【嵌入式 · 单片机】一文带你搞懂电机驱动模块

1. 基本原理

1.1 控制电机转速

在电机两端施加电压，电机就会旋转，而且电压越大，转速越快

1.2 控制电机旋转方向

通正向电压电机正转，反向电压电机反转

2. H桥驱动

2.1 H桥驱动名称的由来

在上图中，四个开关和电机构成了一个驱动电路，因为形状像字母“H”，所以称作 H桥驱动。

2.2 H桥驱动控制电机旋转方向

在本篇博客中，当电机两端的电压方向为从右到左时，电机的旋转方向为正向.

2.2.1 如上图，闭合开关 S2 和 S3，电机两端的电压方向为从左到右，电机反转

2.2.1 如上图，闭合开关 S1 和 S4，电机两端的电压方向为从右到左，电机正转

2.3 H桥驱动

在实际的应用中，并不会使用开关去驱动电机，而是一种类似开关的元器件–MOS管。

MOS管的导通条件比较繁琐，我们可以简单的认为：

• 接入高电平，MOS管导通
• 接入低电平，MOS管断开

所以，实际应用中的 H桥驱动 是下面的样子

3. 电机驱动模块

3.1 两个控制引脚的电机驱动

• 当 IN1 = 0，IN2 = 1

  • M2 和 M5 导通，电机两端的电压方向为从左到右，电机反转

• 当 IN1 = 1，IN2 = 0

  • M3 和 M4 导通，电机两端的电压方向为从左到右，电机正转

• 当 IN1 = 0，IN2 = 0

  • M2、M3、M4、M5 全部断开，电机不转

• 当 IN1 = 1，IN2 = 1

  • M2、M3、M4、M5 全部导通，电机不转（电机驱动模块中s包含保护电路，所以在这种情况下并不会发生短路）

3.2 三个控制引脚的电机驱动

三个控制引脚的电机驱动是在 IN1、IN2 控制脚的基础上，增加了一个控制 IN1 和 IN2 通断的管脚 ENA（如下图）。

• 当 ENA = 1
  • 控制方式与 3.1 的控制方式相同
• 当 ENA = 0
  • 电机停止转动

3.3 电机驱动模块的组成

电机驱动模块除了内部的 H桥驱动 ，还由 保护电路、上下拉电阻、MOS管驱动芯片（单片机不能直接控制MOS管） 等组成。

4. 使用单片机控制电机驱动

4.1 三个控制引脚的电机驱动

4.1.1 接线

• ENA <-> PWM引脚
• IN1 <-> 普通IO口
• IN2 <-> 普通IO口

4.1.2 控制方式

控制转速

调节 ENA 引脚 PWM 的占空比

• 当 PWM = 0，电机停止转动
• 当 PWM = 100%，电机转速达到最大

控制转向

请参考 3.1

4.2 两个控制引脚的电机驱动

Tip：三个控制引脚的电机驱动也可以使用下面的控制方式，但是需要将其中的 ENA脚 接 VCC。

4.2.1 方式1 - 两路PWM

4.2.1.1 接线

• IN1 <-> PWM1
• IN2 <-> PWM2

要保证 PWM1 和 PWM2 的频率相同（通常为 10k HZ），频率与电机驱动模块和电机的规格有关，具体控制频率需要参考相关规格书。

4.2.1.2 控制方式 1

• PWM1 占空比 > PWM2 占空比（如上图）
  • 电机正转
  • 电机的转速与 PWM1 占空比 - PWM2 占空比 有关
• PWM1 占空比 < PWM2 占空比
  • 电机反转
  • 电机的转速与 PWM2 占空比 - PWM1占空比 有关
• PWM1 占空比 = PWM2 占空比
  • 电机停止转动

4.2.1.3 控制方式 2

• PWM1 占空比 = 0，PWM2 占空比 不为 0
  • 电机反转
  • 电机的转速与 PWM2 占空比 有关
• PWM2 占空比 = 0，，PWM1 占空比 不为 0
  • 电机正转
  • 电机的转速与 PWM1 占空比 有关
• PWM2 占空比 = PWM1 占空比
  • 电机停止转动
  • 建议此时的占空比为 0 或 100%

4.2.2 方式2 - 一路PWM，一路 GPIO

4.2.2.1 接线

• IN1 <-> PWM (通常为 10k HZ)
• IN2 <-> DIR (普通GPIO引脚)

4.2.2.2 控制方式

• DIR = 0（见上图）
  • 电机正转
  • 转速与 PWM 的正向占空比有关
    • PWM = 100% 时，电机正向转速最大
    • PWM = 0 时，电机停止转动

