Transcript 伺服馬達控制實作
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國立成功大學電機資訊科技研發中心
創意蘿蔔機器人工場
MyROBOT
www.2mouse.com.tw
Slide 2
學習目標
•
•
•
•
伺服馬達原理
控制器線路
導入實作(1)-麵包板練習
導入實作(2)-萬用板焊接練習
Slide 3
伺服馬達原理
Slide 4
伺服馬達內部結構
•一個伺服馬達內部包括了一個小型直流馬
達；一組變速齒輪組；一個回饋可調電位
器；及一塊電子控制板。其中，高速轉動
的直流馬達提供了原始動力，帶動變速
（減速）齒輪組，使之產生高扭力的輸出，
齒輪組的變速比愈大，伺服馬達的輸出扭
力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，
但轉動的速度也愈低。
Slide 5
變速齒輪組
可調電位器
小型直流馬達
電子控制板
Slide 6
Slide 7
Slide 8
Slide 9
Slide 10
Slide 11
Slide 12
伺服馬達的工作原理
減速齒輪組由馬達驅動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位
器(VR)作位置檢測，該電位器把轉角座標轉換為一比例電壓回饋給控
制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈衝信號比較，產生糾正脈
衝，並驅動馬達正向或反向地轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相
符，令糾正脈衝趨於為0，從而達到使伺服馬達精確定位的目的
控制脈衝
控制電路
直流馬達
齒輪組
比 例
電位器
Slide 13
伺服馬達的控制
• 標準的伺服馬達有三條控制線，分別為：電源VCC(+)、地
GND(-)及控制Signal (s) 。電源線與地線用於提供內部
的直流馬達及控制線路所需的能源，電壓通常介於4V~6V
之間，該電源應盡可能與處理系統的電源隔離（因為伺服
馬達會產生噪音）。甚至小伺服馬達在重負載時也會拉低
放大器的電壓，所以整個系統的電源供應的比例必須合理。
• 輸入一個週期性的正向脈衝信號，這個週期性脈衝信號的
高電平時間通常在1ms~2ms之間，而低電平時間應在5ms到
20ms之間
Slide 14
伺服馬達的控制
輸入正脈衝寬度(周期為20ms)
伺服馬達輸出臂位置
Slide 15
伺服器每個有3個接點,各廠牌的順序大都是一樣,但有時接
線的顏色會不一樣
Slide 16
控制器線路
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控制器線路
4-6V
50k
VR1
5.1k
R1
1k
R3
8
7
IN4148
IC1
6 555
270k
D1
R2
LED
C1
0.1u(104)
4
Signal 1-2ms JP1
3
3
Timer
接 2
伺 1
2
1
5
服
馬
LED
達
6V電池盒
Slide 18
電路說明
•
•
•
•
由R3+LED組合一個電源指示狀態,電源輸入時亮起
由555 IC輸出Signal接出LED,當可變電阻旋轉時,LED會有明暗漸進呈現
JP1連接伺服馬達:1(黑) 2(紅) 3(白)
輸出高電壓時間公式:T-high = 0.693 x(R1+VR1)xC1
– R1=5100(5.1k),VR1=0,C1=0.1uf=0.0000001
• T-high=0.693x5100x0.0000001=0.000353=0.35ms
– R1=5100(5.1K),VR1=50K=50000,C1=0.1uf=0.0000001
• T-high=0.693x(5100+50000)x0.0000001=0.00382=3.8ms
•
輸出低電壓時間公式:T-low = 0.693xR2xC1
– R2=27000(270K),C1=0.1uf=0.0000001
• T-low=0.693x270000x0.0000001=0.0187=18.7ms
•
週期時間為 T=T-high + T-low
最少 = 0.35ms + 18.7ms = 19.05ms
最多 = 3.8ms + 18.7ms = 22.5ms
PWM週期為19.05ms~22.5ms,pulse時間為0.35ms~3.8ms
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導入實作(1)-麵包板練習
Slide 20
麵包板
IN4148
二極體
陶瓷電
容0.1uf
可變電
阻50K
發光二
極體LED
IC:555
伺服器
排針
電阻:
5.1k,100,270k,1k
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555 IC腳位辨識
8 7
6 5
4
8
7
IC1
6 555
3
Timer
2
1
1
2
3 4
5
Slide 22
Slide 23
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Slide 25
Slide 26
長腳在上,短
腳在下
Slide 27
Slide 28
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Slide 30
Slide 31
Slide 32
Slide 33
LED長腳在上,短
腳在下
Slide 34
旋轉此,讓伺服器
跟著轉動….
觀察LED會隨訊號
輸出有漸亮漸暗
的狀態
由左至右:
白(訊號)
紅(正電源)
黑(負電源)
Slide 35
開始測試
一下吧~
Slide 36
問題排除
•當LED燈號未亮時,該如何處理?
– 檢查LED是否無損壞?
– 接腳位置是否正確?(長接正)
•當所有的接腳均正確時,仍舊是無法工作?
– 檢查每一個接線裸露的線端是否過短?
•當LED燈號正確漸亮,但是伺服馬達無法工
作,該如何處理?
