【平衡小车制作】（二）电机驱动（超详解）

  大家好，我是小政。本篇文章我将针对平衡小车中的电机控制进行详细的讲解，驱动一个电机最重要的就是给它一个PWM信号，PWM的概念、如何驱动电机及通过改变PWM占空比进行电机调速我会在本篇文章中进行详解。让每位小伙伴能够对PWM（脉冲宽度调制）和电机控制有更加清晰的理解。

一、硬件设计

1.直流减速电机
  直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。
  简单的来说，STM32分配两个IO口给一个直流减速电机，并给予高低电平，来使得电机进行正转或反转。
  我用的电机为GM25-370直流减速电机（带霍尔编码器），工作电压：6-24VDC，额定电压12V，额定电流0.65A，空载转速350RPM，额定功率5W，最大精度，1496CPR，配备 CPR霍尔AB两相编码器，减速后输出单圈374个正交脉冲。

图1 GM25-370直流减速电机（带霍尔编码器）

图2 霍尔编码器接口引脚

2.TB6612FNG电机驱动芯片
  要实现小车的转向与前进后退控制，我们可以使用STM32实现，但是STM32的IO口带负载能力较弱，而直流电机是大电流感性负载，所以我们需要功率放大器件，在这里，我选择使用TB6612FNG这款电机驱动芯片。
  TB6612FNG 是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，它具有大电流MOSFET-H 桥结构，双通道电路输出，可同时驱动 2 个电机。相比于 L298N的热耗性和外围二极管续流电路，TB6612FNG无需外加散热片，外围电路简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机，利于减小系统尺寸。对于PWM信号输入频率范围，我采用10KHz的频率，并通过改变占空比调节电机的速度。
特点：

• T每通道输出最高1.2A的连续驱动电流，启动峰值电流达2A/3.2A（连续脉冲/单脉冲）；
• 4种电机控制模式：正转/反转/制动/停止；
• PWM支持频率高达100kHz；
• 待机状态；
• 片内低压检测电路与热停机保护电路；
• 工作温度：-20~85°C
• 封装：SSOP24（画PCB时注意！）

引脚介绍：

• VM1：电源输入（电机输入电源），这里我设置为12V。
• VCC：驱动电源输入（驱动芯片），这里我设置为5V。
• GND：芯片上的地都是共地。
• STNDBY：总使能端，相当于EN，高电平有效，这里直接与VCC连接。
• PWMA，PWMB：从MCU输入，我设置10Khz的PWM频率
• AIN1，AIN2：电机状态控制。
• A0，A1，B0，B1：输出到电机。

平衡小车中使用到的引脚：
  电机1——PB12/PB13
  电机2——PB14/PB15
  PWM1——PA8
  PWM2——PA11

图3 TB6612FNG电机驱动芯片

图4 AN1和AN2引脚高低电平对应电机状态

3.H桥驱动电路
  上面说到TB6612FNG 具有大电流MOSFET-H桥结构，那么很多小伙伴想问：什么是H桥结构呢？我以下面两张图举例，帮助大家简单化理解H桥电路结构。
注：图中的电路Q1,Q2,Q3,Q4为三极管，而TB6612内部集成的是四个MOSFET，我以下图举例，大家不可把下图看做是TB6612内部电路，其内部电路可查看TB6612的参考手册。
这里推荐给大家一个查找芯片的网址：http://www.semiee.com/（半岛小芯）
   ① 当Q1,Q4导通，Q2,Q3关断时，电流从Q1,从电机正极通过电机负极，再从Q4流出，完成一条回路，电机Motor正转。

图5 H桥电路：电机正转

  ① 当Q2,Q3导通，Q1,Q4关断时，电流从Q3,从电机负极通过电机正极，再从Q2流出，完成一条回路，电机Motor反转。

图6 H桥电路：电机反转

二、软件编程

1.电机驱动函数——motor.c
1）电机GPIO初始化函数
 入口参数：无

• 初始化GPIO–PB12、PB13、PB14、PB15为推挽输出

void Motor_Init(void)
{
     
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);// 开启时钟
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;// 初始化GPIO--PB12、PB13、PB14、PB15为推挽输出
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);	
}

