Bol.com AlgemeenBol.com Algemeen

Elektromotoren voor robots

elektromotoren zelfbouw robotWanneer we zelf robots willen ontwerpen en maken hebben we elektromotoren nodig om de robot ook echt te laten bewegen. Er zijn vele tientallen soorten van elektrische motoren maar voor de robotica hobbyist is de keuze eigenlijk beperkt tot de volgende drie: gelijkstroommotoren (DC motoren), stappenmotoren of servo's. Op deze pagina ga ik in op de verschillen en de wijze van toepassing en aansturing. Niet elk type motor is geschikt voor alle toepassingen, de meeste servo's kunnen bijvoorbeeld maar 180 graden draaien waardoor ze niet geschikt zijn om wielen aan te drijven. Servo's zijn wel zeer geschikt om relatief goedkope gewrichten te maken met zeer weinig stroomverbruik. Het is een goed idee om eerste het type motor voor elke taak binnen uw robot te bepalen voor u de bijbehorende hardware gaat ontwerpen. Ook moet u goed nadelen over het vermogen (en meestal dus de grootte) van de motor geschikt is voor de taak die u in gedachten heeft. Dit heeft vaak ook weer zijn weerslag op het stroomverbruik en aangezien de meeste robots op oplaadbare batterijen of accu's werken is het stroomverbruik zeer belangrijk voor de tijd dat de robot kan werken zonder weer eerst opgeladen te moeten worden. Vriendelijke groet, Hein Pragt.

Gelijkstroommotoren DC motoren

gelijkstroom motoren DC motorenEen gelijkstroommotor is een motor waarin elektrische gelijkstroom omgezet wordt in mechanische energie en de beweging ontstaat door de lorentzkracht die een stroomvoerende geleider ondervindt in een magnetisch veld. De werking van elektromotoren berust op een wisselend magnetisch veld. Bij een gelijkstroommotor wordt daarom mechanisch in de motor (of elektronisch bij de zogenaamde borstelloze elektromotor) de richting van het magnetisch veld omgedraaid. Een van de belangrijkste eigenschappen van de gelijkstroommotor is dat de draaisnelheid op een eenvoudige manier geregeld kan worden en daarom is deze motor zeer geschikt voor regelbare elektrische aandrijvingen. De gelijkstroommotor bestaat hoofdzakelijk uit twee delen, het stilstaande buitenste deel noemen we stator, het draaiende binnenste deel noemen we de rotor. De buitenste stator is een cilinder met aan de binnenzijde een even aantal magneetpolen, bij kleine motoren worden hiervoor permanente magneten gebruikt, bij grotere motoren elektromagneten. De rotor (ook wel anker genoemd) is een ijzeren cilinder met sleuven waarin de ankerwikkelingen liggen en de uiteinden van deze wikkelingen zijn verbonden met de lamellen van de commutator. Via (kool) borstels worden deze stroom voorzien. Wanneer er een gelijkstroom loopt door de ankerwikkeling, zal er een magneetveld opgewekt worden waardoor de rotor wordt weggedrukt van de vaste linker magneet en aangetrokken door de vaste rechter magneet. De rotor zal beginnen te draaien en wanneer deze horizontaal is aangekomen zal de beweging stoppen, maar omdat de polen ondertussen omgedraaid zijn zal de rotor weer verder gaan draaien. Dit proces herhaalt zich telkens waardoor de motor permanent zal draaien.

gelijkstroom motoren h brugEen DC motor kunnen we aansturen met een zogenaamde H-Brug, waarmee we de motorsnelheid en de draairichting kunnen aansturen. Een H-brug kan worden opgebouwd met vier power MOSFETS, met deze Hbrug en een controller kan de energietoevoer (en dus de draaisnelheid) maar ook de draairichting van een DC-motor worden bepaald. Worden de MOSFETS a en d bekrachtigd dan draait de motor de ene kant op, worden de MOSFETS b en c bekrachtigd dan keert de draairichting om. Tegenwoordig is een complete H-brug met power MOSFETS als één enkel component te koop, en zijn er voor de meeste microcontrollers wel uitbreidingsbordjes te koop met daarop één of meerdere H-Bruggen voor het aansturen van DC motoren.

