Драйвер сервоприводов PCA9685

Что это такое

PCA9685 — расширитель PWM для сервоприводов. У микроконтроллера лишь несколько аппаратных каналов PWM, поэтому управление шестью сервоприводами роботизированной руки, не говоря о восемнадцати сервоприводах гексапода, быстро исчерпывает выводы и таймеры. Эта небольшая плата берёт задачу на себя: она формирует 16 независимых сигналов PWM аппаратно, а всеми ими управляет по двум проводам I²C. За ней стоит большинство роботов с несколькими сервоприводами.

Как это работает

С PCA9685 общаются по I²C — те же два вывода SCL/SDA могут одновременно обслуживать другие датчики. Для всей микросхемы задаётся одна частота PWM (50 Hz для хобби-сервоприводов), затем каждому каналу назначается ширина импульса для позиционирования сервопривода. Поскольку микросхема хранит все 16 сигналов аппаратно, микроконтроллер лишь отправляет «канал 3 → 1.5 ms» и продолжает работу; ему не требуется формивать временные интервалы программно. Поэтому каждый сервопривод движется плавно даже при движении всех 16. Идея преобразования ширины импульса в угол та же, что описана на странице сервопривода SG90.

Когда его следует использовать

Выбирайте PCA9685, когда у робота сервоприводов больше, чем выводов PWM у микроконтроллера, или когда требуется исключительно стабильное движение сервоприводов:

• Роботизированные руки — несколько сервоприводов суставов, движущихся одновременно; используйте вместе с обратной кинематикой.
• Гексаподы / квадроподы — двенадцать или более сервоприводов на все лапы.
• Поворотные конструкции и крепления камер — освобождают таймеры микроконтроллера для других задач.

Для одного сканирующего сервопривода, например ультразвукового сканера на роботе для объезда препятствий, плата не нужна: микроконтроллер может управлять им напрямую.

Подключение и важные нюансы

• Две силовые шины. Логика VCC питается от микроконтроллера, а сервоприводы — от клеммы V+. Никогда не пропускайте ток 16 сервоприводов через вывод 5 V Arduino.
• Рассчитывайте V+ по останову, а не по простою. Шестнадцать сервоприводов вместе могут потреблять несколько ампер; слабый источник просядет, и вся плата начнёт дрожать.
• При каскадировании задавайте уникальные адреса перемычками.
• Добавьте конденсатор параллельно V+, чтобы поглощать всплески тока при запуске сервоприводов.

Расположение выводов

Существуют три группы подключений: разъём управления к микроконтроллеру, шестнадцать разъёмов сервоприводов и силовая клемма, которую нельзя путать с первой.

Самый важный факт об этой плате: VCC и V+ — разные шины. VCC питает микросхему, V+ — сервоприводы. Их соединение пропускает ток останова сервоприводов через регулятор микроконтроллера, что быстро вызывает просадку Arduino.

Подключение к Arduino

OE полезнее, чем кажется. Высокий уровень аппаратно и мгновенно отключает все шестнадцать выходов без обмена по I²C. На руке, способной упасть под действием тяжести, это настоящая аварийная остановка, работающая даже при зависшем коде.

Выбор источника питания сервоприводов

Здесь большинство проектов PCA9685 ошибается, хотя расчёт несложен.

Хобби-сервопривод потребляет примерно:

Четыре SG90 на небольшой руке при одновременном движении потребляют около 1 A, а при одновременном останове достигают 2.6 A — именно это происходит, когда рума упирается в собственную раму. Зарядное устройство для телефона на 1 A не подходит. Рассчитывайте на одновременный останов всех сервоприводов или как минимум на движение всех и останов одного.

Симптом слабого источника характерен, но сбивает с толку: сервоприводы дрожат, плата может перезагружаться, и всё выглядит как проблема I²C или кода. Это не она. Приложите мультиметр к V+ во время движения руки и посмотрите на просадку.

Добавьте конденсатор параллельно V+. Подойдёт значение 470–1000 µF рядом с клеммой. Он не выдержит длительный останов — конденсатор 1000 µF при токе 1 A снижает напряжение на один вольт каждую миллисекунду, — но поглощает резкий всплеск тока в момент запуска сервопривода, который наводится на логическую шину.

Как на самом деле формируется PWM

Понимание двух чисел упрощает диагностику любой проблемы драйвера сервоприводов.

