MotorDriverBoard V5.2

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MotorDriverBoard是由 深圳市易创空间科技有限公司,专门针对Arduino Uno(兼容Mega2560)机器人,电机驱动,多路舵机控制而研发的一款多功能电机驱动扩展板。本驱动板采用I2C方式控制PCA9685(16路PWM输出芯片)。所以本驱动板电机或者舵机和arduino主板IO口不存在对应关系,是通过I2C扩展PWM控制,详情请见驱动板原理图

MotorDriverBoard for Arduino Uno(Arduino Mega2560)

MotorDriverBoard_0

快速链接

常见问题

Arduino ide库文件下载

Mixly库下载

Mblock5库下载

Mind+库下载

MagicBlock下载

特点

  • 支持4路直流电机,最大驱动电流3A
  • 支持驱动8路舵机,带自恢复保险丝,防止舵机堵转
  • 支持驱动2路4线步进电机
  • 支持4路编码电机
  • 板载无源蜂鸣器(A0)
  • 板载1个RGB全彩灯(A1)
  • 1个 i2c接口 、1个PS2X接口、1个Uart(蓝牙/wifi模块)接口 、1个NRF24L01无线模块接口
  • 1个超声波模块接口
  • 舵机电源可切换到外部供电
  • 软件支持Arduino IDE,Mixly,Mind+,Mblock5,MagicBlock(基于Scratch3.0可定制)

MotorDriverBoard_1

硬件功能介绍

正面

hardware_introduction

供电说明

为了将本驱动板做到使用更加灵活,适应不同电机,舵机驱动要求,以及整个板子能够稳定运行

我们设计了如下几种供电方案,注意驱动板必须通过锂电池或者8.4V 3A以上的UPS电源供电,不能只Uno主板usb供电或者干电池供电

1、只通过Uno的DC(7~12V)头单一电源给Uno主板,驱动板,舵机同时供电。

应用场景:

a、驱动9V以下得直流电机比如TT马达积木电机灯,外加sg90/mg90这种舵机

b、PS2控制9V~12V的电机时,为了确保PS2不断连,建议使用航模电池或者大电流21700锂电池,两节18650供电不稳定

c、电源切换开关达到IN(DC)位置,跳线帽短接5V位置

MotorDriverBoard_dc_power_supply

2、只通过接线柱供单一电源给驱动板,Uno主板和舵机供电。将驱动板的5V电源输出到Uno主板

适应场景

a、驱动4路12V以上的电机时比如370电机,520电机,此时舵机为sg90/mg90这种小功率舵机;

b、供电超过Uno DC头12V电压,所以我们需要用接线柱供电,供电范围6~25V;

c、电源切换开关打到EX,跳线帽短接到5V位置,需要短接背面R24电阻位

MotorDriverBoard_terminal_power_supply

3、Uno主板通过DC头供电,舵机通过接线柱独立供电

a、外部使用MG995/MG996/DS3235/DS3238等大力矩舵机时,数量超过2个时(需要根据实际情况测试),我们需要给舵机独立供电

b、舵机供电电压电流根据舵机参数提供

c、电源切换开关达到IN(DC)位置,跳线帽短接EX位置

MotorDriverBoard_terminal_power_supply

驱动库使用

下载Arduino库 解压放置Arduino IDE安装目录下的libraries目录下,然后通过点击文件-->示例-->Emakefun_MotorDriverBoard,打开示例程序。examples

基础示例程序

Gpio_test 控制PCA9685输出口当作普通IO口输出高低电平

Emakefun_MotorDriver gpio = Emakefun_MotorDriver(0x60);

gpio.begin(1000);       /*初始化io口的输出频率为1KHz*/
gpio.setPin(S1, HIGH);  /*引脚S1(S1~S8)输出高电平*/
gpio.setPin(S1, LOW);   /*引脚S1(S1~S8)输出低电平*/

