Interface: ใบงานที่ 6 การควบคุม Servo Motor (SG90) ด้วย Arduino UNO R3

ผู้จัดทำ

นางสาวณัฐธิชา ชนเก่าน้อย 001

นางสาวกุลจิรา ทองคง 003

Servo เป็นคำศัพท์ที่ใช้กันทั่วไปในระบบควบคุมอัตโนมัติ มาจากภาษาละตินคำว่า Sevus หมายถึง “ทาส” (Slave) ในเชิงความหมายของ Servo Motor ก็คือ Motor ที่เราสามารถสั่งงานหรือตั้งค่า แล้วตัว Motor จะหมุนไปยังตำแหน่งองศาที่เราสั่งได้เองอย่างถูกต้อง โดยใช้การควบคุมแบบป้อนกลับ (Feedback Control) ในบทความนี้จะกล่าวถึง RC Servo Motor ซึ่งนิยมนำมาใช้ในเครื่องเล่นที่บังคับด้วยคลื่นวิทยุ (RC = Radio - Controlled) เช่น เรือบังคับวิทยุ รถบังคับวิทยุ เฮลิคอปเตอร์บังคับวิทยุ เป็นต้น

Feedback Control คือ ระบบควบคุมที่มีการวัดค่าเอาต์พุตของระบบนำมาเปรียบเทียบกับค่าอินพุตเพื่อควบคุมและปรับแต่งให้ค่าเอาต์พุตของระบบให้มีค่า เท่ากับ หรือ ใกล้เคียงกับค่าอินพุต
ส่วนประกอบภายนอก RC Servo Motor

- Case ตัวถัง หรือ กรอบของตัว Servo Motor

- Mounting Tab ส่วนจับยึดตัว Servo กับชิ้นงาน
- Output Shaft เพลาส่งกำลัง
- Servo Horns ส่วนเชื่อมต่อกับ Output shaft เพื่อสร้างกลไกล
- Cable สายเชื่อมต่อเพื่อ จ่ายไฟฟ้า และ ควบคุม Servo Motor จะประกอบด้วยสายไฟ 3 เส้น และ ใน RC Servo Motor จะมีสีของสายแตกต่างกันไปดังนี้
o สายสีแดง คือ ไฟเลี้ยง (4.8-6V)
o สายสีดำ หรือ น้ำตาล คือ กราวด์
o สายสีเหลือง (ส้ม ขาว หรือฟ้า) คือ สายส่งสัญญาณพัลซ์ควบคุม (3-5V)
- Connector จุดเชื่อมต่อสายไฟ
ส่วนประกอบภายใน RC Servo Motor

Ref: www.pololu.com

1. Motor เป็นส่วนของตัวมอเตอร์
2. Gear Train หรือ Gearbox เป็นชุดเกียร์ทดแรง
3. Position Sensor เป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับตำแหน่งเพื่อหาค่าองศาในการหมุน
4. Electronic Control System เป็นส่วนที่ควบคุมและประมวลผล
Servo Motor Block Diagram

หลักการทำงานของ RC Servo Motor
เมื่อจ่ายสัญญาณพัลซ์เข้ามายัง RC Servo Motor ส่วนวงจรควบคุม (Electronic Control System) ภายใน Servo จะทำการอ่านและประมวลผลค่าความกว้างของสัญญาณพัลซ์ที่ส่งเข้ามาเพื่อแปลค่าเป็นตำแหน่งองศาที่ต้องการให้ Motor หมุนเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งนั้น แล้วส่งคำสั่งไปทำการควบคุมให้ Motor หมุนไปยังตำแหน่งที่ต้องการ โดยมี Position Sensor เป็นตัวเซ็นเซอร์คอยวัดค่ามุมที่ Motor กำลังหมุน เป็น Feedback กลับมาให้วงจรควบคุมเปรียบเทียบกับค่าอินพุตเพื่อควบคุมให้ได้ตำแหน่งที่ต้องการอย่างถูกต้องแม่นยำ
สัญญาณ RC ในรูปแบบ PWM
ตัว RC Servo Motor ออกแบบมาใช้สำหรับรับคำสั่งจาก Remote Control ที่ใช้ควบคุมของเล่นด้วยสัญญาณวิทยุต่างๆ เช่น เครื่องบินบังคับ รถบังบังคับ เรือบังคับ เป็นต้น ซึ่ง Remote จำพวกนี้ที่ภาครับจะแปลงความถี่วิทยุออกมาในรูปแบบสัญญาณ PWM (Pulse Width Modulation)

