Два серво на одной плате: ток по 5 В, джиттер и отдельный стабилизатор

Подвес из двух серво я собирал по мотивам камерного пан-тилта: нижняя ведёт панораму, верхняя — наклон. По одному серво — шелк: пишешь угол, рог едет и стоит как вкопанный. В первый совместный тест я скомандовал обоим переехать с 30 на 150 разом — и увидел цирк: верхняя дрожала мелкой дрожью, нижняя шла рывками, а через секунду плата перезагрузилась, и серво обвисли. Три вечера я подозревал код, пока не повесил мультиметр на шину 5 В: в момент совместного старта напряжение проваливалось до 3,8 вольта.

Арифметика, которой мне не хватило тогда. SG90 на старте против трения и инерции тянет до 650 миллиампер на пик — клоны с маркетплейса гуляют от 500 до 800; в удержании без нагрузки — скромные 100–150. Два одновременных старта — 1,3 ампера на несколько десятков миллисекунд. USB-порт по спецификации 2.0 даёт 500 мА, 3.0 — до 900. Дальше арифметика делает своё дело: недостающие 800 миллиампер берутся из ёмкостей, шина проседает, и начался вечер из трёх суток — я умножал два на два в коде, а надо было умножать в амперах. Для тяжёлых MG995/MG996R с пиками до 2,5 ампера всё это умножается ещё и на два, а где именно кончается запас платы, считал урок про пределы питания и разбор пика тока со сбросом платы.

Сюжет урока — лестница решений по возрастанию усилий: развести ходы программой (бесплатно), подстелить конденсатор (копейки, полумера) и главный ответ — отдельный стабилизатор с общей землёй. Ток в симуляторе не нарисовать, но разведённый старт и его логика видны вживую.

Маршрутов питания у пары серво три, и у каждого свой потолок. Первый — USB: разъём и порт дают полампера, и это потолок до входа на плату. Второй — пин 5V при питании от VIN: бортовой стабилизатор Uno (NCP1117) рассчитан на разницу вход-выход, при 12 вольтах на входе он уже горячий вхолостую, а пиковый ампер серво доводит его до термозащиты — классическая картина, когда плата сбрасывается не от просадки, а от перегрева регулятора. От 9 вольт пик пары серво греет его на (9−5)×1,3 — около 5 ватт: без радиатора это не вариант, а с радиатором — страдание.

Третий маршрут — импульсный понижающий стабилизатор, buck: LM2596 или MP1584 с того же входа 7–12 вольт честно отдают два-три ампера и почти не греются. Я не люблю городить отдельные платы на каждом стенде, но два серво — ровно тот случай, где buck дешевле одного потерянного вечера: платка стоит дешевле бутылки лимонада, а пиковая пара серво перестаёт быть событием. Отдельный блок 5 В на 3 ампера — то же решение без пайки, если проект уже стационарный.

Что происходит при просадке внутри серво — то место, где дрожь рождается физически. У серво внутри собственный потенциометр-датчик и логика, которая сравнивает заказ с фактом; питаются они с той же шины, и когда напряжение проваливается, опорное напряжение датчика плывёт — серво видит рассогласование, которого не было, и начинает охоту за собственным хвостом. На форумах это описывают ровно так: нестабильная линия 5 В делает чтение внутреннего потенциометра нестабильным — отсюда и мелкая дрожь при одновременном движении. Конденсатор здесь — первая помощь: электролит 470–1000 микрофарад прямо у разъёма серво плюс 0,1 мкФ керамика рядом; принцип разбирался в уроке про фильтрующий конденсатор. Но честно: электролит покрывает пик в десятки миллисекунд и не заменяет источник — если средний ток больше, чем даёт линия, банка разрядится, и просадка вернётся.

