【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。
【平衡小车制作】(二)电机驱动(超详解)_第1张图片

图1 GM25-370直流减速电机(带霍尔编码器)

【平衡小车制作】(二)电机驱动(超详解)_第2张图片

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
【平衡小车制作】(二)电机驱动(超详解)_第3张图片

图3 TB6612FNG电机驱动芯片

【平衡小车制作】(二)电机驱动(超详解)_第4张图片

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。
【平衡小车制作】(二)电机驱动(超详解)_第5张图片

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。
【平衡小车制作】(二)电机驱动(超详解)_第6张图片

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:

  • 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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