คมอการใชงานSERVO MOTORพรอมตวอยางโปรแกรม

บรษท อทท จำกด1112/96-98 ถนนสขมวท แขวงพระโขนง เขตคลองเตย กรงเทพฯ 10110 http://www.etteam.com

www.ett.co.th1112/96-98 Sukhumvit Rd., Phrakanong Klongtoey Bangkok 10110 http://www.ett.co.th

ETT CO., LTD.Tel : 02-7121120 Fax : 02-3917216 email : sale@etteam.com

บรษท อทท จำกด1112/96-98 ถนนสขมวท แขวงพระโขนง เขตคลองเตย กรงเทพฯ 10110 http://www.etteam.com

www.ett.co.th1112/96-98 Sukhumvit Rd., Phrakanong Klongtoey Bangkok 10110 http://www.ett.co.th

ETT CO., LTD.Tel : 02-7121120 Fax : 02-3917216 email : sale@etteam.com

คมอการใชงาน SERVO Motor

คานา หนงสอคมอเลมน จดทาขนเพอประกอบการใชงาน Servo motor ซงเปน มอเตอรไฟฟากระแสตรงทมขนาดเลก และ นาหนกเบา โดยเมอเทยบกบ Stepper motor ท ขนาดเทากนแลว Servo motor จะมแรงบต ทสงกวามาก อกทงยงใชสายสญญาณเพยงเสนเดยวในการควบคม และ ไมจาเปนตองมวงจรขบกระแส (Driver) อนๆ เนองจาก Servo motor น จะมวงจรบอรดควบคม บรรจไวภายในอยแลว ทาใหสะดวกตอการใชงาน จากขอดตางๆ ของ Servo motor ทาใหมอเตอรประเภทนเปนทนยมและ มการใชงานกนอยางกวางขวาง ซงทานสามารถเรยนรการทางานของ Servo motor ไดจากคมอเลมน เนอหาภายในคมอเลมนจะไดอธบายถง สวนประกอบ , หลกการทางาน , การปรบแตง และ ตวอยางการใชงาน หรอ การควบคม Servo motor ดวยอปกรณตางๆ คอ IC 555 , PIC , AVR , MCS-51 , Motorola , Z-80 และ Basic Stamp อกทงยงไดรวบรวมเอาคณสมบตตางๆ ของ Servo motor ในแตละรนมาไวในคมอเลมนอกดวย โดยหวงเปนอยางยงวาคมอเลมนจะชวยใหทานสามารถใชงาน Servo motor ไดเปนอยางด ทมงานอทท มกราคม 2546

สงวนลขสทธตามพระราชบญญตลขสทธ พ.ศ. 2537หามลอกเลยนไมวาสวนหนงสวนใดของหนงสอเลมนไมวาในรปแบบใดนอกจากจะไดรบอนญาตเปนลายลกษณอกษรจากผจดพมพ

จดพมพโดยบรษท อทท จำกด1112/96-98 ถนนสขมวท แขวงพระโขนงเขตคลองเตย กรงเทพ 10110โทร. (02 )712-1120 - 1 FAX (02) 391-7216.

ISBN 974-90930-7-0

พมพครงท 1 จำนวน 1000 เลม24 มกราคม 2546จำนวน 40 หนาราคา 40 บาท

ผเขยน นายวชรนทร เคารพ

ชอหนงสอ “คมอการใชงาน SERVO MOTOR ”

www.ett.co.th

คมอการใชงาน SERVO Motor

สารบญ หวขอ หนา Servo motor คออะไร 1 หลกการทางานของ Servo motor 2 การปรบแตง Servo motor 3 ตวอยางการควบคมเซอรโวมอเตอรดวยอปกรณตางๆ 8