PWM_test 这个示例程序为控制PCA9685输出口输出PWM波形

Emakefun_MotorDriver pwm = Emakefun_MotorDriver(0x60);
pwm.begin(1500);            /*初始化io口的输出频率为1500Hz*/
pwm.setPin(S1, 1024);       /*引脚1输出占空比为 1024/4096 的PWM波(0~4096)*/

PS2_testPS2手柄测试程序

PS2手柄引脚说明:

PS2手柄引脚 Arduino引脚
DAT D12
CMD D11
SEL/ATT D10
CLK D13

PS2安装请勿接反,左边是正确安装,右边为PS2接收器接反

Ps2

电机测试示例

DC四路直流电机测试程序

Emakefun_MotorDriver mMotor = Emakefun_MotorDriver(0x60);
Emakefun_DCMotor *DCMotor_1 = mMotor.getMotor(M1);

void setup()
{
    Serial.begin(9600);
    mMotor.begin(50);   /*初始化io口的输出频率为50Hz*/
}

void loop()
{
  // 前进
  DCMotor_1->setSpeed(200);  /*设置速度为200 范围0~255 */
  DCMotor_1->run(FORWARD);   // 总共FORWARD前进,BACKWARD后退,BRAKE刹车 RELEASE释放四个状态
}

接线图MotorDriverBoard_dc

Servo八路舵机测试程序

Emakefun_MotorDriver mMotorDriver = Emakefun_MotorDriver(0x60);
Emakefun_Servo *mServo1 = mMotorDriver.getServo(1);
mMotorDriver.begin(50);         /*初始化io口的输出频率为50Hz*/
mServo1->writeServo(S1);        /*设置舵机角度 0~180*/

接线图MotorDriverBoard_servo

Stepper 步进电机测试程序

Emakefun_MotorDriver mMotorDriver = Emakefun_MotorDriver(0x60);
Emakefun_StepperMotor *StepperMotor_1 = mMotorDriver.getStepper(1, 200);  
/*初始化步进电机1,42步进电机走一步是1.8度,所以一圈的步数为200*/

mMotorDriver.begin(1600);       /*设置频率为最大 1600*/

StepperMotor_1->setSpeed(400);  /*设置步进电机每分钟转的圈数为400圈, 速度越快力矩越小,这个速度不能太低,否则会抖动严重*/

StepperMotor_1->step(200, FORWARD, SINGLE); 
/*驱动步进电机按 SINGLE(单步)的方式,FORWARD(前进)200步。*/

/*步进电机的驱动方式 全步DOUBLE、单步SINGLE、1/2步进INTERLEAVE这三种驱动方式(步进电机的驱动原理请查阅相关资料)*/

接线图

不同步进电机的参数接线不一定一样,请一定要先确定步进电机每根线的颜色和对应A+ A- B+ B-相位(或者是A B C D)关系

下图仅供接线参考

MotorDriverBoard_stepper

Encoder四路编码电机测试程序

编码器关键参数如下:

类型 参数
转速 电压6V 空载电流70mA 空载轮轴转速90RPM
电压9V 空载电流150mA 空载轮轴转速140RPM
电压12V 空载电流190mA 空载轮轴转速190RPM
输出方波类型 AB相方波
基础脉冲 12PPR(电机转动一圈输出12个脉冲)
减速比 1:90(转轴转动一圈电机转动90圈)

通过上面参数可知,轮子旋转一圈,总共需要计数90x12=1080个脉冲

mMotorDriver.begin();               /*初始化io口的输出频率默认为最大*/
EncodeMotor_1->setSpeed(100);       /*设置速度为100*/
EncodeMotor_1->run(BACKWARD);
/*控制电机运行状态(FORWARD(前)、BACKWARD(后)、BRAKE(停止))*/

测试四个编码电机都都能够旋转,打开串口我们要能打印出Encoder1Pulse,Encoder2Pulse,Encoder3Pulse,Encoder4Pulse四个脉冲值如下,证明编码电机都是正常工作的。

start
Encoder1Pulse:1
Encoder2Pulse:1
Encoder3Pulse:1
Encoder4Pulse:1
Encoder1Pulse:2
Encoder2Pulse:2
Encoder1Pulse:3

