Persoonlijke instellingen

Uitleg over de werking van de servo-aansturing

Uit BeneluxSpoor.net - Encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Hoofdpagina  Categorie-index  Index  Menu
Vorige | Volgende

Onder redactie van: BeneluxSpoor.net / Auteur: Geert Giebens - Bewerkt door Fred Eikelboom


Hoe werkt servo-aansturing?

Dit artikel geeft aan de hand van een aantal schema's een uitleg over de werking van de servo-aansturing.


Servo-opengemaakt-01.jpg
Afbeelding: 01
De servo ontleed
Foto gemaakt door: Geert Giebens


Links een plaatje van een opengemaakte servo. Links op het plaatje het motortje dat de tandwielen aandrijft. De tandwielen zijn verbonden met de servo-arm. In het midden zit de stuur-elektronica. Rechtsboven in de behuizing zit de potmeter met drie rode aansluitdraden. De potmeter is op de as van de servo-arm gemonteerd. Helemaal rechts zitten de PVC tandwielen. De tandwielen hebben als doel het hoge toerental van het motortje terug te brengen tot een veel langzamere beweging van de servo-arm. Door deze vertraging neemt het koppel (lees: de kracht die de servo-arm levert) toe.


Het laad- en ontlaadcirquit

NE555-spanningsdeler-01.gif Servo-NE555-laadstroom-02.jpg ServoNE555-ontlaadstroom-03.jpg
Afbeelding: 02 Afbeelding: 03 Afbeelding: 04
De spanningsdeler in de NE555 Het laadcirquit Het ontlaadcirquit
Schema gemaakt door: Fred Eikelboom Schema gemaakt door: Geert Giebens Schema gemaakt door: Geert Giebens


Dit is het blokschema van een NE555 timer IC. Tussen de voedings-aansluiting (pin 8) en de massa (pin 1) bevinden zich drie weerstanden van 5 kΩ in serie. De spanningen op de aftakkingen A en B (zie schema 02), bedragen twee-derde en één-derde van V+ (=de voedingsspanning). Bij 5 volt op pin 8, staat dus op knooppunt A 3,33 volt, en op knooppunt B 1,66 volt. In het IC bevinden zich twee zogenaamde 'comparatoren' ofwel spanning-vergelijkers (de driehoekjes), een flip-flop en een ontlaadschakelaar S.

Comparator 1 vergelijkt de spanning op pin 6, met de waarde van de spanning op knooppunt A. Wanneer de spanning op pin 6 lager is dan de spanning op knooppunt A, 'set' de flip-flop zichzelf en uitgang Q (pin 3) wordt 5 volt.

Comparator 2 vergelijkt de spanning op pin 2, met de waarde van de spanning op knooppunt B. Wanneer de spanning op pin 2 hoger is dan de spanning op knooppunt B, 'reset' de flip-flop zichzelf en uitgang Q wordt 0 volt.

Uitgang Q met een streepje er boven, heeft de tegengestelde toestand van uitgang Q en bedient schakelaar S.

Het timer-IC begint altijd met een 'set'-toestand van de flip-flop (de spanning op pin 2 is lager dan 1,66 volt). De uitgang Q, verbonden met pin 3, zal 'hoog' worden (5 volt) en schakelaar S gaat open.

De elektrolytische condensator (elco) C1 (zie afbeeldingen 03 en 04) laadt zich positief op, via R1 en diode D1 (die alleen stroom doorlaat in de pijlrichting). Wanneer C1 positief opgeladen wordt, zal de spanning over C1 toenemen. Omdat R1 een lage waarde heeft, gebeurt dat opladen zeer snel (ongeveer in 1,5 milliseconde).


Servo-NE555-regelbaar-04.jpg
Afbeelding: 05
Potmeter toegevoegd
Schema gemaakt door: Geert Giebens

Op het moment dat de spanning over elco C1, ofwel de spanning op pin 6, hoger geworden is dan 3,33 volt, zal de flip-flop 'resetten'. Uitgang Q van de flip-flop wordt 'laag' (0 volt) en schakelaar S gaat dicht.

