Серво непрерывного вращения: модифицируем SG90

Панорамная штанга была моим любимым проектом до вторника: камера на серво поворачивалась на 180 градусов, снимала таймлапс и возвращалась. Проблема всплыла, когда я захотел снять полную окружность: SG90 доезжала до края, билась об упор и трещала — дальше её не пускал собственный механизм. Я взял вторую серво, вскрыл корпус и спилил упор, гордый своей решительностью. Новый сюрприз пришёл через минуту: на команде, которая раньше значила «стой», серво молотила по кругу, как будто я приказал ей бежать марафон. Час я переписывал скетч, подозревая библиотеку, прежде чем понял: я сломал не механику, а обратную связь, и даже «стоп» теперь надо находить заново — по своему, отдельному для каждой серво, углу. Хорошая новость: операция занимает полчаса, стоит копейки и не требует ничего, кроме паяльника, надфиля и пары резисторов.

В этом уроке разберём, что именно делает серво обычной: датчик-потенциометр и упор на главной шестерне. Пройдём модификацию по шагам — спил упора и делитель из двух резисторов вместо потенциометра — и соберём Serial-стенд, который на живой плате находит стоп-угол и меряет обороты. В симуляторе ниже стенд уже работает: циферблат показывает приказы, Serial печатает пары «угол — обороты», и на этих рядах видно всю шкалу скоростей, которую вы получите на настоящей плате.

Я уже разбирал серво по винтикам в уроке про анатомию сервопривода, там схема такая: моторчик, редуктор из пластиковых шестерён и потенциометр, механически связанный с выходным валом. Плата внутри непрерывно сравнивает два числа — какой угол заказан импульсом и где вал стоит по показаниям потенциометра — и гонит мотор в сторону рассогласования. Как только разница стала нулём, мотор останавливается: серво держит угол.

Непрерывное вращение получается обманом этой пары. Если потенциометр навсегда показывает середину — примерно 90 градусов, — плата верит, что вал всегда в центре. Приказ write(90) означает «разница ноль» — мотор молчит. Приказ write(0) — «разница огромная, крути туда» — мотор крутится до посинения, а потенциометр всё так же докладывает про центр. Скорость при этом пропорциональна величине обмана: чем дальше приказ от стоп-точки, тем быстрее вращение. Вторая часть операции — механическая: на главной шестерне SG90 отлиты ступеньки-упоры, о которые вал бьётся на краях хода. Их спиливают заподлицо, чтобы шестерня могла крутиться без конца. У некоторых партий второй упор отлит в крышке корпуса — если вал после спила всё равно спотыкается на одном месте, ищите выступ в пластике.

Из этой схемы следствия два. Первое: непрерывная серво никогда не узнает, где её вал, — удержание позиции исчезает вместе с датчиком, и никакой код его не вернёт. Второе: приказ write() перестаёт быть координатой и становится газом: те же импульсы теперь командуют оборотами, а не положением, поэтому весь словарь «углы, градусы, упоры» в скетчах меняется на «проценты, обороты, стоп». На циферблате это выглядит странно: серво отвечает на каждый приказ вращением — глазом вы видите только факт движения, а цифры снимаете через Serial.

Порядок работ такой. Четыре винта снизу, снять заднюю крышку, вытащить плату, выложить шестерни. На главной шестерне — большой, с валом — срезаем упорные ступеньки ножом и дорабатываем надфилем заподлицо. Дальше электрика: выпаять потенциометр и поставить на его место делитель из двух резисторов по 2,2 кОм — средняя точка делителя идёт на средний контакт разъёма. Плата увидит постоянную «половину хода» и поверит, что вал всегда в центре. Мой первый заход был хуже: я попытался провернуть потенциометр в среднее положение и закрепить его на шестерне каплей лака. Ничего не вышло — при вращении вала потенциометр крутится вместе с ним, показания плывут, и серво сходила с ума: ползла, дёргалась, ревела на остановках. Правильно именно вырвать датчик из обратной связи, а не успокоить его.

Числа для ожиданий. Полный ход моей модифицированной SG90 при 5 В без нагрузки — оборот за 0,6–0,7 с, это порядка 90–100 об/мин; с приклеенным колесом и грузом платформа теряет треть скорости. Кому паять не хочется: готовая непрерывная серво FS90R стоит немногим дороже двух SG90 и едет предсказуемее — заводская модификация всегда аккуратнее гаражной. Я всё же иногда паяю сам, но только когда серво нужна срочно, а магазин далеко.

Про инструменты: нож, надфиль и паяльник на 25–30 Вт — вот весь набор. Резисторы берите одного номинала и одной партии: разброс внутри пары меньше, чем между партиями, и стоп-точка окажется ближе к середине шкалы. Ножки потенциометра откусывайте по одной и запоминайте цвета — крайние ноги идут на края делителя, средняя на среднюю точку; перепутаете — серво будет ехать только в одну сторону и на всю скорость.

Делитель из резисторов не даёт ровно половину: два резистора имеют разброс, и стоп-точка конкретной серво оказывается не на 90, а на 86 или 93. Скетч выше перебирает углы от 80 до 100 с шагом в один градус: на живой плате смотрите на вал — на стоп-угле он замрёт, а по обе стороны медленно поползёт в разные стороны. У моего экземпляра стоп был на 88, у соседнего из той же партии — на 92. Найденный угол записывайте константой в каждый скетч: вся «арифметика скорости» дальше строится от него.

Обороты меряю секундомером: отмечаю на колесе метку, даю полный ход и засекаю десять оборотов — на десяти погрешность отсчёта в полсекунды превращается в 5%, на одном обороте она была бы неприличной. Ряды с приказами удобно смотреть на Serial Plotter: пара «угол — обороты» рисует лестницу скоростей, по которой сразу видно и мёртвую зону, и асимметрию — у моей серво полный ход по часовой был 0,62 с на оборот, против часовой — 0,68: резисторы делителя чуть разные. Для платформы это неважно, для одометрии — уже поправка в коде.

Стенд заодно проверяет и механику. Равномерный шелест на краях шкалы — спил сделан чисто; стук на каждом обороте — шестерня задевает остаток упора или в редукторе осталась откушенная ножка. Оба варианта я ловил: недоспиленный ус допиливался за минуту, а болтающаяся деталь в редукторе заставила разбирать серво второй раз — не закрывайте крышку до тихого хода.

Жизнь после модификации меняется сильнее, чем кажется до скальпеля. Непрерывная серво не держит позицию в принципе: ей нечем знать, где её вал, — датчика больше нет. Тормоз здесь — команда стоп-угла: плата продолжает сопротивляться вращению и гасит вал, пока рука не сильнее мотора. Для парковки платформы на уклоне этого мало, нужна механика — храповик, червячная пара или обычная серво с упором. Взамен вы получаете привод с честной скоростной шкалой и готовой электроникой: колесо робота, конвейерную ленту, вращающийся стенд для фотосъёмки. Как выжать из этой шкалы разгон, торможение и стоп без сюрпризов — предмет следующего урока про управление скоростью; библиотечные основы attach() и write() при этом не меняются, они разобраны в уроке про Servo.h, а провода и питание — в уроке про подключение SG90.

Отдельная благодарность серво за простоту диагностики. Привод молчит на всех приказах — проверяйте провода и стоп-угол. Крутится только в одну сторону — делитель собран с ошибкой. Греется на «стопе» — стоп-угол найден неточно, и мотор молотит впустую внутри мёртвой зоны. Три симптома, три адреса, и ни один не требует осциллографа: мой второй экземпляр после такой таблицы ожил за пять минут.