Abb. 08 · Robotik-Labor · Sechzehn Servopulse über zwei I2C-Drähte

Servoarm mit PCA9685

Arduino Nano

Die Abbildung wird geladen …

Werkbank

Noch kein Messwert

PWM-Frequenz

Noch kein Messwert

Stromaufnahme

0 mA

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes
Bis auf die nackte Platine zerlegen
Nimm jedes Bauteil von der blauen Platine. Du baust sie in der Reihenfolge der Fabrik wieder auf: zuerst der Chip, der MOSFET und die kleinen Bauteile, dann die Stiftleisten, die Klemme und der Kondensator.
2
Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten
3
Die I2C-Stiftleiste und die vier Servoblöcke einsetzen
4
Die V+-Klemme einsetzen
5
C2, 470 µF, richtig herum einsetzen
6
Die bedrahteten Bauteile löten
7
Den Nano verdrahten
8
Die Servos des Arms in die Kanäle 0-2 stecken
9
Den Akku an der V+-Klemme anschrauben
10
Die Werkbank mit Strom versorgen
11
„Arm zentrieren“ hochladen
12
„Basis schwenken“ hochladen
13
„Greifen und Ablegen“ hochladen
14
„I2C-Scan“ hochladen
15
Den Akku verkehrt herum anschraubenKaputt machen
16
Den Halter mit Li-Ionen-Zellen 14500 füllenKaputt machen
17
Die Servos aus den 5 V des Nano versorgenKaputt machen
18
setPWMFreq(50) weglassenKaputt machen
19
Den Jumper A0 überbrückenKaputt machen
20
C2 verkehrt herum einsetzenKaputt machen
21
Eine kalte Lötstelle an SDA lassenKaputt machen
22
Den Greifer ganz um den Würfel schließenKaputt machen
23
Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Jeder Fehler ist einer, über den echte Bastler stolpern. Lös ihn aus, lies das Symptom an der Werkbank ab und beheb ihn dann.

