Сервопривод MG996R и Arduino: момент, ток, питание и код

Сервопривод MG996R — стандартный выбор для тяжёлой работы в проектах на Arduino: у него металлические шестерни и момент до 11 кг·см при 6 V. При массе 55 г он поднимает плечо робота-манипулятора, открывает тяжёлую крышку или поворачивает крепление камеры pan-tilt. Но за такую силу приходится платить: под нагрузкой MG996R потребляет до 2,5 A. Поэтому, в отличие от SG90, его нельзя просто подключить к пину 5V на Arduino: нужны внешний источник 5–6 V, общая земля (GND) и конденсатор рядом с сервоприводом. Если пренебречь этими правилами, сервопривод дрожит, Arduino постоянно перезагружается, а компьютер может даже отключить USB-порт.

В этом руководстве разберём на реальных цифрах момент и ток MG996R, выбор источника питания, работу с диапазоном 500–2500 µs в библиотеке Servo, чтобы найти пределы именно твоего сервопривода, а также защиту от дрожания и перезагрузок. Затем перейдём к коду для ESP32 и Raspberry Pi Pico, модулю PCA9685, который управляет 16 сервоприводами по двум проводам, выбору сервоприводов для робота-манипулятора и сравнению с SG90 и MG90S.

Что такое сервопривод MG996R и как он работает?

MG996R — улучшенная версия старой модели MG995 от TowerPro: благодаря переработанной плате управления и шестерням он надёжнее встаёт в центр и имеет меньший люфт. Внутри корпуса находятся небольшой DC-мотор, металлический редуктор, который замедляет мотор и увеличивает момент, потенциометр, измеряющий угол выходного вала, и плата управления, которая всем этим руководит. Плата считывает ширину импульса, приходящего по сигнальному проводу каждые 20 мс (50 Hz), сравнивает заданный угол с углом, который показывает потенциометр, и вращает мотор, пока разница не исчезнет. Импульс около 1500 µs соответствует среднему положению; более короткие импульсы поворачивают вал в одну сторону, более длинные — в другую. Мёртвая зона 5 µs в даташите означает, что сервопривод не реагирует на изменения меньше этой величины. Как вообще устроены сервоприводы, мы подробно рассказали в статье Что такое сервопривод?.

Что такое момент? Как правильно читать значение в кг·см

Момент (крутящий момент) — это способность сервопривода поворачивать груз на определённом расстоянии от вала; он измеряется как сила × расстояние. 11 кг·см означает, что сервопривод удержит 11 кг в 1 см от вала или 1,1 кг в 10 см; при удвоении расстояния допустимый груз уменьшается вдвое. Чтобы перевести значение в ньютон-метры, умножь его на 0,098: 11 кг·см ≈ 1,08 Н·м. Ключевая деталь: в даташите указан момент при заторможенном валу, то есть предел, при котором вал останавливается, ток достигает пика, а сервопривод нагревается. При длительной работе нагрузка не больше половины этого значения не даёт сервоприводу перегреваться, уменьшает дрожание и продлевает жизнь шестерням.

Таблица учитывает только груз на конце плеча. В реальном механизме к моменту добавляются масса самого плеча, других сервоприводов, установленных на нём, и захвата: массу каждой детали нужно умножить на её расстояние от вала и всё сложить. Например, если на конце плеча длиной 15 см находятся захват массой 150 г и предмет массой 100 г, только они вдвоём дают 0,25 × 15 = 3,75 кг·см, а вместе с массой самого плеча сумма может дойти до 5 кг·см. Это чуть меньше половины момента MG996R при заторможенном валу на 6 V, так что выбор правильный. Расчёт момента по деталям с примером есть в руководстве Робот-манипулятор на Arduino.

Ток: почему MG996R нельзя питать от пина 5V на Arduino?

