Глава 4. Сервомоторы NXT
 | Просмотров: 12 510

Сервомоторы, входящие в комплект MINDSTORMS NXT, настолько интересны и уникальны, что я решил посвятить им отдельную главу. Внешний вид сервомотора можно посмотреть на рисунке 4-1. Сервомотор NXT – это сочетание электродвигателя, шестерёнчатого редуктора и датчика вращения, объединённых в одном корпусе своеобразной формы.

Рисунок 4-1. Сервомотор NXT

Малогабаритные двигатели постоянного тока обычно вращаются слишком быстро, и имеют не очень большую мощность на валу, поэтому нет особого смысла подключать их напрямую к колёсам или другим механизмам. Чтобы понизить скорость вращения и заодно увеличить вращающий момент, обычно используют какой-либо редуктор. Редуктор сервомотора содержит восемь шестерёнок, имеющих суммарное передаточное отношение 1:48 (см. рисунок 4-2, 4-3, 4-4).

Рисунок 4-2. Внутреннее устройства сервомотора NXT

Сервомотор изготовлен неразборным, поэтому, если и вы полезете внутрь с целью посмотреть, как там всё устроено, то ваш сервомотор будет сломан с вероятностью, близкой к 100%. В частности, разделить оранжевые половинки «головы» сервомотора, и не сломать внутренние крепления, невозможно в принципе. Отчаянный парень Даниэль Бенедеттелли (Daniele Benedettelli) пожертвовал одним из своих сервомоторов на благо науки, в результате чего, мы имеем возможность посмотреть внутрь этого чуда инженерной мысли на рисунках с 4-3 по 4-6 (изображения взяты с сайта www.philohome.com и являются собственностью Даниэля Бенедеттелли).

Рисунок 4-3. Сервомотор NXT в разобранном виде.

Рисунок 4-4. Редуктор сервомотора NXT крупным планом.

Находящийся внутри сервомотора датчик вращения (рисунок 4-5, справа) представляет из себя оптико-механический энкодер и состоит из оптической пары (светодиод и фототранзистор) и зубчатого колеса с секторными отверстиями, соединённого непосредственно с первой шестернёй на валу двигателя. Разрешающей способности этого датчика достаточно, чтобы определять положение выходного вала сервомотора с точностью в 1 градус. Если Вы когда-либо разбирали старую компьютерную мышь с шариком (которые были в ходу лет пятнадцать назад), то наверняка видели подобное устройство. Принцип работы у датчиков в компьютерной мыши и в сервомоторе совершенно одинаков – колесо с отверстиями при вращении пересекает луч, испускаемый светодиодом, а фототранзистор определяет наличие или отсутствие луча. Если посмотреть внимательно, то можно обнаружить, что на ведущем валу электромотора установлена шестерня с 10 зубами, а зубчатое колесо энкодера имеет 32 зуба и 12 отверстий. Путем несложных вычислений получаем, что за один оборот выходного вала датчик успевает посмотреть на 48*10/32*12 = 180 отверстий, что ровно в два раза меньше, чем заявленная величина (1 оборот = 360 градусов). Но если учесть, что на каждом отверстии срабатывание датчика происходит дважды (переход от перемычки к отверстию, и от отверстия к перемычке), то всё становится на свои места. Так что действительно, разрешающая способность датчика вращения в 1 градус подтверждается его механическими характеристиками.

Рисунок 4-5. Электромотор с электронным предохранителем (слева), вал мотора, шестерня и датчик вращения (справа).

На небольшой печатной плате (рисунок 4-6) можно увидеть разъём для подключения и электронные компоненты, обеспечивающие работу датчика вращения. На левой фотографии хорошо видна оптическая пара, чёрный прямоугольник – это светодиод, полупрозрачный прямоугольник напротив него – фототранзистор.

Рисунок 4-6. Электромотор с печатной платой.

Пожалуй, единственным и неисправимым недостатком датчика вращения NXT является то, что он намертво встроен внутрь сервомотора, и использовать его отдельно достаточно затруднительно. В частности, редуктор и электромотор оказывают значительное сопротивление при попытке крутить выходной вал сервомотора вручную, в результате чего оказывается невозможным использовать датчик вращения для того, чтобы замерить, например, скорость, с которой хомяк крутит своё колесо. Придётся либо откормить хомяка до размеров зайца, чтобы у него хватило веса и сил провернуть колесо вместе с сервомотором, либо изготовить самодельный датчик вращения, что, в принципе не является невыполнимой задачей (в дальнейшем я постараюсь изготовить такой датчик, и описать процесс в одной из следующих глав).

Не стоит забывать, что мощность сервомоторов NXT весьма значительна, и поэтому нужно очень внимательно относиться к построению моделей с повышающими редукторами. Так, при передаточном числе более 10:1 мотор вполне способен сломать неудачно закреплённые и заклинившие балки, штифты, оси, или срезать зубья последней ведомой шестерни. Хоть в сервомоторе и предусмотрена электронная защита от перегрузки (рисунок 4-5, слева), которая срабатывает в случае длительной работы под нагрузкой, близкой к максимальной, или при заклинивании выходного вала, но испытывать судьбу я не рекомендую. Перегрев мотора также вызывает срабатывание защиты, поэтому не удивляйтесь, если в какой-то момент после продолжительной работы один из сервомоторов вдруг перестал нормально крутиться. После остывания или расклинивания вала мотор снова начинает работать в штатном режиме. В любом случае, не следует злоупотреблять способностями сервомотора и перегружать его, так как длительная работа с перегрузками приводит к быстрому износу редуктора и появлению заметного люфта на выходном валу, который и на совершенно новом сервомоторе не так уж и мал (2-3 градуса).

