Learning Objectives
- 說明伺服馬達用脈波寬度決定角度，並用 Servo 與 AngularServo 控制
- 依伺服的規格校正脈波寬度，讓角度對得上
- 說明直流馬達為什麼不能直接接 GPIO，要經過驅動板，並用 Motor 控制方向與速度
- 替馬達規劃獨立電源與共地
讓作品動起來
LED、蜂鳴器、顯示器都只需要一點點電流，GPIO 直接就推得動。可是要讓作品動起來，例如自動餵食器的閘門、 會轉頭的攝影機、小車的輪子，就要用馬達，而馬達是另一個等級的負載。
這一課介紹兩種最常用的馬達，並回答：
- 伺服馬達怎麼知道要轉到 30° 還是 120°？
- 直流馬達為什麼不能直接接在 GPIO 上？
- 馬達的電從哪裡來？為什麼一定要「共地」？
「自造者入門」軌第 09 課會比較直流、伺服與步進馬達的原理；這一課專注在樹莓派上怎麼接、怎麼寫。
伺服馬達：脈波寬度就是角度
伺服馬達裡面有馬達、齒輪、位置感測與控制電路，只要告訴它「轉到幾度」，它會自己轉過去並維持在那裡。它有三條線：
| 線（常見顏色） | 接到 |
|---|---|
| 電源（紅） | 5V 電源（建議用獨立電源，下面說明） |
| 地（棕或黑） | GND，和樹莓派共地 |
| 訊號（橘或黃） | GPIO，例如 GPIO18 |
訊號是第 07 課的 PWM：每 20 ms 送一個脈波（50 Hz），脈波的寬度決定角度。以常見的小型伺服 SG90 為例， 規格書寫的脈波寬度大約是 0.5 ms～2.4 ms，對應 0°～180°；不同廠牌、甚至同一型號的不同批次都略有差異。
gpiozero 有兩個類別：
from gpiozero import Servo, AngularServo
s = Servo(18) # value 從 -1 到 1；預設脈波 1 ms～2 ms
s.min(); s.mid(); s.max() # 等於 value = -1、0、1
a = AngularServo(18, min_angle=0, max_angle=180,
min_pulse_width=0.5/1000, max_pulse_width=2.5/1000)
a.angle = 90 # 直接用角度
Servo 預設的 1 ms～2 ms 比很多伺服實際能接受的範圍窄，所以 min() 到 max() 可能轉不到 180°。
要轉滿，就用 min_pulse_width、max_pulse_width 依你的伺服校正：從小範圍開始慢慢放寬，聽到伺服頂住的聲音就退回來，
免得齒輪一直出力。
模擬器畫的伺服以 0.5 ms＝0°、2.5 ms＝180° 換算角度（示意），所以預設的
Servo只會在 45°～135° 之間轉。
逐步看：Servo 的 min、mid、max
看電路上伺服顯示的角度與脈波寬度。注意建立 Servo 的那一步：預設的 initial_value 是 0，伺服一通電就先轉到中間。
逐步看：校正過的 AngularServo
把脈波寬度設成 0.5 ms～2.5 ms、角度設成 0～180，程式就能直接寫角度。對照每一步印出的脈波寬度。
直流馬達：一定要經過驅動板
小型直流馬達接上電就轉，電壓反過來就反轉，電壓越高轉越快。但它絕對不能直接接在 GPIO 上：
- 樹莓派官方文件寫明，每支 GPIO 最多只能提供 16 mA，全部 GPIO 加起來也只有約 50 mA；一顆小馬達啟動時的電流就遠超過這個數字。
- 馬達是線圈，停止或換方向時會產生反向的電壓突波，可能傷害樹莓派。
所以中間要放一塊馬達驅動板，核心是 H 橋電路：GPIO 只送出很小的控制訊號，驅動板用自己的電源去推馬達。 常見的驅動晶片有 DRV8833、TB6612FNG 等，接受 3.3V 的控制訊號；較舊的 L298N 模組壓降比較大，使用前確認它認得 3.3V 的訊號。
驅動板的兩個輸入腳（常標成 IN1、IN2）決定馬達怎麼轉：
| IN1 | IN2 | 馬達 |
|---|---|---|
| 高 | 低 | 正轉 |
| 低 | 高 | 反轉 |
| 低 | 低 | 停止（自由滑行） |
速度用 PWM 控制：IN1 送工作週期 40% 的 PWM，馬達就以大約四成的力氣轉。gpiozero 的 Motor 把這些都包好了：
from gpiozero import Motor
m = Motor(forward=23, backward=24) # 接驅動板的 IN1、IN2
m.forward(0.4) # 0～1 是速度
m.backward()
m.stop()
逐步看：正轉、減速、停止、反轉
電路上的馬達顯示正轉或反轉，以及目前的速度。程式只控制兩支 GPIO，真正推動馬達的是驅動板。
獨立電源與共地
馬達與伺服的電流大、而且忽大忽小。如果從樹莓派的 5V 腳位取電，負載一重，樹莓派的電壓可能跟著往下掉， 輕則 USB 裝置斷線、重則整台重新開機。所以：
- 馬達用獨立的電源：電池盒或另一個電源供應器，接到驅動板的馬達電源輸入（常標成 VM 或 VMOT）與伺服的電源線。 電壓依馬達與驅動板的規格選擇，不要超過。
- 一定要共地：把馬達電源的 GND、驅動板的 GND、樹莓派的 GND 接在一起。電壓永遠是「兩點之間」的差， 樹莓派說的 3.3V 是相對於它自己的 GND；兩邊的地沒接在一起，驅動板看不懂樹莓派送來的訊號。
- 不要把馬達電源接到樹莓派的 GPIO 或 3.3V，接線前再檢查一次正負極。
伺服馬達在作業系統很忙時可能會微微抖動：gpiozero 常用軟體產生 PWM，脈波寬度偶爾不準（第 07 課）。 需要穩定的角度時，可以改用支援硬體 PWM 的腳位工廠，或是專門的伺服驅動板（例如 PCA9685 這類 I2C 的 PWM 晶片）。
小測驗：伺服
伺服馬達的訊號是每 20 ms 一個脈波，這個 PWM 的頻率是多少？
下面的程式會印出什麼？（0.5 ms 對應 0°、2.5 ms 對應 180°）
angle = 135
pulse = 0.5 + angle / 180 * 2.0
print(pulse)
用預設的 Servo(18)，min() 到 max() 只轉了大約 90°，最合理的做法是？
小測驗：直流馬達與電源
驅動板的 IN1 是低電位、IN2 送工作週期 70% 的 PWM，馬達會怎樣？
馬達用電池盒供電，驅動板的控制腳接樹莓派。哪一種接法是對的？
重點整理
- 伺服：每 20 ms（50 Hz）一個脈波，脈波寬度決定角度；
Servo用 -1～1，AngularServo直接用角度，記得依規格校正脈波寬度。 - 直流馬達不能直接接 GPIO（每支腳約 16 mA 上限，還有反向電壓突波），要經過 H 橋驅動板。
- 驅動板的 IN1／IN2 決定方向，PWM 的工作週期決定速度；gpiozero 的
Motor用forward(速度)、backward(速度)、stop()。 - 馬達與伺服用獨立電源，並把所有 GND 接在一起（共地）；不要讓馬達電源碰到 GPIO。
- 伺服抖動常見的原因是軟體 PWM 時間不準或電源不足，可以考慮硬體 PWM 或專用的伺服驅動板。
下一課加上「眼睛」：用超音波量距離、用人體感測器知道有人經過。