Sygnał PWM, serwomechanizmy i biblioteki. 1. Czym jest sygnał PWM? Strona 1

Transkrypt

1 - Sygnał PWM, serwomechanizmy i biblioteki. 1. Czym jest sygnał PWM? Załóżmy, że do mikrokontrolera podłączyliśmy diodę świecącą i zaczęliśmy migać nią w pętli. Dioda jest włączona przez sekundę, a przez kolejną pozostaje wyłączona i tak w koło: Gdybyśmy narysowali wykres zmiany napięcia (od czasu) na pinie trzecim Arduino otrzymamy przebieg prostokątny: Wartość zaznaczona jako x, to czas, w którym dioda świeci. Natomiast T, to okres z jakim migamy LEDem. Z kolei jego odwrotność, czyli 1/T oznacza częstotliwość. Stosunek czasu, gdy dioda świeci, do czasu gdy jest wyłączona wynosi 1:1. Innymi słowy, pozostaje ona włączona jedynie przez 50% działania programu. Fachowo parametr ten nazwiemy wypełnieniem sygnału. Podsumowując informacje o naszym sygnale: 1. Amplituda (maksymalna wartość): 5V Notatka lekcja_#4_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 1

2 2. Okres sygnału: 2 sekundy 3. Częstotliwość sygnał: 1/2 = 0,5 Hz 4. Wypełnienie sygnału: 50% Teraz pora na podobny eksperyment. Jednak ze zmienionym wypełnieniem, przy zachowaniu poprzedniego okresu. Jak to zrealizować? Wystarczy wydłużyć czas świecenia diody jednocześnie skracając czas, gdy jest ona wyłączona. Przykładowo: Tym razem dioda włączona jest przez około 5/6 czasu. Czyli wypełnienie wynosi około 83%. Przedstawiając sytuację na analogicznym, do poprzedniego, wykresie otrzymamy: Gdy opóźnienia zamienimy miejscem otrzymamy sytuację odwrotną, czyli sygnał o wypełnieniu 17%. Ostatni już wykres: Który z parametr zmieniał się za każdym razem? Odpowiedź jest prosta: wypełnienie. Częstotliwość przebiegów pozostawała taka sama. Gdyby opóźnienia wstawione w powyższych programach były znacznie mniejsze, częstotliwość sygnału będzie znacznie większa Na tym polega w praktyce zasada działania PWM. Czyli metodę modulacji sygnału prostokątnego poprzez regulację szerokości impulsu. Do czego to potrzebne? Notatka lekcja_#4_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 2

3 Wyobraź sobie silnik sterowany przełącznikiem. Czy w momencie włączenia zasilania silnik natychmiast osiąga swoje maksymalne obroty? Nie, najpierw musi się rozpędzić. To samo tyczy się stopniowego zatrzymywania. Co stanie się, gdy zasilanie do takiego silnika będziemy co chwile włączać i wyłączać? Jeśli operacja będzie wystarczająco szybka, to powinniśmy móc osiągnąć prędkości pośrednie między zatrzymaniem, a pełnymi obrotami. Otrzymana prędkość będzie zależała od czasu przez jaki dostarczaliśmy zasilanie do silnika. Gdy takie włączanie i wyłączanie będzie następowało dużo szybciej, to opisywany efekt będziemy mogli wykorzystać nawet przy pozornie bardzo szybkich elementach diodach świecących. Jakiego zastosowanie ma sygnał PWM? Otóż w technice cyfrowej sygnał ten wykorzystywany jest bardzo często. Za jego pomocą będziesz mógł sterować jasnością świecenia diody, położeniem serwomechanizmu oraz prędkością z jaką obraca się silnik! Jak łatwo zauważysz zastosowań będzie wiele zarówno w robotyce amatorskiej, jak i podczas każdego innego majsterkowania. Sterowanie jasnością diody LED Pora na pierwszy, praktyczny przykład wykorzystania PWM. Tym razem zajmiemy się prostym programem, którego zadaniem będzie pulsowanie diodą. Arduino wyposażone jest w 6 kanałów sprzętowego PWM. Każde wyjście, na którym możemy uzyskać sygnał PWM zostało oznaczone na płytce znakiem tyldy ~, a na naszej grafice pojawił się obok niego dodatkowo dopisek PWM: Notatka lekcja_#4_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 3