Далее рассмотрим основные физические и механические характеристики сервомотора.
Вес сервомотора в сборе – 80.17 грамма.
Размеры сервомотора: длина 13.5М, ширина 5М, высота 5.5М. Расстояние между верхними и нижней крепёжными планками: 5М по длине, 3М по высоте. С торца корпуса на стороне, противоположной ведущему валу есть три отверстия, находящиеся на одной линии с осью ведущего вала. Верхние крепёжные планки расположены на 1М выше, а нижняя – на 2М ниже оси вала (вопрос, где у сервомотора верх, а где низ, является риторическим, но мне кажется, что верх всё-таки там, где две крепёжные планки).
Центр тяжести расположен на расстоянии 7М по длине и 1.5М по высоте от выходного вала (см. рисунок 4-7).

Рисунок 4-7. Размеры и центр тяжести сервомотора.

Сведения о характеристиках сервомоторов, приведённые далее, были экспериментально добыты Филлипе Харбейном (Phillippe Hurbain), и опубликованы на его сайте, за что ему огромное спасибо.
Максимально возможная скорость вращения выходного вала с нагрузкой при включенной регулировке мощности – 120 оборотов в минуту при 9 В питании (новые батарейки ААА), и 90 оборотов в минуту при 7.2 В питании (стандартная перезаряжаемая батарея LEGO или NiMH аккумуляторы).
Максимальная скорость вращения выходного вала без нагрузки – 160 оборотов в минуту при 9 В, 130 оборотов в минуту при 7.2 В (см рисунок 4-8).

Рисунок 4-8. Зависимость скорости вращения от подводимой мощности.

Мотор не нагружен, питание 9 вольт. Обратите внимание на линейную зависимость между уровнем мощности и скоростью двигателя. В отличие от мотора RCX, который без нагрузки развивал максимальные обороты уже на втором уровне мощности, мотор NXT ведёт себя более предсказуемо. Так как нет нагрузки, регулировка мощности (Power Control) не оказывает на скорость никакого эффекта.

Мотор не нагружен, но на этот раз питание 7.2 вольта (как при использовании NiMH аккумуляторов). Само собой, скорость вращения мотора пропорционально уменьшилась, но всё равно зависимость осталась линейной.

Мотор под нагрузкой 11.5 Н•см, регулировка мощности отключена, питание 9 вольт. Вплоть до 40% мощности мотор не вращается, но как только мощности становится достаточно для преодоления нагрузки, скорость вращения увеличивается пропорционально.

Мотор под нагрузкой 11.5 Н•см, питание 9 вольт, регулировка мощности включена. Эта линия наглядно показывает эффективность схемы регулировки мощности: Вплоть до 70% скорость вращения мотора такая же, как без нагрузки. После 70% линия графика становится горизонтальной, так как мотор работает на максимально возможной мощности.

Мотор под нагрузкой 11.5 Н•см, питание 7.2 вольта, регулировка мощности включена. До 50% мощности график совпадает со скоростью вращения при 9 вольтах (и эта скорость явно больше, чем при питании 7.2 вольта, но без регулировки мощности). Горизонтальный участок этого графика лежит ниже, чем у предыдущего, потому что мощности при 7.2 вольтах явно меньше, чем при 9 вольтах.

На рисунке 4-9 показан график мощности, выдаваемой мотором в зависимости от нагрузки на выходном валу. Максимально возможный момент на валу 165 Н•см (при 9 В питания), 130 Н•см (при 7.2 В питания).

Рисунок 4-9. Зависимость мощности на валу от нагрузки на валу.

Сила тока, потребляемого моторами, линейно зависит от нагрузки на валу. Минимальный ток составляет 60 мА (без нагрузки). При питании 9В максимальный ток – 800 мА (при нагрузке 25 Н•см), а при питании 7.2 вольта – 650 мА (при нагрузке 20 Н•см).

Настоятельно не рекомендуется применять к моторам долговременную нагрузку свыше 15 Н•см. В противном случае, во-первых сработает защита от перегрузки, а во-вторых, ваш мотор долго не проживёт. Максимальные ток и нагрузка, показанные на графике, допустимы только кратковременно, да и то крайне нежелательны.

Сервомоторы подключаются к портам А, В и С интеллектуального блока, и могут работать как каждый отдельно, так и в синхронизированном режиме. Этот режим позволяет обеспечить одинаковую скорость вращения моторов, даже при различной нагрузке на каждый из них. Синхронизированный режим лучше всего работает для двух моторов, подключенных к портам В и С, это связано с некоторыми аппаратными особенностями выходных портов, которые будут рассмотрены в одной из следующих глав.