В покое без нагрузки MG996R потребляет всего около 10 mA (если он удерживает груз, ток растёт вместе с нагрузкой), но при движении ток поднимается до 0,5–0,9 A, а под нагрузкой на валу и в первые миллисекунды каждого старта приближается к 2,5 A. Когда Arduino Uno питается от USB, общий ток, который можно взять с пина 5V, ограничен предохранителем платы на 500 mA, и часть этого тока расходует сама плата. В момент старта сервопривода линия 5 V заметно проседает на несколько миллисекунд, процессор начинает работать нестабильно, и плата перезагружается. Компьютер тоже может на время отключить USB-порт, через который идёт слишком большой ток.

Провода — тоже часть проблемы. У тонких проводов-перемычек и контактов макетной платы сопротивление легко набирается до 0,2 Ω. Посчитай с помощью калькулятора закона Ома: при пиковом токе 2,5 A только в проводах теряется 2,5 × 0,2 = 0,5 V, поэтому от источника 5 V до сервопривода доходит 4,5 V, сервопривод слабеет и дрожит. К тому же контакты макетной платы рассчитаны примерно на 1 A. Подключай силовые провода MG996R не через макетную плату, а напрямую к винтовой клемме или к паяной распределительной шине и используй провод 20–22 AWG.

Правильное питание: внешние 5–6 V, общая земля и конденсатор

1. Выбери источник: возьми импульсный блок питания на 5 V или 6 V, который выдаёт ток из таблицы выше для нужного количества сервоприводов. Для переносных проектов хорошо подходят 4 NiMH-аккумулятора AA (4,8 V) или сборка 2S LiPo с понижающим стабилизатором (UBEC), настроенным на 6 V.
2. Плюс — только на сервопривод: подключи плюс источника к красному проводу MG996R, а к пину 5V на Arduino его не подключай.
3. Объедини земли: подключи минус источника и к коричневому проводу сервопривода, и к пину GND на Arduino. Сигнал — это напряжение, которое измеряется относительно GND, поэтому без общей земли сервопривод не понимает импульсы.
4. Подключи сигнал: оранжевый провод — к пину D9 на Arduino Uno (GPIO 18 на ESP32, GP15 на Pico).
5. Добавь конденсатор: поставь электролитический конденсатор 470–1000 µF / 16 V параллельно выводам питания сервопривода, как можно ближе к нему; вывод, отмеченный полосой на корпусе, идёт на минус. Если сервоприводов несколько, закладывай примерно 100 µF на каждый.
6. Питай Arduino отдельно: запитай плату от USB или через гнездо питания (DC). Тогда просадки напряжения от сервопривода не доходят до процессора.

Библиотека Servo и диапазон 500–2500 µs

Библиотека Servo для Arduino устанавливается вместе с IDE. Когда в коде стоит servo.attach(9), библиотека по умолчанию использует диапазон 544–2400 µs и сопоставляет write(0) и write(180) этим двум границам; многие MG996R в таком диапазоне немного не доходят до 180 градусов. Чтобы расширить диапазон, напиши servo.attach(9, 500, 2500). Эта деталь важна, потому что writeMicroseconds() тоже не выходит за пределы, заданные в attach: если написать writeMicroseconds(2500), не указав пределы, библиотека молча урежет значение до 2400. Кроме того, write() воспринимает числа меньше 544 как угол, а большие — как микросекунды.

На Arduino Uno библиотека Servo поддерживает до 12 сервоприводов, а поскольку она использует Timer1, при подключённом сервоприводе analogWrite не работает на пинах 9 и 10. Механический предел у каждого MG996R тоже немного свой: по даташиту производителя со стандартными импульсами 1000–2000 µs угол поворота составляет около 120 градусов, а с расширенным диапазоном большинство экземпляров приближается к 180 градусам. Сервопривод, который толкают за предел, упирается во внутренний упор, потребляет ток заторможенного вала, гудит и нагревается. Поэтому первым делом найди безопасный диапазон импульсов своего сервопривода с помощью скетча ниже.

