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Thema: "Echter" Digitalservo

  1. #1
    Benutzer Stammmitglied Avatar von Pali64
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    "Echter" Digitalservo

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    Durch unzählige "Niederschläge" mit käuflichen Servo's, die einfach nie 100% die gleiche Position erreichen, aber auch angelehnt an meine Tätigkeit in der Industrie,
    habe ich nun ein Projekt angefangen mit Servo's, die 100% Digital sind.
    Ich habe zu diesem Zweck ein kleiner Servo Zerlegt, und den Gleichstrommotor gegen einen Mehrphasen Drehstrom-minimotor ersetzt.
    Die Analog-servosteuerung entfernt und komplett ersetzt.
    Ein großer Vorteil ist natürlich nur noch 1 4-Poliges Kabel, das alle Servos (1~F pro Leitung) also jeweils 15 Stück anzusprechen.
    Das Poti habe ich im Servo belassen um eine Ungefähre Position des Servos beim einschalten Festzustellen.
    Wen man nun die "0" Punkte erst Abfährt "So wie bei den Großen Industrievorbilder" kann nun ein absolut exaktes und wiederholbares Anfahren jedes Punktes realisiert werden.
    Ich verwende hiezu hoch Präzise Pulscoder die sich auf den Mikrodrehstrom Motoren befinden.
    Im weiteren regle ich die Kommunikation nicht mehr über PWM wie bis an-hin, sondern habe ein Bidirektionales I²C Protokoll welches die Möglichkeit gibt, die Position so wie die gesetzten Parameter im Servo abzufragen. Dazu gehören Parameter die sich Setzen und lesen lassen wie:
    1.) Momentane Stromaufnahme.
    2.) Position.
    3.) Anfahrrampe Parameter.
    4.) Bremsrampe Parameter.
    5.) Fahrgeschwindigkeit.
    6.) Fahrdistanz.
    7.) Motortemperatur
    8.) Seine derzeitige I²C Adresse (Ist per I²C Änderbar)
    usw.

    Dazu verwende ich im Servo neben Powerfet den MSP430 Mikrocontroller.
    Er erschien mir ideal dazu, weil:
    * Interne A/D und PWM so wie D/A Wandler.
    * Interner Temperatursensor.
    * Braucht kaum Strom.
    * Internes I²C Fähiges UART.

    und das Wichtigste Argument überhaupt:
    Ich kenne diesen Prozessor seit es ihn gibt.
    Habe alle Tools die ich brauche, und Jahrzehnte lange Erfahrung mit dem Umgang.

    Warum Poste ich das Hier?

    Es Interessiert mich ob ein Bedarf besteht, und ob Anregungen zum Projekt da sind,
    denn wenn ja überlege ich mir diese eventuell in unserer Firma fertigen zu lassen, bzw als Produkt herzustellen.

    Wenn Interesse Besteht werde ich das Protokoll hier mal Posten. damit ihr seht was zur zeit alles an Befehlen möglich ist.
    Das hat den Vorteil wenn euch was fehlt oder als Überflüssig erscheint, kann ich dies noch vor dem Produktstart anpassen.

    Gruss Pali64
    Geändert von Pali64 (21.02.2016 um 17:38 Uhr) Grund: Gravierende Schreibfehler

  2. #2
    Benutzer Stammmitglied
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    Hallo Pali64,

    interessanter Ansatz.

    Bedarf gibt es dann, wenn es gegenüber anderen Lösungen Wertevorteile gibt, zB. - Preis -Gewicht - Haltbarkeit - Leisung ect.

    Meine Frage ist, wie schnell soll der I2C Takt sein.

    Gruß

    Relbmessa

    PS einen noch -leiser

  3. #3
    Benutzer Stammmitglied Avatar von Pali64
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    Hallo ARetobor,

    Der I²C Takt ist 400kHz.
    Ich verwende das Protokoll schon seit Jahren für Sensoren und anderes. Es ist sehr Zuverlässig und ist auch durch seine kurzen Befehlen sehr schnell (in der Regel 2 ~ 6 Byte befehle mit Quittungsantwort)

    Gruß Pali64

  4. #4
    Benutzer Stammmitglied
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    Hallo Pali64,
    danke für die schnelle Antwort.
    Ich kenne mich mit I2C nicht gut aus,heist dass, ca. 25µSekunden Reaktionszeit?
    Ich habe gelesen, dass es auch noch schneller geht.

