Сервопривод SG90: подключение и первые углы

Пакет из маркетплейса шуршал многообещающе: внутри лежала синяя коробочка размером с крупную виноградину — сервопривод SG90, а рядом россыпью белые пластиковые качалки. Я тогда уже умел мигать светодиодом и был уверен, что теперь всё получится за пять минут. Воткнул три провода, залил скетч из первого попавшегося гайда — и попал в цирк: серво мелко дёргалась, гудела, а Arduino Uno уходила в перезагрузку каждый раз, когда рычаг пытался съехать с места. Полчаса я подозревал брак, прежде чем понял: серво исправна, сломано было моё представление о питании.

В этом уроке мы подключим SG90 так, как она того просит. Разберём три провода и их цвета, поймём, на каком языке серво понимает команды — короткими импульсами длиной 1000–2000 микросекунд, повторяющимися 50 раз в секунду, — напишем первый скетч с attach() и write() и соберём осмысленную механику «разворот по кнопке». Всё сразу можно пробовать в симуляторе ниже, настоящая плата понадобится, когда захотите потрогать рычаг пальцем.

Моторчик — наивный зверь: подал на него напряжение — крутится, убрал — стоит, скорость регулируешь силой тока. Он не знает, на сколько градусов повернулся, и честно в этом признаётся люфтом вала. Сервопривод устроен хитрее: в одном корпусе спрятаны маленький моторчик, редуктор из пластиковых шестерёнок и потенциометр, механически связанный с выходным валом. Плата внутри постоянно сверяет два числа — какой угол ей заказали и где вал находится прямо сейчас — и гонит мотор в сторону рассогласования.

Поэтому серво не крутится по кругу. Она идёт к заказанному углу и держит его, сопротивляясь, если вы пытаетесь рычаг сдвинуть. У SG90 рабочий ход — от 0 до 180 градусов, усилие — около 1,8 кг·см, вес — 9 граммов. Пока серво держит позицию, а вы давите на рычаг, она гудит и греется — именно в этот момент ток подскакивает к максимумам, о которых ниже. Существуют ещё серво с непрерывным вращением: у них внутри вместо потенциометра стоит обманка, и write() задаёт не угол, а скорость — но сегодня речь про классические.

Я считаю, что серво — лучший второй шаг после светодиода: результат виден без мультиметра и плоттеров, механика интуитивна, а грабли питания дают урок электроники, который не забывается. Если руки уже чешутся собрать роборуку из шести серво — я бы всё же начал с одной: иначе упрётесь в питание и перепайку одновременно, и не поймёте, чей это глюк.

У SG90 три провода, и их цвета почти всегда одинаковы: оранжевый (у некоторых партий жёлтый) — сигнал, красный — плюс питания 5 В, коричневый (иногда чёрный) — земля. Первая ассоциация новичка: «сигнальный провод передаёт напряжение, чем больше — тем больше угол». Это не так, и именно поэтому попытка управлять серво через analogWrite() заканчивается конфузом: серво вяло шевелится или молчит.

Серво понимает длительность импульсов. Каждые 20 миллисекунд (это частота 50 Гц — пятьдесят команд в секунду) на сигнальный провод надо подать высокий уровень на короткое время: от 1000 до 2000 микросекунд. Ширина импульса и есть команда: 1000 мкс — «встань на 0°», 1500 мкс — «встань на 90°», 2000 мкс — «180°, дальше упор». Между импульсами линия лежит на нуле, и серво терпеливо ждёт следующей посылки. Вся хитрость в том, что эти импульсы не надо слать руками — библиотека Servo.h делает это за вас в фоне, силами таймера микроконтроллера.

Числа с оговоркой: в даташите SG90 заявлен диапазон примерно 500–2400 мкс, и мой экземпляр послушно уезжал дальше штатных углов при 600 и 2400. Но за 0° и 180° у серво стоит механический упор, в который она бьётся с перегрузом каждые 20 мс — пластиковые шестерёнки этого не любят и со временем облизываются. Библиотека Servo.h по умолчанию шлёт импульсы 544–2400 мкс, так что write(0) и write(180) в неё укладываются, однако я советую на первых порах не выходить за вилку 1000–2000: пара месяцев спокойной работы дороже пары лишних градусов размаха.

Схема — три провода: коричневый в любой GND, красный в 5V, оранжевый в цифровой пин 9. Почему именно 9? Строго говоря, сигнал серво можно повесить на любой цифровой пин — библиотека сама организует импульсы. Но на Uno библиотека Servo работает через таймер Timer1, который заодно обслуживает analogWrite() на пинах 9 и 10: после sv.attach() эти два пина перестают отдавать обычный ШИМ. Поэтому их традиционно отдают серво, а обычный ШИМ переносят на пины 3, 5, 6 или 11.

В макетку серво ставится рядом с платой; провода у SG90 короткие, для первой схемы этого хватает. Если качалка ещё не надета — наденьте рычаг на вал так, чтобы в середине хода он смотрел перпендикулярно корпусу. Иначе на write(90) серво будет поворачиваться «вбок», и вы решите, что ошиблись в коде, хотя ошиблись в механике.

Библиотека Servo.h входит в Arduino IDE и не требует установки. Работа с ней строится на трёх вызовах. attach(пин) — «с этого пина я буду слать импульсы», вызывается один раз в setup(). write(угол) — приказ занять позицию от 0 до 180; вызывать можно сколько угодно раз, серво поедет к новой цели. read() — возвращает последний записанный угол, и это важно: заказанный, а не фактический. Спросить серво, где её вал в реальности, нельзя — она не отчитывается, внутри у неё только заказ и механика.

После attach() библиотека сама, в фоне, шлёт импульсы каждые 20 мс — вручную дёргать пин не нужно. На одну Uno можно повесить до 12 серво на пины 2–13, таймер у них общий. Ниже — первый скетч: серво шагает из 0° в 180° и обратно, раз в секунду меняя цель.

Соберём первую осмысленную механику: по нажатию кнопки серво переворачивается между двумя позициями — 0° и 90°. Кнопку подключаем между пином 2 и GND, пин настраиваем как INPUT_PULLUP: внутренняя подтяжка держит его на HIGH, а нажатие прижимает линию к земле, и digitalRead() возвращает LOW. Запомнить «нажата — значит LOW» полезно заранее: половина ошибок новичков с кнопками живёт именно здесь.

Ловим не «нажата», а «нажата только что»: сравниваем текущее состояние с предыдущим. Это называется фиксацией фронта. Без неё, пока палец лежит на кнопке, серво будет переворачиваться пятьдесят раз в секунду — кнопка не «событие», а уровень. После срабатывания ставим паузу 200 мс — грубая, но рабочая защита от дребезга, когда контакты в момент замыкания раз десять успевают мигнуть. Для кнопки-переключателя этого достаточно; изящные решения с millis() приходят в следующих уроках.

Прочитанное без рук не работает — код нужно пощупать, желательно до того, как он пощупает вас. Четыре задачи прямо в симуляторе, по возрастанию сложности.

Во втором уроке раздела заставим серво двигаться плавно — по градусу за 15 мс, — подключим потенциометр как ручку управления через map() и перепишем движение на millis(), чтобы loop() не блокировался. А тупик с перезагрузками закончим по-взрослому: отдельное питание серво, общий провод — и ни одного сброса.