Отдельная строка бюджета — сами провода до серво. Тонкий дюпон-хвост со всеми контактами добирает до половины ома, и на стартовом пике 1,3 ампера это полвольта и больше: шина у платы стоит честно, а у разъёма серво проваливается ниже четырёх — дрожь рождается именно там. Подвес я перевёл на провода 0,75 квадрата и укоротил хвост до тридцати сантиметров; после этого мультиметр на просадку смотреть расхотелось — смотреть стало не на что.

Программная половина лечения — дирижёр. Пик старта короток, десятки миллисекунд, поэтому если вторая серво трогается на 150 мс позже первой, их пики не складываются: первая уже разогналась и съела меньше, вторая стартует в спокойную шину. Это смягчение, а не лечение — при тяжёлых серво и длинных ходах токи всё равно пересекаются, — но вместе с конденсатором разводка стартов делает пару SG90 приемлемой даже от щедрого USB-хаба. Заодно дирижёр наводит порядок в механике: ходы, которые едут по очереди, выглядят осмысленнее, чем синхронный шахматный ход двух осей.

Разбор по строчкам. Новая цель с потенциометра раздаётся обоим осям сразу, но флаги разные: нижняя получает edetA и трогается в следующий тик, верхняя получает заказ zHdB с отложенным сроком now + 150 — и лишь через 150 миллисекунд начинает свой ход. Ход у обеих с мягким доводом, K_EASE = 0,1: серво едет плавно и не бьёт по шине резким стартом из стоячей позиции. Светодиод горит, пока в пути хоть одна ось — на живой плате по нему удобно ловить моменты, когда токовый бюджет под напряжением.

Здесь нужна честная оговорка: в симуляторе ток не виден, и разнесённый старт выглядит как эстетика. На живой плате это выглядит как разница между работающим и перезагружающимся стендом. Проверяется мультиметром на шине 5 В в режиме постоянного напряжения: совместный старт без развязки на USB-питании проваливает шину ниже четырёх вольт, с развязкой — просадка мельче и короче. А самый честный индикатор — строка из setup в Serial-логе посреди работы: если она напечаталась заново, плата перезапустилась, и виной почти всегда питание.

У просадки есть вторая роль, о которой забывают: не сброс платы, а защита порта. У большинства USB-хостов на линии стоит ключ с ограничением тока, и пары стартующих серво хватает, чтобы он отрубил разъём. Симптом узнаваемый: серво дёрнулись, монитор замолчал, а после переподключения кабеля всё ожило — это не каприз операционки, это защита отчитала вам амперы.

Питание серво от buck-платки раскидывается так: плюс и минус стабилизатора — на красный и коричневый провода обеих серво, сигнальные провода остаются на пинах платы. И правило, без которого всё это не работает: минус стабилизатора обязан быть связан с GND платы. Импульс управления — разность потенциалов между пином и землёй серво; без общей земли серво слышит не команду, а шум. Подробно это разобрано в уроке про внешнее питание и общий GND, а связывается именно земля — плюс платы к плюсу серво не подключают.

Диагностика на живой плате укладывается в три шага. Мультиметр в режиме постоянного напряжения на шину 5 В во время движения: провал ниже четырёх вольт на старте — диагноз подтверждён. Мигание светодиода на 13 или повторная строка приветствия в Serial — плата перезапускалась. Тёплый бортовой стабилизатор после пяти минут работы — вы живёте на его потолке, и следующий скачок будет термозащитой. По этим трём симптомам лечится девять из десяти двух-серво стендов, и почти всегда лекарство одно — buck или блок с общей землёй.

Последний абзац — про удержание, о котором забывают на радостях. Серво, которая держит груз, ест постоянно: сотня-полторы миллиампер на SG90 без нагрузки превращаются в полампера и больше под весом, и греется при этом вся скоба. Если механика не падает сама — отпустите серво командой detach, ход освобождения разобран в уроке про detach и свободный рог, или добавьте механический упор, который держит вместо мотора. Правило моего верстака простое: бюджет тока пары серво считается до пайки — два пика плюс тридцать процентов запаса, и если сумма перелезает за 500 миллиампер, buck покупается вместе с серво.