    Kannst du schon etwas zu deinem Motor sagen?
    ist es ein Brushless,oder ist es noch ein Enwicklungsgeheimnis?

    Würde ich verstehen!

    Hast du schon Vorstellungen über den zu erwartenen Endpreis?

    Gruß
    Relbmessa

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Robotik Visionär Avatar von oberallgeier
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    Zitat Zitat von Pali64 Beitrag anzeigen
    .. Der I²C Takt ist 400kHz .. ist sehr Zuverlässig und ist auch durch seine kurzen Befehlen sehr schnell ..
    Das klingt vielversprechend schnell? Nur mal so - wie lange sind Deine Leitungen zwischen Controller und Sensor - nur mal so ungefähr? Sind die 400 kHz gemessen, z.B. am Oszilloskop, oder sonstwie verifiziert oder ist das die Vorgabe im Quelltext ?
    Ciao sagt der JoeamBerg

  6. #6
    Benutzer Stammmitglied Avatar von Pali64
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    Hallo Relbmessa, Hallo oberallgeier,

    Ich arbeite hier in der Industrie an Geräten, allerdings nicht mit 3.3V, oder 5V Pegeln,
    sondern mit 12V Pegeln auf Leitungen mit bis zu 100M Länge ohne Probleme.

    Eigentlich würde ich auch gerne die Servo's lieber mit 12V Betreiben,
    aber denke da würde mancher MC Anwender nicht glücklich darüber sein.

    Wäre allerdings sehr Vorteilhaft für den Kabeldurchmesser,
    wenn da mal wirklich 15 Servo's daufhängen würden.....
    So werde ich mich aber wahrscheinlich für 5V entscheiden,
    es sei den es kämen andere Wünsche.

    Im übrigen sind die 400kHz sogar mit speziellen Analyser geprüft worden,
    (Industrie ISO Normen) sind da Vorschriften......

    Also denke ich dass gerade Umgesetzte G0 0 (Homebefehl mit maximaler Geschwindigkeit) in sehr kurzer Zeit übertragen werden können.

    Da es aber eventuell Anwendungen gibt in denen die 400kHz Problematisch für den Anwender
    (Nicht alle MC's unterstützen 400kHz I²C) werde ich eventuell ein Umschalten auf 100kHz möglich machen.

    Was aber nun als Wünsche und Anregungen kommt wird Bestimmen was der Servo kann und danach auch den Preis bestimmen.....

    Gruß Pali64

  7. #7
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Zitat Zitat von Pali64 Beitrag anzeigen
    Ich arbeite hier in der Industrie an Geräten, allerdings nicht mit 3.3V, oder 5V Pegeln,
    sondern mit 12V Pegeln auf Leitungen mit bis zu 100M Länge ohne Probleme.
    So beschreibt das auch NXP in seinen App. Notes. Aber auch in jedem HDMI-Kabel ist ein I2C Bus enthalten und funktioniert zuverlässig mit 5V bei 5m Kabellänge.

    Eigentlich würde ich auch gerne die Servo's lieber mit 12V Betreiben,
    aber denke da würde mancher MC Anwender nicht glücklich darüber sein.

    Wäre allerdings sehr Vorteilhaft für den Kabeldurchmesser,
    wenn da mal wirklich 15 Servo's daufhängen würden.....
    So werde ich mich aber wahrscheinlich für 5V entscheiden,
    es sei den es kämen andere Wünsche.
    Die 12V wären auf jeden Fall besser. Es geht dabei nicht nur um den Kabeldurchmesser sondern um die ohmschen Verluste generell. Das Problem ist die Kompatibilität mit einem 30 Jahre alten Konzept. Da wurde die RC-Anlage mit 4 NiCad-Zellen betrieben. TTL ICs funktionierten damit gerade auch. Wenn man die oberen Toleranzen von ICs aus dem TTL Umfeld großzügig auslegt, kommt man zu den heute üblichen Spannungen. Da keine Servo-ICs mehr neu entwickelt werden, hat sich da nichts geändert, außer daß RC-Servos nicht mehr nur zum Bewegen von Steuerrudern sondern als vollwertige Servoantriebe eingesetzt werden. Ein weiteres Problem ist, daß zwei voll geladene LiPos mit ihrer Spannungslage dann doch die Maximalspannung der gängigen Servo-ICs übersteigen. Das führt dann zu aufwändigen, schweren und verlustbehafteten Spannungsreglern mit ihren eigenen (eigentlich vermeidbaren) Problemen.

