Servomotor SG90

O que é

O SG90 é um microservomotor: um pequeno atuador autossuficiente que gira até um ângulo comandado e o mantém. Enquanto um motor CC comum apenas gira, um servomotor mira—diga “90 graus” e ele se posiciona em 90 graus e resiste a ser afastado desse ângulo. Isso o torna a escolha natural para tudo que precisa se mover até uma posição conhecida: uma junta de braço robótico, uma garra que abre e fecha, um suporte pan-tilt de câmera ou a direção de um pequeno rover.

Com nove gramas e alguns dólares, é o servomotor com que quase todo mundo começa. Ele não é forte nem preciso o suficiente para trabalho sério, mas é a maneira mais rápida de entender como funciona o controle de posição.

Como funciona

Abra um e você encontrará quatro componentes: um pequeno motor CC, um trem de engrenagens que troca velocidade por torque, um potenciômetro acoplado ao eixo de saída e um circuito de controle. O potenciômetro é o elemento-chave—ele informa continuamente o ângulo real do eixo. O circuito compara esse ângulo medido ao ângulo comandado e aciona o motor na direção que reduz a diferença. É uma malha de realimentação completa em miniatura, e é exatamente por isso que o braço de cinemática inversa pode confiar que um servomotor alcançará a pose-alvo.

Você comanda o ângulo com um sinal PWM de 50 Hz, e a largura de pulso carrega a informação: aproximadamente 1 ms para uma extremidade do curso, 1,5 ms para o centro e 2 ms para a outra extremidade. Este é PWM usado como código de posição, não de velocidade. Na prática, a biblioteca Servo do Arduino oculta a temporização e você apenas escreve um ângulo.

Quando usar

Use um SG90 sempre que uma peça do robô precisar se mover até um ângulo específico e mantê-lo sob carga leve: dedos de garra, pequenas juntas de braço, gimbais de sensor ou a ligação de direção de um carro leve. Sua faixa de ~180° e o controle instantâneo de “vá para este ângulo” são ideais para aprender cinemática e construir mecanismos expressivos.

Procure outra opção quando a junta carregar peso real (use um servomotor de engrenagem metálica ou de tamanho padrão), quando precisar de rotação contínua para uma roda (use um motor CC e um L298N, ou um servomotor de rotação contínua) ou quando precisar de muitos graus de movimento preciso e com alto torque (use um motor de passo).

Conexões e armadilhas

• Alimente-o separadamente. Um SG90 travado pode puxar 500–700 mA—muito mais do que o pino de 5 V de um microcontrolador pode fornecer. Use uma fonte dedicada de 5 V e ligue o GND dela ao GND da placa, ou a placa sofre queda de tensão e reinicia.
• Ele não gira continuamente. Um SG90 padrão percorre ~180° e para. Comandar “gire para sempre” não faz nada; para uma roda motriz, você precisa de outro atuador.
• Não force nem deixe entrar em travamento. As engrenagens de náilon quebram sob sobrecarga ou um golpe brusco. Mantenha as cargas leves ou passe para engrenagens metálicas.
• Espere pequenos tremores. Servomotores baratos oscilam um pouco em torno do alvo. Uma fonte estável e limpa, além de desligar o sinal quando a junta não precisa segurar, reduzem isso.

Conexão

Três fios, e as cores são quase universais em servomotores hobby:

Alguns servomotores usam preto/vermelho/branco ou preto/vermelho/amarelo. A regra que sempre vale: o vermelho fica no meio, e o fio de terra é o mais escuro dos três.

Por que não usar o pino de 5 V do Arduino

Um SG90 consome cerca de 10 mA quando ocioso, 150–250 mA em movimento e 650 mA em travamento. A fonte USB que alimenta um Uno é limitada a 500 mA para toda a placa, e o regulador integrado, quando a placa funciona pelo conector circular, tem seu próprio limite térmico.

Um servomotor se movendo suavemente costuma funcionar, e é exatamente esse o problema: funciona na bancada e então sofre queda de tensão no instante em que encontra resistência. O sintoma é uma placa que reinicia sempre que o braço alcança uma posição específica—o que parece um defeito de software.

