🧠 Определение: Контроллер - это программируемое электронное устройство, которое управляет работой других устройств по заданному алгоритму.
🎯 Основные функции:
📥 Получает сигналы от датчиков
🧮 Обрабатывает информацию
📤 Выдает команды исполнительным устройствам
🔄 Контролирует выполнение задач
🎭 Аналогия: Контроллер для робота = мозг для человека
🔌 Типы контроллеров
🎛️ Arduino
Простое программирование
Множество библиотек
Открытая платформа
Подходит для обучения
🧱 LEGO Mindstorms
Графическое программирование
Встроенные датчики и моторы
Простота сборки
Идеально для школы
🏭 Промышленные контроллеры
Высокая надежность
Защита от помех
Сложное программирование
Дорогие решения
🔗 Подключение двигателя к контроллеру
📋 Простейшая схема:
1Контроллер → Драйвер → Двигатель
2 ↓ ↓ ↓
3 Сигнал Усиление Движение
🔌 Основные соединения:
+ - положительный полюс питания
- - отрицательный полюс питания
Signal - сигнальный провод (для сервоприводов)
Direction - направление вращения
Speed - скорость вращения
📊 Методы управления скоростью
🔄 ШИМ (широтно-импульсная модуляция)
Принцип: Быстро включаем и выключаем питание
\[U_{ср} = U_{макс} \cdot \frac{t_{on}}{T}\]
где:
U_ср - среднее напряжение
U_макс - максимальное напряжение
t_on - время включения
T - период сигнала
📈 Примеры ШИМ:
25% заполнение → 25% максимальной скорости
50% заполнение → 50% максимальной скорости
75% заполнение → 75% максимальной скорости
⚡ Изменение напряжения питания
Прямой метод: изменяем напряжение источника питания
Плюсы:
Простота реализации
Линейная зависимость
Минусы:
Нужен регулируемый источник
Потери энергии
Нагрев компонентов
🎯 В робототехнике чаще используется ШИМ!
🛠️ Программирование управления
Базовый алгоритм управления двигателем:
11. Инициализация контроллера
22. Настройка выводов для двигателя
33. ЦИКЛ:
4 a) Чтение команд/датчиков
5 b) Принятие решения
6 c) Установка скорости и направления
7 d) Пауза
84. КОНЕЦ ЦИКЛА
📝 Пример простой команды:
Вперед на 50% скорости: motor.forward(128)
Назад на 75% скорости: motor.backward(192)
Стоп: motor.stop()
🔬 Практическая работа
Исследуем связь напряжения и скорости
🎯 Эксперимент: “Зависимость скорости от напряжения”
📋 Цель: Экспериментально подтвердить линейную зависимость скорости вращения двигателя от напряжения питания.
🧰 Оборудование:
Электродвигатель постоянного тока
Регулируемый источник питания
Вольтметр
Секундомер
Метки на валу двигателя
⚠️ Техника безопасности:
Не превышать максимальное напряжение двигателя
Не касаться проводов под напряжением
Немедленно отключить питание при появлении дыма или запаха
📊 Методика измерений
🔬 Порядок работы:
Подготовка:
Подключить двигатель к источнику питания
Сделать метку на валу двигателя
Подготовить таблицу для записи результатов
Измерения:
Установить напряжение 3В
Включить двигатель
Подсчитать обороты за 30 секунд
Рассчитать скорость в об/мин
Повторить для 6В, 9В, 12В
Обработка:
Построить график зависимости n(U)
Найти коэффициент пропорциональности
Сделать выводы
📋 Таблица результатов
Напряжение U, В
Обороты за 30с
Скорость n, об/мин
Коэффициент k
3
___
___
___
6
___
___
___
9
___
___
___
12
___
___
___
📝 Расчеты:
Скорость:
\(n = \frac{\text{обороты за 30с} \times 60}{30} = \text{обороты за 30с} \times 2\)
Коэффициент:
\(k = \frac{n}{U}\)
📈 Построение графика
🎯 График зависимости n = f(U)
Оси координат:
X: Напряжение U (В)
Y: Скорость n (об/мин)
Ожидаемый результат: Прямая линия, проходящая через начало координат
Показывает, на сколько об/мин увеличивается скорость при увеличении напряжения на 1В
Зависит от конструкции двигателя
Является паспортной характеристикой
⚡ Анализ энергетических характеристик
🔋 Мощность и эффективность
Потребляемая мощность:
\[P_{потр} = U \cdot I\]
Механическая мощность:
\[P_{мех} = M \cdot \omega = M \cdot \frac{2\pi n}{60}\]
КПД двигателя:
\[\eta = \frac{P_{мех}}{P_{потр}} \times 100\%\]
📊 Типичные значения КПД:
Коллекторные двигатели: 75-85%
Бесколлекторные: 85-95%
Сервоприводы: 60-80%
🎯 Практические выводы
✅ Что подтвердилось:
Скорость пропорциональна напряжению
ШИМ эффективно управляет скоростью
Контроллер точно управляет двигателем
❓ Что заметили:
При низком напряжении двигатель может не запуститься
Есть небольшая задержка между командой и реакцией
Ток растет с увеличением нагрузки
🔧 Практические применения:
Регулировка скорости роботов
Защита от перегрузки по току
Оптимизация энергопотребления
🚀 Связь с робототехникой
🤖 Применение в роботах:
Мобильные роботы:
Два двигателя для дифференциального управления
Разная скорость колес = поворот
Одинаковая скорость = прямолинейное движение
Роботы-манипуляторы:
Сервоприводы для точного позиционирования
Обратная связь по положению
Программируемые траектории движения
Летающие роботы:
Бесколлекторные двигатели для пропеллеров
Высокая скорость вращения
Точное управление тягой
📝 Технические характеристики
📋 Как выбрать двигатель для робота?
⚡ Электрические параметры:
Напряжение питания (3.3В, 5В, 12В…)
Ток потребления (без нагрузки и под нагрузкой)
Мощность (Вт)
⚙️ Механические параметры:
Скорость вращения (об/мин)
Момент силы (Н·м или кг·см)
Направление вращения (односторонний/реверсивный)
🔧 Конструктивные особенности:
Размеры и масса
Тип крепления
Наличие редуктора
Тип выходного вала
💰 Экономические факторы:
Стоимость
Доступность
Надежность и ресурс работы
🎓 Проверим знания
❓ Вопросы для самопроверки
🔬 Физические основы:
На каком физическом явлении основана работа электродвигателя?
Как называется вращающаяся часть двигателя?
Зачем нужен коллектор в двигателе постоянного тока?
⚙️ Типы двигателей:
4. Какой тип двигателя лучше всего подходит для точного позиционирования?
5. В чем преимущество бесколлекторных двигателей?
6. Где применяются шаговые двигатели?
🧠 Управление:
7. Что такое ШИМ и зачем он нужен?
8. Как изменится скорость двигателя при увеличении напряжения в 2 раза?
9. Какие функции выполняет контроллер?
🧮 Расчетные задачи
Задача 1: Двигатель имеет коэффициент k = 100 об/(мин·В). Определите скорость вращения при напряжении 9В.
Решение:
\[n = k \cdot U = 100 \times 9 = 900 \text{ об/мин}\]
Задача 2: При напряжении 6В двигатель вращается со скоростью 300 об/мин. Какое напряжение нужно подать для получения скорости 500 об/мин?