Как работают сервоприводы: импульсы, питание и ловушка Timer1

Модельный сервопривод, или просто серво, поворачивает свой вал на тот угол, который вы задали, и удерживает его в этом положении. Он может направлять датчик, двигать руку робота или поворачивать колесо, как руль. SG90 — популярный маленький сервопривод, и он же — одна из деталей симулятора CoreEngine.

#Что внутри

Сервопривод — это четыре детали в одном маленьком корпусе:

• маленький мотор постоянного тока;
• редуктор, который делает вращение мотора медленнее и сильнее;
• потенциометр на выходном валу, который измеряет угол поворота вала;
• маленькая плата управления.

Плата сравнивает угол, который задаёт сигнал, с углом, который измеряет потенциометр. Если они различаются, плата крутит мотор в сторону нужного угла, и тем сильнее, чем больше разница. Когда углы совпадают, плата останавливает мотор. Это замкнутый контур управления, то есть управление с обратной связью. Похожим образом работает П-регулятор в проекте Робот, который держит дистанцию.

У SG90 три провода: коричневый — GND, красный — питание (4,8–6 В), оранжевый — сигнал.

#Сигнал: один импульс каждые 20 мс

Сервопривод ждёт 50 импульсов в секунду — по одному каждые 20 мс. Угол задаёт ширина каждого импульса, то есть его длительность, а не количество импульсов. Вот значения по умолчанию в библиотеке Servo для Arduino:

Получается примерно 10 мкс на градус. Эти значения по умолчанию точны не для каждого сервопривода. Многие SG90 поворачиваются не ровно на 180 градусов, а некоторые доходят до упора раньше, чем до 0 или 180 градусов.

Сервопривод держит угол, только пока продолжают приходить импульсы. Без импульсов большинство маленьких сервоприводов отключают свой мотор, и качалку на валу можно повернуть рукой.

#Библиотека Servo

Библиотека сама формирует импульсы — в фоновом режиме и на любом цифровом пине:

#include <Servo.h>

Servo arm;              // one Servo object for each servo

void setup() {
  arm.attach(11);       // signal wire (orange) on D11, a free pin on the robot car
  arm.write(90);        // turn to the middle
}

Самые полезные вызовы:

write() сразу возвращает управление программе, но сервоприводу нужно время, чтобы повернуться. Дайте ему это время, прежде чем рассчитывать на новый угол.

#Поворот на угол или постоянное вращение

Обычный позиционный сервопривод вроде SG90 поворачивается в пределах примерно 180 градусов, а импульс задаёт его угол.

Сервопривод постоянного вращения выглядит так же, но может вращаться полными оборотами. Внутри потенциометр больше не следит за валом, а упор убран. Теперь импульс задаёт скорость и направление:

• импульс около середины (write(90), примерно 1,5 мс): остановка;
• импульсы короче: вращение в одну сторону;
• импульсы длиннее: вращение в другую сторону, тем быстрее, чем дальше они от середины.

Повернуться на заданный угол такой сервопривод не может, потому что больше не знает, где находится его вал. Точное значение для остановки у каждого сервопривода своё. Найдите его с помощью writeMicroseconds() или покрутите подстроечный винт, если он есть.

SG90 в симуляторе CoreEngine — позиционный сервопривод.

#Питание: рассчитывайте по 1 А на сервопривод

SG90 работает от 4,8–6 В. В покое и без нагрузки он потребляет мало тока. Когда он начинает двигаться, то может на мгновение потребовать примерно до 0,7–1 А. Если несколько сервоприводов трогаются одновременно, эти броски тока складываются.

• USB. Вся плата Uno получает от USB не больше 500 мА. На столе один маленький сервопривод без нагрузки часто работает. Несколько сервоприводов или один, но сильно нагруженный, просаживают 5 В, и тогда Uno перезагружается или сервоприводы дёргаются.
• Робот-машина CoreEngine. Здесь пин 5V платы Uno получает питание от маленького стабилизатора L298N: около 4,4 В от четырёх батареек AA. Это меньше 4,8 В, нужных SG90, а ток 1 А этот стабилизатор дать не может.
• Источник получше. Возьмите источник, который даёт 4,8–6 В и около 1 А на каждый сервопривод, который может двигаться одновременно с другими. На робот-машине сам батарейный отсек даёт около 6 В — это верхняя граница диапазона SG90. Подойдёт и отдельный блок батареек.
• Общая земля (GND). Соедините минус источника питания сервопривода с GND платы Uno, иначе у сигнала не будет точки отсчёта.

Если ваш робот перезагружается, когда двигается сервопривод, прочитайте статью Почему робот перезагружается.

#Ловушка Timer1

У ATmega328P на плате Uno три таймера. Каждый из них формирует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для двух пинов:

Как только в скетче подключён сервопривод, библиотека Servo отсчитывает время его импульсов по Timer1. С этого момента analogWrite() на D9 и D10 больше не выдаёт ШИМ, даже если к этим пинам не подключено ни одного сервопривода. Компилятор об этом не предупреждает. Типичный признак: мотор, у которого пин скорости подключён к D9 или D10, не слушается заданной скорости. Работают только 0 и 255, потому что для них analogWrite() выдаёт обычные LOW и HIGH.

Вот почему в робот-машине CoreEngine ШИМ для моторов (ENA и ENB) идёт с D5 и D6. Сервопривод можно добавить к роботу позже, и управление скоростью моторов сохранится. На D9 и D10 подключены TRIG и ECHO датчика HC-SR04, но это обычные цифровые сигналы: digitalWrite() и pulseIn() продолжают работать на этих пинах, даже когда действует библиотека Servo.

tone() делает то же самое с Timer2: мешает ШИМ на D3 и D11. Прежде чем использовать две библиотеки вместе, проверьте, какой таймер занимает каждая из них.

#Дрожание: когда сервопривод дёргается

Если сервопривод трясётся или дёргается, когда должен стоять на месте, причина обычно одна из этих:

#В симуляторе

SG90 — одна из деталей симулятора CoreEngine. Его можно поставить на робота и подключить три его провода, а проверка подключения подскажет, если у него нет питания или не подключён сигнальный провод. Настоящий сервопривод есть в Маркете.