- การควบคมเซอรโวมอเตอรดวย IC 555 8 - ตวอยางการควบคม Servo motor ดวยไมโครคอนโทรลเลอรตระกล PIC 9 - ตวอยางการควบคม Servo motor ดวย AVR 12 - ตวอยางการควบคม Servo motor ดวย MCS-51 15 - ตวอยางการควบคม Servo motor ดวย MOTOROLA 68HC908GP32 19 - ตวอยางการควบคม Servo motor ดวยไมโครโปรเซสเซอร Z-80 25 - ตวอยางการควบคม Servo motor ดวย CPU BASIC STAMP 2SX 29

คณสมบตของ Servo motor 30

คมอการใชงาน SERVO Motor

- 1 -

Servo motor คออะไร Servo motor คอ มอเตอรไฟฟากระแสตรง (DC motor) ทถกประกอบรวมกบ ชดเกยร และ สวนควบคม ตางๆ ไวในโมดลเดยวกน หรอ ภายในกลองพาสตกเดยวกน โดยมอเตอรชนดนจะมสายตอใชงานเพยง 3 เสนเทานน คอ VCC,GND และ สายสญญาณควบคม(Control Line) ซงสามารถควบคมใหมอเตอรหมนซาย หรอ ขวาไดจากสายสญญาณเพยงเสนเดยว โดยสญญาณทใชควบคมนจะเปนสญญาณ พลสวดมอด (PWM) แบบ TTL Level ระดบแรงดนทจายใหมอเตอรนจะอยในชวงประมาณ 4 ถง 6 โวลท ขนอยกบคณสมบตของมอเตอรแตละตว ขอดของมอเตอรชนดนกคอ จะมขนาดเลกนำหนกเบา, ใหแรงบตสง ,กนพลงงานนอย และ สามารถควบคม ดวยแรงดนลอจกทเปน TTL ไดโดยตรงไมจาเปนตองตอวงจรขบ (Driver) อนๆ เพราะ มอเตอรชนดนจะมวงจรควบคมบรรจไวภายในอยแลว ซงมอเตอรชนดนสามารถควบคมใหหมนไปในตาแหนง หรอ ทศทางองศาทตองการได โดยอาศยสญญาณความกวางพลส ทปอนใหมอเตอร แตเซอรโวมอเตอรนจะหมนไดแคเพยงในชวงประมาณ 180º หรอ ครงรอบเทานน หรอ บางรนอาจหมนไดถง 210˚ แตจะไมสามารถหมนเปนวงรอบได เนองจากโครงสรางภายในจะประกอบดวย ตวตานทานชนดปรบคาได (VR) ททาหนาทตรวจสอบตาแหนงการหมนของมอเตอร และ ตวตานทานนจะถกยดตดกบแกนหมนของมอเตอร ซงจากการทตวตานทานปรบคานไมสามารถหมนเปนวงรอบได ดงนน เซอรโวมอเตอรจงถกออกแบบใหหมนไดเพยงแคประมาณ 180 องศา หรอ ครงรอบเทานน เพอปองกนความเสยหายทจะเกดกบตวตานทานปรบคาได แตถาหากเราตองการใหมอเตอรหมนเปนวงรอบ (360º) นนกสามารถทาได โดยจะตองทาการปรบแตง (Modify) ดดแปลงชนสวนบางอยางของมอเตอร ซงวธการตางๆ จะไดกลาวไวในภายหลง สวนประกอบตางๆของ Servo Motor

คมอการใชงาน SERVO Motor

- 2 -

หลกการทางานของ Servo motor การควบคมการทางานของ เซอรโวมอเตอร ทาไดโดย การปอนสญญาณความกวางพลส ใหกบมอเตอรซงตาแหนงและทศทางการหมนของมอเตอรนจะขนอยกบขนาดของความกวางของพลสนนๆโดยทวไปแลวความกวางของสญญาณพลสจะมจดใหอางอง 3 จด ดงรป คอ

- สญญาณความกวางพลสขนาด 1.5 ms จะควบคมใหเซอรโวมอเตอรหมนไปอยทตาแหนงมม 0 องศา หรอ จดกงกลางของมอเตอร