• DIR = 1 （见上图）
  • 电机反转
  • 转速与 PWM 的反向占空比有关
    • PWM = 0 时，电机反向转速最大
    • PWM = 100% 时，电机停止转动

5. 实战 - 使用 Arduino 控制电机

使用的电机驱动是 L298N

它的原理图如下

L298N是一个双路驱动，它可以同时驱动两个电机

• ENA，IN1，IN2 控制左边的电机
• ENB，IN2，IN3 控制右边的电机

使用的控制方式是 4.1 的控制方式。

接线如下：

• ENA <-> D11 （注意：一定要接PWM引脚）
• IN1 <-> D10
• IN2 <-> D9

代码：

/*
 * @Author: CloudSir
 * @Github: https://github.com/cloudsir
 * @Date: 2022-01-11 12:52:48
 * @LastEditTime: 2022-01-11 12:58:13
 * @LastEditors: CloudSir
 * @Description: Arduino 控制电机
 */

#define ENA 11
#define IN1 10
#define IN2 9

// speed的范围 -255 ~ 255
void setMotorSpeed(int speed)
{
    if(speed > 0)
    {
        // 如果速度大于0，则正转
        digitalWrite(IN1, HIGH);
        digitalWrite(IN2, LOW);
    }
    else (speed < 0)
    {
        // 如果速度小于0，则反转
        digitalWrite(IN1, LOW);
        digitalWrite(IN2, HIGH);
    }
    else
    {
        // 如果速度等于0，则停止转动
        digitalWrite(IN1, HIGH);
        digitalWrite(IN2, HIGH);      
    }

    analogWrite(ENA, abs(speed));
}

void setup()
{
    pinMode(IN1, OUTPUT);
    pinMode(IN2, OUTPUT);
}

void loop()
{
    int i = 0;

    // 电机正向旋转，速度逐渐增加
    for(i = 0; i <= 255; i++)
    {
        setMotorSpeed(i);
        delay(100);
    }

    // 电机正向旋转，速度逐渐减小
    for(i = 255; i >= 0; i--)
    {
        setMotorSpeed(i);
        delay(100);
    }

    // 电机反向旋转，速度逐渐增加
    for(i = 0; i <= 255; i++)
    {
        setMotorSpeed(-i);
        delay(100);
    }

    // 电机反向旋转，速度逐渐减小
    for(i = 255; i >= 0; i--)
    {
        setMotorSpeed(-i);
        delay(100);
    }

}

6. 实战 - 使用 STM32F103 控制电机

4.2.2 中控制电机驱动的方式最常用，但它的逻辑有些难理解，我们将以这种控制方式为例。

6.1 接线

使用的驱动是 5. 中的 L298N

• ENA <-> VCC (改装为2线驱动)
• IN1 <-> DIR (任意一个GPIO口)
• IN2 <-> PWM (任意一个PWM输出口)

6.2 PWM设置

首先对 STM32 的PWM模式进行设置：

• 定时器为向上计数
• 定时器频率设置为 10k HZ
• PWM模式为 模式1
• PWM有效电平为高电平

名词规定：

• maxPulse：定时器的最大计数值
• cnt：当前计数器值
• duty ：占空比 ，duty = pulse / maxPulse
• pulse：比较寄存器的值

此时在一个PWM周期内，

• 当 cnt < pulse, PWM 引脚输出高电平
• 当 cnt >= pulse, PWM 引脚输出低电平

6.3 原理分析

参考 4.2.2 的控制方式，结合上图：

• 当 DIR = 0 时，电机正转，电机的转速取决于正向占空比 ，此时 duty = pulse / maxPulse
• 当 DIR = 1 时，电机反转，电机的转速取决于反向占空比，此时 duty = (maxPulse - pulse) / maxPulse

所以可以写出下列 伪代码:

// speed最大值是maxPulse, 最小值是 -maxPulse
// speed为正数时正转，为负数时反转
void setSpeed(int speed)
{
    // 限幅
    if(speed > maxPulse)
        speed = maxPulse;
    else if(speed < -maxPulse)
        speed = -maxPulse;
    
    
    if (speed > 0)
    {
        // 正转
        DIR = 0;
        pulse = speed;
        setPulse(pulse);
    }
    else if (speed< 0)
    {
        // 反转
        DIR = 1;
        pulse = maxPulse + speed; // 这时speed是负数
        setPulse(pulse);
    }
    else
    {
        // 停止转动
        DIR = 1;
        pulse = maxPulse;
        setPulse(pulse);
    }
}

6.4 代码

明白了原理后，不难写出上面的代码，所以这里先不给出代码了。

---

本文为 CloudSir 原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。