Сервопривод SG90

Что это такое

SG90 — это микросервопривод: компактный автономный исполнительный механизм, который поворачивается к заданному углу и удерживает его. Обычный двигатель постоянного тока просто вращается, а сервопривод наводится: задайте 90 градусов — и он повернётся на 90 градусов и будет сопротивляться внешнему воздействию. Поэтому это естественный выбор для любого механизма, которому необходимо перейти в известное положение: сустава роботизированной руки, захвата, который открывается и закрывается, поворотной платформы камеры или механизма поворота небольшого робота.

При массе девять граммов и цене в несколько долларов это сервопривод, с которого начинает почти каждый. Он недостаточно силён и точен для серьёзных задач, но позволяет быстрее всего понять, как работает управление положением.

Как это работает

Если вскрыть корпус, внутри обнаружатся четыре элемента: небольшой двигатель постоянного тока, редукторная передача, меняющая скорость на момент, потенциометр, связанный с выходным валом, и управляющая схема. Потенциометр — ключевой элемент: он непрерывно сообщает фактический угол вала. Схема сравнивает измеренный угол с заданным и приводит двигатель в том направлении, которое уменьшает расхождение. Это полноценный контур обратной связи в миниатюре — именно поэтому роботизированная рука с обратной кинематикой может поручить сервоприводу достичь целевой позы.

Угол задаётся сигналом PWM частотой 50 Hz, причём сообщение несёт ширину импульса: примерно 1 ms для одного края диапазона, 1.5 ms для середины и 2 ms для другого края. Здесь PWM используется как код положения, а не скорости. На практике библиотека Arduino Servo скрывает формирование импульсов: достаточно задать угол.

Когда его следует использовать

Используйте SG90, когда деталь робота должна перейти в конкретный угол и удерживать его при небольшой нагрузке: пальцы захвата, небольшие суставы руки, подвесы датчиков или тяга механизма поворота лёгкого шасси. Диапазон ~180° и мгновенное управление «перейти в этот угол» идеально подходят для изучения кинематики и создания выразительных механизмов.

Выбирайте другое решение, если сустав несёт значительную массу (используйте сервопривод с металлическими шестернями или стандартного размера), если для колеса требуется непрерывное вращение (используйте двигатель постоянного тока и L298N либо сервопривод непрерывного вращения), а также при необходимости в большом диапазоне точного движения с большим моментом (используйте шаговый двигатель).

Подключение и важные нюансы

• Питайте его отдельно. Остановившийся SG90 может потреблять 500–700 mA — намного больше, чем может обеспечить вывод 5 V микроконтроллера. Используйте отдельный источник 5 V и соедините его землю с землёй платы, иначе напряжение просядет и плата перезагрузится.
• Он не вращается непрерывно. Стандартный SG90 поворачивается на ~180° и останавливается. Команда «вращаться постоянно» ничего не даёт; для приводного колеса нужен другой исполнительный механизм.
• Не прикладывайте чрезмерное усилие и не допускайте останова. Нейлоновые шестерни ломаются от перегрузки или резкого удара. Поддерживайте небольшие нагрузки или переходите на металлические шестерни.
• Ожидайте небольшого дрожания. Дешёвые сервоприводы слегка колеблются вокруг цели. Стабильное питание и отключение сигнала, когда удержание сустава не требуется, уменьшают его.

Подключение

Три провода, причём цвета у хобби-сервоприводов практически универсальны:

Некоторые сервоприводы используют чёрный/красный/белый или чёрный/красный/жёлтый. Всегда действует одно правило: красный провод находится посередине, а земля соответствует самому тёмному из трёх проводов.

Почему нельзя питать от вывода 5 V Arduino

SG90 потребляет около 10 mA в режиме ожидания, 150–250 mA при движении и 650 mA при останове. Источник питания USB, от которого работает Uno, ограничен 500 mA для всей платы, а встроенный регулятор при питании через разъём имеет собственный тепловой предел.

Один сервопривод при небольшом движении часто работает — в этом и заключается проблема: на стенде всё исправно, но при возникновении сопротивления питание проседает. Симптом — перезагрузка платы всякий раз, когда рука достигает определённого положения, что выглядит как ошибка программного обеспечения.

