Сервоприводы для моделей и роботов: устройство и управление

Устройство

• Двигатель — маленький коллекторный двигатель постоянного тока; у HS-422 — трёхполюсный с ферритовыми магнитами. Направление и скорость задаёт плата через свой H-мост — так же, как в статье об управлении коллекторным двигателем.
• Редуктор понижает скорость в i раз и увеличивает момент в i · η раз, где η — КПД редуктора: часть мощности уходит на трение в шестернях (КПД сервоприводов в их документации не указан). У сервопривода постоянного вращения Feetech FS5106R передаточное отношение 1/210. Шестерни бывают пластиковые и металлические; люфт выходного вала HS-422 — не больше 0,5°.
• Потенциометр на выходном валу — датчик положения: его напряжение пропорционально углу. Поэтому обычный сервопривод поворачивается только в пределах хода потенциометра и упоров.
• Плата сравнивает длительность импульса с положением вала. Пока разница меньше зоны нечувствительности (dead band) — у HS-422 5 мкс по спецификации и 8 мкс на странице изделия, — двигатель стоит; иначе плата крутит его в сторону уменьшения разницы.

Parallax выпускает свой стандартный привод в аналоговом и цифровом исполнении и приводит отличия цифровой версии: стабильнее скорость поворота, меньше ток без нагрузки в движении (100 мА против 120 мА), больше ток покоя (20 мА против 10 мА) и защита от упора — при импульсах вне рабочего диапазона 500–2530 мкс привод перестаёт давить на вал.

Сигнал: длительность импульса и угол

Импульсы повторяются каждые 20 мс, угол задаёт длительность импульса. Коэффициент заполнения при этом мал — 2,5–12,5 % при 50 Гц, — и обычный ШИМ «для двигателя» на килогерцах сюда не подходит: нужен именно импульс заданной длительности с периодом около 20 мс.

Связь угла и длительности линейная, но концы диапазона у производителей разные:

У Parallax каждый градус — 10 мкс, и производитель даёт формулу: t = 10 · φ + 620 мкс. Parallax предупреждает о внутренних механических упорах — около −10° и 190°: импульсов, уводящих вал к упорам, нужно избегать, работа в упор сильно сокращает срок службы. Если программа выходит за 620–2420 мкс, чтобы получить углы за пределами 0–180°, производитель советует проверить, что вал не доходит до упоров. Без импульсов, как и при импульсах вне рабочего диапазона, привод не держит положение и не сопротивляется внешней силе.

Пересчитать угол в длительность, а длительность — в регистры таймера AVR (ICR1, OCR1A) и STM32 (PSC, ARR, CCR) поможет калькулятор ШИМ сервопривода; подобрать предделитель для другого таймера — калькулятор таймера.

Скорость поворота

Скорость в документации дают как время поворота на 60° без нагрузки: у Parallax — 0,19 с при 6 В и 0,23 с при 4,8 В, у HS-422 — 0,16 и 0,21 с. Наш расчёт: поворот Parallax на 180° при 6 В займёт не меньше 3 · 0,19 ≈ 0,57 с, под нагрузкой — дольше. Программа, которая сразу после команды ждёт, что вал уже на месте, ошибается: нужна пауза или датчик.

Сервопривод постоянного вращения

Привод постоянного вращения (continuous rotation) устроен так же, но без датчика угла и без упоров — у Feetech FS5106R в спецификации прямо указано: датчика угла нет, ограничения угла нет. Импульс задаёт не положение, а скорость и направление:

• 1500 ± 9 мкс — нейтраль, вал стоит; зона нечувствительности вокруг неё — 18 мкс (п. 7-7);
• 1500–1800 мкс — вращение против часовой стрелки, 1200–1500 мкс — по часовой;
• без нагрузки — 75 об/мин при 4,8 В и 95 об/мин при 6 В.

Допуск нейтрали ±9 мкс означает, что у конкретного экземпляра вал может медленно ползти при ровно 1500 мкс: точку остановки подбирают на образце. Угол без внешнего датчика такой привод не держит — для колёс робота, где нужно пройденное расстояние, ставят энкодер.