Akku verkehrt herum angeschraubt
Verpolung
Warum es passiert
Symptom: Nichts bewegt sich, und nichts wird warm; die grüne LED bleibt an.
Q1 ist ein P-MOSFET mit dem Gate an GND. Mit negativem V+ liegt seine Body-Diode in Sperrrichtung, und seine Gate-Spannung hat die falsche Richtung, um ihn einzuschalten, also erreicht kein Strom die Servos. Die LED läuft aus VCC, den 5 V des Nano, also sagt sie nichts über V+.
Lösung: Tausch die Kabel: Rot an V+, Schwarz an GND. Der V+-Pin der seitlichen Stiftleiste hat keinen solchen Schutz.
16,8 V an V+
falsche Spannung
Warum es passiert
Symptom: Die Servos brummen, werden heiß und bleiben für immer stehen. Chip und Nano sind in Ordnung.
Ein SG90 ist für 4,8 V gebaut und verträgt höchstens 6 V. Vier Li-Ionen-Zellen 14500 liefern 16,8 V: Motor und Treiber überhitzen in Sekunden. Q1 (30 V) lässt das durch, er ist nur für die Polarität da. C2, für 10 V ausgelegt, liegt ebenfalls über seiner Grenze.
Lösung: Nimm Alkali-AAs (6 V) oder NiMH (4,8 V) oder ein 5-V-Netzteil mit 2 A oder mehr. Ersetz die Servos und C2, wenn er sich wölbt.
Servos an den 5 V des Nano
Brown-out
Warum es passiert
Symptom: Die Servos zucken, der Nano startet immer wieder neu, und der Arm beendet nie eine Bewegung.
Bewegte SG90 nehmen je ein paar hundert mA, beim Anlaufen mehr. Über USB und die 500-mA-Sicherung des Nano zieht das die 5 V herunter, bis der Brownout-Detektor des ATmega (etwa 2,7 V) ihn zurücksetzt. Die Servos halten an, die Spannung erholt sich, der Sketch beginnt von vorn.
Lösung: Gib den Servos eine eigene Versorgung an der V+-Klemme. VCC vom Nano ist nur für die Logik des Chips.
Kein setPWMFreq(50)
falsche Einstellung
Warum es passiert
Symptom: Die Servos zucken, ignorieren ihre Befehle und werden warm.
begin() lässt den Chip bei etwa 1000 Hz: ein Rahmen knapp unter 1 ms. Ein Puls von 1,5 ms passt nicht hinein, also bleiben die Ausgänge die meiste Zeit HIGH, und die Servos sehen nie eine Pulslänge, die sie verstehen.
Lösung: Ruf pwm.setPWMFreq(50) nach begin() auf. Eine Frequenz gilt für alle sechzehn Kanäle.
Board auf 0x41
falsche Einstellung
Warum es passiert
Symptom: Die Servos bleiben schlaff; der Sketch läuft und gibt aus, als wäre alles in Ordnung.
Der überbrückte Jumper A0 addiert 1 zur Adresse. Die Bibliothek schreibt an 0x40, niemand bestätigt, und der Chip auf 0x41 wacht nie auf. Ein I2C-Scan zeigt 0x41 und 0x70.
Lösung: Entfern die Brücke oder erzeug den Treiber mit Adafruit_PWMServoDriver(0x41).
C2 verkehrt herum
Bauteil verkehrt herum
Warum es passiert
Symptom: C2 wölbt sich, zischt und knallt, sobald V+ anliegt.
Ein Elektrolytkondensator hält seine Ladung auf einer dünnen Oxidschicht, die nur in einer Richtung funktioniert. Verkehrt herum leitet er, erhitzt sich und bläst ab.
Lösung: Abklemmen, einen neuen Kondensator einsetzen, mit dem Streifen (Minus) nach links, weg von Q1.
Kalte Lötstelle an SDA
kalte Lötstelle
Warum es passiert
Symptom: Der Arm stottert: Manche Bewegungen kommen zu spät, manche gar nicht.
Jeder Befehl geht über SDA. Über eine Lötstelle, die Kontakt macht und wieder verliert, kommen manche Schreibvorgänge nie an, und der Chip sendet den alten Puls weiter, bis der nächste durchkommt.
Lösung: Erwärm die Lötstelle mit frischem Lot, bis es in einen glänzenden Kegel um den Pin fließt.
Greifer am Würfel blockiert
Überstrom
Warum es passiert
Symptom: Der Greifer brummt, wird warm, und der Akkustrom springt um etwa 450 mA.
Der Servo bekommt 0° gesagt, aber der Würfel stoppt die Finger bei etwa 72°. Sein Potentiometer meldet, dass er weit von seinem Soll entfernt ist, also drückt er mit allem, was er hat: Ein SG90 blockiert bei ungefähr 360-550 mA. Kunststoffzahnräder können ausreißen.
Lösung: Schließ nur, bis die Finger berühren (hier 70°). Ein Servo hält am besten ein paar Grad hinter dem Kontakt, nicht am Ende seines Wegs.

Die Werkbank im Überblick

bau den Treiber, zentrier den Arm, dann greifen und ablegen

Ein Servo will alle 20 ms einen Puls von 600 bis 2400 µs Länge und dreht sich auf den Winkel, für den diese Länge steht. Das PCA9685-Board von Adafruit erzeugt diese Pulse für sechzehn Servos auf einmal: Der Nano schreibt die Werte jedes Kanals über zwei I2C-Drähte, und der Chip sendet sie dann aus seinem eigenen 25-MHz-Takt weiter, ohne Hilfe vom Nano. Die Servoversorgung kommt getrennt herein, an der blauen V+-Klemme, über einen MOSFET, der einen verpolten Akku blockiert. Bau das Board, verdrahte einen Nano, einen Halter mit 4 x AA und einen kleinen Arm mit drei Servos, und lass ihn dann einen Schaumstoffwürfel aufheben und auf der anderen Seite ablegen. Dann mach es kaputt: der Akku verkehrt herum, Li-Ionen-Zellen, Servos an den 5 V des Nano, kein setPWMFreq(50), die falsche Adresse, der Pufferkondensator verkehrt herum, eine kalte Lötstelle an SDA und ein Greifer, der zu fest zudrückt.