2）限幅函数
 入口参数：电机A脉冲个数，电机B脉冲个数

• 限制电机的脉冲个数在规定范围内，有个最值，即自动重装载值（我设置的是PWM_MAX = 7200，PWM_MIN = -7200）

void Limit(int *motoA,int *motoB)
{
     
	if(*motoA>PWM_MAX)*motoA=PWM_MAX;
	if(*motoA<PWM_MIN)*motoA=PWM_MIN;
	
	if(*motoB>PWM_MAX)*motoB=PWM_MAX;
	if(*motoB<PWM_MIN)*motoB=PWM_MIN;
}

3）绝对值函数（非常通用，建议保存!!）
 入口参数：常规变量

• 通过与0比较，大于0则返回不变的值，小于0则返回相反的值。

int GFP_abs(int p)
{
     
	int q;
	q=p>0?p:(-p);
	return q;
}

4）赋值函数
 入口参数：电机A脉冲个数，电机B脉冲个数

• 入口参数即为PID运算完成后的最终PWM值（后续会讲解PID算法的实现）

void Load(int moto1,int moto2)
{
     
	//1.研究正负号，对应正反转
	if(moto1>0)	
    	Ain1=1,Ain2=0;//正转
	else 				
    	Ain1=0,Ain2=1;//反转
	//2.研究PWM值
	TIM_SetCompare1(TIM1,GFP_abs(moto1));
	
  	//1.研究正负号，对应正反转
	if(moto2>0)
    	Bin1=1,Bin2=0;
	else 				
    	Bin1=0,Bin2=1;	
  	//2.研究PWM值
	TIM_SetCompare4(TIM1,GFP_abs(moto2));
}

2.电机驱动函数头文件——motor.h

#ifndef  _MOTOR_H
#define  _MOTOR_H

#include "sys.h" 

#define Ain1  PBout(14)
#define Ain2  PBout(15)

#define Bin1  PBout(13)
#define Bin2  PBout(12)

void Motor_Init(void);
void Limit(int *motoA,int *motoB);
int GFP_abs(int p);
void Load(int moto1,int moto2);
#endif

3.PWM函数——pwm.c
1. 定时器初始化函数
 入口参数：预分频值，自动重装载值

• PA8,PA11复用推挽输出
• 对应定时器1通道1和通道4
• 开启MOE主输出使能（高级定时器特有!!!）

void PWM_Init_TIM1(u16 Psc,u16 Per)
{
     
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_TIM1 | RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);//开启时钟
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;        // 初始化GPIO--PA8、PA11为复用推挽输出
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
	
	TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseInitStruct);  // 初始化定时器。
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period=Per;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler=Psc;
	TIM_TimeBaseInit(TIM1,&TIM_TimeBaseInitStruct);   // TIM1
	
	TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;      // 初始化输出比较
	TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;
	TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;
	TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse=0;
	TIM_OC1Init(TIM1,&TIM_OCInitStruct);
	TIM_OC4Init(TIM1,&TIM_OCInitStruct);
	
	TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);// 高级定时器专属!!!--MOE主输出使能
	
	TIM_OC1PreloadConfig(TIM1,TIM_OCPreload_Enable);// OC1预装载寄存器使能
	TIM_OC4PreloadConfig(TIM1,TIM_OCPreload_Enable);// OC4预装载寄存器使能
	TIM_ARRPreloadConfig(TIM1,ENABLE);// TIM1在ARR上预装载寄存器使能
	
	TIM_Cmd(TIM1,ENABLE);           // 开定时器。
}

4.PWM函数头文件——pwm.h

#ifndef  _PWM_H
#define  _PWM_H

#include "sys.h" 

void PWM_Init_TIM1(u16 Psc,u16 Per);
#endif

  以上就是平衡小车系列文章第二讲——电机驱动，包括硬件结构讲解和STM32软件编程的讲解，文章中出现错误或者小伙伴对以上内容有所疑问，欢迎大家在评论区留言，小政看到后会尽快回复大家！
【平衡小车制作】（三）编码器讲解（超详解）
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