    Die Dynamixel Servos bzw. eigentlich Servoantriebe haben mit diesem Erbe gebrochen, sowohl was die zu geringe Versorgungsspannung als auch das uralte RC-Protokol, das sich an den damals gängigen Bandbreiten der RC-Funkanäle orientierte, betrift. Das einzige Problem der Dynamixel Servos ist vordergründig der Preis. Die Anwender rechnen sich aber gern ihr Projekt schön, obwohl sie nach einigen zusätzlichen Reglern und einigen abgebrannten Servos mit den teureren Dynamixels ähnlich preiswert gefahren wären, bei technisch wesentlich besseren Ergebnissen.

    Da es aber eventuell Anwendungen gibt in denen die 400kHz Problematisch für den Anwender
    (Nicht alle MC's unterstützen 400kHz I²C) werde ich eventuell ein Umschalten auf 100kHz möglich machen.
    Solange das Servo der I2C-Slave ist, muß man da garnichts tun. Der I2C-Master gibt den Takt vor und kann so langsam arbeiten, wie er will. Selbst wenn alle Slaves 400k können, kann der Master mit 40k arbeiten.

    MfG Klebwax
    Strom fließt auch durch krumme Drähte !

  8. #8
    Benutzer Stammmitglied Avatar von Pali64
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    Hallo Klebwax,

    Danke für dein Ausführlicher Post.

    aber...
    Zitat Zitat von Klebwax Beitrag anzeigen
    .....Solange das Servo der I2C-Slave ist, muß man da garnichts tun. Der I2C-Master gibt den Takt vor und kann so langsam arbeiten, wie er will. Selbst wenn alle Slaves 400k können, kann der Master mit 40k arbeiten.....
    Ist nur richtig bei Asynchronem Betrieb.

    Werden die Servos in Synchronbetrieb geschaltet, Verwenden sie den Stabilen I²C Clock (so ähnlich wie beim Pal-signal) als Synchronisation (Das heißt der I²C Clock muss während der Fahrt Aktiv bleiben, bis der Servo seine Endposition Quittiert) Dies ist bei Verwendung von Mehreren Servo's, grad in einem Roboterarm wichtig,
    den nur so kann der Arm auch beim zeichnen z.B. eines Kreises, 100% immer exakt die gleiche "Fahrt" Garantieren (auch Ohne teurem und Platz fressendem Quarz im Servo)
    Im Asynchronem Betrieb ist es dem Servo wirklich Egal wie der Clock daher kommt, Hauptsache das I²C Protokoll wird eingehalten (Vor allem in Bezug von Start und Stopbit)

    Gruss Pali64

  9. #9
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Zitat Zitat von Pali64 Beitrag anzeigen
    Ist nur richtig bei Asynchronem Betrieb.

    Werden die Servos in Synchronbetrieb geschaltet, Verwenden sie den Stabilen I²C Clock...
    Erst mal etwas zu den Begriffen, in der Datenkommunikation wird eine Übertragung als synchron bezeichnet, wenn sie sowohl Daten als auch Takt überträgt. Nach diese Kriterien ist ein UART asynchron, SPI und I2C sind synchron. Der Begriff "Asynchronem Betrieb" bei I2C ist verwirrend.

    Bei einer synchronen Übertragung gibt es eigentlich keine wirkliche Übertragungsfrequenz, jedes Bit hat sein eigenes Timing. Das einzige, was man angeben kann, ist eine maximale Bitrate indem man die minimale Low-Zeit und die minimale High-Zeit der Spezifikation aufaddiert. Das Timing der Bits bei I2C funktioniert so: Der Master setzt SCL auf Low und wartet die minimale Low-Zeit ab. Dann läßt er das Signal los (open Collector) und wartet, das das Signal High wird. Wie lange es dauert, bis das Signal High wird, hängt zum Mindesten mal davon ab, wie groß die Lastkapazität des Busses im Verhältnis zu den Pullups ist. Ab dann wartet er auf jeden Fall die minimale High-Zeit ab, bevor er wieder ein Low ausgibt. Aus dieser Beschreibung ist ersichtlich, daß es eigentlich keine feste Frequenz bei I2C gibt. Das kann man auch leicht nachvollziehen: man betreibt I2C mal mit einem kurzen Kabel und mal mit einem längeren Kabel, und damit einer größeren Kapazität. Die Frequenz, eigentlich die Datenrate, die man dabei messen kann, unterscheidet sich.