Wanneer schakelaar S dicht is, ontlaadt elco C1 zich, via R2 en pin 7, naar de massa van de voeding (pin 1). D1 spert op dit moment (=geleidt geen stroom). De ontlaadstroom kan nu alleen maar door R2 lopen. Omdat R2 een hoge waarde heeft, gebeurt dit ontladen veel trager (ongeveer in 20 milliseconde). Op het moment dat de spanning over C1, gemeten op pin 2, gedaald is tot 1,66 volt, 'set' de flip-flop zichzelf (keert terug in de vorige toestand). Schakelaar S gaat open en nu begint het opladen van C1 opnieuw, via R1 en D1. De spanning op de uitgang (pin 3) bestaat (zolang de voedingsspanning aanwezig is), uit een reeks pulsen met een frequentie van ongeveer 50 Herz (20 milliseconde) en de pulstijd bedraagt 1,5 milliseconde.

De pulstijd voor het stuursignaal van de servo is alleen afhankelijk van R1. Door R1 te verlagen tot 560Ω en er een potmeter (Rp1= 2,2 kΩ) in serie mee te schakelen, kan de pulstijd worden gevarieerd tussen iets minder dan 1 milliseconde (Rp1 = 0) en iets meer dan 2 milliseconde (Rp1 = 2,2 kΩ).

Omdat de servo de puls op de uitgang (pin 3), alleen maar gebruikt als stuursignaal en er geen stroom uit trekt, kan de servo-stuursignaal-draad (wit, geel of oranje) rechtstreeks op deze pin aangesloten worden (er hoeft geen transistor tussengeschakeld te worden). De voedingsdraden van de servo, plus (rood) en massa (bruin of zwart) worden ook op de 5-volt voeding aangesloten. De 5 volt voeding moet wel voldoende vermogen kunnen leveren. 1 ampère of meer is geen overbodige luxe!

Voor de duidelijkheid hier nogmaals de kleuren van de aansluitdraden:

  • Plus = rood.
  • Massa = bruin of zwart.
  • Stuursignaal = wit, geel of oranje.


Welke kleuren voor de massa en het stuursignaal gebruikt worden, is afhankelijk van de servo-fabrikant.

Bediening d.m.v. drukschakelaars

Het is onpraktisch om telkens een wissel om te zetten door het verdraaien van een potmeter. Handiger is het om dit te doen met drukschakelaars.


ServoNE555- 2schakelaars-06a.JPG
Afbeelding: 06
Twee drukschakelaars aangesloten
Schema gemaakt door: Geert Giebens

In afbeelding 06 zijn een paar drukschakelaars aangesloten op de timer. R1 en Rp1 zijn nu op te splitsen in twee kringen (R1-Rp1 en R1'-Rp1'), ieder gestuurd door een eigen drukschakelaar om de elco op te laden. Door het verdraaien van Rp1 en Rp1’ kan de juiste pulsbreedte ingesteld worden die de servo benodigt om het wissel in de gewenste stand te zetten ('rechtdoor' of 'afbuigend'). Dit 'afregelen' is voor elke wissel iets anders. Het beste is te zorgen dat de servo in de middenstand staat (Rp1 = 0 en Rp1’ = 1 kΩ). Stel nu de potmeter in door één drukknop ingedrukt te houden en de bijbehorende potmeter te verdraaien totdat de wisseltong goed staat aan één zijde van de rails. Herhaal deze instelling voor de andere zijde.

Meerdere servo's aansturen met dezelfde elektronica

Servo-NE555-meerdere-servos-05.jpg
Afbeelding: 07
Meerdere servo's aansturen met twee timers
Schema gemaakt door: Geert Giebens

Wanneer meerdere wissels moeten worden aangestuurd met dezelfde typen servo's en wissels, dan is dat ook doen met twee NE555 timers, waarvan de ene timer afgeregeld wordt op een korte puls (ongeveer 1 milliseconde) en de andere timer op een langere puls (ongeveer 2 milliseconde). Even een drukknop indrukken zal het wissel om laten lopen naar de gewenste stand (zie schema 07).

Geleidelijke overgang en andersom

Zoals hierboven aangegeven, heeft de NE555 inwendig een spanningsdeler die zorgt voor spanningen van en van V+. Deze spanningen kunnen worden gemanipuleerd om er iets nuttigs mee te doen.