1#include <Servo.h>
2
3const byte SERVO_PIN = 9;          // turuncu sinyal kablosu / orange signal wire
4Servo servo;
5int pulseUs = 1500;                // orta konum / center position
6
7void setup() {
8  Serial.begin(115200);
9  servo.writeMicroseconds(pulseUs);      // önce darbe, sonra attach / pulse first, then attach
10  servo.attach(SERVO_PIN, 500, 2500);    // aralığı genişlet / widen the range
11  Serial.println(F("500-2500 arasi bir deger yaz / type a value between 500 and 2500"));
12}
13
14void loop() {
15  if (Serial.available()) {
16    long value = Serial.parseInt();             // yazılan sayıyı oku / read the typed number
17    while (Serial.available()) Serial.read();   // satır sonunu temizle / clear the line ending
18    if (value >= 500 && value <= 2500) {
19      int step = (value > pulseUs) ? 10 : -10;  // 10 µs adımlarla yavaşça git / move slowly in 10 µs steps
20      while (abs(value - pulseUs) >= 10) {
21        pulseUs += step;
22        servo.writeMicroseconds(pulseUs);
23        delay(5);
24      }
25      pulseUs = value;
26      servo.writeMicroseconds(pulseUs);
27      Serial.print(F("Darbe / pulse: "));
28      Serial.print(pulseUs);
29      Serial.println(F(" us"));
30    }
31  }
32}

1. Загрузи скетч, открой монитор порта на скорости 115200 бод и выбери конец строки New Line («Новая строка»).
2. Введи 1500 — сервопривод встанет в среднее положение. Именно в этот момент надень качалку так, чтобы она смотрела в среднее положение механизма.
3. Двигайся к нижнему пределу шагами по 50 µs, вводя значения вроде 1000, 800 и 700. Если сервопривод больше не поворачивается или начинает гудеть, вернись на 30–50 µs назад от последнего значения и запиши это число как MIN_US.
4. Сделай то же самое для верхнего предела со значениями вроде 2000, 2200 и 2300 и найди MAX_US. Эти два числа понадобятся в следующих скетчах.

Плавное движение: код, который уменьшает броски тока и рывки

Одна команда вроде servo.write(160) бросает сервопривод к цели на полной скорости: при 6 V он проходит 60 градусов за 0,14 секунды. В это время мотор потребляет ток, близкий к току заторможенного вала, механизм дёргается, а удерживаемый предмет может упасть. Если разбить движение на маленькие шаги, уменьшатся и пики тока, и механические удары. Скетч ниже сдвигает сервопривод на 1 градус каждые 15 мс (около 67°/с), а поскольку он использует millis(), параллельно можно делать и другие дела.

1#include <Servo.h>
2
3const byte SERVO_PIN = 9;
4const int MIN_US = 550;            // kalibrasyonda bulduğun alt sınır / lower limit from calibration
5const int MAX_US = 2450;           // kalibrasyonda bulduğun üst sınır / upper limit from calibration
6const byte STEP_MS = 15;           // derece başına süre: 15 ms ≈ 67°/sn / time per degree: 15 ms ≈ 67°/s
7
8const int POSES[] = {20, 160, 90, 45, 135};    // sırayla gidilecek açılar / angles to visit in order
9const byte POSE_COUNT = sizeof(POSES) / sizeof(POSES[0]);
10
11Servo servo;
12int current = 90;                  // şu anki açı / current angle
13int target = 90;                   // hedef açı / target angle
14byte poseIndex = 0;
15unsigned long lastStep = 0;
16unsigned long arrivedAt = 0;
17
18int angleToUs(int angle) {
19  return map(angle, 0, 180, MIN_US, MAX_US);   // açıyı darbeye çevir / angle to pulse width
20}
21
22void setup() {
23  servo.writeMicroseconds(angleToUs(current)); // önce konum, sonra attach / position first, then attach
24  servo.attach(SERVO_PIN, MIN_US, MAX_US);
25  arrivedAt = millis();
26}
27
28void loop() {
29  unsigned long now = millis();
30
31  // Hedefe 1 derecelik adımlarla yaklaş / approach the target in 1-degree steps
32  if (current != target && now - lastStep >= STEP_MS) {
33    lastStep = now;
34    current += (target > current) ? 1 : -1;
35    servo.writeMicroseconds(angleToUs(current));
36    if (current == target) arrivedAt = now;
37  }
38
39  // Hedefte 1 sn bekle, sonra sıradaki poza geç / wait 1 s at the target, then take the next pose
40  if (current == target && now - arrivedAt >= 1000) {
41    target = POSES[poseIndex];
42    poseIndex = (poseIndex + 1) % POSE_COUNT;
43  }
44
45  // Burada başka işler de yapılabilir / other tasks can run here too
46}