Quellen

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Der Sketch verwendet 6.178 Bytes des Programmspeicherplatzes

Code: Arm zentrieren

// PCA9685: Servopulse über I2C
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_PWMServoDriver.h>

Adafruit_PWMServoDriver pwm;   // das Board an seiner Standardadresse, 0x40

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pwm.begin();          // weckt den Chip (er startet schlafend, jeder Ausgang LOW)
  pwm.setPWMFreq(50);   // ein Rahmen von 20 ms: Vorteiler 121, 4096 Ticks zu 4,88 µs
  for (int ch = 0; ch < 3; ch++) pwm.writeMicroseconds(ch, 1500);   // 1500 µs = 307 Ticks: jeder Servo auf 90°
  Serial.println("pca9685: 50 Hz, ch0-2 at 1500 us (307 ticks)");
}

void loop() {}   // nichts zu tun: Der Chip sendet die Pulse von selbst weiter

Übungsaufgaben

0/2 Aufgaben

Schreib den Code und führ dann die Prüfungen aus. Der Lauf nutzt eine virtuelle Uhr und eine geskriptete Umgebung, deshalb liefert derselbe Code immer dasselbe Ergebnis.

Mikrosekunden sind keine Ticks

Arduino C++

setPWM(ch, on, off) nimmt Ticks, keine Mikrosekunden: Bei 50 Hz ist ein Tick 20000 / 4096 µs. Der Startcode schickt 1500, als wären es µs, und vergisst außerdem setPWMFreq(50). Schreib ticksFor() so, dass aus 1500 µs etwa 307 Ticks werden, aus 600 etwa 123 und aus 2400 etwa 492, und setz den Rahmen auf 50 Hz.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtLäuft
Noch nicht ausgeführtSetzt den Rahmen mit setPWMFreq(50) auf 50 Hz
Noch nicht ausgeführtAus 1500 µs werden 306-308 Ticks
Noch nicht ausgeführtAus 600 µs werden 122-124 Ticks
Noch nicht ausgeführtAus 2400 µs werden 490-493 Ticks
Noch nicht ausgeführtKanal 0 sendet einen Puls von 1500 µs in einem 50-Hz-Rahmen

Tipps

ticks = us x 4096 / 20000. Erst multiplizieren, dann teilen, sonst geht der Bruchteil verloren.
1500 x 4096 ist über 6 Millionen, zu groß für ein int auf einem Nano: Wandle zuerst in uint32_t um.
pwm.setPWMFreq(50); kommt direkt nach pwm.begin();

Code für Mikrosekunden sind keine Ticks

Die Basis mit einem Drehknopf drehen

Arduino C++

Setz ein 10-kΩ-Potentiometer an A0 und lass es die Basis lenken: Knopf ganz unten ist 0°, auf halbem Weg 90°, ganz oben 180°. Der Startcode schickt immer 90°. Lies den Knopf, bilde 0-1023 auf 0-180° ab und schick das.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtLäuft
Noch nicht ausgeführtLiest den Knopf mit analogRead(A0)
Noch nicht ausgeführtKnopf auf halbem Weg: die Basis bei etwa 90°
Noch nicht ausgeführtKnopf unten: 0° = 600 µs
Noch nicht ausgeführtKnopf oben: 180° = 2400 µs

Tipps

int deg = map(analogRead(A0), 0, 1023, 0, 180);
Die Zeile danach macht aus Grad schon 600-2400 µs.
report() gibt nur aus, wenn sich der Winkel ändert, damit der serielle Monitor lesbar bleibt.

Code für Die Basis mit einem Drehknopf drehen

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Nimm jedes Bauteil von der blauen Platine. Du baust sie in der Reihenfolge der Fabrik wieder auf: zuerst der Chip, der MOSFET und die kleinen Bauteile, dann die Stiftleisten, die Klemme und der Kondensator.

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die I2C-Stiftleiste und die vier Servoblöcke einsetzen

Die V+-Klemme einsetzen

C2, 470 µF, richtig herum einsetzen

Die bedrahteten Bauteile löten

Den Nano verdrahten

Die Servos des Arms in die Kanäle 0-2 stecken

Den Akku an der V+-Klemme anschrauben

Die Werkbank mit Strom versorgen

„Arm zentrieren“ hochladen

„Basis schwenken“ hochladen

„Greifen und Ablegen“ hochladen

„I2C-Scan“ hochladen

Den Akku verkehrt herum anschraubenKaputt machen

Den Halter mit Li-Ionen-Zellen 14500 füllenKaputt machen

Die Servos aus den 5 V des Nano versorgenKaputt machen

setPWMFreq(50) weglassenKaputt machen

Den Jumper A0 überbrückenKaputt machen

C2 verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Eine kalte Lötstelle an SDA lassenKaputt machen