ServoNE555-met-extra-weerstand-06.jpg ServoNE555-met-Elco-07.jpg
Afbeelding: 08 Afbeelding: 09
Extra weerstand op de voeding aangesloten Elco aangesloten
Schema gemaakt door: Geert Giebens Schema gemaakt door: Geert Giebens

Pin 5 van de NE555 is intern verbonden met het V+ knooppunt (zie schema 08 en 09). Door op pin 5 een weerstand (R3) aan te sluiten die verbonden is met V+, staat deze weerstand parallel aan de inwendige weerstand van 5 kΩ. Hierdoor wordt het schakelniveau van het V+ knooppunt verhoogd.

C1 moet nu langer opladen via R1, om het hogere schakelniveau op pin 6 te bereiken dat zorgt voor het 'resetten' van de flip-flop. De positieve pulstijd wordt hierdoor langer.

De schakeling in schema 07 heeft een pulstijd van 1 milliseconde wanneer weerstand R3 niet aangesloten is. Wanneer schakelaar S1 gesloten is en R3 dus aangesloten is, is de pulstijd 2 milliseconde. Het wisselen tussen 1 milliseconde en 2 milliseconde pulsen bij het sluiten van S1 gaat vrijwel ogenblikkelijk.

Praktisch gezien komen op pin 5 van het IC de volgende spanningen te staan (bij +5 volt); bij open S1: 3,33 volt (1 milliseconde); bij gesloten S1: 4,33 volt (2 milliseconde) ten opzichte van de massa. Door nu op pin 5 een flinke elco (C2) te hangen bijv. 2200 microfarad t.o.v. de massa, zal deze elco werken als een soort demping bij het overgaan van 3,33 volt naar 4,33 volt. De spanning over C2 kan niet plotseling een hogere spanning zijn, deze elco moet zich eerst verder opladen en dwingt zo het V+ knooppunt van de bovenste spanningsvergelijker deze oplaadcurve mee te volgen. Met een elco van 2200 microfarad duurt dit iets meer dan vijf seconden.

Bij het openen van S1 gebeurt het tegenovergestelde. De spanning over elco C2 kan niet plotseling van 4,33 volt naar 3,33 volt gaan. De elco moet zich eerst iets ontladen. De spanning op pin 5 volgt de ontlaadcurve van C2 en dwingt zo de spanningsvergelijker de ontlaadcurve te volgen.

De spanning op pin 2 (V+ ofwel 1,66 volt) wordt in werkelijkheid ook beïnvloed door het al-of-niet inschakelen van weerstand R3. Deze spanning zal ook iets hoger komen te liggen, maar de invloed op de ontlaadtijd van C1 is minimaal en de pulsinterval blijft ongeveer 20 milliseconde (50 Herz).


ServoNE555-met-potmeter-08.png
Afbeelding: 10
Potmeters aangesloten
Schema gemaakt door: Geert Giebens

Niet alle servo's werken met pulsen tussen 1 milliseconde en 2 milliseconde. Sommige servo's werken met pulsen tussen 0,5 milliseconde (0°) en 2,5 milliseconde (180°). Om het gemakkelijker te maken, is R1 regelbaar gemaakt met een potmeter in serie en R3 is eveneens regelbaar (zie schema 10). Met Rp1 wordt eerst de minimale servopuls ingeregeld en daarna met Rp3 de maximale servopuls.

Geleidelijke pulsovergang waarbij de pulsen stoppen

de volgende schakeling zorgt er voor dat de pulsen stoppen bij het bereiken van de gewenste positie van de wisseltong.

Een handige eigenschap van servo's is dat wanneer het stuursignaal wegvalt, de servo-arm vast in de laatste positie blijft staan. Het is dus voldoende om, gedurende enkele seconden, een reeks pulsen door te sturen naar de servo, totdat de servo de gewenste stand heeft bereikt. Wanneer C1 zich niet kan opladen via R1, stopt de timer met het verzenden van pulsen.

