本篇繼續針對馬達類的伺服馬達進行控制，我手邊有兩種伺服馬達(或稱「舵機」)的型號：MG90S 和 MG996R，接線的方式是一樣的。與馬達不同，馬達主要功能是旋轉，需控制的是轉速和方向。而伺服馬達在意的是旋轉角度，不需要旋轉一整圈，一般旋轉的角度範圍是 0 度到 180 度。
控制伺服馬達轉速或 LED 調光，大都會使用 PWM（Pulse Width Modulation, 脈衝寬度調製）計數，它可以透過改變其輸入電壓來控制直流電機的速度。PWM是一種利用發送一系列ON-OFF的脈衝來調節輸入電壓平均值的技術。以容易懂的言語來說，就是頻繁變更電壓的開關，在固定時間內程式高速切換，電壓被開關很多次，當開的時間長一點時，馬達的速度就會比較快；如果時間內，關的時間長一點，馬達的速度就會比較慢。我們將給予電壓的時間比例稱為佔空比（Duty Cycle）。佔空比越高，施加到直流電動機的平均電壓越高（高速），佔空比越低，施加到直流電動機的平均電壓越低（低速）。例如:燈光的亮度控制、馬達轉速控制、螢幕亮度控制、喇叭大小聲/聲音頻率高低控制等。
以本實作的 MG996R 為例，一般而言，PWM 控制伺服馬達的基準信號周期為 20ms，基準脈寬為 1.5ms(中位)，理論上脈寬應在 1ms 到 2ms 之間，但是，實際上脈寬可由 0.5ms 到 2.5ms 之間，脈寬和舵機的轉角0°～180°相對應。我們用下表來看一下如何算佔空比。
根據上述信號脈寬對應的角度換算成佔空比，公式為：2.5+角度/180*10 ，以 Pi Pico 的 PWM 引腳解析度為 2^16 = 65535，換算成 0 度時，其佔空比值為 65535 * 2.5% = 1638.375 ，當角度為 180 度時，其佔空比值為 65535 * 12.5% = 8191.875，這兩個值會跟程式有關，考量到誤差及轉動角度，我將佔空比訂在 1000 與 9000 之間，可以讓舵機順利轉動 0 ~ 180度。
在使用 PWM 控制伺服馬達時，發現佔空比的值與 LED 有所不同，原因是伺服馬達控制其轉動最大角度僅 180 度，而 LED 的亮度，其佔空比範圍可以從 0 到 65025。我查了相關文件，沒有說明 65025 是如何算出來的？但是這個值剛好是 255 * 255，猜想是 8 位元的 PWM 最大值是 255，pwm.duty_u16 是將兩個 (2^8-1=255)相乘得到的最大值。這表示 65525 會是 100％ 的時間，都讓 LED 或直流電機保持點亮或全值的狀態。
MG996R 伺服馬達的規格如下：
程式二的執行結果：
控制伺服馬達轉速或 LED 調光，大都會使用 PWM（Pulse Width Modulation, 脈衝寬度調製）計數，它可以透過改變其輸入電壓來控制直流電機的速度。PWM是一種利用發送一系列ON-OFF的脈衝來調節輸入電壓平均值的技術。以容易懂的言語來說，就是頻繁變更電壓的開關，在固定時間內程式高速切換，電壓被開關很多次，當開的時間長一點時，馬達的速度就會比較快；如果時間內，關的時間長一點，馬達的速度就會比較慢。我們將給予電壓的時間比例稱為佔空比（Duty Cycle）。佔空比越高，施加到直流電動機的平均電壓越高（高速），佔空比越低，施加到直流電動機的平均電壓越低（低速）。例如:燈光的亮度控制、馬達轉速控制、螢幕亮度控制、喇叭大小聲/聲音頻率高低控制等。
以本實作的 MG996R 為例，一般而言，PWM 控制伺服馬達的基準信號周期為 20ms，基準脈寬為 1.5ms(中位)，理論上脈寬應在 1ms 到 2ms 之間，但是，實際上脈寬可由 0.5ms 到 2.5ms 之間，脈寬和舵機的轉角0°～180°相對應。我們用下表來看一下如何算佔空比。
| 信號脈寬 | 伺服馬達轉動角度 | 佔空比 |
|---|---|---|
| 0.5ms | 0度 | 2.5% ( 0.5ms 高電位 + 19.5 低電位) |
| 1ms | 45度 | 5% ( 1ms 高電位 + 19.0 低電位) |
| 1.5ms | 90度 | 7.5% ( 1.5ms 高電位 + 18.5 低電位) |
| 2.0ms | 135度 | 10% ( 2ms 高電位 + 18.0 低電位) |
| 2.5ms | 180度 | 12.5% ( 2.5ms 高電位 + 17.5 低電位) |