Den Greifer ganz um den Würfel schließenKaputt machen

Explosionsansicht

Die Werkbank im Überblick

bau den Treiber, zentrier den Arm, dann greifen und ablegen

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Der Sketch verwendet 6.178 Bytes des Programmspeicherplatzes

Code: Arm zentrieren

// PCA9685: Servopulse über I2C
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_PWMServoDriver.h>

Adafruit_PWMServoDriver pwm;   // das Board an seiner Standardadresse, 0x40

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pwm.begin();          // weckt den Chip (er startet schlafend, jeder Ausgang LOW)
  pwm.setPWMFreq(50);   // ein Rahmen von 20 ms: Vorteiler 121, 4096 Ticks zu 4,88 µs
  for (int ch = 0; ch < 3; ch++) pwm.writeMicroseconds(ch, 1500);   // 1500 µs = 307 Ticks: jeder Servo auf 90°
  Serial.println("pca9685: 50 Hz, ch0-2 at 1500 us (307 ticks)");
}

void loop() {}   // nichts zu tun: Der Chip sendet die Pulse von selbst weiter

Servoarm mit PCA9685

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die I2C-Stiftleiste und die vier Servoblöcke einsetzen

Die V+-Klemme einsetzen

C2, 470 µF, richtig herum einsetzen

Die bedrahteten Bauteile löten

Den Nano verdrahten

Die Servos des Arms in die Kanäle 0-2 stecken

Den Akku an der V+-Klemme anschrauben

Die Werkbank mit Strom versorgen

„Arm zentrieren“ hochladen

„Basis schwenken“ hochladen

„Greifen und Ablegen“ hochladen

„I2C-Scan“ hochladen

Den Akku verkehrt herum anschraubenKaputt machen

Den Halter mit Li-Ionen-Zellen 14500 füllenKaputt machen

Die Servos aus den 5 V des Nano versorgenKaputt machen

setPWMFreq(50) weglassenKaputt machen

Den Jumper A0 überbrückenKaputt machen

C2 verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Eine kalte Lötstelle an SDA lassenKaputt machen

Den Greifer ganz um den Würfel schließenKaputt machen

Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Akku verkehrt herum angeschraubt

16,8 V an V+

Servos an den 5 V des Nano

Kein setPWMFreq(50)

Board auf 0x41

C2 verkehrt herum

Kalte Lötstelle an SDA

Greifer am Würfel blockiert

Live-Status

Stromaufnahme

Teste dich selbst

Nach: Die bedrahteten Bauteile löten

Nach: „Greifen und Ablegen“ hochladen

Nach: Den Greifer ganz um den Würfel schließen

Abschlussquiz der Werkbank

Die Werkbank im Überblick

Quellen

Auf der Werkbank

Übungsaufgaben

Mikrosekunden sind keine Ticks

Prüfungen

Die Basis mit einem Drehknopf drehen

Prüfungen

Servoarm mit PCA9685

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Die I2C-Stiftleiste und die vier Servoblöcke einsetzen

Die V+-Klemme einsetzen

C2, 470 µF, richtig herum einsetzen

Die bedrahteten Bauteile löten

Den Nano verdrahten

Die Servos des Arms in die Kanäle 0-2 stecken

Den Akku an der V+-Klemme anschrauben

Die Werkbank mit Strom versorgen

„Arm zentrieren“ hochladen

„Basis schwenken“ hochladen

„Greifen und Ablegen“ hochladen

„I2C-Scan“ hochladen

Den Akku verkehrt herum anschraubenKaputt machen

Den Halter mit Li-Ionen-Zellen 14500 füllenKaputt machen

Die Servos aus den 5 V des Nano versorgenKaputt machen

setPWMFreq(50) weglassenKaputt machen

Den Jumper A0 überbrückenKaputt machen

C2 verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Eine kalte Lötstelle an SDA lassenKaputt machen

Den Greifer ganz um den Würfel schließenKaputt machen

Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Akku verkehrt herum angeschraubt

16,8 V an V+

Servos an den 5 V des Nano