. Het is niet in staat de snelle snelheidsveranderingen te volgen binnen die 1-2ms variatie van het inkomende pulssignaal. De 910K weerstand wordt vervangen door een 220K weerstand. Hiermee wordt de snelheid van de snelheidsterugkoppellus met een factor 4 verhoogt. Met als gevolg dat we nu wel een goede snelheidsregeling hebben over het volle bereik van de 1-2ms binnenkomende pulssignaal. De RC tijd die bepaald wordt door deze teruggekoppel weerstand en terugkoppel capaciteit (pin 10 BA6688) is nu met een factor 4 verlaagd. Echter door deze modificatie wordt de totale servo lusversterking ook met een factor 4 verhoogt, de servo heeft hierbij de neiging instabiel te worden. Dit wordt opgelost door de Pulse Stretcher Gain capaciteit met dezelfde factor te verlagen. De F condensator is vervangen door een 0. 1 F keramische condensator. Voor deze modificatie heb je de volgende componenten nodig: onderdeel 220K smd weerstand in 0805 behuizing 100nF 10% keramische condensator in 0805 behuizing Tabel 3: component onderdelen voor deze modificatie 12

13 Stap voor stap procedure 1. Vervang de 910K smd weerstand door een 220K smd weerstand. De locatie van de 910K weerstand is aangegeven in figuur 19. Deze bevindt zich tussen de motor aansluiting en pin 10 van de BA6688. Zie hiervoor het schema van figuur 4. Figuur 19: Plaats van de 910K smd weerstand. 2. Vervang de 0.47μF condensator door een 0.1μF condensator. Zie figuur 20. Figuur 20: Plaats van de 0.47μF condensator. 13

14 3. De modificaties zijn nu klaar. Trek heel voorzichtig met een tang de motor uit de servobehuizing. Let er wel op dat de motor teruggeplaatst moet worden zoals is aangegeven met een rode stip. Bij verkeerde aansluiting zal de draairichting van de motor omgedraaid worden. Zie figuur 21. Figuur 21: Motor in servobehuizing. 4. Plaats de motor op het PCB in overeenstemming met figuur 21. Zie figuur 22. Figuur 22: Motor geplaatst op het PCB. 5. Verbind de signaal aansluiting(wit) van de servo op een puls functiegenerator en zet het signaal op een pulsbreedte van 1.5ms(50Hz, 7.5% duty cylce). Sluit een voedingsspanning van 5V DC op de voedingsaansluiting van de servo. Draai nu aan de meerslagenpotmeter totdat de servomotor stilstaat. De potmeter is nu ongeveer in zijn middenstand gedraaid. 6. Assembleer de servo. Beide modificaties zijn nu klaar. 1. Robotzone LLC, How do servos work?, Servo city, Ett,S3003 Futaba Servo, 14