Ритм 50 Гц: почему серво не обновляется чаще 20 мс

Однажды я решил разогнать плавный ход по-честному: поставил паузу 1 мс на градус и ждал ракету. Вал не ускорился, зато скетч стал злее к остальным задачам — loop крутился, как заведённый, а серво ехала с тем же лицом. Разговор тогда закончился на мануале, а вывод стоит отдельного урока: у серво есть свой ритм, и наш скетч его не выбирает.

Серво не слушает write() напрямую. Она слушает импульсы, которые библиотека Servo.h рисует на пине каждые 20 миллисекунд — 50 раз в секунду. В исходниках библиотеки за это отвечает константа REFRESH_INTERVAL со значением 2000 — микросекунд на кадр. На каждом кадре электроника серво пересматривает цель; всё, что скетч успел записать между кадрами, живёт в памяти платы до ближайшего кадра и больше ни на что не влияет.

В уроке про подключение SG90 частота 50 Гц упоминалась как факт из паспорта; здесь посмотрим на неё как на границу проектирования. Посчитаем, сколько команд реально доезжает при паузах 2, 5, 20 и 40 мс, проверим счётчиком в симуляторе — и разберёмся, зачем вообще существует нижняя граница паузы.

Считать удобнее в кадрах. Пауза 40 мс — новые цели каждые два кадра: 25 целей в секунду, и каждая доезжает спокойно. Пауза 20 мс — ровно один кадр: 50 целей в секунду, идеальная пара скетчу и серво. Пауза 5 мс — вы пишете 200 целей в секунду, а кадров всего 50: три из четырёх команд серво никогда не увидит, она прочитает лишь последний записанный угол на момент кадра.

При 1-2 мс потолок тот же: 50 кадров. Легенда «пауза 1 мс — значит 1000°/с» не переживает встречи с механикой SG90: 0,1 секунды на 60° — это 600°/с максимум, да и усилителю серво нужен целый кадр, чтобы вообще что-то понести. Фактический эффект ультракороткой паузы: вал сглатывает промежуточные градусы и едет рывками, а loop теряет сотни проходов в секунду на бессмысленные записи.

Откуда взялся именно 20 мс: аналоговые серво проектировались под кадр 50 Гц, и их усилитель буквально ждёт импульс с таким интервалом. Цифровые модели гоняют внутренний контур быстрее — у быстрых серво он доходит до 333 Гц, — но входной кадр чаще всего остаётся обычным, и гнаться за частотой команд нет смысла. Библиотека позволяет поднять частоту правкой REFRESH_INTERVAL — на форуме arduino.cc этим занимались любители 100 Гц для полётных контроллеров, — но на аналоговой серво выигрыша я не увидел: кадр жёстче, чем кажется.

Механику потерь легко увидеть на бумаге: вообразите конвейер из 50 слотов в секунду, каждый слот — один кадр. write() кладёт угол на ленту в любой момент, но забирает его электроника серво только на слоте. Быстрый скетч успевает положить четыре угла между слотами — доедет последний положенный, три предыдущих уйдут непрочитанными. Слот работает всегда, даже когда серво стоит: усилитель ждёт импульс и в покое, отсюда и ток удержания, о котором говорит отдельный урок.

Счётчик writes считает ровно то, что уходит в write() за секунду, — и это число не совпадает с числом кадров, которые видит серво. При паузе 40 мс счётчик покажет около 25, при 20 мс — около 50, а при 1 мс — под 900, и ни одна из этих девятисот целей не доедет быстрее, чем в варианте с 20 мс. Разница между написанным и увиденным — и есть урок этой главы: кадр живёт на стороне библиотеки и серво, а не в нашем скетче.

Ширину импульса внутри кадра библиотека хранит с точностью до микросекунды, и тонкая подстройка угла доступна через writeMicroseconds — это разобрано в уроке про импульсы 1000-2000 мкс. Но гранулы ширины не отменяют гранулы времени: кадр всё равно 20 мс, точнее станет угол, а не скорость. Если нужен по-настоящему свой ритм импульсов — это путь урока про Timer1 без библиотеки, где кадр рисуется руками.

Кстати, кадр не зависит от загрузки loop: импульсы Servo.h рисует прерывание от Timer1, и даже забитый скетч его не сдвинет. Зато millis-задачи вокруг от тяжёлой печати страдают первыми — пульсацию хода пульта я однажды полдня ловил, а виноват был Serial.println в каждом проходе. Разница примечательная: частоту кадров вы не контролируете вовсе, а распределение своих миллисекунд между задачами — полностью.

Симулятор в книге честно показывает команды: каждая write меняет угол на циферблате, счётчик печатает их количество в секунду. Реальная серво видит не больше 50 целей — кадры. Эта разница и есть демонстрация: покрутите ручку в левый край, где счётчик выдаёт сотни записей в секунду, и вспомните, что на настоящей плате из них доедут максимум полсотни. Серво в симуляторе доехала бы мгновенно; вал настоящей SG90 ограничен ещё и механикой 0,1 с на 60°.

Счётчик полезен и на реальной плате — он показывает цену скетча для loop. Каждая лишняя запись — это пересчёт ширины и проход цикла; при паузе 1 мс loop почти не остаётся свободным, и соседи по скетчу начинают голодать. Заодно счётчик отучает мерить скорость глазами: в симуляторе серво отзывается мгновенно, на плате вал догоняет за 0,1 секунды на 60° — обе цифры честные, каждая про своё. Моё правило после того разгона: пауза на градус — от 5 мс, а желание ехать быстрее решается не частотой команд, а выбором серво и редуктора под задачу.

Кадр 20 мс объясняет и ещё одну привычную картину: почему при нескольких серво скетчи спокойно крутят их из одного loop. Библиотека раскладывает импульсы каналов внутри одного и того же периода — на Uno таймер Timer1 тянет до 12 серво с кадром 20 мс у каждого. Упираемся мы обычно не в каналы, а в питание: урок про несколько серво на Uno считает токи раньше, чем подключается вторая серво.

Соберём правила главы в три строки. Первое: пауза между градусами от 5 мс — короче нет смысла, кадр всё равно 20 мс. Второе: скорость упирается в механику, а не в частоту команд. Третье: счётчик write/s — быстрый способ увидеть, сколько работы скетч раздаёт зря. С ними millis-скелет из первого урока и пульт из второго перестают быть рецептом — становятся понятной системой, где у каждого числа есть владелец. Владелец частоты кадров — библиотека; ваша собственность — пауза между градусами и то, что живёт между ними.