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Viele Servos mit Arduino steuern PCA9685

Viele Servos mit Arduino steuern

    Will man viele Servos mit Arduino steuern, stößt man schnell an die Grenze des Boards. Die USB-Stromversorgung reicht kaum für mehr als einen Servomotor. Um trotzdem viele Servos zu versorgen, gibt es einen Servomotor-Treiber. Diese Erweiterungsplatine kann bis zu 16 Servos steuern und verfügt darüber hinaus über eine Anschlussmöglichkeit für eine externe Stromversorgung. Entwickelt wurde sie von Adafruit und hört auf den schönen Namen PCA9685.

     Adafruit PCA9685

    Dieser Servomotor-Treiber wird per I2C-Schnittstelle angesprochen und belegt dadurch nur zwei Arduino-Pins. Zum Betreiben gibt es eine eigene Arduino-Programmbibliothek, die die Nutzung extrem einfach macht.

    Spannend am Servomotor-Treiber PCA9685 ist, dass er über Adress-Pins verfügt, die die Nutzung von bis zu 62 Servomotor-Treibern ermöglicht. Das führt zu einer Gesamtanzahl von gleichzeitig steuerbaren Servos von 992!! (die nötige Stromversorgung vorausgesetzt)


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    Viele Servos mit Arduino steuern - PCA9685

    Installation der Adafruit PWM Programmbibliothek

    Klicke in der Arduino-Software auf Sketch>Bibliothek einbinden>Bibliothek verwalten. Suche im Textfeld nach Adafruit PWM und installiere die Adafruit PWM Servo Driver Library in der aktuellen Version.

    Code – Viele Servos mit Arduino steuern

    In diesem Beispiel wird jeder Servo (von 0 bis 15) einmal hin und her bewegt. Den Original-Code findest du in der Arduino-Software unter Datei>Beispiele>Adafruit PWM Servo Driver Library>test.

    #include <Wire.h>
    #include <Adafruit_PWMServoDriver.h>
    
    Adafruit_PWMServoDriver myServos = Adafruit_PWMServoDriver();
    
    #define SERVOMIN  150
    #define SERVOMAX  600
    
    uint8_t servonum = 0;
    uint8_t numberOfServos = 16;
    
    void setup() {
      myServos.begin();
      myServos.setPWMFreq(60);
      delay(10);
    }
    
    void loop() {
      for (uint16_t pulselen = SERVOMIN; pulselen < SERVOMAX; pulselen++){
        myServos.setPWM(servonum, 0, pulselen);
      }
      delay(500);
    
      for (uint16_t pulselen = SERVOMAX; pulselen > SERVOMIN; pulselen--){
        myServos.setPWM(servonum, 0, pulselen);
      }
      delay(500);
    
      servonum ++;
      if (servonum > numberOfServos-1) servonum = 0;
    }

    Wie funktioniert dieses Programm?

    Da das PCA9685 I2C für den Datenaustausch verwendet, muss die Wire.h-Bibliothek eingebunden werden. Wire war der Vorgänger von Arduino und die Bibliothek beinhaltet noch eine Reihe nützlicher Tools. Dazu die weiter oben erwähnte Bibliothek für das Modul selbst. Das passiert am Anfang des Programmes:

    #include <Wire.h>
    #include <Adafruit_PWMServoDriver.h>

    Nun wird ein Adafruit_PWMServoDriver-Objekt angelegt. Über dessen Namen myServos können wir es dann ansprechen. Im Originalcode heißt diese Variable übrigens pwm, was ich als Variablennamen etwas unglücklick finde. Falls du also den Originalcode verwendest, nicht wundern.

    Adafruit_PWMServoDriver myServos = Adafruit_PWMServoDriver();

    Jetzt werden noch ein paar Konfigurationen getroffen. Der maximale und minimale Ausschlag der Servos wird als Konstante definiert:

    #define SERVOMIN  150
    #define SERVOMAX  600

    Hier könnte fast genauso gut stehen:

    int servoMin = 150;
    int servoMax = 600;

    Da man diese Werte aber im laufenden Programm lieber nicht verändert, macht es Sinn, die Konstantendeklaration (oben) zu nutzen.

    Die Hilfsvariable servonum wird verwendet, um später im Loop eine Zählervariable zur Verfügung zu haben. Sie zählt pro Durchlauf des Loops von 0 bis numberOfServos-1.

    uint8_t servonum = 0;
    uint8_t numberOfServos = 16;

    Springen wir kurz an das Ende des Loops, um uns das genauer anzusehen.

      servonum ++;
      if (servonum > numberOfServos-1) servonum = 0;

    Die Variable servonum wird also so lange wiederholt, bis sie größer als numberOfServos-1 ist. Sobald sie größer ist, wird sie auf 0 zurückgesetzt.