– 檢查與IC 555的接腳元件是否位置正確?
– 元件是否均有接觸到麵包板?
•LED均有亮,但是輸出無法正確工作…
– 檢查伺服馬達訊號接腳是否正確?
– 換一顆伺服馬達試試看
– 檢查電池電壓是否過低?
Slide 37
導入實作(2)-萬用板焊接練習
Slide 38
焊接前注意事項
•工作環境是否有較大的平坦空間?
•IC 焊接時不可以過久
•把握焊接秘訣1.2.3…
•剩餘零件腳可以利用做為零件電路串接
•工具未使用時,關閉電源
•隨時養成愛護工具及零件歸納習慣
•遵守工具使用安全守則
Slide 39
當您已經完成麵包板練習後,接著
可進行下面的萬用板實作部份…
如果尚未完成請完成麵包板實作
後再進行以下實作
零件位置以麵包板方式進行設計,
因此,在以下的實作中,盡可能參考
電路圖予以施工,可以增進自己的
實作看圖能力喔
Slide 40
請依圖面零件擺放,並一一焊接
焊接時,可以折彎零件腳(先不剪
斷),後面會以此進行點線的連接
如果您已善長焊接可以剪斷零件
腳,自行串接點線的連接
Slide 41
二極體的黑邊線是
靠右
Slide 42
可變電阻一端與5.1K電阻上下位置
Slide 43
IC 555位置
排針3支腳位置
C1(104)電容位
置
養成前後觀看的能力,多注
意一下前面是零件擺置,後
面是接出的零件腳
焊接時,可以多想一下之前
麵包板的位置及設計的電
路圖
Slide 44
請依續依紅色框線將以
導線予以串接起來
可以利用多出的零件腳
折彎後進行連接
連接完成後再剪掉多出
的零件腳
Slide 45
對應電路圖的IC
555第2腳與第6
腳是連接在一起
Slide 46
觀察一下目前實作與麵包
零件位置,同時,也觀察電
路圖的位置……
Slide 47
對應電路圖中,將IC
555的第3腳連接到
排針及LED(+)
取LED長腳連接到
IC 555位置
Slide 48
Slide 49
請依藍框再檢查每
一個線是否均連接
上?
藍框範圍為需要連
接一起的
Slide 50
Slide 51
Slide 52
Slide 53
取出多餘的零件腳
連接紅框線的位置
Slide 54
Slide 55
剪一段線依紅框處,
連接2點,此2點為IC
555的第8腳與第4腳
的連接
Slide 56
最後,接上正負電源,
便完成了~
Slide 57
旋轉此,讓伺服器
跟著轉動….
觀察LED會隨訊號
輸出有漸亮漸暗
的狀態
由左至右:
白(訊號)
紅(正電源)
黑(負電源)
Slide 58
開始測試
一下吧~
Slide 59
想想看….
•
•
•
•
我可以擴充更多的伺服馬達進行控制嗎?
我可以將萬用板焊接的面積縮小嗎?
我可以設計一個PCB的線路圖嗎?
我可以利用此電路設計一個工具盒嗎?
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學習目標
•
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伺服馬達原理
控制器線路
導入實作(1)-麵包板練習
導入實作(2)-萬用板焊接練習
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伺服馬達原理
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伺服馬達內部結構
•一個伺服馬達內部包括了一個小型直流馬
達；一組變速齒輪組；一個回饋可調電位
器；及一塊電子控制板。其中，高速轉動
的直流馬達提供了原始動力，帶動變速
（減速）齒輪組，使之產生高扭力的輸出，
齒輪組的變速比愈大，伺服馬達的輸出扭
力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，
但轉動的速度也愈低。
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變速齒輪組
可調電位器
小型直流馬達
電子控制板
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伺服馬達的工作原理
減速齒輪組由馬達驅動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位
器(VR)作位置檢測，該電位器把轉角座標轉換為一比例電壓回饋給控
制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈衝信號比較，產生糾正脈
衝，並驅動馬達正向或反向地轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相
符，令糾正脈衝趨於為0，從而達到使伺服馬達精確定位的目的
控制脈衝
控制電路
直流馬達
齒輪組
比 例
電位器
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伺服馬達的控制
• 標準的伺服馬達有三條控制線，分別為：電源VCC(+)、地
GND(-)及控制Signal (s) 。電源線與地線用於提供內部
的直流馬達及控制線路所需的能源，電壓通常介於4V~6V
之間，該電源應盡可能與處理系統的電源隔離（因為伺服
馬達會產生噪音）。甚至小伺服馬達在重負載時也會拉低
放大器的電壓，所以整個系統的電源供應的比例必須合理。
• 輸入一個週期性的正向脈衝信號，這個週期性脈衝信號的
高電平時間通常在1ms~2ms之間，而低電平時間應在5ms到
20ms之間
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伺服馬達的控制
輸入正脈衝寬度(周期為20ms)
伺服馬達輸出臂位置
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伺服器每個有3個接點,各廠牌的順序大都是一樣,但有時接
線的顏色會不一樣
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控制器線路
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控制器線路
4-6V
50k
VR1
5.1k
R1
1k
R3
8
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IN4148
IC1
6 555
270k
D1
R2
LED
C1
0.1u(104)
4
Signal 1-2ms JP1
3
3
Timer
接 2
伺 1
2
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服
馬
LED
達
6V電池盒
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電路說明
•
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•
由R3+LED組合一個電源指示狀態,電源輸入時亮起