4 Sprzętowo generowany PWM oznacza, że wytwarzanie tego sygnału nie wpływa na pracę programu (nie opóźnia go). Nie musimy również samodzielnie pisać funkcji generujących taki sygnał. Każdy kanał PWM dostępny w Arduino UNO jest 8-bitowy. Oznacza to, że wypełnienie sygnału, które chce my otrzymać na jego wyjściu możemy określić liczbą od 0 do 255, gdzie 255 oznacza wypełnienie 100%. W celu przeprowadzenia pierwszego ćwiczenia konieczne jest podłączenie diody do pinu 3. Nie powinieneś mieć już problemu z samodzielnym zestawieniem układu: Notatka lekcja_#4_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 4

5 Pora na stworzenie programu. Naszym celem jest napisanie kilku linijek, za pomocą których dioda będzie powoli rozbłyskiwała. Inaczej mówiąc, będziemy w pętli zmieniać wypełnienie sygnału PWM, którym będzie ona sterowana. Mam nadzieje, że wszystko jest jasne i możemy zająć się omówieniem tylko jednej, nowej funkcji. Oczywiście chodzi o analogwrite(pin, wypełnienie). Jej zadaniem jest generowanie na wybranym pinie sygnału PWM o wybranym wypełnieniu. Zadaniem powyższego programu jest cykliczne zwiększanie wypełnienie od zera do momentu, gdy jego wartość będzie mniejsza od 255 (100%). Gdy osiągnięte zostanie maksymalne wypełnienie dioda zostaje wyłączona (wypełnienie 0%) i proces rozświetlania diody zostaje ponowiony. Notatka lekcja_#4_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 5

6 Zadanie domowe 5.1 Spróbuj uprościć powyższy program, tak aby nie trzeba było korzystać z instrukcji warunkowej if. Podpowiedź: zastanów się jaki wpływ na działanie programu ma typ zmiennej wypełnienie. Zadanie domowe 5.2 Napisz program, który po zwiększeniu wypełnienia do 255 zacznie je stopniowo zmniejszać do zera (i tak w koło). Sprawdź przy jakim opóźnieniu w każdym obiegu pętli można zaobserwowany efekt pulsowania będzie najciekawszy. Pora na wykorzystanie serwomechanizmu! Pewnie nie jeden z czytelników czekał na moment, w którym omówimy i zastosujemy w praktyce serwomechanizm. Jeśli jeszcze nie wiesz o czym dokładnie mówię, to znajdź w zestawie element identyczny (lub podobny) do poniższego: Jest to serwomechanizm typu micro, czyli jeden z najmniejszych dostępnych na rynku. Jego rozmiar nie ma jednak wpływu na sposób sterowania. Gdy zrozumiesz zasadę działania będziesz mógł wykorzystywać w swoich projektach większe, mocniejsze i szybsze serwa. Czym jest serwomechanizm? Serwomechanizm to silnik, przekładnia oraz dedykowany sterownika zamknięty w jednej obudowie. Napędy te nie są jednak przystosowane do wykonywania pełnego obrotu. Najczęściej serwomechanizmy mogą poruszać zamontowanym ramieniem o kąt 0-180º. Co ważne, znają one swoją aktualną pozycję, więc nie musimy obawiać się np.: narastających błędów pozycji. Serwomechanizmy wykorzystywane są głównie w modelarstwie. Np.: do odchylania lotek. W robotyce znajdują one również wiele zastosowań o czym przekonasz się w dalszych częściach kursu. Najważniejsze dwie zasady korzystania z serwomechanizmów: Notatka lekcja_#4_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 6