- สญญาณความกวางพลสขนาด 1 ms จะควบคมใหเซอรโวมอเตอรหมนไปอยทตาแหนงมม - 90 องศา หรอ ในทศทางทวนเขมนาฬกา

- สญญาณความกวางพลสขนาด 2 ms จะควบคมใหเซอรโวมอเตอรหมนไปอยทตาแหนงมม + 90 องศา หรอ ในทศทางตามเขมนาฬกา

Period 20 ms

Vss (0 V)

Vdd (5 V)

1.0 ms - 2.0 ms

*หมายเหต คาความกวางพลส และ ระยะองศาการหมนของมอเตอรทอธบายดานบน นนเปนเพยงคาประมาณเทานน ทงนระยะการหมน และ ขนาดของพลสทควบคมการทางานของมอเตอรในแตละยหออาจจะไมเทากน ดงนนในการใชงานจงควรศกษารายละเอยดของมอเตอรในแตละรนทนามาใช ซงโดยปกตแลวรายละเอยดตางๆ ของมอเตอรมกจะมตดมากบตวมอเตอรนนๆ อยแลว สาหรบ Servo motor ยหอ GWS และ HITEC นน จะใชระบบเฟองทตางกนทาใหมทศทางการหมนทตางกน โดยจะตรงขามกน เชน สงสญญาณพลส 1ms มอเตอร GWS จะหมนทวนเขมนาฬกา สวนมอเตอรของ HITEC จะหมนในทศทางตามเขมนาฬกา เปนตน

คมอการใชงาน SERVO Motor

- 3 -

สวนการทจะควบคมใหมอเตอรหมนเปนมมอนๆ นนกสามารถทาไดโดยการปอนสญญาณพลสเปนระดบความกวางตางๆ โดยอางองจากจด ทง 3 จดทกลาวมาน ตวอยางเชน ถาตองการใหมอเตอรหมนไปทมม - 45 องศา เรากจะตองปอนสญญาณพลสทมความกวาง 1.25 ms เป นตน และ สญญาณพลสนจะตองจายใหมอเตอรทกๆ 20 ms (Period) เพอรกษาสภาพตาแหนงของมอเตอรไว

โดยหลกการกคอ จะอาศยการเปรยบเทยบชวงเวลาของความกวางพลสทจายใหกบมอเตอรทางขาสญญาณควบคม กบคาเวลาของวงจร RC ภายในบอรดควบคมในตวของมอเตอร ซงคาเวลาของวงจร RC น จะมการเปลยนแปลงตามการหมนของมอเตอร เนองจากตวตานทานปรบคาจะถกยดตดอยกบแกนหมนของมอเตอร ซงการหมนของมอเตอรจะทาใหคาความตานทานของตวตานทานปรบคา (VR) เปลยนแปลงไป เปนผลทาใหคาเวลาของวงจร RC เปลยนแปลงตามไปดวย โดยในขณะทเราปอนสญญาณความกวางพลสใหกบมอเตอรทางขาสญญาณควบคม ส ญญาณนจะถกนาไปเปรยบเทยบกบคาเวลา ของวงจร RC หากคาทง 2 ไมเทากนมอเตอรกจะหมนทาใหคาเวลาของวงจร RC เปลยนแปลงจนกระทงคาเวลาความกวางพลสของ วงจร RC เปลยนแปลงจนเทากบสญญาณพลสทางขาควบคม (Control line) มอเตอรจงจะหยดหมน