由555 IC輸出Signal接出LED,當可變電阻旋轉時,LED會有明暗漸進呈現
JP1連接伺服馬達:1(黑) 2(紅) 3(白)
輸出高電壓時間公式:T-high = 0.693 x(R1+VR1)xC1
– R1=5100(5.1k),VR1=0,C1=0.1uf=0.0000001
• T-high=0.693x5100x0.0000001=0.000353=0.35ms
– R1=5100(5.1K),VR1=50K=50000,C1=0.1uf=0.0000001
• T-high=0.693x(5100+50000)x0.0000001=0.00382=3.8ms
•
輸出低電壓時間公式:T-low = 0.693xR2xC1
– R2=27000(270K),C1=0.1uf=0.0000001
• T-low=0.693x270000x0.0000001=0.0187=18.7ms
•
週期時間為 T=T-high + T-low
最少 = 0.35ms + 18.7ms = 19.05ms
最多 = 3.8ms + 18.7ms = 22.5ms
PWM週期為19.05ms~22.5ms,pulse時間為0.35ms~3.8ms
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麵包板
IN4148
二極體
陶瓷電
容0.1uf
可變電
阻50K
發光二
極體LED
IC:555
伺服器
排針
電阻:
5.1k,100,270k,1k
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555 IC腳位辨識
8 7
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IC1
6 555
3
Timer
2
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長腳在上,短
腳在下
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LED長腳在上,短
腳在下
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旋轉此,讓伺服器
跟著轉動….
觀察LED會隨訊號
輸出有漸亮漸暗
的狀態
由左至右:
白(訊號)
紅(正電源)
黑(負電源)
Slide 35
開始測試
一下吧~
Slide 36
問題排除
•當LED燈號未亮時,該如何處理?
– 檢查LED是否無損壞?
– 接腳位置是否正確?(長接正)
•當所有的接腳均正確時,仍舊是無法工作?
– 檢查每一個接線裸露的線端是否過短?
•當LED燈號正確漸亮,但是伺服馬達無法工
作,該如何處理?
– 檢查與IC 555的接腳元件是否位置正確?
– 元件是否均有接觸到麵包板?
•LED均有亮,但是輸出無法正確工作…
– 檢查伺服馬達訊號接腳是否正確?
– 換一顆伺服馬達試試看
– 檢查電池電壓是否過低?
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導入實作(2)-萬用板焊接練習
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焊接前注意事項
•工作環境是否有較大的平坦空間?
•IC 焊接時不可以過久
•把握焊接秘訣1.2.3…
•剩餘零件腳可以利用做為零件電路串接
•工具未使用時,關閉電源
•隨時養成愛護工具及零件歸納習慣
•遵守工具使用安全守則
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當您已經完成麵包板練習後,接著
可進行下面的萬用板實作部份…
如果尚未完成請完成麵包板實作
後再進行以下實作
零件位置以麵包板方式進行設計,
因此,在以下的實作中,盡可能參考
電路圖予以施工,可以增進自己的
實作看圖能力喔
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請依圖面零件擺放,並一一焊接
焊接時,可以折彎零件腳(先不剪
斷),後面會以此進行點線的連接
如果您已善長焊接可以剪斷零件
腳,自行串接點線的連接
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二極體的黑邊線是
靠右
Slide 42
可變電阻一端與5.1K電阻上下位置
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IC 555位置
排針3支腳位置
C1(104)電容位
置
養成前後觀看的能力,多注
意一下前面是零件擺置,後
面是接出的零件腳
焊接時,可以多想一下之前
麵包板的位置及設計的電
路圖
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請依續依紅色框線將以
導線予以串接起來
可以利用多出的零件腳
折彎後進行連接
連接完成後再剪掉多出
的零件腳
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對應電路圖的IC
555第2腳與第6
腳是連接在一起
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觀察一下目前實作與麵包
零件位置,同時,也觀察電
路圖的位置……
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對應電路圖中,將IC
555的第3腳連接到
排針及LED(+)
取LED長腳連接到
IC 555位置
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請依藍框再檢查每
一個線是否均連接
上?
藍框範圍為需要連
接一起的
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取出多餘的零件腳
連接紅框線的位置
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剪一段線依紅框處,
連接2點,此2點為IC
555的第8腳與第4腳
的連接
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最後,接上正負電源,
便完成了~
Slide 57
旋轉此,讓伺服器
跟著轉動….
觀察LED會隨訊號
輸出有漸亮漸暗
的狀態
由左至右:
白(訊號)
紅(正電源)
黑(負電源)
Slide 58
開始測試
一下吧~
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想想看….
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我可以擴充更多的伺服馬達進行控制嗎?
我可以將萬用板焊接的面積縮小嗎?
我可以設計一個PCB的線路圖嗎?
我可以利用此電路設計一個工具盒嗎?