Met een standaard H-Brug kunnen we dus een motor links en rechtsom laten draaien en remmen, maar we kunnen er geen snelheid mee regelen. Hiervoor gebruikt men PWM (pulsbreedtemodulatie) nl.wikipedia.org/wiki/Pulsbreedtemodulatie om zo de snelheid van onze gelijkstroommotor te regelen met een iets aangepaste standaard H-Brug. Door middel van de PWM regelaar geven steeds de volle spanning aan de motoren, maar dan in de vorm van snel opeenvolgende pulsen. Bij smalle pulsen en grote tussenliggende pauzes is de snelheid laag en bij brede pulsen hoger. De breedte van de pulsen heeft een ondergrens, doordat de motor een minimum vermogen nodig heeft om in beweging te komen omdat er eerst een zekere wrijving weerstand overwonnen moet worden voordat de motor zal gaan draaien. Vanaf dit punt is de relatie tussen de breedte van de pulsen en de snelheid meestal vrij lineair. Het kiezen van de frequentie is ook een punt, wanneer deze in het hoorbare gebied zal vallen zult u de snelheidregeling echt horen, bij een te hoge frequentie werkt het niet meer omdat elektronica en veel motoren dit niet aankunnen en te een te lagen frequentie zal meer kracht opleveren maar weer voor een schokkerig effect zorgen. Het Laika board wat ik momenteel gebruik heeft een PWM frequentie van 16 kHz.

gelijkstroom motor vertragingAangezien de meeste elektromotoren een vrij hoog toerental hebben van meestal duizenden omwentelingen per minuut, zijn ze niet geschikt om rechtstreeks een wiel aan te drijven. Hiervoor is een reductor of vertragingsmechanisme nodig tussen de motor en het wiel. Deze worden in het Engels ook wel gear boxes genoemd en deze zijn los te koop. Ook kunt u zelf met enkele tandwielen een overbrenging maken die het hoge toerental (met weinig kracht) omzet in een laag toerental (met meer kracht). Het probleem is vaak het vinden van setjes gelijke tandwielen voor elk wiel. Er bestaan ook elektromotoren met ingebouwde (aangebouwde) vertragingsbak en deze kunt u vinden door te zoeken op gear motor of geared motor. Veel van deze motoren hebben een geïntegreerde motorreductor die in dezelfde behuizing zit als de motor. De geared motoren met metalen assen en tandwielen zijn zeer sterk maar vaak ook duurder dan de geared motoren met kunststof tandwielen. Het nadeel van kunststof tandwielen is dat deze bij zware belasting sneller afbreken of overslaan. Voor een kleine robot zijn deze kunststof geared motoren echter zeer geschikt en het toerental op de aandrijfas ligt vaak ronde 100 toeren per minuut. Duurdere geared motoren zijn vaak in verschillende werkspanning en met verschillende toerentallen op de aandrijfassen te koop. Het toerental in combinatie met de omtrek van het wiel zal de snelheid van de robot bepalen, bij kleinere wielen is mijn ervaring dat 160 a 180 toeren per minuut een goede waarde is bij een wiel van ca. 6 cm diameter. Een lagere waarde van 85 toeren per minuut kan ook wanneer u een groter wiel gebruikt (diameter 16 cm), of een langzaam rijdende robot wilt. Een goede kwaliteit motoren zorgt er voor dat de robot stabiel en vooral goed recht kan rijden, dit is zeker de investering waard. Nog mooier zijn de geared motoren met ingebouwde encoder maar deze zijn duur en zeer slecht verkrijgbaar. Soms zijn ze in een dumpwinkel nog wel betaalbaar, maar dan is het wel zaak dat u exact dezelfde motoren koopt wanneer meerdere motoren wilt gebruiken.

Servo motoren

Servo motorenEen servo is een kleine motor, met een ingebouwd elektronisch regelcircuit, die een uitgaande as heeft die in een bepaalde hoekpositie kan worden gepositioneerd door het versturen van pulsen met een bepaald interval naar de servo. Zolang deze pulstrein aanwezig zijn op de ingang van de servo zal deze de hoekpositie van de as te handhaven. Wanneer de pulsinterval veranderd zal de hoekpositie van de as mee veranderen. Servo's worden in de praktijk veel gebruikt in radiografisch bestuurbare vliegtuigen en radiografisch bestuurbare auto's en natuurlijk in robots. Servo's zijn heel handig in de robotica, ze zijn klein, hebben ingebouwde controle circuits en zijn heel krachtig voor hun grootte. De stroom die de servo trekt is ook afhankelijk van de belasting, een licht beladen servo zal dus niet veel energie verbruiken.