มุมหรือองศาจะขึ้นอยู่กับความกว้างของสัญญาณพัลซ์ ซึ่งโดยส่วนมากความกว้างของพัลซ์ที่ใช้ใน RC Servo Motor จะอยู่ในช่วง 1-2 ms หรือ 0.5-2.5 ms

ยกตัวอย่างเช่นหากกำหนดความกว้างของสัญญาณพัลซ์ไว้ที่ 1 ms ตัว Servo Motor จะหมุนไปทางด้ายซ้ายจนสุด ในทางกลับกันหากกำหนดความกว้างของสัญญาณพัลซ์ไว้ที่ 2 ms ตัว Servo Motor จะหมุนไปยังตำแหน่งขวาสุด แต่หากกำหนดความกว้างของสัญญาณพัลซ์ไว้ที่ 1.5 ms ตัว Servo Motor ก็จะหมุนมาอยู่ที่ตำแหน่งตรงกลางพอดี

ดังนั้นสามารถกำหนดองศาการหมุนของ RC Servo Motor ได้โดยการเทียบค่า เช่น RC Servo Motor สามารถหมุนได้ 180 องศา โดยที่ 0 องศาใช้ความกว้างพัลซ์เท่ากับ 1000 us ที่ 180 องศาความกว้างพัลซ์เท่ากับ 2000 us เพราะฉะนั้นค่าที่เปลี่ยนไป 1 องศาจะใช้ความกว้างพัลซ์ต่างกัน (2000-1000)/180 เท่ากับ 5.55 us
จากการหาค่าความกว้างพัลซ์ที่มุม 1 องศาข้างต้น หากต้องกำหนดให้ RC Servo Motor หมุนไปที่มุม 45 องศาจะหาค่าพัลซ์ที่ต้องการได้จาก 5.55 x 45 เท่ากับ 249.75 us แต่ที่มุม 0 องศาเราเริ่มที่ความกว้างพัลซ์ 1ms หรือ 1000 us เพราะฉะนั้นความกว้างพัลซ์ที่ใช้กำหนดให้ RC Servo Motor หมุนไปที่ 45 องศา คือ 1000 + 249.75 เท่ากับประมาณ 1250 us