根據上述信號脈寬對應的角度換算成佔空比，公式為：2.5+角度/180*10 ，以 Pi Pico 的 PWM 引腳解析度為 2^16 = 65535，換算成 0 度時，其佔空比值為 65535 * 2.5% = 1638.375 ，當角度為 180 度時，其佔空比值為 65535 * 12.5% = 8191.875，這兩個值會跟程式有關，考量到誤差及轉動角度，我將佔空比訂在 1000 與 9000 之間，可以讓舵機順利轉動 0 ~ 180度。
在使用 PWM 控制伺服馬達時，發現佔空比的值與 LED 有所不同，原因是伺服馬達控制其轉動最大角度僅 180 度，而 LED 的亮度，其佔空比範圍可以從 0 到 65025。我查了相關文件，沒有說明 65025 是如何算出來的？但是這個值剛好是 255 * 255，猜想是 8 位元的 PWM 最大值是 255，pwm.duty_u16 是將兩個 (2^8-1=255)相乘得到的最大值。這表示 65525 會是 100％ 的時間，都讓 LED 或直流電機保持點亮或全值的狀態。
MG996R 伺服馬達的規格如下：
- 尺寸：54 x 38 x 20 mm
- 重量：55g
- 工作電壓：4.8V~7.2V
- 空載工作電流：120mA
- 堵轉工作電流：1450mA
- 運行速度：0.13秒/60度(6.0V空載)
- 舵機扭矩：11kg*cm(6.0V)
- 迴旋角度：可控制角度約 180度/270度(最大)
- 齒輪：5級金屬齒輪組
- 重量：55g
[材料]
- Raspberry Pi Pico x1
- MG996 伺服馬達 x1
- 可變電阻10K x1
- 麵包板 x1
- 麵包板電源模組 x1
- 排線 n 條
[接線圖]
由於 Pi Pico 僅能提供 3.3V 電源，伺服馬達需外接電源，並將 Pi Pico GND 連接到電源接地線。可變電阻的外側兩腳接麵包板電源提供的正負極，中間的 Pin 接Pico 的 ADC0 。如下圖表：| Pi Pico接腳 | MG996R伺服馬達 | 10K可變電阻 |
|---|---|---|
| Pin38(GND) | GND | GND |
| Pin31(GP26/ADC0) | - | Data（中間Pin） |
| Pin1(GP0) | Data | - |
[程式一]
頻率 pwm.freq 告訴 Pi Pico 多久時間切換開和關，程式設為常用的 50。以下程式將 9000 與最大值 65025 相除算出一個固定常數，將可變電阻讀取到的值除以這個常數，換算成伺服馬達的佔空比。以下是完整的程式，雖僅有短短幾行，卻可使用電阻來控制伺服馬達的轉動：from machine import Pin, PWM
analogvalue = machine.ADC(26)
pwm = PWM(Pin(0))
pwm.freq(50)
scale = 9000/65025
while True:
reading = analogvalue.read_u16()
pwm.duty_u16(int(reading*scale))
[程式二]
這段程式使用一段轉換程式，將輸入的角度 Map 成 1000 ~ 9000 的佔空比後，讓伺服馬達轉動至該角度，程式中的迴圈，讓伺服馬達持續正反轉 180 度。from utime import sleep
from machine import Pin
from machine import PWM
pwm = PWM(Pin(0))
pwm.freq(50)
# 設定伺服馬達的轉動角度
def setServoCycle (position):
pwm.duty_u16(position)
sleep(0.01)
# 將轉動角度換算成佔空比
def convert(x, i_m, i_M, o_m, o_M):
return max(min(o_M, (x - i_m) * (o_M - o_m) // (i_M - i_m) + o_m), o_m)
while True:
for degree in range(0, 180, 1):
pos = convert(degree, 0, 180, 1000, 9000)
setServoCycle(pos)
for degree in range(180, 0, -1):
pos = convert(degree, 0, 180, 1000, 9000)
setServoCycle(pos)
[結果]
程式一的執行結果：程式二的執行結果：
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