การปรบแตง Servo motor จากคณสมบตของ Servo motor ทผลตออกมาจากโรงงานจะสามารถหมนไดแคพยงประมาณ 180 องศา หรอ ประมาณครงรอบเทานน หากเราตองการนาเอา Servo motor ไปใชงานในลกษณะทหมนเปนวงรอบนนกสามารถทาได แตกจะสญเสยการควบคมในเรองของการสงใหมอเตอรหมนไปในตาแหนง หรอ มมทตองการไปดวย จะทาไดกเพยงในเรองของการสงใหหมนซาย , ขวา และหยด เทานน โดยการทาใหมอเตอรสามารถหมนเปนวงรอบไดนนจะตองทาการปรบแตง หรอ แกไขโครงสรางภายในบางสวนของมอเตอร ซงไดแก

• การตอตวตานทานคงท 2 ตวอนกรม แทนตวตานทานปรบคาได • ตดชนสวนของแกนเฟองททาหนาทหยดมอเตอร (TAB STOP) ออก • การดดแปลงตวตานทานปรบคาได(VR) ใหสามารถหมนไดรอบทศทาง (360˚)

มขนตอนดงตอไปน

1. ถอดชนสวนของ Servo motor ออกเปนสวนๆ

คมอการใชงาน SERVO Motor

- 4 -

คมอการใชงาน SERVO Motor

- 5 -

2. ตดแกนทตดกบเฟอง (TAB STOP) ออกโดยแกนนมหนาทปองกนไมใหมอเตอรหมนเกนมม 180 องศาทงนเพอ ปองกนความเสยหายทจะเกดขนกบตวตานทานปรบคาไดเนองจาก ตวตานทานชนดปรบคาได ไมสามารถหมนเปนวงรอบได ดงนนเพอใหมอเตอรหมนเปนวงรอบไดจงตองตด TAB STOP ในสวนนออกดงรป

3. ถอดตวตานทานปรบคาได (VR) ออก แลวใสตวตานทานชนดคาคงท 2 ตวทตออนกรมกนเขาไปแทนในตาแหนงของตวตานทานปรบคาได โดยตวตานทานชนดคาคงททนามาตอนจะตองมคาอยในชวง 2.2 k ถง 3.3 k ทงนเนองจากตวตานทานชนดปรบคาไดทอยในบอรดควบคมของ Servo motor นนจะมคาความตานทาน 5 k ดงนน จงตองนาตวตานทานคาคงทมาตออนกรมกนเพอใหไดคาความตานทานใกลเคยงกบของเดม ดงรปตอไปน

TAB STOP

กอนทาการปรบแตง

หลงจากทาการปรบแตง

2.7Kohm

2.7Kohm

1 2 3

1 2 3

กอนทาการปรบแตง

หลงจากทาการปรบแตง

คมอการใชงาน SERVO Motor

- 6 -

4. ถงแมวาเราจะถอดตวตานทานปรบคา(VR) ออกจากวงจรแลวกตาม แตเนองจากเรายงคงตองใชตวตานทานปรบคาไดนไปเปนแกนหมนของมอเตอรอย ซงตวตานทานปรบคาน จะไมสามารถหมนเปนวงรอบได ทาใหเราตองแกไขเปลยนแปลงบางสวนของตวตานทานเพอใหตวตานทานสามารถหมนรอบตวเองได เพอทจะไดไมไปขดขวางการหมนของมอเตอรซงทาไดโดย

- ถอดชนสวนของตวตานทานปรบคาออก

- ตวตานทานปรบคาในมอเตอรแตละรนนน อาจจะใชไมเหมอนกน แตจะมหลกการเดยวกนโดยจะม แทป ททาหนาทหยดการหมนของตวตานทานอย ใหเราทาการตดสวนนออกแลวทดลองหมนแกนของตวตานทานปรบคา ถาสามารถหมนรอบตวเองได กทาการประกอบตวตานทานเขาไวเหมอนเดม แตถายงหมนเปนวงรอบไมไดกใหพจารณาดวามชนสวนใด ทยงขดขวางการหมนของตวตานทานอย เมอพบกใหเอาออก หรอ ทาลายไดเลยโดยไมตองสนใจวาจะทาใหตวตานทานนพง เพราะเราไมไดใชประโยชนจากการเปลยนแปลงคาความตานทานนอกแลว นอกจากใชเปนแกนหมนของเฟองเทานน

