伺服馬達控制的無線電燈開關—第一部分

今天，我們將再次討論關於馬達的內容。在之前的系列文章中，我們已經介紹了多種類型馬達的基本原理，例如使用步進馬達的二輪機器人以及使用直流和伺服馬達的RC 車。在本文中，我們將介紹一款之前沒有用過的伺服馬達的基本用法，並且還會設計一個簡單的DIY伺服控制電燈開關，使您可以隨時隨地打開/斷路電燈！

注意：我們將要製備的自動電燈開關僅適用於按鈕式電燈開關系統。

本專案電子裝置清單

第一部分：

Arduino UNO R3
FEETECH FS90 微伺服
Rapiro伺服馬達 (大號)
數位微伺服 HK-5330
50 KΩ B型電位器
麵包板
跳線（公對公）

第二部分:

Arduino UNO R3
ESPr 研發板
Towerpro MG996R 伺服器
麵包板
跳線（公對公）

1. 什麼是伺服馬達？

圖1：伺服馬達

伺服馬達是透過旋轉連接至引擎節氣門的軸進行工作的一種馬達類型。因為可以對旋轉角度和轉速進行精確控制，所以被廣泛應用於自動化製造、機器人以及個人的物聯網項目等。

伺服馬達 – 維基百科

伺服馬達是一種旋轉致動器或線性致動器，可精確控制角度或線性位移、速度和加速度。伺服馬達包含一個與感測器耦合以進行位置資訊回饋的合適馬達。……伺服馬達是一種閉環伺服系統，可以使用位置的回饋資訊進行運轉和最終位置的控制。

伺服馬達具有一個編碼器，用於檢測旋轉角度，並使用編碼訊號將輸出軸定位到指定角度。我們可以來看一下不同類型馬達之間的區別：

馬達：通電時可旋轉。
伺服馬達：在0度到N度的範圍內旋轉，對訊號作出響應。
步進馬達：以離散的步進角旋轉，並且在有訊號或無訊號的情況下都可以進行控制。
無刷直流馬達：外加穩定直流電壓時，可連續旋轉，因此可以穩定地控制轉速。

請務必根據應用的特點來選擇合適的馬達。

圖2：不同類型的馬達。從左到右：無刷馬達，步進馬達，伺服馬達，直流馬達

2. 伺服馬達的類型

那麼，您應該購買哪種類型的伺服馬達呢？購買伺服馬達時，請考慮以下要點：

扭矩：用於驅動馬達的力矩；扭矩數值越大，力矩越大（單位：kgf·cm等）
轉角：在特定角度下馬達的旋轉/位置
工作速度：轉速
工作電壓：工作所需電壓

2.1 扭矩的計算

使用伺服馬達時，最重要的是要瞭解您所需要的扭矩值。伺服馬達的扭矩以kgf·cm或kg為單位表示。如果以kgf·cm為單位來計算扭矩，計算出來的值就表示它在1[cm]的半徑下可以舉起的多少N[kg]物體。如果您想要舉起5kg的物品，並且在伺服馬達軸上連接的手柄長度為2cm，那麼需要大於5 kgf × 2 cm = 10 kgf·cm的扭矩。

圖3：計算扭矩的方法

3. 所需電壓和電源

當透過Arduino來對伺服馬達進行控制時，就像其它類型的馬達一樣，幾乎不可能從Arduino獲取電壓或電流。在這種情況下，您可以使用外部電源，然後將來自Arduino的角度控制訊號傳輸到伺服馬達中。

例如，在本系列中經常使用的Arduino UNO R3具有I/O引腳（數位/類比引腳），每個引腳大約可以獲取20 mA的電流（如果電流大於40 mA，可能會損壞）。雖然伺服馬達的工作電壓是5V，但是由於來自數位/類比引腳的電流不足，伺服馬達和Arduino也會發生損壞。因此，當您透過I/O引腳來供電時要小心處理！

5V或3.3V引腳上的最大額定電流值（所獲取的電流極限）是200 mA。因此可以使用小型伺服馬達。

例如，對於工作電壓為9V的伺服馬達，需要對伺服馬達和Arduino分別供電，如以下電路圖所示。