树莓派Pico直流电机接口技术及PWM电机调速控制MicroPython编程_树莓派pico pwm

内容目录：
一、树莓派Pico开发板直流电机接口技术
1.H桥驱动电路的基本工作原理
2.典型H桥驱动电路分析
3.DRV8833双H桥电机驱动模块介绍
4.Pico开发板与直流电机接口
二、Pico开发板扩展口PWM电机调速控制MicroPython编程实现
1.DRV8833模块电机驱动及PWM电机调速控制真值表
2.Pico开发板GPIO扩展口PWM电机调速控制MicroPython编程实现

一、树莓派Pico开发板直流电机接口技术
由于直流电机的驱动电流较大(往往大于几百mA)，大大超出了Pico等嵌入式开发板GPIO接口单根口线能直接驱动的最大几十mA电流，因此必须在GPIO接口和电机控制对象之间增加驱动电路。我们可以采用三极管或MOSFET管等分离电子元件自行设计电机驱动电路，也可以购买现成的驱动电路模块。在实际应用场景中，我们常采用H桥(H Bridge)功率驱动电路驱动直流电机。
1.H桥驱动电路的基本工作原理
H 桥驱动电路是为直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其简化电路原理见图1所示。

图1
从图1可以看出，其形状像字母“H”，而作为负载的直流电机像“桥”一样架在上面，因此称之为“ H 桥驱动”。4个开关所在位置称为“桥臂”。
H桥电机驱动基本原理：设开关 A、D接通，电机为正向转动；若开关B、C接通，直流电机将反向转动。从而实现了电机的正反向驱动。
借助这 4 个开关还能产生电机的另外 2 种工作状态：(1)刹车—将B 、D开关(或A、C)接通，则电机惯性转动产生的电动势将被短路，形成阻碍运动的反电动势，形成“刹车”作用；(2)惰行— 4个开关全部断开，则电机惯性所产生的电动势将无法形成回路，从而不会产生阻碍运动的反电动势，电机将惯性转动较长一段时间。
图1所示的H桥驱动电路只是原理上的，实际H桥驱动电路的4个开关须用三极管、MOSFET等元件取代，见图2所示。

图2
2.典型H桥驱动电路分析
为了分析H桥电路，先讨论 H 桥的性能指标：
(1)效率：所谓驱动效率高，就是要将输入的能量尽可能多地输出给负载，而驱动电路本身最好不消耗或少消耗能量，具体到H桥上，就是4个桥臂在导通时最好没有压降，或者是越小越好。
(3)安全性：不能同侧桥臂同时导通，在PWM电机控制上采用带死区的PWM (或采用逻辑电路)控制可以确保这一点；
(3)电压：能够承受的驱动电压；
(4)电流：能够通过的驱动电流。
可以看出，指标(2)不是H桥本身的问题，而是控制部分要考虑的问题。最后两个指标，只要不是特别大的负载需求，通过选择合适参数的器件就能满足，如智能小车控制等应用。
只有指标(1)是由不同器件的性能所决定的，而且是运行中最应关注的性能指标，因为它直接影响电机驱动的效率。故分析的重点应放在效率上，也就是桥臂的压降上。
为使分析简单且便于比较，设H 桥的驱动电流为2A ，电压在 5~12V。三极管H桥和MOSFET管H桥器件选择如下：
(1)双极性晶体管-D772、D882
D772的压降指标 ：

D882的压降指标：

(2)MOS管-2301、2302
2301的压降指标：

因为MOS管是以导通电阻来衡量的，这里须进行换算；实际应用中，通常智能小车采用电池供电，设小车的控制电压为4.5V(电池电压)，根据上表给出的导通电阻参数，驱动电流2A时的最小压降为2* 0.093 V= 0.186V，最大压降为2 * 0.13 V= 0.26V。
2302的压降指标：

若是智能小车的控制电压是4.5V，按上表给出的导通电阻参数，2A驱动电流时的压降为2* 0.045 V=0.09V，最大压降为2 * 0.06 = 0.12V。
如果均以2A电流驱动计算，两种H驱动自身所消耗的功率如下：
三极管H桥： D772、D882 –(0.5V+0.5V)*2A = 2 W
MOS管H桥：2301、2302-- (0.26V+0.12V)2 A= 0.76 W
以驱动一个 4.5V 、2A 的直流电机为例，电机得到的功率是 4.5V 2A= 9W；采用三极管 D772、D882 需要5.5V供电，效率为 9/(5.52)= 81% ；采用 MOS管2301、2302 需要4.88V供电，效率为9/(4.882)= 92%。
从这组数据可看出两者的散热需求。同时还可解释智能小车使用三极管 D772、D882作为H桥驱动时为何要选用3V电机，这是因为智能小车是4节1.2V充电电池供电，电源电压只有4.8~5V，三极管H桥压降为1V，因此只能使用3V的电机；而改用MOS管H桥驱动后， MOS 管H桥只有不到0.4V的压降，故可选用4.5V的电机。
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。见图3所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机(或线圈)，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动(电机周围的箭头指示为顺时针方向)。