    Nun steht uns im Loop also eine Variable zur Verfügung, die von 0 bis 15 durchläuft. Das ist praktisch, denn im Beispiel wollen wir ja 16 Servos – und zwar einen nach dem anderen – bewegen.

    Das wird durch zwei for-Schleifen realisiert. Die eine zählt von SERVOMIN bis SERVOMAX hoch,

      for (uint16_t pulselen = SERVOMIN; pulselen < SERVOMAX; pulselen++){
        myServos.setPWM(servonum, 0, pulselen);
      }
      delay(500);

    die andere (nach einer Verzögerung von 500 ms – delay(500) – ) von SERVOMAX auf SERVOMIN herunter.

      for (uint16_t pulselen = SERVOMAX; pulselen > SERVOMIN; pulselen--){
        myServos.setPWM(servonum, 0, pulselen);
      }
      delay(500);

    Die Zähltervariable pulselen speichert dabei den aktuellen Wert, also den Wert zwischen SERVOMIN und SERVOMAX). Und dieser Wert wird jetzt einfach an das PCA9685-Modul gesendet, welches dann den Servo (servonum) auf den Wert pulselen stellt.

    myServos.setPWM(servonum, 0, pulselen);

    Die Eintragungen im Setup habe ich übersprungen. Also zur Erläuterung. Die erste Zeile startet das myServos-Objekt, die zweite setzt die Servo-Frequenz auf 60 Hz. Das ist auch die Frequenz für Servomotoren (LEDs bevorzugen z. B. 1KHz).

      myServos.begin();
      myServos.setPWMFreq(60);
      delay(10);

    Servos auf bestimmte Position stellen

    Hier noch mal ein Programm, dass 16 Servos zuerst auf zwei je vordefinierte Positionen stellt, wobei die Positionen von Servo zu Servo unterschiedlich sein können. Danach wird jeder Servo auf eine zufällige Position gestellt.

    #include <Wire.h>
    #include <Adafruit_PWMServoDriver.h>
    
    Adafruit_PWMServoDriver myServos = Adafruit_PWMServoDriver();
    
    int servosPos1[]={150,160,170,180,190,200,210,220,230,240,250,260,270,280,290,300};
    int servosPos2[]={500,490,480,470,460,450,430,420,410,400,390,380,370,360,350,340};
    
    #define SERVOMIN  150
    #define SERVOMAX  600
    
    int numberOfServos = 16;
    
    void setup() {
      myServos.begin();
      myServos.setPWMFreq(60);
      delay(10);
    }
    
    void loop() {
      for (int i=0; i<numberOfServos; i++){
        myServos.setPWM(i, 0, servosPos1[i]);
      }
      delay(500);
    
      for (int i=0; i<numberOfServos; i++){
        myServos.setPWM(i, 0, servosPos2[i]);
      }
      delay(500);
    
      for (int i=0; i<numberOfServos; i++){
        myServos.setPWM(i, 0, random(SERVOMIN,SERVOMAX));
      }
      delay(500);
    
    }

    Mehrere PCA9685 verwenden

    Sollen es noch mehr Servos sein? Kein Problem. Es lassen sich bis zu 62 PCA9685-Module koppeln. (Bitte kauf die 62 Module und die dazugehörigen 922 Servos über meine Affiliate-Links 😂 )

    Um mehrere Module zu verwenden, muss man auf den PCA8574-Modulen eindeutige Adressen zuweisen. Das macht man, indem man die dazugehörigen Lötstellen mit Lötzinn überbrückt (A0 – A5). In der Grafik kannst du sehen, wie die Adressen zugewiesen werden.

    Viele Servos mit Arduino steuern - Viele PCA9685 Module Adressen zuweisen

    Schaltplan: Viele PCA9685-Module verwenden

    Viele Servos mit Arduino steuern - Viele PCA9685 Module

    Markus stand genau vor dem Problem, mehrere Module zu betreiben und hat uns den folgenden Beispiel-Code zur Verfügung gestellt. Vielen Dank nochmal dafür. :-)

    #include <Wire.h>
    #include <Adafruit_PWMServoDriver.h>
    
    Adafruit_PWMServoDriver board1 = Adafruit_PWMServoDriver(0x40);
    Adafruit_PWMServoDriver board2 = Adafruit_PWMServoDriver(0x41);
    
    int board1gerade[] = {150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300}; //Min Position Servos Board1
    int board1abzw[] = {500, 490, 480, 470, 460, 450, 430, 420, 410, 400, 390, 380, 370, 360, 350, 340}; //Max Position Servos Board1
    
    int board2gerade[] = {150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300}; //Min Position Servos Board2
    int board2abzw[] = {500, 490, 480, 470, 460, 450, 430, 420, 410, 400, 390, 380, 370, 360, 350, 340}; //Max Position Servos Board2
    