Het nadeel van de vorige schakeling is dat de servo pulsen blijft krijgen, ook na het bereiken van zijn eindpositie. Dat is niet zo goed voor de levensduur van de servo. Bovendien zal de servo continu zoemen (jitter, brommen). Ook is het zeer moeilijk om de eindposities van de servo in te stellen. Dan moet voor elke wissel geexperimenteerd worden met de waarden van R1 en R3. Dit is echt onbegonnen werk. Het is beter om de eindpositie te 'meten' met vaste eindcontacten en dan de pulsen te stoppen. Deze eindcontacten kunnen zeer eenvoudig zijn: een aantal vaste, gebogen pinnen waartussen een contactpin beweegt.

Een volgende stap met het ontdekken van de mogelijkheden van de NE555: één pin van de NE555 is nog niet besproken, namelijk pin 4 (zie schema 11). Deze pin heeft dezelfde functie als de 'reset'-pin van de flip-flop van de bovenste spanningsvergelijker, met dit verschil dat deze ingang de flip-flop vasthoudt in de 'reset'-toestand (indien pin 4 verbonden is met de massa). De 'set'-ingang van de onderste spanningsvergelijker kan de flip-flop nu niet meer beïnvloeden. Dit heeft als gevolg dat uitgang Q laag blijft, met andere woorden: er komen geen pulsen meer op pin 3. De logische toestand op pin 4 wordt geïnverteerd aangeboden aan de flip-flop. M.a.w. als de flip-flop continu 'gereset' moet blijven, dan moet pin 4 aan de massa liggen. Met pin 4 aan V+, zoals in de voorgaande beschreven schakelingen, dan zullen er wel pulsen op pin 3 verschijnen. Pin 4 hoeft niet rechtstreeks aan V+, dit kan ook via een weerstand van 1 kΩ (R4).


ServoNE555-wisselaandrijving-09.png ServoNE555-indicatieLEDs-10.png
Afbeelding: 11 Afbeelding: 12
Wissel-aansturing Wisselstand-indicatie
Schema gemaakt door: Geert Giebens Schema gemaakt door: Geert Giebens

Nu komt de truc om de pulsen te laten stoppen wanneer de servo de gewenste positie heeft bereikt; via pin 4 dus. Verander S1 in een dubbele wisselschakelaar. Eén wisselcontact om het V+ schakelpunt via pin 5 te beïnvloeden (zie schema 11), de common-aansluiting van het andere wisselcontact komt aan pin 4. Nu is het de bedoeling om pin 4 aan de massa te krijgen.

Zolang pin 4 niet aan de massa ligt, is deze verbonden met V+ via R4 en stuurt de schakeling pulsen uit (steeds langer of korter, afhankelijk van het opladen of ontladen van C2). Nu is één van de contacten van het wisselcontact verbonden met een vast eindcontact. Wanneer de servo draait, doordat de pulsduur langzaam verandert, zal de metalen stang, met daarop de contactpin, lineair meebewegen. De contactpin is via de stang verbonden met de massa. Op het moment dat de contactpin een eincontact bereikt, zal pin 4 verbonden worden met de massa, waarop de schakeling stopt met pulsen sturen.

Er moet voor gezorgd worden dat de servobeweging (en dus de wisseltong) naar links gaat als de schakelaar naar links staat en andersom. Dit wordt getoond in schema 11. Dit is uiteraard afhankelijk van de opstelling van de servo en de schakelaar. Dit vergt een beetje experimenteerwerk. Met een klein beetje extra werk is ook de stand van de wissel zichtbaar te maken m.b.v. leds (zie schema 12). Deze worden dan bijvoorbeeld geplaatst naast de schakelaar of eventueel naast het wissel.



Meer informatie

Encyclopedie:
Beneluxspoor.net:
over servo's.
Externe websites:
  • [http:// ]
Meer schakelingen met NE555.
Bevestigingsbeugel voor servo.
Zeer veel gegevens van allerlei merken.
  • [http:// ]
Aanpassen van servo.
Servo aanstuur-methoden (Geert Giebens).


Referenties



Hoofdpagina  Categorie-index  Index  Menu
Vorige | Volgende
Contact met de redactie: Contact met de redactie 

Laatste wijziging: 11 apr 2015 18:34 (CET)