图3
图4所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动(电机周围的箭头表示为逆时针方向)。

图4
需要强调说明的是，尽管我们理论上可以使用2个NMOSFET和2个PMOSFET来构建H桥电路，但实际应用中一般使用4个N型MOSFET管来搭建H桥电路。之所以大多不使用2个NMOS管+2个PMOS管用来搭建H桥电路，主要原因是：一是现有型号的PMOS管较难做到高耐压大电流，且导通电阻大；二是同样性能的MOS管，NMOS管比PMOS更加便宜。
对于NMOS，当外部给的栅源极Vgs电压大于芯片的Vgs阈值(大部分在2V~10V之间)时，漏极D和源极S之间直接导通。如果外部加的Vgs电压小于阈值，漏极D和源极S之间截止。可简单地认为，其实NMOS就是一个由栅极G电压控制的一个开关。图5是我们自行设计电机驱动电路可参考的一种NMOS型号。

图5
3.DRV8833双H桥电机驱动模块介绍
在实际的电机驱动应用中，使用分立元件设计制作H桥较为麻烦，目前市场上有很多封装好的H桥集成电路电机驱动模块，在额定电压和电流允许的范围内使用只需将其接通电源、电机和控制信号即可。常见的直流电机驱动模块有ULN2003(达林顿三极管阵列驱动)、L298N(双H桥驱动)、TB6612(双H桥驱动)、DRV8833(双H桥驱动)等。其中，DRV8833是TI公司出品的一款双通道H桥电机驱动芯片(可完全取代TB6612)，采用该芯片设计的典型直流电机驱动电路原理图见图6所示。

图6
以DRV8833芯片为基础，许多电子厂家推出了相应的DRV8833驱动模块解决方案。图7是博主在X东电商平台采购一款DRV8833驱动模块，本文Pico开发板与直流电机接口将采用该模块驱动直流电机。
图7
针对图7所示的DRV8833双H桥直流电机驱动模块，该模块各信号引脚符号说明如下：
1)VM: 电源 (2.7V~10.8V);
2)GND: 地；
3)AIN1: 电机A H桥输入1；
4)AIN2: 电机A H桥输入2;
5)BIN1: 电机B H桥输入1;
6)BIN2: 电机B H桥输入2;
7)FLT: 故障输出;
8) AOUT1: 电机A H桥输出1;
9) AOUT2: 电机A H桥输出2;
10) BOUT1: 电机B H桥输出1;
11) BOUT2: 电机B H桥输出2;
12)AS1: 桥A接地(用于桥A，可连接到电流检测电阻；若不需要电流控制，可连接到GND);
13)AS2: 桥B接地;
14)SLP: 睡眠模式输入，SLP=1(如果嵌入式开发板的GPIO口是LV TTL逻辑，SLP可接到+5V电源或3.3V电源，则SLP=1) 时，H桥驱动电机工作；SLP悬空或接GND时，H桥不能驱动电机工作。
DVR8833有两个H桥驱动器，可用于驱动两个DC(直流)电刷电机、一个双极性步进电机，也可用于驱动其他感性负载。DVR8833每个H桥输出驱动器模块由4个N沟道MOSFET组成，这些MOSFET被配置成一个H桥，以驱动电机绕组。每个H桥可连续提供1.5A的电流(在25°且供电电源电压VM=5V时)，能支持高达2A的峰值电流。
DVR8833电机驱动模块主要参数：电机电压范围2.7V~10.8V(即VM电源电压范围)，峰值电流2A，MOSFET导通电阻360mΩ(因全部采用NMOS，导通电阻低)。
再补充说明一点，如果遇到的实际问题是使用大功率电机的话，则可改用DRV8302大功率电机驱动模块，DRV8302驱动模块主要参数：电机电压范围5.5V~45V，峰值电流15A。
4.Pico开发板与直流电机接口
DVR8833可以接两个小型直流电机，本文Pico开发板与一个直流电机接口原理图见图8所示。