Функция angleToUs() переводит угол в диапазон между значениями MIN_US и MAX_US, найденными при калибровке, поэтому 0 и 180 градусов становятся реальными и безопасными крайними точками сервопривода. Без питания сервопривод не помнит своё положение и, получив первый импульс, сразу на полной скорости уходит в заданный угол. Если вызвать writeMicroseconds() до attach(), библиотека пропустит свой импульс 1500 µs по умолчанию и сразу отправит твой начальный угол; а если перед выключением возвращать механизм в ту же начальную позу, рывок при включении почти исчезнет. Скорость задаётся через STEP_MS: 30 мс дают медленное плавное движение, 5 мс — быстрое, но резкое. Чтобы управлять сервоприводом с помощью потенциометра, достаточно перевести показание в угол и записать его в переменную target.

Дрожание и перезагрузки Arduino: причины и решения

Управление MG996R с ESP32

На ESP32 стандартная библиотека Servo для Arduino не работает: установи библиотеку ESP32Servo через «Менеджер библиотек». Пользоваться ею почти так же: период задаётся через setPeriodHertz(50), а пределы за рамками 500–2500 µs библиотека не принимает. Сигнальный выход ESP32 — 3,3 V, и подавляющее большинство MG996R воспринимает его без проблем; если твой сервопривод не реагирует или ведёт себя нестабильно, добавь на сигнальную линию преобразователь логических уровней. В примере ниже сервопривод поворачивается потенциометром, подключённым к GPIO 34. АЦП у ESP32 12-битный, поэтому показания лежат в диапазоне 0–4095 и немного шумят; именно поэтому в коде есть фильтрация и мёртвая зона.

1#include <ESP32Servo.h>
2
3const int SERVO_PIN = 18;          // servo sinyali / servo signal
4const int POT_PIN = 34;            // pot orta bacağı (ADC1) / pot wiper (ADC1)
5const int MIN_US = 500;            // ESP32Servo bu aralığın dışına çıkmaz / ESP32Servo stays within 500–2500
6const int MAX_US = 2500;
7
8Servo servo;
9float smooth = 0;                  // süzülmüş pot değeri / filtered pot value
10int lastAngle = -1;
11
12void setup() {
13  Serial.begin(115200);
14  ESP32PWM::allocateTimer(0);              // servo için zamanlayıcı ayır / reserve a timer for the servo
15  servo.setPeriodHertz(50);                // 50 Hz = 20 ms periyot / 20 ms period
16  servo.attach(SERVO_PIN, MIN_US, MAX_US);
17  smooth = analogRead(POT_PIN);
18}
19
20void loop() {
21  smooth += (analogRead(POT_PIN) - smooth) * 0.1;   // ADC gürültüsünü süz / filter ADC noise
22  int angle = map((int)smooth, 0, 4095, 0, 180);    // 12 bit ADC: 0–4095
23  if (abs(angle - lastAngle) >= 2) {                // ölü bant: titremeyi keser / deadband stops jitter
24    servo.write(angle);
25    lastAngle = angle;
26    Serial.println(angle);
27  }
28  delay(20);
29}

MG996R с Raspberry Pi Pico (MicroPython)

На Raspberry Pi Pico дополнительная библиотека не нужна: настрой ШИМ на 50 Hz и задавай ширину импульса в наносекундах через duty_ns(); 500 µs — это 500 000 нс. Сигнал у Pico тоже 3,3 V. Не питай сервопривод от пина VBUS или VSYS на Pico: ток на этих пинах идёт от USB-порта компьютера, и пиковый ток MG996R перезагрузит Pico. Запитай сервопривод от внешнего источника и объедини земли. Код ниже плавно, градус за градусом, перемещает сервопривод между тремя положениями.