Er bestaan twee typen servo's: analoog en digitaal. Een digitale servo is nauwkeuriger en sneller dan een analoge servo. Analoge servo's zijn vrij eenvoudig (en goedkoop) en kunnen met eenvoudige circuits aangestuurd worden. Door de verhouding tussen puls en pauze langer of korter te maken wordt de stand van de arm geregeld. Een digitale servo bevat een microprocessor, de positie waar een digitale servo naar toe moet, ligt zeer nauwkeurig vast. De digitale servo weet precies in welke stand hij staat, zodat de processor de snelste manier uit kan rekenen, om de hefboom naar een andere stand te laten gaan. Een analoge servo heeft dus een veel grotere afwijking dan een digitale servo. Aangezien we voor een robot vaak meerdere servo's nodig hebben gebruiken we meestal de goedkopere analoge servo's.

Servo pulsemOp de aandrijf polen van de servo staat een vaste spanning en op de stuurdraad staat een gepulste gelijkspanning. De duur (of breedte) van de puls wordt met deze techniek gewijzigd, vandaar de naam PWM, Puls Width Modulation. Bij de servo gebeurt het aansturen met pulsen, die een herhalingstijd hebben van 20 milliseconden, dit komt overeen met een frequentie van 50 Herz. Dit wil zeggen dat de stuurpuls vijftig keer per seconde optreedt. De verhouding tussen aan en uit van de puls noemt men de duty-cycle en de grootte van de duty-cycle zorgt ervoor dat de servo uitwijkt naar links of naar rechts. In de neutrale stand van de servo is de duty-cycle 7,5% (pulsduur van 1,5 milliseconde) en om de servo volledig naar links te laten uitwijken moet de duty-cycle 5% of 1,0 milliseconde zijn en voor volledig naar naar rechts 10% of 2,0 milliseconde. Op het moment dat er geen stuurpuls meer is, blijft de servo in de laatst bereikte stand staan, maar kan dan geen kracht meer leveren. We kunnen zelf via onze microcontroller dit PWM signaal opwekken, maar er zijn ook zeer goedkope IC's die complete PWM controllers bevatten en meestal meerdere servo's tegelijk kunnen aansturen.

Stappenmotor

StappenmotorStappenmotoren zijn een speciaal soort elektromotoren waarmee zeer nauwkeurige verplaatsingen eenvoudig te realiseren is. De as van een stappenmotoren kan namelijk door middel van meerdere elektrische aansluitdraden die aan meerdere spoelen in de buiten cilinder zitten en een stator die meerdere kleine polen heeft heel nauwkeurig gedraaid worden. We zien stappenmotoren dan ook gebruikt worden in printers en tegenwoordig ook in de 3D printer. Stappenmotoren kunnen meestal geen groot koppel leveren.

StappenmotorDe rotor van de stappenmotor bestaat uit permanent magnetisch materiaal en de stator is opgebouwd uit twee onder elkaar op de as aangebrachte permanente magneten. De grootte van de staphoek wordt bepaald door het aantal pool paren op de rotor en het aantal polen op de stator. De pooltanden van één statorpool vormen te samen één voorkeursstand van de rotor. Het aantal stappen per omwenteling wordt bepaald door het product van het aantal polen van de rotor en het aantal statorfasen. Omdat de rotor een permanente magneet is, is deze motor zeer compact te bouwen. Er bestaan verschillende soorten stappenmotoren die we kunnen indelen volgens de constructiewijze van de statorwikkelingen. Er zijn drie manieren van wikkelen, namelijk unipolair, bipolair en bifiliair. Bij een unipolaire motor zijn er twee wikkelingen per magnetisch circuit, waarvan één geleider gemeenschappelijk naar buiten wordt gebracht. Bij bipolaire motoren is er per magnetisch circuit slechts één wikkeling voorzien. Bifiliaire wikkelingen maken de stappenmotor universeel op het gebied van statorwikkelingen. Omdat voor ieder magnetisch circuit twee draden parallel zijn gewikkeld, kan men later, bij het ontwerpen van de toepassing, kiezen of men de motor als bipolaire motor of unipolaire motor gaat gebruiken.