图8
对应于图8的Pico开发板与直流电机接口原理图， 图9是通过面包板接线的Pico开发板与直流电机接口拍照实物图。这里使用了配风扇叶片、电机型号为R300C的微型直流电机，该电机主要参数：电源电压1.5V~6V，3V电压3500转，6V电压7000转。

图9
对应于图8的Pico开发板与直流电机接口原理图， 图9是通过面包板接线的Pico开发板与直流电机接口拍照实物图。这里使用了配风叶片、电机型号为R300C微型直流电机，该电机的主要参数：电源电压1.5V~6V，3V电压3500转，6V电压7000转。
二、Pico开发板扩展口PWM电机调速控制MicroPython编程实现
1.DRV8833模块电机驱动及PWM电机调速控制真值表

表1 DRV8833模块H桥驱动控制真值表

表2 DRV8833模块PWM控制电机转速真值表

2.Pico开发板GPIO扩展口PWM电机调速控制MicroPython编程实现
MicroPython编程实现1：Pico开发板GPIO扩展口的GP14和GP15控制直流电机正反转，程序清单如下：

from machine import Pin 
import utime
HBridge_AIN1 = Pin(14, Pin.OUT)
HBridge_AIN2 = Pin(15, Pin.OUT)
#控制电机正转函数定义
def motor_forward():
    HBridge_AIN1.high()
	HBridge_AIN2.low()
#控制电机反转函数定义
def motor_reverse():
    HBridge_AIN1.low()
	HBridge_AIN2.high()
#控制电机停转函数定义
def motor_stop():
    HBridge_AIN1.low()
    HBridge_AIN2.low()
def test():
    motor_forward()
    utime.sleep(2)
    motor_reverse()
    utime.sleep(2)
    motor_stop()
test() #测试电机的正反转 (Pass)
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结合本程序对应的图8和图9硬件接口及表1的真值表分析可知：本程序运行后，电机将依次正转2秒、反转2秒，最后停转(驱动模块H桥的AOUT1和AOUT2输出为高阻，电机惯性运行停转)。
MicroPython编程实现2：将Pico开发板GPIO扩展口的GP14设置为PWM输出口，GP15设置为输出口，并用不同占空比的PWM信号控制直流电机正反转调速，程序清单如下：

#Filename: main.py
from machine import Pin, PWM 
import utime
#使用Pico扩展口物理引脚号19(GPIO14)，构建PWM对象PWM_HBridge_AIN1
PWM_HBridge_AIN1=PWM(Pin(14))
HBridge_AIN2 = Pin(15, Pin.OUT)
#设置PWM_HBridge_AIN1频率
PWM_HBridge_AIN1.freq(500)
#设置占空比PWM_PulseWidth[i]/65535(i=0~4)：100%,75%,50%,25%,0%
PWM_PulseWidth= [65535,49151,32767,16383,0]
#定义电机正转函数：以设定的5个占空比，电机速度分成5挡每2秒由快到慢正转，最后1挡停转
def motor_forward():
    HBridge_AIN2.low()
    for i in range(len(PWM_PulseWidth)):
        PWM_HBridge_AIN1.duty_u16(PWM_PulseWidth[i])   #电机按设置的占空比正转
        utime.sleep(2)

#定义电机反转函数：以设定的5个占空比，电机速度分成5挡每2秒由快到慢反转，最后1挡停转
def motor_reverse():
    HBridge_AIN2.high()
    for i in range(len(PWM_PulseWidth)-1,-1,-1):
        PWM_HBridge_AIN1.duty_u16(PWM_PulseWidth[i]) #电机按设置的占空比反转
        utime.sleep(2)
def test():
    motor_forward()
    motor_reverse()
test()  #测试电机的PWM调速正反转 (Pass)
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结合参考文献[1]中的PWM技术及MicroPython树莓派Pico实现、本程序对应的图8和图9硬件接口、表2的PWM电机调速真值表和程序注释不难看出：本程序执运行后，电机将先按5挡从快到慢的不同的速度(100%,75%,50%,25%,0%)各正转2秒，然后再按5挡从快到慢的不同速度(100%,75%,50%,25%,0%)各反转2秒；当电机快速转动时，将同步带动风扇叶片快速旋转[图10(c )]。

图10
参考文献：
[1]博主CSDN博文.运用PWM技术及MicroPython实现树莓派Pico板上LED呼吸灯视觉效果.

发布日期：2021年07月08日