Dê a ele sua própria fonte de 5 V, una os GNDs e coloque um capacitor de 470 µF em paralelo com a alimentação do servomotor, perto do conector.

A relação entre largura de pulso e ângulo

Um servomotor não lê tensão. Lê por quanto tempo o pulso dura, cinquenta vezes por segundo.

A faixa de 1–2 ms é uma convenção, não um padrão. Muitos SG90 atingem seus batentes reais mais perto de 0,6 ms e 2,4 ms, e é por isso que a biblioteca Servo do Arduino permite informar larguras mínima e máxima opcionais por meio de attach():

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

Calibrar isso por servomotor é a diferença entre um braço que alcança seu espaço de trabalho e um que, misteriosamente, fica 20° curto nas duas extremidades.

Código mínimo funcional

#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) e a varredura terminam em 160°, mas são eventos eletricamente muito diferentes. O salto comanda a velocidade máxima, o que, em uma junta carregada, representa um pico de 650 mA e um choque mecânico nas engrenagens de náilon. A varredura reparte o mesmo movimento por dois segundos e consome uma fração da corrente. Em um braço de múltiplas juntas, essa é a diferença entre uma fonte que aguenta e outra que não aguenta.

Torque: o que 1,8 kg·cm realmente significa

A especificação é 1,8 kg·cm a 4,8 V—o que significa que o servomotor consegue sustentar 1,8 kg a 1 cm do eixo, ou 1,8/L kg a L centímetros. Essa última parte é o que confunde as pessoas.

Há duas coisas a retirar daqui. Primeiro, o torque cai linearmente com o alcance, portanto um segmento de braço de 15 cm só consegue levantar 120 g no travamento absoluto. Segundo, nunca projete com base no valor de travamento. Um servomotor em travamento consome corrente total, não produz movimento e aquece; um terço do torque de travamento é um limite sensato para uma junta que precisa manter uma posição por um período de tempo qualquer.

O número também é dado a 4,8 V. A 6 V, o mesmo servomotor produz aproximadamente 2,2 kg·cm, uma das poucas melhorias gratuitas da robótica hobby—desde que sua fonte possa fornecer a corrente correspondentemente maior.

Reduzindo a oscilação

Servomotores baratos oscilam um pouco em torno do alvo, e há quatro causas distintas que vale diferenciar:

• Ruído da alimentação. O mais comum. Um servomotor compartilha uma trilha com motores e vê cada pico de corrente como uma perturbação de controle. Use uma fonte separada e um capacitor no servomotor.
• Oscilação na temporização do sinal. A biblioteca Servo gera pulsos por software, e um laço ocupado ou outra interrupção desloca as bordas. Migrar para uma PCA9685 corrige isso completamente—ela gera os pulsos em hardware.
• Zona morta. O controlador do próprio servomotor ignora erros abaixo de cerca de 5 µs de largura de pulso, aproximadamente 1°. Abaixo dessa resolução, ele simplesmente não responde, e pedir passos mais finos não produz nada.
• Retenção sob carga. Um servomotor lutando contra a gravidade no limite do torque zumbirá continuamente. Use detach() quando a junta não precisar segurar ou equilibre-a mecanicamente.

Solução de problemas

SG90 ou outra opção?

Um alerta sobre “garras leves” na primeira linha. Uma garra é a aplicação em que um SG90 passa a vida inteira travado—segurar um objeto não é movimento; portanto, a bobina consome cerca de 0,5 A sem nada para resfriá-la, e essa é a maneira usual de esses servomotores falharem. Também é por isso que a força da mandíbula é definida pelo braço de alavanca, não pelo torque indicado na caixa: 0,176 N·m em um braço de 30 mm resultam em 5,87 N no travamento e cerca de 4,11 N que você realmente consegue sustentar. Dimensionar uma garra de servomotor aborda ambos os pontos, e o simulador de garras faz a conta para o seu braço.

O resumo honesto: o SG90 é um atuador didático. É a maneira mais rápida de entender como funciona o controle de posição e não é forte nem reproduzível o suficiente para uma junta importante. Quando um projeto para de funcionar porque o servomotor não é bom o bastante, o MG90S geralmente é a resposta—mesmo tamanho, mesma ligação e engrenagens metálicas.