- จากนนตดหรอพบขาของตวตานทานปรบคา (VR) เพอปองกนไมใหขาของตวตานทานดงกลาวไปชอตกบแผงวงจรควบคม

5. ประกอบชนสวนตางๆ เขาทเดม และ เพอความปลอดภยในการประกอบตวตานทานปรบคา (VR) ลงในกลอง

ของ Servo motor ควรหาฉนวนรองตรงสวนของขาทเปนโลหะของตวตานทานดวยเพอไมใหไปชอตกบสวนอนๆ ในแผงวงจรควบคม เพยงเทานมอเตอรของเรากจะสามารถหมนเปนวงรอบ 360 องศาไดแลว และ ในการนาไปใชงานจะตองระวงเรองของโหลดทนามาตอกบมอเตอร เพราะหากนามอเตอรไปขบ หรอ ยกโหลดทมนำหนกมากเกนไป อาจจะทาใหเกดความเสยหายกบ เฟอง หรอ เกยรตางๆ ของมอเตอรได

TAB STOP

LOWER CASE

คมอการใชงาน SERVO Motor

- 7 -

หลงจากเราไดทาการปรบแตงการทางานของเซอรโวมอเตอรใหสามารถหมนเปนวงรอบไดแลว วธในการควบคมใหมอเตอรหมน จะมลกษณะดงน

• การควบคมใหมอเตอรหมนทางดานซายจะตองปอนสญญาณพลสทมขนาดความกวางพลส 1 ms หรอ ใหนอย

กวา 1.5 msโดยจะตองปอนสญญาณพลสนทกๆ 20 ms (หรอในชวงประมาณ 20ms – 30ms)

• การควบคมใหมอเตอรหมนทางดานขวาจะตองปอนสญญาณพลสทมขนาดความกวางพลส 2 ms หรอ ไมตากวา 1.5 ms และจะตองปอนสญญาณพลสนทกๆ 20 ms (หรอในชวงประมาณ 20ms – 30ms) เชนกน

• การควบคมใหมอเตอรหยดหมน ทาไดโดยการสงลอจก “0” หรอ “1” ใหกบมอเตอร หรอ กคอการไมจายสญญาณพลสใหกบมอเตอรนนเอง

Period 20 ms

Vss (0 V)

Vdd (5 V)

1.0 ms หรอ < 1.5 ms

Period 20 ms

Vss (0 V)

Vdd (5 V)

2.0 ms หรอ > 1.5 ms

Vss (0 V)

Vdd (5 V)

"1"

Vss (0 V)

Vdd (5 V)

"0"

STOP Motor

คมอการใชงาน SERVO Motor

- 8 -

ตวอยางการควบคมเซอรโวมอเตอรดวยอปกรณตางๆ ในการควบคม Servo motor อาจทาไดหลายวธโดยใชอปกรณตางๆ ซงการควบคมเซอรโวมอเตอรนน จะตองอาศยอปกรณทสามารถสรางสญญาณพลสในระดบตางๆ ทมอเตอรตองการได โดยสวนใหญแลวจะพบวาไดมการนา Servo motor มาใชงานรวมกบอปกรณจาพวก ไมโครโปรเซสเซอร หรอ ไมโครคอนโทรลเลอร แตกไมไดหมายความวาจะตองใชอปกรณเหลานเสมอไป ปจจบนกมการสรางไอซททาหนาทควบคม Servo motor โดยเฉพาะตางๆ มากมาย แมกระทงไอซพนฐาน อยางเชน IC 555 กยงสามารถนามาตอควบคมมอเตอรไดเชนกน โดยจะกลาวในหวขอตางๆ ตอไปน การควบคมเซอรโวมอเตอรดวย IC 555

