內容目錄：
一、樹莓派Pico開發板直流電機接口技術
1.H橋驅動電路的基本工作原理
2.典型H橋驅動電路分析
3.DRV8833雙H橋電機驅動模塊介紹
4.Pico開發板與直流電機接口
二、Pico開發板擴展口PWM電機調速控制MicroPython編程實現
1.DRV8833模塊電機驅動及PWM電機調速控制真值表
2.Pico開發板GPIO擴展口PWM電機調速控制MicroPython編程實現

一、樹莓派Pico開發板直流電機接口技術
由于直流電機的驅動電流較大(往往大于幾百mA)，大大超出了Pico等嵌入式開發板GPIO接口單根口線能直接驅動的最大幾十mA電流，因此必須在GPIO接口和電機控制對象之間增加驅動電路。我們可以采用三極管或MOSFET管等分離電子元件自行設計電機驅動電路，也可以購買現成的驅動電路模塊。在實際應用場景中，我們常采用H橋(H Bridge)功率驅動電路驅動直流電機。
1.H橋驅動電路的基本工作原理
H 橋驅動電路是為直流電機而設計的一種常見電路，它主要實現直流電機的正反向驅動，其簡化電路原理見圖1所示。

圖1
從圖1可以看出，其形狀像字母“H”，而作為負載的直流電機像“橋”一樣架在上面，因此稱之為“ H 橋驅動”。4個開關所在位置稱為“橋臂”。
H橋電機驅動基本原理：設開關 A、D接通，電機為正向轉動；若開關B、C接通，直流電機將反向轉動。從而實現了電機的正反向驅動。
借助這 4 個開關還能產生電機的另外 2 種工作狀態：(1)剎車—將B 、D開關(或A、C)接通，則電機慣性轉動產生的電動勢將被短路，形成阻礙運動的反電動勢，形成“剎車”作用；(2)惰行— 4個開關全部斷開，則電機慣性所產生的電動勢將無法形成回路，從而不會產生阻礙運動的反電動勢，電機將慣性轉動較長一段時間。
圖1所示的H橋驅動電路只是原理上的，實際H橋驅動電路的4個開關須用三極管、MOSFET等元件取代，見圖2所示。

圖2
2.典型H橋驅動電路分析
為了分析H橋電路，先討論 H 橋的性能指標：
(1)效率：所謂驅動效率高，就是要將輸入的能量盡可能多地輸出給負載，而驅動電路本身最好不消耗或少消耗能量，具體到H橋上，就是4個橋臂在導通時最好沒有壓降，或者是越小越好。
(3)安全性：不能同側橋臂同時導通，在PWM電機控制上采用帶死區的PWM (或采用邏輯電路)控制可以確保這一點；
(3)電壓：能夠承受的驅動電壓；
(4)電流：能夠通過的驅動電流。
可以看出，指標(2)不是H橋本身的問題，而是控制部分要考慮的問題。最后兩個指標，只要不是特別大的負載需求，通過選擇合適參數的器件就能滿足，如智能小車控制等應用。
只有指標(1)是由不同器件的性能所決定的，而且是運行中最應關注的性能指標，因為它直接影響電機驅動的效率。故分析的重點應放在效率上，也就是橋臂的壓降上。
為使分析簡單且便于比較，設H 橋的驅動電流為2A ，電壓在 5~12V。三極管H橋和MOSFET管H橋器件選擇如下：
(1)雙極性晶體管-D772、D882
D772的壓降指標 ：

D882的壓降指標：

(2)MOS管-2301、2302
2301的壓降指標：

因為MOS管是以導通電阻來衡量的，這里須進行換算；實際應用中，通常智能小車采用電池供電，設小車的控制電壓為4.5V(電池電壓)，根據上表給出的導通電阻參數，驅動電流2A時的最小壓降為2* 0.093 V= 0.186V，最大壓降為2 * 0.13 V= 0.26V。
2302的壓降指標：

若是智能小車的控制電壓是4.5V，按上表給出的導通電阻參數，2A驅動電流時的壓降為2* 0.045 V=0.09V，最大壓降為2 * 0.06 = 0.12V。
如果均以2A電流驅動計算，兩種H驅動自身所消耗的功率如下：
三極管H橋： D772、D882 –(0.5V+0.5V)*2A = 2 W
MOS管H橋：2301、2302-- (0.26V+0.12V)2 A= 0.76 W
以驅動一個 4.5V 、2A 的直流電機為例，電機得到的功率是 4.5V 2A= 9W；采用三極管 D772、D882 需要5.5V供電，效率為 9/(5.52)= 81% ；采用 MOS管2301、2302 需要4.88V供電，效率為9/(4.882)= 92%。
從這組數據可看出兩者的散熱需求。同時還可解釋智能小車使用三極管 D772、D882作為H橋驅動時為何要選用3V電機，這是因為智能小車是4節1.2V充電電池供電，電源電壓只有4.8~5V，三極管H橋壓降為1V，因此只能使用3V的電機；而改用MOS管H橋驅動后， MOS 管H橋只有不到0.4V的壓降，故可選用4.5V的電機。
要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。見圖3所示，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經Q1從左至右穿過電機(或線圈)，然后再經Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三極管Q1和Q4導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向轉動(電機周圍的箭頭指示為順時針方向)。