Микросхема работает от внутреннего генератора 25 MHz и делит его с помощью предделителя:

prescale = round(25000000 / (4096 x frequency)) - 1

Для нужных хобби-сервоприводам 50 Hz получается round(25000000 / 204800) - 1 = 121.

Затем каждый период делится на 4096 шагов (12 бит). При 50 Hz период равен 20 ms, поэтому один шаг составляет 20 ms / 4096 = 4.88 µs. Это преобразует нужные ширины импульса сервоприводов в записываемые отсчёты:

Сразу следуют два следствия. Во-первых, на весь диапазон 180° сервопривода приходится около 205 отсчётов, то есть чуть меньше одного отсчёта на градус: 12-разрядное разрешение PCA9685 не является ограничивающим фактором; важнее мёртвая зона самого сервопривода. Во-вторых, предделитель можно записывать только когда микросхема находится в спящем режиме, поэтому каждая библиотека переключает MODE1 при изменении частоты.

Генератор не равен ровно 25 MHz

Реальные платы отклоняются на несколько процентов, причём одинаково на всей плате. Если сервоприводы систематически не достигают заданного угла у обоих краёв, не следует подстраивать ширину импульса: измерьте и скорректируйте частоту генератора.

pwm.begin();
pwm.setOscillatorFrequency(26075000);  // measured, not the 25 MHz nominal
pwm.setPWMFreq(50);

Задайте 50 Hz, подключите осциллограф или логический анализатор к любому выходу и измерьте истинный период. Масштабируйте номинальные 25 MHz отношением заданной и измеренной частот. Выполните это один раз для каждой платы и запишите число в комментарии.

Минимальный рабочий код

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_PWMServoDriver.h>

Adafruit_PWMServoDriver pwm = Adafruit_PWMServoDriver(0x40);

// Per-servo calibration. These are NOT universal — measure your own.
const int SERVO_MIN = 150;   // counts at one end stop
const int SERVO_MAX = 600;   // counts at the other

int countsFor(int degrees) {
  return map(constrain(degrees, 0, 180), 0, 180, SERVO_MIN, SERVO_MAX);
}

void setup() {
  pwm.begin();
  pwm.setOscillatorFrequency(25000000);  // replace with your measured value
  pwm.setPWMFreq(50);                    // hobby servos want 50 Hz
  delay(10);
}

void loop() {
  for (int a = 0; a <= 180; a += 5) {    // sweep, don't jump
    pwm.setPWM(0, 0, countsFor(a));
    delay(20);
  }
  for (int a = 180; a >= 0; a -= 5) {
    pwm.setPWM(0, 0, countsFor(a));
    delay(20);
  }
}

Константы SERVO_MIN/SERVO_MAX задают калибровку и различаются для каждого сервопривода, даже между двумя экземплярами одной модели из одной упаковки. Найдите их, медленно отходя от 307 и останавливаясь в момент, когда сервопривод гудит без движения: значит, он упирается в собственный крайний упор и впустую потребляет ток останова.

Обратите внимание и на плавное перемещение вместо скачка. setPWM мгновенно меняет заданную позицию, и сервопривод пытается достичь её на полной скорости, что на руке означает резкое движение и всплеск тока. Пошаговое изменение команды — простейший профиль движения, который стоит применять даже в тестовом коде.

Каскадирование плат

На каждой плате есть шесть площадок A0–A5, задающих 64 адреса от 0x40. Соединяйте на каждой плате свою комбинацию:

Документированный максимум — 62 платы: 0x70 зарезервирован для общего вызова I²C, поэтому доступны не все 64 адреса. На практике ограничение наступает намного раньше: 62 платы — это 992 сервопривода, для которых источник питания становится гораздо более серьёзной инженерной задачей, чем шина.

При каскадировании следите за одной особенностью: каждая плата имеет собственные подтяжки I²C 10 kΩ, включённые параллельно. Десять плат дают 1 kΩ, что уже многовато для шины 5 V. После нескольких плат отключите перемычки подтяжки на всех, кроме одной.

Диагностика

PCA9685 или прямые PWM микроконтроллера?

Честный порог: один-два сервопривода управляйте напрямую. Сканирующей голове датчиков на роботе для объезда препятствий эта плата не нужна. При трёх и более либо для любого сервопривода, важна плавность, и PCA9685 окупается сразу: не из-за числа выводов, а потому что микроконтроллер перестаёт отвечать за хронометраж. Сервопривод под управлением библиотеки Servo дёрнется при задержке цикла; управляемый PCA9685 — нет.