เนองจากการนาเอาเซอรโวมอเตอร ไปใชในงานบางอยาง ซงอาจจะมเงอนไขการทางานทไมซบซอนยงยาก และ มงบประมาณทจากด เรากสามารถนา IC พนฐานอยางเชน IC 555 มาตอควบคมไดเชนกน จะชวยใหประหยดตนทนลงได ดงตวอยางวงจรดงตอไปน จากวงจรเปนการนาเอา IC 555 ซงเปนไอซทสามารถกาเนดสญญาณคาบเวลาได มาตอเพอควบคมการทางานของเซอรโวมอเตอร โดยจะเปนการตอวงจรแบบ อะสเตเบล เราสามารถปรบคาความกวางพลสไดจากการปรบคาของตวตานทานปรบคาได P1 (10k) ซงจะมคาอยในชวง 1 ms ถง 2 ms การควบคมเซอรโวมอเตอรดวยไมโครคอนโทรลเลอร ไมโครคอนโทรลเลอร ในปจจบนมดวยกนอยหลายตระกล ซงในทนจะยกตวอยางการประยกตใชงาน Servo motor กบไมโครคอนโทรลเลอรบางตระกลเทานน ดงนคอ

- PIC - AVR - MCS 51 - Motorola - Z80 - BASIC STAMP

4 - 6V

Servo motorControl Line+

126

78 4

3

5

NE 555

R310 k

R410 k

R215 k

P110 k

R1220 k

C1100nF

C2100nF

C547

คมอการใชงาน SERVO Motor

- 9 -

ตวอยางการควบคม Servo motor ดวยไมโครคอนโทรลเลอรตระกล PIC ตวอยางโปรแกรมการควบคม Servo motor ดวยไมโครคอนโทรลเลอรตระกล PIC เบอร 16F877 และ 18F458 โดย

ใชบอรด CP-PIC V3.0 หรอ CP-PIC V4.0 ของทาง บรษท อทท การควบคมการทางานของ Servo motor จะใชหลกการสรางสญญาณพลสขนาดความกวางตางๆ สงไปควบคมการ

ทางานของมอเตอร ซงในภาษาเบสกนนจะใชคาสง PULSOUT Pin,Period เพอสรางสญญาณพลส โดยการทางานของคาสงนคา Period จะเปลยนแปลงไปตามคาของสญญาณนาฬกาทจายใหกบ CPU ทาใหคาสง DEFINE OSC ไม มผลตอการทางานของคาสงน เชน ถา CPU ใชความถ 4 MHz จะทาใหหนงหนวยของคา Period = 10 us ดงนนหากใชคาสง PULSOUT Pin,100 กจะไดคาเวลาเทากบ 100 x 10us = 1000us หรอ 1 ms แตในตวอยางโปรแกรมนจะใชงาน CPU ทความถ 10 MHz ซงคาเวลาตอหนวยของ Period จะเทากบ 4 us ดงนนถาหากตองการเวลา 1ms คาของ Period จะเทากบ 250 คอ 4us x 250 = 1000 us และ คาสงทใชกจะเปน PULSOUT Pin,250 เปนตน โดยสามารถทดสอบดวยการเปลยนคาเวลาเปนคาตางๆ ดงโปรแกรม

ตวอยางโปรแกรมภาษาเบสก '/************************************************* '/* Program : Control DC servo motor '/* Filename : ServoMotor.bas '/* CPU Control : PIC 16F877 or 18F458 '/* OSC : 10 MHz [HS mode] '/* Assembler : PicBasicPro 2.41 '/************************************************* INCLUDE "modedefs.bas" ' Include serial modes TRISC = %00000000 ' PORTC is output LOW PORTC.2 Loop: PULSOUT PORTC.1,250 PAUSE 20 goto Loop

Servo motor

PICMicrocontroler

+Vcc

Control LineRC2

250 = delay 1ms : -90 (CCW) 375 = delay 1.5ms : 0 500 = delay 2ms : +90 (CW)