圖3
圖4所示為另一對三極管Q2和Q3導通的情況，電流將從右至左流過電機。當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動(電機周圍的箭頭表示為逆時針方向)。

圖4
需要強調說明的是，盡管我們理論上可以使用2個NMOSFET和2個PMOSFET來構建H橋電路，但實際應用中一般使用4個N型MOSFET管來搭建H橋電路。之所以大多不使用2個NMOS管+2個PMOS管用來搭建H橋電路，主要原因是：一是現有型號的PMOS管較難做到高耐壓大電流，且導通電阻大；二是同樣性能的MOS管，NMOS管比PMOS更加便宜。
對于NMOS，當外部給的柵源極Vgs電壓大于芯片的Vgs閾值(大部分在2V~10V之間)時，漏極D和源極S之間直接導通。如果外部加的Vgs電壓小于閾值，漏極D和源極S之間截止。可簡單地認為，其實NMOS就是一個由柵極G電壓控制的一個開關。圖5是我們自行設計電機驅動電路可參考的一種NMOS型號。

圖5
3.DRV8833雙H橋電機驅動模塊介紹
在實際的電機驅動應用中，使用分立元件設計制作H橋較為麻煩，目前市場上有很多封裝好的H橋集成電路電機驅動模塊，在額定電壓和電流允許的范圍內使用只需將其接通電源、電機和控制信號即可。常見的直流電機驅動模塊有ULN2003(達林頓三極管陣列驅動)、L298N(雙H橋驅動)、TB6612(雙H橋驅動)、DRV8833(雙H橋驅動)等。其中，DRV8833是TI公司出品的一款雙通道H橋電機驅動芯片(可完全取代TB6612)，采用該芯片設計的典型直流電機驅動電路原理圖見圖6所示。

圖6
以DRV8833芯片為基礎，許多電子廠家推出了相應的DRV8833驅動模塊解決方案。圖7是博主在X東電商平臺采購一款DRV8833驅動模塊，本文Pico開發板與直流電機接口將采用該模塊驅動直流電機。
圖7
針對圖7所示的DRV8833雙H橋直流電機驅動模塊，該模塊各信號引腳符號說明如下：
1)VM: 電源 (2.7V~10.8V);
2)GND: 地；
3)AIN1: 電機A H橋輸入1；
4)AIN2: 電機A H橋輸入2;
5)BIN1: 電機B H橋輸入1;
6)BIN2: 電機B H橋輸入2;
7)FLT: 故障輸出;
8) AOUT1: 電機A H橋輸出1;
9) AOUT2: 電機A H橋輸出2;
10) BOUT1: 電機B H橋輸出1;
11) BOUT2: 電機B H橋輸出2;
12)AS1: 橋A接地(用于橋A，可連接到電流檢測電阻；若不需要電流控制，可連接到GND);
13)AS2: 橋B接地;
14)SLP: 睡眠模式輸入，SLP=1(如果嵌入式開發板的GPIO口是LV TTL邏輯，SLP可接到+5V電源或3.3V電源，則SLP=1) 時，H橋驅動電機工作；SLP懸空或接GND時，H橋不能驅動電機工作。
DVR8833有兩個H橋驅動器，可用于驅動兩個DC(直流)電刷電機、一個雙極性步進電機，也可用于驅動其他感性負載。DVR8833每個H橋輸出驅動器模塊由4個N溝道MOSFET組成，這些MOSFET被配置成一個H橋，以驅動電機繞組。每個H橋可連續提供1.5A的電流(在25°且供電電源電壓VM=5V時)，能支持高達2A的峰值電流。
DVR8833電機驅動模塊主要參數：電機電壓范圍2.7V~10.8V(即VM電源電壓范圍)，峰值電流2A，MOSFET導通電阻360mΩ(因全部采用NMOS，導通電阻低)。
再補充說明一點，如果遇到的實際問題是使用大功率電機的話，則可改用DRV8302大功率電機驅動模塊，DRV8302驅動模塊主要參數：電機電壓范圍5.5V~45V，峰值電流15A。
4.Pico開發板與直流電機接口
DVR8833可以接兩個小型直流電機，本文Pico開發板與一個直流電機接口原理圖見圖8所示。