Stappenmotor aansturing
De stappenmotor wordt via een drivertrap verbonden met de microcontroller, een goed en goedkoop voorbeeld hiervan is de ULN2003 die als enkel IC te koop is. De stappenmotor is nu via vier digitale uitgangen van de microcontroller aan te sturen door spanning te zetten op bepaalde uitgangen en andere niet kan de stappenmotor telkens één stap verdraaid worden. Een driver boardje met daarop een ULN2003 en wat aansluitpennen kost minder dan twee euro wanneer u even goed zoekt op Internet.

 

Robotica boeken

boek bestellenRobot - De machines van de toekomst. Van robotstofzuiger tot bestuurbare robots. In deze vrij lijvige, rijk geïllustreerde gids wordt gedetailleerd beschreven wat robots voor ons betekenen en nog gaan betekenen. Je komt te weten hoe ze werken, kijken, bewegen en denken. In zes hoofdstukken is er aandacht voor o.a. robots in huis, op het werk, extreme robots en robothelden. Op vrijwel elke spread komt een soort robot of aanverwant thema aan bod zoals kunstmatige intelligentie en online programmeren. Bij een korte inleidende tekst staan enkele ongekaderde kleurenfoto's en ook speelse graphics, begeleid door korte weetjes met titelkopjes. Een enorme hoeveelheid interessante informatie passeert de revue, er is ook een uitgebreid register. De lay-out is kleurrijk, elke paragraaf staat op een gekleurde achtergrond, maar wat onrustig, het is vrij lastig om hoofd- en bijzaken te onderscheiden. Voor de echte doorzetter en in robots geïnteresseerde valt er echter genoeg te ontdekken.

boek bestellenVoor Dummies - Robots bouwen voor kids. Hoe kun je beter iets leren dan door het zelf te doen? Met Robots bouwen voor kids voor Dummies leert je kind op de leukste manier robots te maken: hij bouwt ze helemaal zelf! Het boek bevat vier coole projecten waarin je kind van alledaagse artikelen en oud speelgoed zijn eigen robots bouwt. Ze leren je kind de basis van robotica met eenvoudige en makkelijk te volgen opdrachtjes. De levendige, kleurrijke afbeeldingen zorgen ervoor dat hij zijn ogen niet van het boek kan afhouden wanneer hij aan zijn project werkt. Als jouw kind graag knutselt, zal hij veel plezier beleven aan het ontwikkelen van zijn creatieve vaardigheden met Robots bouwen voor kids voor Dummies.

boek bestellenRobots zelf construeren - tips en trucs voor de zelfbouwer. Voertuigen die zich schijnbaar zelfstandig voortbewegen, als door een onzichtbare hand gestuurd, oefenen op veel toeschouwers een grote aantrekkingskracht uit. Deze aantrekkingskracht wordt vaak gevolgd door de wens om zelf ook zo'n voertuig te bouwen, dus een eigen robot te construeren. De zelfbouw van dergelijke robotvoertuigen is echter geen sinecure. Wanneer men niet over de nodige kennis op dit gebied beschikt, zijn mislukkingen gegarandeerd. En het onvermijdelijke gevolg? Frustraties, vaak na onnodig grote investeringen, die in veel gevallen het voortijdige einde van een nieuwe hobby betekenen. Dit boek reikt de roboticus in spé de nodige basiskennis aan van mechanische constructies en elektronische systemen. Bovendien worden eenvoudige, gemakkelijk na te bouwen en goed functionerende systemen beschreven die de fantasie van de lezer zullen prikkelen en een bron van inspiratie zijn voor de eigen creativiteit. In dit boek worden niet alleen bouwbeschrijvingen van complete systemen gegeven, maar wordt ook een groot aantal modulaire componenten beschreven ten behoeve van aandrijving, voortbeweging, voeding en sensoren. De beschreven modules kunnen naar believen in eigen modellen worden ingebouwd waarbij aan de combinatiemogelijkheden geen grenzen zijn gesteld.

Last update: 09-03-2020

Disclaimer: Hoewel de heer Pragt de informatie beschikbaar op deze site met grote zorg samenstelt, sluit hij alle aansprakelijkheid uit. Op de artikelen van de heer Pragt rust auteursrecht, overname van tekst en afbeeldingen is uitsluitend toegestaan na voorafgaande schriftelijke toestemming. Heinpragt.com is ingeschreven bij de KvK onder nummer: 73839426 en is gevestigd in Veenendaal.  Lees hier de privacyverklaring van deze site. Voor informatie over adverteren op deze site kunt u contact opnemen met: (mail@heinpragt.com).