1from machine import Pin, PWM
2import time
3
4MIN_NS = 500000                   # 500 µs = 0 derece / 0 degrees
5MAX_NS = 2500000                  # 2500 µs = 180 derece / 180 degrees
6
7servo = PWM(Pin(15))              # turuncu kablo GP15'e / orange wire to GP15
8servo.freq(50)                    # 50 Hz servo sinyali / 50 Hz servo signal
9
10def write_angle(angle):
11    angle = max(0, min(180, angle))                           # 0–180 ile sınırla / clamp to 0–180
12    servo.duty_ns(MIN_NS + (MAX_NS - MIN_NS) * angle // 180)  # açıyı darbeye çevir / angle to pulse
13
14def move_slow(start, end, ms_per_degree=15):
15    step = 1 if end > start else -1
16    for a in range(start, end + step, step):  # 1 derecelik adımlar / 1-degree steps
17        write_angle(a)
18        time.sleep_ms(ms_per_degree)
19
20write_angle(90)                   # ortadan başla / start at the center
21time.sleep(1)
22
23while True:
24    move_slow(90, 170)
25    time.sleep(1)
26    move_slow(170, 10)
27    time.sleep(1)
28    move_slow(10, 90)
29    time.sleep(1)

16 сервоприводов с PCA9685: много MG996R по двум проводам

Когда сервоприводов становится много или приходится работать с библиотеками, отключающими прерывания, жизнь упрощает модуль PCA9685. Эта плата — 16-канальный 12-битный ШИМ-генератор, который общается с Arduino по I2C всего по двум проводам, SDA и SCL. Поскольку импульсы формируются от собственного тактового генератора, сигнал остаётся стабильным, даже когда процессор занят другими делами. Адрес по умолчанию — 0x40; меняя адрес паяными перемычками A0–A5 на плате, к одной шине можно подключить 62 платы, то есть теоретически 992 сервопривода. На 50 Hz период 20 мс делится на 4096 шагов, и один шаг равен примерно 4,9 µs: 500 µs — это около 102 шагов, а 2500 µs — около 512.

1#include <Wire.h>
2#include <Adafruit_PWMServoDriver.h>
3
4Adafruit_PWMServoDriver pca = Adafruit_PWMServoDriver(0x40);   // varsayılan adres / default address
5
6const byte SERVO_COUNT = 16;
7const uint16_t MIN_US = 500;       // kalibrasyonla daralt / narrow it after calibration
8const uint16_t MAX_US = 2500;
9
10uint16_t angleToUs(float angle) {
11  return MIN_US + (uint16_t)(angle * (MAX_US - MIN_US) / 180.0);
12}
13
14void setup() {
15  pca.begin();
16  pca.setOscillatorFrequency(27000000);   // kartın gerçek saatine yakın / close to the real board clock
17  pca.setPWMFreq(50);                     // servolar için 50 Hz / 50 Hz for servos
18  delay(10);
19  for (byte ch = 0; ch < SERVO_COUNT; ch++) {
20    pca.writeMicroseconds(ch, angleToUs(90));   // hepsini ortala / center them all
21    delay(200);                                 // sırayla başlat: akım darbesini dağıt / one by one: spread the current surge
22  }
23}
24
25void loop() {
26  // Dalga: her servo komşusundan biraz geride / wave: each servo slightly behind its neighbour
27  float t = millis() / 1000.0;
28  for (byte ch = 0; ch < SERVO_COUNT; ch++) {
29    float angle = 90 + 40 * sin(t * 2.0 - ch * 0.4);   // 50–130° arası / between 50° and 130°
30    pca.writeMicroseconds(ch, angleToUs(angle));
31  }
32  delay(20);
33}

Для работы скетча установи библиотеку Adafruit PWM Servo Driver через «Менеджер библиотек». Строка setOscillatorFrequency(27000000) важна: на бумаге внутренний генератор PCA9685 работает на 25 MHz, но в реальности его частота гуляет примерно от 23 до 27 MHz, а в примерах Adafruit используется 27 MHz. Без этой настройки импульсы, заданные через writeMicroseconds(), могут отклоняться на несколько процентов. Если в setup запускать сервоприводы по одному с интервалом 200 мс, все 16 не станут одновременно потреблять пусковой ток. Если у каждого сервопривода свои пределы, преврати MIN_US и MAX_US в массивы из 16 элементов и откалибруй каждый канал отдельно. Скетч без изменений работает и на ESP32, потому что там библиотека Wire по умолчанию использует GPIO 21 и 22.

