Das Ein- und Ausschalten eines digitalen Signals erzeugt das Äquivalent eines analogen Gleichstromsignals. Durch die Variation des Verhältnisses von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit wird ein Linearantrieb in eine bestimmte Position bewegt. Dieses Verfahren wird als … bezeichnet. Pulsweitenmodulation, oder PWM, und es ist eine der am weitesten verbreiteten Steuerungsmethoden in mikrocontrollerbasierten Designs.
Für Ingenieure und Bastler, die mit Actuonix Mikro-Linearantrieben arbeiten, ist die PWM-Ansteuerung über die RC-Servoschnittstelle eine praktische Möglichkeit mit geringem Verdrahtungsaufwand, eine präzise Positionssteuerung von einem Arduino, einem Flugcontroller oder einem beliebigen Standard-RC-Empfänger aus zu erreichen.
Wie PWM in einem Aktor funktioniert
Das RC-Servo-PWM-Signal arbeitet mit einer Frequenz von 50 Hz. Jeder Impuls dauert zwischen 1 ms und 2 ms. Ein 1-ms-Impuls bewirkt das vollständige Einfahren des Aktuators. Ein 2-ms-Impuls bewirkt das vollständige Ausfahren. Impulsbreiten zwischen diesen Werten bewegen den Aktuator in eine proportionale Zwischenposition.
Dieses Signal verwendet üblicherweise Logikpegel von 0–5 V, unsere Aktuatoren der R-Serie können jedoch auch andere Pegel wie 0–3.3 V verarbeiten. Die integrierte Steuerung erfasst jeden eingehenden Impuls, vergleicht ihn über das interne Potentiometer mit der aktuellen Stangenposition und steuert den Motor an, bis die Stange die gewünschte Position erreicht. Die Position ist in der Impulsbreite und nicht im Tastverhältnis kodiert.
Welche Actuonix-Modelle unterstützen PWM?
Das Modelle der R-Serie RC-Servo-PWM direkt akzeptieren. L12-R und L16-R Sie verfügen über interne Positionsregler und sind als direkter Ersatz für Standard-Drehservos in RC-Systemen konzipiert, wodurch sie sofort mit jedem RC-Empfänger oder Mikrocontroller kompatibel sind, der ein Standard-Servosignal ausgibt.
Das P16-R und P8-P das gleiche Ergebnis mit einem P16-P Der Aktor ist mit der externen RC-Steuerplatine Actuonix (Ext-R) gekoppelt und funktioniert für PWM-Steuerungszwecke identisch zu den anderen Modellen der R-Serie.
Das L12-I Unterstützt außerdem die RC-Servo-Schnittstelle an Anschluss 4. Beim Einschalten scannt der Aktor die Eingangsleitungen und konfiguriert sich automatisch in den zuerst erkannten Schnittstellenmodus: RC-Servo, 0–5 V analog oder 4–20 mA. Nach der Konfiguration sind die anderen Eingangsmodi bis zum nächsten Einschalten deaktiviert. Die I-Serie ist ausschließlich in der Produktfamilie L12 verfügbar.
S-Serie und P-Serie Die Modelle verfügen über keine integrierten Steuerungen und können PWM-Signale nicht direkt verarbeiten. Aktuatoren der P-Serie können mit der Steuerplatine LAC kombiniert werden, die ein 0-5V-PWM-Signal verarbeitet und den Positionsregelkreis extern schließt.
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Tastverhältnis bei PWM-gesteuerten Aktuatoren verstehen
Bei der Arbeit mit PWM-gesteuerten Aktuatoren ist es wichtig, zwischen zwei verschiedenen Verwendungen des Begriffs Tastverhältnis zu unterscheiden.
Das Tastverhältnis des PWM-Signals beschreibt das Ein-Aus-Verhältnis des Steuersignals selbst. Bei RC-Servo-PWM ist dies weniger relevant als die Impulsbreite, da die Position in der Impulsdauer und nicht im prozentualen Anteil der Zeit, in der das Signal hoch ist, kodiert wird.
Der Betriebszyklus des Aktuators ist ein separater und wichtigerer Aspekt. Er wird wie folgt berechnet: Laufzeit geteilt durch die gesamte Zykluszeit. Unsere bürstenbehafteten Gleichstrommotorantriebe sind für einen maximalen Betriebszyklus von 20 % ausgelegt, der am Punkt der maximalen Effizienz jedes Produkts ermittelt wird.
