SG90-servomotor

Wat het is

De SG90 is een microservo: een zelfstandige kleine actuator. Een servo stuurt hem naar een ingestelde hoek en houdt die hoek vast; geef hem “90 graden”, dan draait hij naar 90 graden en houdt die stand ook vast wanneer je hem wegduwt. Daarmee is hij de natuurlijke keuze voor alles dat naar een bekende positie moet bewegen: een robotarmgewricht, een grijper die opent en sluit, een pan-tiltmontage voor een camera of de besturing van een kleine rover.

Met negen gram en een paar euro is dit de servo waarmee vrijwel iedereen begint. Hij is niet sterk of nauwkeurig genoeg voor serieus werk, maar wel de snelste manier om te begrijpen hoe positieregeling in de praktijk werkt.

Hoe het werkt

Open er een en je vindt vier dingen: een kleine gelijkstroommotor, een tandwieloverbrenging die snelheid inruilt voor koppel, een potentiometer die op de uitgangsas is aangedreven en een besturingscircuit. De potentiometer is de truc—hij meldt voortdurend de werkelijke hoek van de as. Het circuit vergelijkt die gemeten hoek met de hoek die je opgeeft en stuurt de motor aan in de richting die het verschil verkleint. Het is een volledige terugkoppellus in het klein, en juist daarom kan de robotarm met inverse kinematica erop vertrouwen dat een servo de gewenste doelstand bereikt.

Je geeft de hoek op met een 50 Hz PWM-signaal, en de pulsbreedte draagt de boodschap: ongeveer 1 ms voor het ene uiteinde van de slag, 1,5 ms voor het midden en 2 ms voor het andere uiteinde. Dit is PWM als positiecode in plaats van snelheidscode. In de praktijk verbergt de Servo-bibliotheek van Arduino de timing en schrijf je alleen een hoek.

Wanneer je hem gebruikt

Gebruik een SG90 wanneer een robotonderdeel naar een specifieke hoek moet bewegen en die vasthouden bij lichte belasting: vingers van een grijper, kleine armgewrichten, sensorgimbals of de besturingsmechaniek van een licht autootje. Het bereik van ongeveer 180° en de directe besturing “ga naar deze hoek” zijn ideaal om kinematica te leren en expressieve mechanismen te bouwen.

Kies iets anders wanneer het gewricht echt gewicht draagt (gebruik een servo met metalen tandwielen of een servo van standaardformaat), wanneer je continue rotatie voor een wiel nodig hebt (gebruik een gelijkstroommotor met een L298N of een servomotor met continue rotatie), of wanneer je veel graden nauwkeurige beweging met veel koppel nodig hebt (gebruik een stappenmotor).

Aansluiting en aandachtspunten

• Voed hem apart. Een vastgelopen SG90 kan 500–700 mA vragen—veel meer dan een microcontrollerpin aan 5 V kan leveren. Gebruik een aparte voeding van 5 V en verbind de ground ervan met de ground van het bord; anders zakt de spanning en herstart het bord.
• Hij draait niet continu. Een gewone SG90 heeft een bereik van ongeveer 180° en stopt. “Draai voor altijd” commanderen doet niets; voor een aandrijfwiel heb je een andere actuator nodig.
• Forceer of laat hem niet vastlopen. Nylon tandwielen slijten onder overbelasting of een scherpe klap. Houd de belasting licht, of stap over op metalen tandwielen.
• Verwacht wat wiebelen. Goedkope servo’s trillen licht rond de streefhoek. Een stabiele, schone voeding en het onderbreken van het signaal wanneer het gewricht niet vastgehouden hoeft te worden, verminderen dat.

Aansluiting

Drie draden, en de kleuren zijn op hobbyservo’s vrijwel universeel:

Sommige servo’s gebruiken zwart/rood/wit of zwart/rood/geel. De regel die altijd geldt: de rode draad is de middelste van de drie, en de ground is de donkerste.

Waarom niet de 5 V-pin van de Arduino

Een SG90 trekt ongeveer 10 mA in rust, 150–250 mA tijdens beweging en 650 mA bij vastlopen. De USB-voeding waarop een Uno draait, is voor het hele bord begrensd op 500 mA, en de ingebouwde regulator heeft bij voeding via de cilindrische voedingsaansluiting zijn eigen thermische grens.

Eén servo die zachtjes beweegt werkt vaak wel, en juist dat is het probleem: op de werkbank doet hij het goed en zodra de servo weerstand ondervindt, zakt de spanning en herstart het bord. Het symptoom is een bord dat herstart zodra de arm een bepaalde positie bereikt—en dat lijkt op een softwarefout.

Geef hem een aparte 5 V-voeding, verbind de grounds en plaats een condensator van 470 µF over de servovoeding, dicht bij de connector.

Verhouding tussen pulsbreedte en hoek

Een servo leest geen spanning. Hij leest hoe lang de puls duurt, vijftig keer per seconde.