MG996R, SG90 и MG90S: сравнение

Всё решают нагрузка и длина плеча. Если нужно поворачивать деталь массой в несколько граммов или просто поэкспериментировать, хватит SG90. Если нужен тот же размер, но с ударостойкими металлическими шестернями, бери MG90S. Если требуемый момент больше 1 кг·см, например нужно нести 100 г на конце плеча длиной 10 см, переходи на MG996R. Момент у MG996R примерно в пять раз больше, чем у SG90, но он медленнее, в шесть раз тяжелее и потребляет в три-четыре раза больше тока, так что питание и механическое крепление нужно планировать с учётом этого. Если и 11 кг·см не хватает, присмотрись к более крупным сервоприводам класса 20 кг·см, например DS3218.

Выбор сервоприводов для робота-манипулятора

• Основание: MG996R. Не нагружай вал сервопривода всем весом манипулятора: поставь в основание подшипник, чтобы сервоприводу оставалось только вращать его.
• Плечо: это самый нагруженный сустав. Используй MG996R; если рука манипулятора длиннее 20 см, добавь сервопривод класса 20 кг·см или противовес.
• Локоть: MG996R. Если перенести тяжёлый сервопривод на уровень плеча и двигать локоть через тягу, нагрузка на плечо уменьшится.
• Запястье и поворот запястья: хватит MG90S; MG996R здесь лишь добавит вес, который придётся нести плечу.
• Захват: SG90 или MG90S. Настрой угол закрытия на точку, где пальцы захвата только касаются предмета: сервопривод, который постоянно пытается сжать сильнее, потребляет ток заторможенного вала.
• Крепление: надень металлическую качалку на вал MG996R с 25 зубьями и закрепи её центральным винтом; пластиковые качалки при таком моменте быстро срывает.

Идеи проектов с MG996R

• Робот-манипулятор: рука на 6 сервоприводах с MG996R в основании, плече и локте и MG90S в запястье и захвате; как её собрать, рассказано в руководстве по роботу-манипулятору.
• Камера pan-tilt: поворачивай модуль ESP32-CAM по горизонтали и вертикали двумя MG996R.
• Солнечный трекер: определяй направление на свет четырьмя фоторезисторами (LDR) и поворачивай небольшую панель к солнцу с помощью MG996R; подробности в статье Солнечный трекер.
• Умное мусорное ведро: умное мусорное ведро, которое открывает тяжёлую крышку, когда к нему подносят руку.
• Дверной замок по карте: отодвигай засов с помощью MG996R, когда к RFID RC522 прикладывают нужную карту.
• Кран с управлением джойстиком: небольшой кран или экскаватор, который двигается по двум осям с помощью джойстика.
• Привод постоянного вращения: медленное, но мощное колесо на версии MG996R с вращением на 360 градусов; в чём разница, объясняется в статье Сервопривод на 360 градусов.

При правильном питании MG996R — выносливый и недорогой мотор, который легко справляется с задачами, непосильными для маленьких сервоприводов. Запомни правила: внешний источник 5–6 V, общая земля, конденсатор рядом с сервоприводом, откалиброванный диапазон импульсов и плавное движение, а при большом количестве сервоприводов — PCA9685. В приложении BlueGrays есть такие проекты, как «Управление сервоприводом потенциометром», «Управление сервоприводом джойстиком», «Дверной замок с RFID на ESP32» и «Хореография сервоприводов по кругу — анимации на 32 сервоприводах», и у каждого есть пошаговая схема подключения и готовый код.