    #define SERVOMIN 150
    #define SERVOMAX 600
    
    int numberOfServos = 16;
    
    void setup() {
      board1.begin();
      board2.begin();
      board1.setPWMFreq(60);
      board2.setPWMFreq(60);
      delay(10);
    }
    
    void loop() {
      for (int i = 0; i < numberOfServos; i++) { //Servos auf im Array vorgegebene Stellung (gerade) setzen
        board1.setPWM(i, 0, board1gerade[i]);
      }
      delay(500);
    
      for (int i = 0; i < numberOfServos; i++) { //Servos auf im Array vorgegebene Stellung (abzw) setzen
        board1.setPWM(i, 0, board1abzw[i]);
      }
      delay(500);
    
      for (int i = 0; i < numberOfServos; i++) { //Servos auf im Array vorgegebene Stellung (gerade) setzen
        board2.setPWM(i, 0, board2gerade[i]);
      }
      delay(500);
    
      for (int i = 0; i < numberOfServos; i++) { //Servos auf im Array vorgegebene Stellung (abzw) setzen
        board2.setPWM(i, 0, board2abzw[i]);
      }
    }

    Wenn du mehr Fragen hast, schreibe diese gerne in die Kommentare. Ansonsten viel Spaß mit der Servo-Party!

    Bezugsquellen des PCA9685

    Original PCA9685 von Adafruit (1 Stück für ca. $14.95)
    AZDelivery PCA9685 auf Amazon* (3 Stück für ca. 12,99 €)

    Projekte mit Servos


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    32 Gedanken zu „Viele Servos mit Arduino steuern“

    1. Hallo in die Runde

      Ich bin relativ neu auf dem Gebiet der Arduono-Programmierung. Ein paar kleinere Projekte zum Testen habe ich jedoch schon erfolgreich gemacht. Nun meine Frage; ja ich möchte ein Projekt starten bei dem ebenfalls mehrere Servos zum Einsatz kommen sollen. Diese sollen sich aber gleichzeitig bewegen, also nicht nacheinander sondern synchron. Muss ich dann die Servos in kleinen Schritten nacheinander ansteuern so dass dieser Effekt eine Art Gleichzeitigkeit “simuliert” oder gibt es eine Möglichkeit zB. Servo 1-7 gleichzeitig in eine gewünschte Position zu bewegen?

      Danke für etwaige Antworten im vorraus!

      1. Hallo Rocco, das sollte eigentlich relativ gleichzeitig möglich sein. Allerdings muss das Netzteil groß genug sein, da es ziemlich schwere Arbeit leisten muss. Liebe Grüße Stefan

    2. Hallo,
      ich habe einen PCA9685 von Amazon gekauft, wohl ein preiswerter Nachbau. Äusserlich erkennbar an einem Elko neben der Power LED. Dieses Teil benötigt als externe Stomquelle den Anschluss an V+ an der Stiftleiste! Ein Anschluss der externen Spannung -wie abgebildet- an der grünen Steckerleiste genügt nicht! Ich habe Plus 5V und Minus an der grünen Steckerleiste angeschlossen und zusätzlich den +5V an V+ an der Steckerleiste verbunden. Nur so klappt das Ganze!
      Viel Erfolg, Uli

      1. Klappt leider bei mri nicht! Ich habe ein Labornetzteil mit 5V an die Klemme angeschlossen und die Pins Vcc und GND an den Uno ; geht nicht! Dann habe ich den Plus und den Minus vom Netzteil an die Pins V+ am PCA; geht nicht! Habe die SCL und SDA an SCL und SCA am Uno; geht nicht!Dann SCL und SDA am Uno an Pin ana 4 und 5; geht auch nicht.
        Ich weiss nicht mehr weiter.
        Achso, habe auch die PCAs gewechselt, weil dort keine gelbe Lampe angeht. Vielleicht beide defekt?
        Gruss Bernd

        1. Hi Bernhard, das kann ich dir leider nicht sagen. Die Schaltung hab ich mir noch mal angesehen und die sollte funktionieren. Dass zwei PCA9685 defekt sein sollten, halte ich aber nicht für sehr wahrscheinlich. Kannst du noch mal prüfen, ob der richtige Code auf das Arduino-Board übertragen ist? Liebe Grüße Stefan

    3. Pingback: Servos (allg.) und steuern mit kleinen PICs und AVRs | wer bastelt mit?

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