Почему серво дёргается: помехи и питание

У меня на столе стояла классическая связка: серво SG90 вращает голову с дальномером HC-SR04, глазает по сторонам, как будто ищет врага. Ищет она его была недолго: при каждом повороте Arduino уходила в перезагрузку, в покое серво вздрагивала с частотой раз в секунду, а когда я вынес конструкцию на двухметровом шлейфе проводов — добавился тонкий визг, от которого у кота вставали уши. Три раза я переписал скетч и один раз даже переустановил Arduino IDE. Виноват оказался USB-хаб, а скетч был невиновен с самого начала.

Дёрганье — это не диагноз, а симптом, и у него три разных виновника: нехватка тока в момент старта, помехи от самого мотора и плохая проводка. С первого взгляда они выглядят одинаково — серво нервничает, — но лечатся по-разному, поэтому здесь мы разберём все три по очереди, посчитаем токи и напряжения руками и соберём диагностический скетч, который за минуту показывает, перезагружалась плата или нет. Финальная схема лечения — отдельное питание с общим проводом — живёт в следующем уроке, а сейчас научимся ставить диагноз.

Вспомним паспортные токи SG90 из первого урока раздела: в покое около 10 мА, в движении 100–250 мА, при заклинивании или ударе об упор — до 650–700 мА. Пусковой ток — это не «чуть больше рабочего»: в первые десятки миллисекунд мотор разгоняется из нуля, и серво легко утыкается в верхнюю границу. Дальше включается закон Ома, который мы считали в уроке про ток: сопротивление тракта от порта USB до серво — кабель, разъёмы, предохранитель на плате — легко набирает 0,7–1 Ом. Умножаем: 700 мА × 1 Ом = 0,7 В падения. На шине вместо 5 В остаётся 4,3.

Микроконтроллер ATmega328P сам по себе держится до 2,7 В — у него есть отдельный детектор питания. Но USB-мост (у клонов это CH340), стабилизатор и вообще вся обвязка нервнее: у большинства клонов сбросы начинаются, когда шина проваливается ниже 4,4–4,5 В, и мой хаб добавил к кабелю ещё свои пол-Ома. Симптом однозначный: Serial-монитор внезапно начинает печатать лог с самого начала, как будто плату только что воткнули. Никакой мистики — плата честно перезапустилась, и все переменные скетча обнулились вместе с ней.

Работает детектор так: millis() считает миллисекунды с момента старта платы, и после перезагрузки счёт начинается заново с нуля. Если в непрерывном логе t=1240, t=2040 вдруг всплывает строка «Старт, t=0» — это отпечаток сброса, точнее улики не бывает. Приём универсальный: он ловит и просадки от серво, и глючный кабель, и плохой контакт в макетке. Заодно скетч провоцирует проблему резким перелётом через весь ход — именно такие команды дают максимальный пусковой ток. Приём из урока про отладку через Serial в новых одеждах: лог — ваш чёрный ящик, он помнит то, чего вы не видели глазами.

Внутри серво крутится коллекторный моторчик, а коллектор — это щётки, которые рвут цепь сотни раз в секунду и при каждом разрыве выбрасывают искру. Искра — импульс помехи, и летит он по двум путям: по проводам питания и прямо в воздух, потому что двухметровый шлейф — приличная антенна. Сигнальный провод, лежащий в том же жгуте, что и силовые, ловит эти импульсы и подмешивает их к импульсам управления. Результат я и видел на голове с дальномером: сердо вздрагивает в те моменты, когда должна стоять, потому что вместо чётких 20-миллисекундных посылок её приёмник получает кашу.

Плохие провода усиливают всё сразу. Тонкая макетная перемычка — это около 0,3 Ом и заметная индуктивность: при резком скачке тока через неё ЭДС самоиндукции подкидывает в шину лишние милливольты, а на длинном плече ещё и падение напряжения. Отсюда первое правило проводки: силовые провода серво — короткие и толстые, сигнальный — отдельно, вдали от силового жгута. Второе правило: дрожь в покое ±1° без нагрузки у дешёвой аналоговой SG90 — почти норма, её схема управления пересчитывает позицию каждые 20 мс и постоянно мелко правит вал; цифровая серво в тех же условиях стоит как вкопанная. А вот резкий визг вместе с нагревом корпуса — уже не норма: так звучит мотор, которому не хватает тока или который держит позицию против сопротивления.

Лечение на стороне схемы стоит копейки. Электролитический конденсатор 470–1000 мкФ между плюсом и минусом питания серво — прямо у её разъёма, плюс к плюсу, — превращает острый провал на пусковом токе в пологую ямку: конденсатор отдаёт недостающее за те миллисекунды, пока тракт не успел. Рядом не помешает керамика на 0,1 мкФ — она гасит высокочастотную часть помех, которую электролит пропускает мимо ушей из-за собственной индуктивности. Это та же медицина, что в любой схеме с моторами, и в уроке про шины питания макетки она разобрана подробнее. Действие конденсатора видно и в цифрах: ниже в симуляторе пары i= и v= считаются без него, и на упоре шина проваливается в зону сброса — тот же формат пар имя=значение, что рисует график в Serial Plotter, только графику здесь нужен уже не угол, а милливольты.

И трюк из арсенала радиомодельщиков, который я подсмотрел на форуме после истории с MG995: сначала сигнал, потом питание. Рывок серво к упору при подаче напряжения случается, когда она просыпается раньше, чем получает валидные импульсы. Порядок «attach() и write() выполнены, серво получает команду — и только затем на неё подаётся питание» убирает стартовый удар почти полностью. В схеме это реле или транзистор на силовой линии; в жизни — просто не подавайте питание до того, как скетч запустился и отработал setup().

Диагностика всегда идёт от дешёвых проверок к дорогим. Шаг первый: отключите серво и запустите плату — если перезагрузки исчезли, код почти наверняка не виноват, вы экономите вечер. Шаг второй: замените источник — питание от зарядки телефона 5 В 2 А через разъём вместо USB; серво при этом пока питаем от того же тракта, но у зарядки запас тока вдвое больше. Шаг третий: снимите серво с механизма и запустите на столе — если на столе всё плавно, а в механизме дёргается, вы упёрлись в нагрузку и стопорные токи, и это уже не помехи, а арифметика питания. Шаг четвёртый: разведите провода и добавьте конденсатор — косметика, которая лечит остаточные подрагивания.

Если после всех шагов просадка остаётся — значит, задача честно переросла USB, и нужен внешний источник для мотора. Как его выбрать, рассчитать запас по току и соединить с Arduino через общий провод — тема следующего урока, финального в этой ветке: сначала диагноз, потом лечение. Но не перепрыгивайте диагностику: внешний блок питания, прикрученный к схеме с кривой землёй, лечит не то и добавляет свои глюки.