Arduino練習：伺服馬達以Tower Pro SG90為例

這一篇介紹伺服馬達，以Tower Pro（輝盛）的小型伺服馬達SG90為例，價格便宜，在拍賣網站上大約80元，可作為初步練習之用。

我的板子是Arduino Uno R3，Arduino軟體開發環境是1.0.5版。



伺服馬達（servo motor），因常用於遙控模型飛機，所以又常稱為RC伺服機（RC Servo，Radio Control Servo，Remote Control Servo）、伺服馬達舵機。

伺服馬達裡含有直流馬達、齒輪箱、軸柄、以及控制電路，我們可透過訊號控制軸柄的停止角度，大概都是0到180度，但不同廠牌型號會有不同的範圍；經由齒輪箱降速後，變成適當可用的轉速，並且提供更高的轉矩（扭轉力）。

另外還有能連續轉動的伺服馬達，有些出廠時便能連續轉動，有些則是玩家自己動手改造，這種馬達透過訊號可控制轉動的速度。

一般伺服馬達有三條線，電源（紅色）、接地（黑或棕色）、訊號線（白、黃、橘、藍，甚至是黑色）。透過訊號線傳送PWM脈波來控制軸柄的停止位置旋轉角度，這個訊號脈波必須每秒重複50次（也就是50Hz），而脈衝持續時間長短便代表了馬達該將軸柄轉到什麼位置，範圍從1.0ms到2.0ms（millisecond，毫秒，千分之一秒），若想置中則是1.5ms；也可將1.0ms當做角度0度，那麼1.5ms會是90度，2.0ms則是轉到底180度。注意，也有可能反過來。
 
不過每個廠牌型號的伺服馬達可允許旋轉的角度各不相同，也就是說可接受的訊號脈衝範圍也不相同，必須查閱產品資料規格書，若超出範圍可能會損害伺服馬達。底下是Tower Pro SG90的規格：

• 重量：9g
• 尺寸：23*12.2*29mm
• 工作電壓：4.8V
• 轉矩：1.8kg-cm，當工作電壓為4.8V時
• 運轉速度：0.1秒 ∕ 60度 ，當工作電壓為4.8V時
• 脈衝寬度範圍：500~2400µs 
• 死頻帶寬度（dead band width）：10µs

從中我們可知，可允許的脈衝範圍是500~2400µs，也就是0.5~2.4ms，比剛剛說的一般範圍還要寬，也就代表這個伺服馬達能旋轉的角度更大。另外有項值得一提的數據是死頻帶寬度，意思是說，因為訊號可能不穩上下起伏，當這一次脈衝寬度與上一次相差不超過死頻帶寬度時，伺服馬達便不會動作。

硬體線路很簡單，因為只有一個伺服馬達，我直接由Arduino的5V腳位供電。若想使用超過兩個，則應以另外的電源供電，而且要記得共同接地。

電路圖如下，除了電源5V與接地外，訊號線接往Arduino的數位腳位9。


照片如下，Tower Pro SG90的三條線顏色分別是黃、紅、棕，對應訊號、電源、接地。


Arduino內建操控伺服馬達的程式庫，已經將零零總總的東西通通包起來，使用方法非常簡單，讓我們能以非常簡單的方式操控伺服馬達的旋轉角度。因為需使用PWM，所以會影響原本的PWM腳位，使用此程式庫時，數位腳位9與10便無法輸出PWM，不管有無接伺服馬達，於是我們通常也會將伺服馬達的訊號線接在數位腳位9或10。

接下來是軟體的部份，先讓伺服馬達來回旋轉吧。

#include <Servo.h>

Servo myservo; // 建立Servo物件，控制伺服馬達

void setup()
{
  myservo.attach(9); // 連接數位腳位9，伺服馬達的訊號線
}

void loop()
{
  for(int i = 0; i <= 180; i+=1){
    myservo.write(i); // 使用write，傳入角度，從0度轉到180度
    delay(20);
  }
  for(int i = 180; i >= 0; i-=1){
    myservo.write(i);// 使用write，傳入角度，從180度轉到0度
    delay(20);
  }
}

不過Servo預設的脈衝寬度範圍是544到2400µs，跟SG90的500到2400差了一些些，我們可修正此點。

#include <Servo.h>

Servo myservo;

void setup()
{


  myservo.attach(9, 500, 2400); // 修正脈衝寬度範圍
  myservo.write(90); // 一開始先置中90度
  delay(3000);
}

void loop()
{
  for(int i = 500; i <= 2400; i+=100){
    myservo.writeMicroseconds(i); // 直接以脈衝寬度控制

    delay(300);
  }
  for(int i = 2400; i >= 500; i-=100){
    myservo.writeMicroseconds(i);

    delay(300);
  }
}

要注意的是，必須查詢伺服馬達的規格表，查知正確的脈衝寬度範圍，使用writeMicroseconds時也要小心，不可傳入超出範圍的值，否則會損壞伺服馬達。

Servo程式庫中，還有read()可用，但只是讀取上次傳入write()的值；還有detach()，呼叫後伺服馬達就不動了，也就可以使用腳位9的PWM功能。


參考資料：

• Arduino官方文件Servo library。
• Cooper Maa的Arduino 筆記 – Lab16 使用可變電阻控制伺服馬達、Lab17 使用光敏電阻控制 Servo。
• Instructables的Tower Pro SG 90 Micro Servo Hack，修改SG90，讓它能連續旋轉。
• Adafruit Learning System的About Servos and Feedback，有四條線的伺服馬達，可測量並讀取伺服馬達的旋轉位置，甚至將它當做輸入裝置。