    (Das heißt der I²C Clock muss während der Fahrt Aktiv bleiben, bis der Servo seine Endposition Quittiert) Dies ist bei Verwendung von Mehreren Servo's, grad in einem Roboterarm wichtig, den nur so kann der Arm auch beim zeichnen z.B. eines Kreises, 100% immer exakt die gleiche "Fahrt" Garantieren (auch Ohne teurem und Platz fressendem Quarz im Servo)
    Du willst also aus dem I2C Takt eine Königswelle machen. Nun sieht aber die I2C Spec nicht vor, daß der Takt anliegt, wenn keine Daten übertragen werden. Und selbst wenn man mehrere Frames hintereinander startet, garantiert niemand, daß das Timing von Start und Stop Conditions sich nahtlos in das Timing der anderen Bits einfügt. Die I2C Hardware in den Prozessoren, die ich so kenne, bieten da keine Unterstützung.

    Den I2C Takt als Königswelle zu nutzen, halte ich für entweder nicht machbar oder es kommt etwas heraus, das man nicht I2C nennen sollte. Mindestens um die Anwender, die I2C kennen und die Spec gelesen haben, nicht zu verwirren.
    Im Asynchronem Betrieb ..
    Nochmal: aus Sicht der Datenübertragung ist I2C ein synchroner Bus.

    MfG Klebwax
    Strom fließt auch durch krumme Drähte !

  10. #10
    Benutzer Stammmitglied Avatar von Pali64
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    Was ist Synchron? DER SERVO!

    Hallo Klebwax,

    Das Synchron bzw Asynchron, beziht sich auch nicht auf den Bus selbst, sondern auf das die Servo Synchron oder Asynchron zu einander verhalten.
    Das I²C Bussprotokol ist so vom Hersteller (Vormals Phillips nacher NXP) spezifisziert, das wenn KEIN Startbit erkannt wurde das Klocksignal machen darf was es will das heist es wird von den I²C standarddevices Ignoriert. Nun habe ich mir dies zu Nutze gemacht, (Wird übrigens vom MSP430 I²C UART Unterstützt) das der Clock so lange stabile pulse ausgibt, bis das Stopbit erkannt wird.
    So fährt der Servo Los und Synchronisiert seine Fahrt mit dem SCL bis er seine Endposition erreicht hat. Hat er sie erreich senddet er ein Bitmuster das seine Adresse als Bit wiederspiegelt
    Als Beispiel:
    [Start Bit][Adress][Command][SCL]----------[SCL][Bitmuster auf SDA 10111111 11111111] für servo No 1
    So quitiert der Servo 1 dass er sein "Ziel" erreicht hat
    {wie oben}----[SCL][Bitmuster auf SDA 11011111 11111111] für servo No 2
    {wie oben}----[SCL][Bitmuster auf SDA 11100111 11111111] für servo No 3 und 4 Zeitgleich angekommen

    Das heißt der Controller liest so lange "FF" vom I2C Bus bis alle Servos sich gemeldet haben und ihre Fahrt Quitiert haben
    Es gibt auch die Möglichkeit dass sich die Servos Sequenziell mit Ihrem Stromverbrauch melden bis die Fahrt beendet ist, dies ist aber der Geschwindigkeit wegen nur im 400kHz Modus möglich.

    Auf diese weise fahren die Servos, absolut Synchron und der MC ist permanent auf dem Stand des Stromverbrauchs und über die Situation der Servos.

    Dies verhindert auch das ev. bereits ein Neuer Fahrbefehl gesendet werden kann bevor alle Servo ihr Ziel erreicht haben.

    Dadurch lassen sich aufwendige Fahrkontrollen mit Zusatzkabel o.ä. aufwand vermeiden.

    Ich arbeite mit diesem Prinzip schon Jahre für Chemiewerke um so Schlauchpumpen per I²C Bus zu Kontrollieren und exakt Chemie zu mischen.

    Es hat sich bewährt und ist auch keineswegs Fehleranfällig. Aber ein Problem mit verklemmten Servos(Hier halt Pumpen) wird vom System sofort erkannt.

    Hoffe die Erklärung wird Verstanden und sonnst fragt halt wieder, für das habe ich ja diesen Thread eröffnet.......

    Gruß Pali64

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