Diese Nennleistung ist kein fester Grenzwert für alle Betriebsbedingungen, sondern der Ausgangspunkt. Höhere Lasten erhöhen den Motorstrom und die Wärmeentwicklung, wodurch die zulässige Betriebsdauer auf unter 20 % sinkt. Höhere Umgebungstemperaturen haben denselben Effekt. Ein Betrieb über die Nennbetriebsdauer hinaus führt nicht sofort zum Ausfall des Stellantriebs. Er beschleunigt jedoch die Wärmeentwicklung in den Motorwicklungen und im Getriebe und verkürzt so die Lebensdauer.
Bei einem Robotergelenk, das sich einige Male pro Minute bewegt, einem Ventil, das sich gelegentlich öffnet und schließt, oder einer Kameraplattform, die sich periodisch anpasst, ist es unwahrscheinlich, dass die 20%-Grenze erreicht wird. Kritisch wird sie hingegen bei Prüfständen oder Anwendungen mit hohen Zyklusfrequenzen.
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PWM-Nutzung mit Arduino
Die Arduino-Servo-Bibliothek generiert das PWM-Signal für RC-Servos nativ. Verbinden Sie die Signalleitung des Aktuators mit einem PWM-fähigen digitalen Pin. Servo.h Bibliothek und Verwendung writeMicroseconds() mit einem Wert zwischen 1000 und 2000.
Für die Verkabelung der R-Serie: Weiß ist das Signal, Rot die 6-V-Gleichstromversorgung, Schwarz ist Masse. Die Stromversorgung des Aktuators muss von der Logikversorgung des Arduino getrennt sein. Falls der Aktuator oder andere Servos unregelmäßig funktionieren, kann ein 1- bis 4-Ohm-Widerstand in Reihe mit der roten Stromzuleitung die meisten durch den Motorstrom verursachten Störungen beheben.
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Häufige Probleme, auf die Sie achten sollten
Stalling Dies ist der schädlichste Zustand für einen PWM-gesteuerten Aktor. Wenn das Signal eine Position vorgibt, die der Aktor aufgrund einer zu hohen Last nicht erreichen kann, blockiert der Motor, zieht Strom und erzeugt keine Bewegung. L16 Datenblatt Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass wiederholtes Abwürgen oder ein Abwürgen von mehr als wenigen Sekunden die Lebensdauer des Aktuators erheblich verkürzt.
Signalstörungen äußern sich durch Zittern oder unregelmäßige Bewegungen. Sie entstehen meist durch ein Erdungsproblem oder dadurch, dass die Signalleitungen in der Nähe der Motorstromleitungen verlaufen. Die Trennung der Signal- von den Stromleitungen und die Sicherstellung einer sicheren gemeinsamen Erdung beheben die meisten Fälle.
Häufig gestellte Fragen
Wofür steht PWM?
PWM steht für Pulsweitenmodulation. Es handelt sich um ein Verfahren zur Codierung eines Steuersignals durch Variation der Einschaltdauer einer digitalen Rechteckwelle. Bei linearen Aktuatoren bestimmt die Pulsbreite die Position, zu der der Aktuator fährt.
Welche PWM-Frequenz verwenden Actuonix-Aktuatoren?
Die Aktuatoren der Actuonix R- und I-Serie nutzen RC-Servo-PWM mit einer Frequenz von 50 Hz und Impulsbreiten zwischen 1 ms und 2 ms. Ein 1-ms-Impuls bewirkt vollständiges Einfahren, ein 2-ms-Impuls vollständiges Ausfahren.
Kann ich die Geschwindigkeit eines Actuonix-Aktuators mittels PWM steuern?
Die PWM-Steuerung von RC-Servos dient ausschließlich der Positionsregelung, nicht der Geschwindigkeitsregelung. Der Aktor bewegt sich mit seiner für die jeweilige Last optimalen Geschwindigkeit zur Sollposition. Um die Bewegung zu verlangsamen, empfiehlt es sich, vom Mikrocontroller inkrementelle Positionsbefehle in kleinen Schritten zu senden, anstatt die Zielposition mit einem einzigen Impuls anzufahren.
Was ist der maximale Arbeitszyklus für Actuonix-Aktuatoren?
Sowohl der L12 als auch der L16 sind für einen maximalen Betriebszyklus von 20 % ausgelegt, der bei maximaler Effizienz ermittelt wird. Der Betriebszyklus wird als Laufzeit geteilt durch die Gesamtzykluszeit berechnet. Höhere Lasten oder Umgebungstemperaturen reduzieren den zulässigen Betriebszyklus unter diesen Wert. Eine Überschreitung des Nennbetriebszyklus führt zu einer beschleunigten Wärmeentwicklung und verkürzt die Lebensdauer des Stellantriebs.