วิธีควบคุม RC Servo Motor ด้วย Arduino
  Arduino มีไลบรารี่สำหรับสั่งงาน RC Servo Motor มาให้ใช้งานอยู่แล้วเป็นฟังก์ชั่นสำเร็จรูปและใช้งานได้ง่ายในหน้าเว็บไซต์ http://arduino.cc/en/reference/servo ได้ให้ข้อมูลไว้ว่า Servo Library ของ Arduino สามารถสั่งงาน RC Servo Motor ได้ทั้งแบบหมุนไป-กลับได้ 0-180 องศา (ที่กล่าวถึงตามตัวอย่างข้างต้น) และแบบต่อเนื่องที่หมุนครบรอบได้เรียกว่าเป็น Continuous Rotation Servo (ซึ่งในช่วงท้ายบทความจะกล่าวถึงเพิ่มเติม) โดยสามารถรองรับการเชื่อมต่อ RC Servo Motor ได้ถึง 12 ตัวกับบอร์ด Arduino UNO และรองรับสูงสุดถึง 48 ตัวหากใช้บอร์ด Arduino Mega
ฟังก์ชั่นภายใน Servo Library
- attach()
- write()
- writeMicroseconds()
- read()
- attached()
- detach()
attach()
Description
คือฟังก์ชั่นที่ใช้ในการกำหนดขาสัญญาณที่ Servo Motor ต่อกับ Arduino และกำหนดความกว้างของพัลซ์ที่ 0 องศาและ 180 องศา
Syntax
  Servo.attach(pin)
Servo.attach(pin,min,max)
Parameters
Pin: คือ ขาสัญญาณของ Arduino ที่ใช้เชื่อมต่อกับ Servo Motor
Min: คือ ความกว้างของพัลซ์ที่ 0 องศาของ Servo ตัวที่ใช้ในหน่วยไมโครวินาที (us) โดยปกติแล้วหากไม่มีการตั้งค่าโปรแกรมจะกำหนดค่าไว้ที่ 544 us
Max: คือ ความกว้างของพัลซ์ที่ 180 องศาของ Servo ตัวที่ใช้ในหน่วยไมโครวินาที (us) โดยปกติแล้วหากไม่มีการตั้งค่าโปรแกรมจะกำหนดค่าไว้ที่ 2400 us
Write()
Description
คือฟังก์ชั่นที่ใช้ควบคุมตำแหน่งที่ต้องการให้ Servo Motor หมุนไปยังองศาที่กำหนดสามารถกำหนดเป็นค่าองศาได้เลย คือ 0-180 องศา แต่ใน Servo Motor ที่เป็น Full Rotation คำสั่ง write จะเป็นการกำหนดความเร็วในการหมุน โดย
ค่าเท่ากับ 90 คือคำสั่งให้ Servo Motor หยุดหมุน
ค่าเท่ากับ 0 คือการหมุนด้วยความเร็วสูงสุดในทิศทางหนึ่ง
ค่าเท่ากับ 180 คือการหมุนด้วยความเร็วสูงสุดในทิศทางตรงกันข้าม
Syntax
  servo.write(angle)
Parameters
Angle: คือมุมที่ต้องการให้ RC Servo Motor แบบ 0-180 องศาหมุนไป แต่หากเป็น RC Servo Motor แบบ Full Rotation ค่า Angle คือ การกำหนดความเร็วและทิศทางในการหมุน
writeMicroseconds()
Description
คือฟังก์ชั่นที่ใช้ควบคุมตำแหน่งที่ให้ Servo Motor หมุนไปยังตำแหน่งองศาที่กำหนดโดยกำหนดเป็นค่าความกว้างของพัลซ์ในหน่วย us ซึ่งปกติแล้ว RC Servo Motor จะใช้ความกว้างของพัลซ์อยู่ที่ 1000-2000 us ตามที่ได้กล่าวไปข้างต้นแล้ว แต่ RC Servo Motor บางรุ่นหรือบางยี่ห้อไม่ได้ใช้ ช่วงความกว้างของพัลซ์ตามที่ได้กล่าวเอาไว้นี้ อาจจะใช้ช่วง 700-2300 แทนก็สามารถใช้ฟังก์ชั่น writeMicroseconds นี้เพื่อกำหนดความกว้างพัลซ์ได้เอง
  การใช้ฟังก์ชั่น writeMicroseconds สามารถกำหนดค่าได้อิสระ ตรงนี้ ”ต้องระวังในการใช้งาน” หากสั่งงาน RC Servo Motor (แบบ 0 - 180 องศา) จนหมุนไปเกินจุดสิ้นสุดคือเกินทั้งฝั่ง 0 หรือ 180 องศา จะทำให้เกิดเสียงครางดังจากการหมุนไปต่อไม่ได้และมอเตอร์จะกินกระแสสูงขึ้นด้วยในเวลาเดียวกันนั้น ซึ่งอาจทำให้ RC Servo Motor เกิดความเสียหายได้

อุปกรณ์ที่ใช้

1. บอร์ด Arduino 1 บอร์ด

2. สาย USB 1 สาย

3. สายไฟผู้-ผู้ 3 สาย

4. Motor SG90 1 ตัว

รูปวงจร

https://drive.google.com/open?id=16QfRcSXUdkc5eGBeAGuN3Y45NlNAwNzD

Code 0-180
#include <Servo.h> Servo servo; int angle = 10; void setup() { servo.attach(8); servo.write(angle); } void loop() { // scan from 0 to 180 degrees for(angle = 0; angle < 180; angle++) { servo.write(angle); delay(15); } // now scan back from 180 to 0 degrees for(angle = 180; angle > 0; angle--) { servo.write(angle); delay(15); } }
Code 45-135
#include <Servo.h> Servo servo; int angle = 10; void setup() { servo.attach(8); servo.write(angle); } void loop() { // scan from 0 to 180 degrees for(angle = 45; angle < 135; angle++) { servo.write(angle); delay(15); } // now scan back from 180 to 0 degrees for(angle = 135; angle > 45; angle--) { servo.write(angle); delay(15); } }
Code 90-180
#include <Servo.h> Servo servo; int angle = 10; void setup() { servo.attach(8); servo.write(angle); } void loop() { // scan from 0 to 180 degrees for(angle = 90; angle < 180; angle++) { servo.write(angle); delay(15); } // now scan back from 180 to 0 degrees for(angle = 180; angle > 90; angle--) { servo.write(angle); delay(15); } }

https://drive.google.com/open?id=19p9bc0mgGala78JlkQ3cnpGIny5gr7d3

คำอธิบายหลักการทำงาน

เมื่ออัพโหลดโปรแกรมให้ Servo Motor (SG90) ด้วย Arduino UNO R3 หมุนจากซ้ายไปขวาและขวามาซ้าย
- Servo หมุน จาก 0 องศา - 180 องศา - Servo หมุน จาก 45 องศา - 135 องศา - Servo หมุน จาก 90 องศา - 180 องศา

วิดีโอ 0 องศา - 180 องศา