Ток удержания: почему серво греется стоя

Шлагбаум на въезде в мой гараж простоял открытым сорок минут — я уходил монтировать видео для этого сайта, — а когда вернулся к столу, корпус SG90 не поддался пальцу: пластик разогрелся так, что пахло горячей пылью. При этом серво «ничего не делала». Она стояла на 90 градусах и ждала следующей команды, как её и просили. Первой мыслью был брак, и я поймал себя на том, что уже открыл вкладку с корзиной маркетплейса. Спасло то, что новая серво стоила как две пиццы, а я всё ещё считал себя инженером: включил Serial и стал считать — если серво стоит на месте, откуда у неё вообще энергия на нагрев?

Разбор этой загадки и есть урок. Мы посчитаем ток в каждом режиме работы — от лёгкой езды до удара в упор, найдём, где именно серво работает на износ, разберём мою «оптимизацию», которая делала всё хуже, и соберём скетч со счётчиком командных импульсов: он делает невидимую работу стоящей серво видимой в Serial, а заодно показывает, что происходит после detach().

Сервопривод — не моторчик, который засыпает, когда ему нечего крутить. Внутри у неё замкнутый контур: плата постоянно сравнивает заказанный угол с показаниями потенциометра на выходном валу и гонит мотор, пока есть рассогласование. Механику этого контура мы разбирали по деталям в уроке про анатомию серво изнутри. А теперь самая хитрая часть, на которой спотыкаются все, включая меня того времени: команда write(90) — не разовый приказ, а подписка. После неё библиотека Servo.h шлёт импульс каждые 20 миллисекунд — пятьдесят раз в секунду, без праздников и выходных.

Плата серво слушает эти импульсы и держит мотор в состоянии боевой готовности: чуть тронули качалку — вал тут же возвращают на место. Стоящая серво — это система, которая работает прямо сейчас, просто её работа не видна глазу. На поддержание готовности уходит ток, а любой ток в моторе и ключах превращается в тепло внутри корпуса размером с крупную виноградину. Вот и вся тайна «холодного дымохода»: серво греется стоя по той же причине, по которой греется рука, сжимающая мяч, — статическое усилие тоже тратит энергию.

Числа — каждое с условием, потому что вилки у SG90 широкие, а дешёвые экземпляры гуляют внутри вилок прилично. Серво стоит без нагрузки, качалку никто не трогает: порядка 10–30 мА — это электроника и микрокоррекции. Едет без нагрузки: 100–250 мА, причём верх вилки — в момент старта, пока шестерни разгоняются. Держит угол, а пружина или ваш палец давят на рычаг: ток подскакивает к сотням миллиампер и растёт пропорционально силе подпора. Уперлась в неподвижное препятствие и продолжает получать команду: это режим упора, 650–700 мА — максимум из даташита, мотор давит изо всех сил и никуда не едет.

При 600 мА на обмотках и ключах рассеивается около ватта тепла в корпус весом девять граммов — отсюда «утюг» через сорок минут. У крупной MG996R цифры другого порядка, мы их отдельно считали в уроке про MG995 и MG996R. Вывод, к которому я пришёл с мультиметром и термометром: греется не «езда», а «борьба». Езда даже полезна — вал хотя бы крутится. А вот каждый час в подпоре или упоре стоит проекту и корпуса, и шестерён, и, если питание общее с платой, случайных перезагрузок Arduino: об этом отдельная история в уроке про дрожь и просадки питания.

Одна оговорка для честности: ток покоя я мерил лабораторным блоком с амперметром в разрыве плюсового провода, и ваши экземпляры могут отличаться на десятки процентов — дешёвая партия есть дешёвая партия. Но порядок величин держится крепко: разрыв между «стоит без нагрузки» и «стоит с подпором» — десятикратный, и именно этот разрыв отделяет тёплую серво от утюга. Поэтому в таблице ниже я прошёлся по всем режимам с рекомендацией для каждого — она короткая, потому что толковых вариантов лечения немного.

Теперь моя проходная ошибка, чтобы вы её не повторяли. Я решил, что серво иногда «теряет команду», и начал слать write() в каждом проходе loop — десятки тысяч раз в секунду, для надёжности. Схема выглядела разумно и работала ровно наоборот: плата серво при каждом импульсе видела свежую команду, контур коррекции не спал ни миллисекунды, и серво, которая могла бы стоять тихо, гудела от каждой микровибрации, а ток удержания вырастал в разы. Ничего это не чинило: write(90) и так подписка навсегда, частота повторов ничего не добавляет — частота уже задана библиотекой на 50 Гц.

Правило, которое я вынес из этого тупика: write() вызывается только при перемене цели. Сменился угол — посылаем приказ один раз; угол тот же — молчим, библиотека сама держит поток импульсов. Скромнее выглядит в коде — тише работает в железе. И это же правило защищает от второго симптома: постоянные повторы команды загоняют серво в микрокачания, а микрокачания в сумме с просадкой питания и роняют Uno — цепочку мы уже разбирали в уроке про дрожь.

Первый способ — отступ: никогда не заказывайте угол, на котором качалка прижимается к упору или к неподвижной детали. Мы это правило вырабатывали в уроке про серво-переключатель с двумя положениями: 15–20 градусов запаса — и режим упора исчезает из жизни проекта насовсем. Второй способ — detach(): когда серво доехала и вал можно отпустить, четвёртым вызовом библиотеки снимаем командные импульсы совсем — плата серво почти замолкает, и нагрев падает до комнатной температуры. Но у способа жёсткая граница: если нагрузка способна сдвинуть вал — ветер, пружина, противовес, вес самой заслонки, — без импульсов она сделает это за вас, и вернуть всё на место можно будет только новым write(). Поэтому на указатель с лёгким флажком я ставлю detach() всегда, а на шторку с пружиной — никогда.

Третий способ — питание: отдельный источник на 5–6 В с общим минусом и Arduino, чтобы борьба серво не роняла плату и не грела её стабилизатор. Вся схема с номиналами собрана в уроке про внешнее питание серво; граница простая — блок на 2 А вывозит одну SG90 с запасом, на две серво с подпором он уже впритык. Питание не убирает нагрев самой серво — ватт тепла куда-то деваться должен, — но разделяет проблемы: серво греется своё, электроника живёт отдельно. А detach() в цепочке стоит последним: сам вызов — одна строка после приезда, но у него есть нюансы с таймингом и повторным захватом пина; мы их разбирали в уроке про attach, write и detach. Ниже два скетча: минимальный паттерн «приказ только при перемене цели» и счётчик командных импульсов, который переводит нагрев в числа и умеет останавливаться по кнопке.