7 1. Bez potrzeby nie przekręcamy ręcznie położenia wału. Może to uszkodzić stosunkowo delikatne, plastikowe koła zębate, z których zbudowano przekładne. 2. Nie zasilamy serw bezpośrednio ze źródła, którym zasilana jest reszta układu. Każdy silnik pobiera stosunkowo duży prąd. Szczególnie na początku ruchu. Może to zakłócić pracę pozostałych układów, a w skrajnych przypadkach doprowadzić do ich uszkodzenia. Jak działa serwomechanizm? Skąd serwomechanizm wie, w którą pozycje ma się obrócić? Wszystko za sprawą wbudowanego sterownika. To własnie on, na podstawie dostarczonego sygnału PWM, steruje silnikiem. Przyjętym standardem jest, że do serw dostarcza się sygnał o okresie równym 20ms. Natomiast wypełnienie sygnału interpretowane jest jako pozycja, w którą należy przemieścić ramię serwa. Wypełnienie generowanego sygnału powinno mieścić się w granicach 5-10%. Wartości te zostaną przekształcone na dwie skrajne pozycje serwa (maksymalnie w lewo oraz maksymalnie w prawo). Z każdego serwomechanizmu wyprowadzone są 3 przewody: 1. Masa (czarny, ciemnobrązowy) 2. Zasilanie (czerwony) 3. Sygnał sterujący (żółty/pomarańczowy) W zależności od producenta kolory przewodów mogą się różnić. Jednak dwa na pewno będą zbliżone do czarnego i czerwonego (zasilanie). Pozostały, trzeci będzie przewodem sygnałowym. Zasilanie serwomechanizmu Tak jak zostało powiedziane wcześniej, nie powinno się zasilać serwomechanizmu bezpośrednio z tego samego napięcia, które zasila mikrokontroler. Po drugie, w związku z tym, że silnik może pobierać duży prąd musimy podłączyć do układu odpowiednie wydajne źródło. Port USB, z którego zasilaliśmy do tej pory naszą płytkę może okazać się zbyt słaby! Dlatego po raz pierwszy Arduino zasilimy przez dołączoną do zestawu baterię 9V wraz ze klipsem, który zakończony jest wtyczką pasującą do gniazda zasilania w Arduino. Dokładny schemat podłączenia znajduje się poniżej. Serwomechanizm w praktyce Pora na pierwszy program, który będzie poruszał ramieniem serwa. W tym celu należy połączyć układ zgodnie z poniższym schematem montażowym. Po pierwsze konieczne jest podłączenie baterii. Po drugie musimy wykorzystać stabilizator LM7805. Wejście stabilizatora łączymy z pinem Vin Arduino, masę z GND, a do wyjścia podłączamy czerwony przewód serwomechanizmu. Oczywiście konieczne są również kondensatory filtrujące. Pozostałe połączenia powinny być już jasne: Notatka lekcja_#4_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 7

8 Tym razem musimy dodać nową bibliotekę, która rozszerzy możliwości naszego programu o nasze funkcje. Służy do tego polecenie: W tym wypadku dodaliśmy plik Servo.h, który zawiera dodatkowe instrukcje dla serwomechanizów. Dzięki niej nie będziemy musieli samodzielnie kontrolować generowanego sygnału PWM. Wystarczy, że podamy pozycje (kąt) do jakiej ma obrócić się serwomechanizm. Notatka lekcja_#4_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 8

9 Jeżeli chcemy sterować serwem, to musimy stworzyć dla niego obiekt: Funkcja attach(pin) dla obiektu Servo działa podobnie do pinmode argumentem jest pin, do którego podłączony jest element. Od tego momentu na danym wyprowadzeniu (w tym przypadku 9) będzie generowany sygnał PWM. Po uruchomieniu programu serwomechanizm powinien płynnie poruszać się z jednej skrajnej pozycji do drugiej, a następnie wracać na początek. Kluczową linijką jest: Gdzie jako pozycję musimy wpisać kąt z zakresu 0-180º. Uwaga, nie podłączaj samodzielnie silników! W tej części kursu do Arduino podłączyliśmy bezpośrednio serwomechanizm. Było to możliwe, bo napędy te mają wewnętrzne sterowniki, które kontrolują prace gołego silnika. Dlatego z pinu Arduino, który steruje wychyleniem serwa nie jest pobierany duży prąd. Jeśli podłączysz do Arduino samodzielnie goły silnik, to pobrany prąd (>20mA) uszkodzi układ! Pamiętaj, że silniki elektryczne (nawet małe) mogą wymagać do pracy prądu 10, a nawet 100 razy większego od wydajności pinów mikrokontrolera! Do bezpośredniego podłączenia silnika konieczny jest układ pośredni, mostek-h! Więcej informacji na jego temat znaleźć można w dalszej części kursu. Notatka lekcja_#4_1; na podstawie W.Kapica 2017 Strona 9