Подайте отдельное питание 5 V, объедините земли и установите конденсатор 470 µF параллельно питанию сервопривода рядом с разъёмом.

Связь между шириной импульса и углом

Сервопривод не считывает напряжение. Он считывает длительность импульса пятьдесят раз в секунду.

Диапазон 1–2 ms является соглашением, а не стандартом. Многие SG90 достигают настоящих крайних положений ближе к 0.6 ms и 2.4 ms, поэтому библиотека Arduino Servo с функцией attach() принимает необязательные минимальную и максимальную ширины импульса:

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

Такая калибровка для каждого сервопривода — разница между рукой, достигающей рабочего пространства, и рукой, которая по непонятной причине не достигает его на обоих краях примерно на 20°.

Минимальный рабочий код

#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) и плавное перемещение заканчиваются при 160°, но это полностью разные электрические события. Скачок команды задаёт полную скорость, а при нагруженном суставе это всплеск 650 mA и механический удар через нейлоновые шестерни. Плавное перемещение распределяет то же движение на две секунды и потребляет лишь долю тока. На многосуставной руке это разница между источником питания, который справляется, и тем, который не справляется.

Момент: что означает 1.8 kg·cm

Характеристика — 1.8 kg·cm при 4.8 V: сервопривод может удерживать 1.8 kg на расстоянии 1 cm от вала или 1.8/L kg при расстоянии L в сантиметрах. Именно последняя часть часто вводит в заблуждение.

Следует запомнить два обстоятельства. Во-первых, момент линейно уменьшается с увеличением вылета, поэтому плечо длиной 15 cm при абсолютном останове может поднять только 120 g. Во-вторых, никогда не проектируйте исходя из момента останова. Сервопривод в останове потребляет полный ток, не совершает движения и нагревается; треть момента останова — разумный предел для сустава, который должен удерживать положение в течение значительного времени.

Эта величина также указана для 4.8 V. При 6 V тот же сервопривод обеспечивает примерно 2.2 kg·cm — одно из немногих бесплатных улучшений в хобби-робототехнике, если источник питания способен отдавать соответствующий ток.

Уменьшение дрожания

Дешёвые сервоприводы слегка колеблются вокруг цели, и этому есть четыре разные причины, которые стоит различать:

• Шум источника питания. Самая частая причина. Сервопривод питается по общей шине с двигателями и воспринимает каждый бросок тока как возмущение. Нужен отдельный источник питания и конденсатор возле сервопривода.
• Дрожание временных интервалов сигнала. Библиотека Servo формирует импульсы программно, поэтому нагруженный цикл или другое прерывание сдвигают их фронты. Полностью устраняет это переход на PCA9685: он формирует импульсы аппаратно.
• Мёртвая зона. Собственный регулятор сервопривода игнорирует ошибки примерно менее 5 µs по ширине импульса, то есть около 1°. Ниже этого разрешения он просто не реагирует, поэтому требование более мелких шагов не даёт результата.
• Удержание против нагрузки. Сервопривод, преодолевающий гравитацию на пределе момента, непрерывно гудит. Вызывайте detach(), когда сустав не должен удерживаться, или уравновесьте его механически.

Диагностика

SG90 или что-то другое?

Одно предупреждение о «небольших захватах» в первой строке. Захват — единственное применение, в котором SG90 проводит большую часть времени в останове: удержание объекта не является движением, поэтому обмотка потребляет около 0.5 A без охлаждения — обычная причина гибели таких сервоприводов. По этой причине усилие захвата определяется длиной плеча, а не моментом на табличке: 0.176 N·m при длине пальца 30 mm даёт 5.87 N при останове и около 4.11 N, которые действительно можно удержать. Руководство расчёт сервоприводного захвата рассматривает оба вопроса, а симулятор захвата выполнит расчёт для ваших пальцев.

Честный итог: SG90 — это исполнительный механизм для обучения. Он быстрее всего позволяет понять ощущения управления положением, но недостаточно силён и не обеспечивает достаточной повторяемости для важного сустава. Когда проект перестаёт работать из-за недостаточных возможностей сервопривода, обычно подходит MG90S: те же размеры, то же подключение, но металлические шестерни.