圖8
對應于圖8的Pico開發板與直流電機接口原理圖， 圖9是通過面包板接線的Pico開發板與直流電機接口拍照實物圖。這里使用了配風扇葉片、電機型號為R300C的微型直流電機，該電機主要參數：電源電壓1.5V~6V，3V電壓3500轉，6V電壓7000轉。

圖9
對應于圖8的Pico開發板與直流電機接口原理圖， 圖9是通過面包板接線的Pico開發板與直流電機接口拍照實物圖。這里使用了配風葉片、電機型號為R300C微型直流電機，該電機的主要參數：電源電壓1.5V~6V，3V電壓3500轉，6V電壓7000轉。
二、Pico開發板擴展口PWM電機調速控制MicroPython編程實現
1.DRV8833模塊電機驅動及PWM電機調速控制真值表

表1 DRV8833模塊H橋驅動控制真值表

表2 DRV8833模塊PWM控制電機轉速真值表

2.Pico開發板GPIO擴展口PWM電機調速控制MicroPython編程實現
MicroPython編程實現1：Pico開發板GPIO擴展口的GP14和GP15控制直流電機正反轉，程序清單如下：

from machine import Pin import utime HBridge_AIN1 = Pin(14, Pin.OUT) HBridge_AIN2 = Pin(15, Pin.OUT) #控制電機正轉函數定義 def motor_forward():HBridge_AIN1.high()HBridge_AIN2.low() #控制電機反轉函數定義 def motor_reverse():HBridge_AIN1.low()HBridge_AIN2.high() #控制電機停轉函數定義 def motor_stop():HBridge_AIN1.low()HBridge_AIN2.low() def test():motor_forward()utime.sleep(2)motor_reverse()utime.sleep(2)motor_stop() test() #測試電機的正反轉 (Pass)

結合本程序對應的圖8和圖9硬件接口及表1的真值表分析可知：本程序運行后，電機將依次正轉2秒、反轉2秒，最后停轉(驅動模塊H橋的AOUT1和AOUT2輸出為高阻，電機慣性運行停轉)。
MicroPython編程實現2：將Pico開發板GPIO擴展口的GP14設置為PWM輸出口，GP15設置為輸出口，并用不同占空比的PWM信號控制直流電機正反轉調速，程序清單如下：

#Filename: main.py from machine import Pin, PWM import utime #使用Pico擴展口物理引腳號19(GPIO14)，構建PWM對象PWM_HBridge_AIN1 PWM_HBridge_AIN1=PWM(Pin(14)) HBridge_AIN2 = Pin(15, Pin.OUT) #設置PWM_HBridge_AIN1頻率 PWM_HBridge_AIN1.freq(500) #設置占空比PWM_PulseWidth[i]/65535(i=0~4)：100%,75%,50%,25%,0% PWM_PulseWidth= [65535,49151,32767,16383,0] #定義電機正轉函數：以設定的5個占空比，電機速度分成5擋每2秒由快到慢正轉，最后1擋停轉 def motor_forward():HBridge_AIN2.low()for i in range(len(PWM_PulseWidth)):PWM_HBridge_AIN1.duty_u16(PWM_PulseWidth[i]) #電機按設置的占空比正轉utime.sleep(2)#定義電機反轉函數：以設定的5個占空比，電機速度分成5擋每2秒由快到慢反轉，最后1擋停轉 def motor_reverse():HBridge_AIN2.high()for i in range(len(PWM_PulseWidth)-1,-1,-1):PWM_HBridge_AIN1.duty_u16(PWM_PulseWidth[i]) #電機按設置的占空比反轉utime.sleep(2) def test():motor_forward()motor_reverse() test() #測試電機的PWM調速正反轉 (Pass)

結合參考文獻[1]中的PWM技術及MicroPython樹莓派Pico實現、本程序對應的圖8和圖9硬件接口、表2的PWM電機調速真值表和程序注釋不難看出：本程序執運行后，電機將先按5擋從快到慢的不同的速度(100%,75%,50%,25%,0%)各正轉2秒，然后再按5擋從快到慢的不同速度(100%,75%,50%,25%,0%)各反轉2秒；當電機快速轉動時，將同步帶動風扇葉片快速旋轉[圖10(c )]。

圖10
參考文獻：
[1]博主CSDN博文.運用PWM技術及MicroPython實現樹莓派Pico板上LED呼吸燈視覺效果.

發布日期：2021年07月08日

總結

以上是生活随笔為你收集整理的树莓派Pico直流电机接口技术及PWM电机调速控制MicroPython编程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。