Ток и питание

Сервопривод потребляет мало, пока стоит без нагрузки, и много, когда разгоняется или упирается. Данные трёх производителей:

Отсюда правила питания:

• Отдельный источник для приводов. В схеме подключения Parallax привод питается отдельно от микроконтроллера, чтобы броски тока под нагрузкой не вызывали просадку и сброс. Общий источник допустим, только если микроконтроллер работает от 4–6 В, а стабилизатор держит напряжение при одновременном пиковом токе всех приводов.
• Общая земля. Земля привода и микроконтроллера соединяются, иначе сигнал не имеет общей точки отсчёта.
• Не от выводов микроконтроллера. Parallax прямо запрещает питать привод от вывода порта.
• Проверка блока питания. Сетевой адаптер может не держать номинальное напряжение; Parallax советует проверить его во всём диапазоне нагрузки от 20 до 500 мА.

Источник рассчитывают на сумму токов остановки приводов, которые могут упереться одновременно (наш расчёт): четыре HS-422 при 6 В — 4 · 0,75 А = 3,0 А по спецификации v2.2 или 4 · 0,8 А = 3,2 А по странице изделия, где напряжение не указано; берите большее. Посчитать бюджет питания с несколькими нагрузками поможет калькулятор бюджета питания.

Момент и выбор привода

Момент в документации указан при остановке (stall torque) — это предел, а не рабочая нагрузка: у HS-422 3,1 кгс·см при 4,8 В и 3,9 кгс·см при 6 В. Feetech для FS5106R даёт и номинальный момент — 1,6 и 2 кгс·см, около трети момента остановки (4,8 и 6 кгс·см). Чтобы перейти к ньютон-метрам, кгс·см умножают на 0,0981: 3,9 кгс·см ≈ 0,38 Н·м.

Нагрузку на рычаге считают так (наш расчёт): груз 0,5 кг на плече 4 см требует 0,5 · 4 = 2 кгс·см в горизонтальном положении. Для HS-422 при 6 В это половина момента остановки — работать будет, но с малым запасом на ускорение и трение. Как выбирать привод по моменту и скорости с запасом — в статье о выборе двигателя; как пересчитать момент через рычаг или шестерни — калькулятор передаточного числа.

Управление от Arduino и микроконтроллеров

Библиотека Arduino Servo формирует импульсы в прерываниях таймера и ведёт до 12 приводов на один таймер. Учтите: при подключении первого привода analogWrite() на выводах, связанных с этим таймером, перестаёт работать. По умолчанию write(angle) переводит 0–180° в 544–2400 мкс — для Parallax диапазон лучше задать явно:

#include <Servo.h>

Servo arm;   // positional servo, Parallax 900-00005
Servo wheel; // continuous rotation servo, Feetech FS5106R

void setup() {
  // 620 us = 0 deg, 2420 us = 180 deg (Parallax guide v3.0)
  arm.attach(9, 620, 2420);
  wheel.attach(10);
  wheel.writeMicroseconds(1500); // neutral: stopped (1500 +/- 9 us)
}

void loop() {
  arm.write(0);
  delay(1000);                   // 180 deg at 0.19 s per 60 deg takes ~0.6 s
  arm.write(180);
  delay(1000);

  wheel.writeMicroseconds(1700); // counterclockwise, part speed
  delay(2000);
  wheel.writeMicroseconds(1500); // stop; trim this value on the actual unit
  delay(1000);
}

writeMicroseconds() задаёт длительность напрямую, а detach() прекращает импульсы — обычный привод после этого не держит положение.

На STM32 и других микроконтроллерах импульс формирует аппаратный таймер в режиме ШИМ с периодом 20 мс, и программа меняет только регистр сравнения; расчёт регистров — в калькуляторе. Если приводов больше, чем каналов таймера, ставят PCA9685: 16 каналов по I²C, 4096 шагов на период. Наш расчёт: при 50 Гц шаг — 20 мс / 4096 ≈ 4,9 мкс, примерно полградуса у привода с 10 мкс на градус.

Типичные ошибки

• Привод дёргается, микроконтроллер перезапускается — питание приводов от стабилизатора платы; нужен отдельный источник с общей землёй.
• Привод гудит в крайнем положении — импульс уводит вал в упор; сузьте диапазон attach(pin, min, max) под свой привод.
• Привод не доходит до 180° — диапазон по умолчанию не совпадает с диапазоном привода: у HS-422 ход всего ±60°.
• Привод постоянного вращения медленно ползёт при 1500 мкс — нейтраль экземпляра сдвинута в пределах допуска ±9 мкс; подберите её на образце.
• Перестал работать analogWrite() на соседнем выводе — библиотека Servo заняла его таймер.