Het bereik van 1–2 ms is een afspraak en geen standaard: veel SG90’s bereiken hun werkelijke eindstops dichter bij 0,6 ms en 2,4 ms. Daarom biedt de Servo-bibliotheek van Arduino de functie attach() met optionele minimale en maximale pulsbreedtes:

servo.attach(9, 600, 2400);   // instead of the 544/2400 defaults

Kalibreer dit voor elke servo afzonderlijk: zo haalt de arm zijn werkbereik en blijft hij niet aan beide kanten 20° te kort.

Minimaal werkende code

#include <Servo.h>

Servo joint;
const int PIN = 9;

void setup() {
  joint.attach(PIN, 600, 2400);   // calibrate these two numbers per servo
  joint.write(90);                 // centre before doing anything else
  delay(500);
}

// Move gently instead of jumping — a servo commanded to jump goes at full speed.
void sweepTo(int target, int stepDelayMs) {
  int current = joint.read();
  int step = (target > current) ? 1 : -1;
  while (current != target) {
    current += step;
    joint.write(current);
    delay(stepDelayMs);
  }
}

void loop() {
  sweepTo(20, 15);
  delay(400);
  sweepTo(160, 15);
  delay(400);
}

joint.write(160) en de langzame sweepTo-beweging eindigen allebei op 160°, maar elektrisch zijn het totaal verschillende gebeurtenissen. De sprong geeft volle snelheid op, wat op een belast gewricht een piek van 650 mA en een mechanische schok door de nylon tandwielen veroorzaakt. De langzame sweepTo-beweging verdeelt dezelfde verplaatsing over twee seconden en verbruikt daardoor veel minder stroom. Op een arm met meerdere gewrichten is dat het verschil tussen een voeding die het aankan en een die dat niet kan.

Koppel: wat 1,8 kg·cm werkelijk betekent

De specificatie is 1,8 kg·cm bij 4,8 V—dat betekent dat de servo 1,8 kg op 1 cm van de as kan vasthouden, of 1.8/L kg bij L centimeter. Dat laatste is wat mensen misleidt.

Er zijn twee dingen om hieruit te halen. Ten eerste neemt het koppel lineair af naarmate de arm- of hefboomlengte toeneemt, dus een armsegment van 15 cm kan bij volledig vastlopen maar 120 g tillen. Ten tweede ontwerp nooit op de grenswaarde bij vastlopen. Een servo die vastloopt trekt volle stroom, veroorzaakt geen beweging en wordt warm; een derde van het vastloopkoppel is een verstandige bovengrens voor een gewricht dat enige tijd op een positie moet blijft.

Het getal geldt ook bij 4,8 V. Bij 6 V levert dezelfde servo ongeveer 2,2 kg·cm, een van de weinige eenvoudige verbeteringen in hobbyrobotica—mits je voeding de overeenkomstig hogere stroom kan leveren.

Trillingen verminderen

Goedkope servo’s trillen licht rond hun streefhoek en er zijn vier afzonderlijke oorzaken die je moet onderscheiden:

• Voedingsruis. De meest voorkomende oorzaak. Een servo deelt een rail met motoren en ziet elke stroompiek als een regelverstoring. Scheid de voeding en plaats een condensator bij de servo.
• Trillingen in de signaaltiming. De Servo-bibliotheek genereert pulsen in software, en een drukke lus of een andere interrupt verschuift hun flanken. Ga naar een PCA9685 en dit is volledig opgelost—die genereert de pulsen in hardware.
• Dode zone. De eigen besturing van de servo negeert fouten onder ongeveer 5 µs pulsbreedte, oftewel ongeveer 1°. Onder die resolutie reageert hij niet en oproepen om fijnere stappen levert niets op.
• Vasthouden tegen een belasting. Een servo die aan de grens van zijn koppel tegen de zwaartekracht vecht, zoemt onafgebroken. Gebruik detach() als het gewricht niet vastgehouden hoeft te worden, of balanceer het mechanisch.

Problemen oplossen

SG90 of iets anders?

Eén waarschuwing over “lichte grijpers” in de eerste rij. Een grijper is de toepassing waarin een SG90 zijn hele leven vastloopt—een object vasthouden is geen beweging, dus de motorwikkeling trekt ongeveer 0,5 A zonder iets om te koelen, en dat is de gebruikelijke manier waarop deze servo’s sterven. Daarom wordt de grijpkracht bepaald door de hefboom en niet door het koppel op de doos: 0,176 N·m over een vinger van 30 mm is 5,87 N bij vastlopen en ongeveer 4,11 N die je echt kunt vasthouden. Een servogrijper dimensioneren behandelt beide, en de grijpersimulator rekent met jouw eigen vinger.

De eerlijke samenvatting: de SG90 is een actuator voor leerprojecten. Hij is de snelste manier om te begrijpen hoe positieregeling voelt, en is niet sterk genoeg en niet herhaalbaar nauwkeurig genoeg voor een gewricht dat er echt toe doet. Als een project stopt te werken omdat de servo niet goed genoeg is, is de MG90S meestal het antwoord—zelfde formaat, zelfde bedrading, metalen tandwielen.