Encoder_pid编码电机PID控制电机速度

PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT);
  • Input:PID的输入(编码电机速度)
  • Output:PID的输出(编码电机速度)
  • Setpoint:PID的目标值
  • Kp:PID的比例系数
  • Ki:PID的积分系数
  • Kd:PID的微分系数
  • DIRECT:方向参数,编码电机正转
  • REVERSE:方向参数,编码电机反转
myPID.SetSampleTime(100);           /*设置PID采样时间为100ms*/
myPID.SetMode(AUTOMATIC);           /*设置PID模式为AUTOMATIC*/
Emakefun_EncoderMotor *EncodeMotor_1 = mMotorDriver.getEncoderMotor(1); /*获取编码电机1*/
mMotorDriver.begin();               /*初始化io口的输出频率默认为最大*/
EncodeMotor_1->init(encoder1);      /*初始化encoder1为编码电机1的回调函数(计算编码盘的脉冲)*/
MsTimer2::set(100, EncoderSpeed);   /*定时器2定时获取编码电机速度*/
MsTimer2::start();                  /*启动定时器2*/

注意

由于我们测试使用的是8.4V锂电池,大部分电池电压在7\~8V之间,我们实际测速只有100RPM,采样时间为100ms,那么计算出每个周采样周期的最大采样脉冲数为100x90x12x(0.1s)/60=180Pluse/samptime。被控制量的范围为0\~255,得出采样比例系数为ratio = 255/180 = 1.5。这个比例参数是可以自己定义的,你们可以根据自己的习惯来定义,我这个测试程序为了方便理解,把目标值和PWM控制量0\~255关联起来,即控制目标范围也为0\~255。

第一步:纯比例作用整定

由于是第一次进行PID参数整定,电机速度整定到100为目标,在程序中输入设定值。先把系统设定为纯比例作用,即只有比例增益Kp不为0,积分增益Ki和微分增益Kd都暂时设定为0。因为是这个小车第一次整定参数,也不知道什么比例增益比较好。比例作用从弱到强调节,随便写了个自认为不大的值3,打开工具-->串口绘图器。运行结果令我大吃一惊,电机以一定的周期在转和不转之间震荡。根据现象得知,肯定是比例作用已经非常大了,因此赶紧将比例增益调整为2,小车的电机不再出现剧烈的“抽搐”,开始以一种比较缓慢的姿态转动,但通过观察输出波形,还是存在较小的波动,并且经过1,2分钟之后,还是会有大幅度震荡。但与之前较大比例作用下的震荡相比,显然“温柔”多了。于是继续降低比例作用,直至Kp = 1时,输出波形已经相较其他参数下稳定很多了,如下图:

pid

第二步:比例积分作用

由上图可看出,一个适合的比例作用可以使系统趋于稳定,但却无法消除静态偏差,因此需要引入积分作用,其最大的好处就是可以消除静态偏差。笔者继续采用由小逐渐加大积分增益的方式。当设定Ki = 5时,由图可见

pid

静态偏差逐渐减小,输出的速度越来越接近设定的速度100的目标,不过调节速度太慢,还是不能满足需求。 于是还需要继续加积分作用,当Ki = 6时,可以看出,系统反应速度已经很快,可以在0.1秒内

接线图

编码电机我们使用的是6pin的GH1.25转PH2.0线材接线如下:

encoder

综合应用

PS2控制四驱小车

PS2控制四驱麦克纳姆轮小车

PS2控制四驱小车加机械臂

蓝牙(WIFI)控制四驱小车

蓝牙或者wifi模块请使用数据透传模块,连接到arduino的硬件串口引脚上(0-RXD,1-TXD)

图像化编程块说明

MotorDriverBoard 编程图形块

Mixly库安装(以Mixly2.0为例,默认主板为Arduino UNO)

  1. Mixly云端安装(只适合mixly2.0)

第一步

mixly guanliku

第二步

mixly kuanzhuang

第三步

install success

第四步 当看到一下界面,就证明安装成功。

mixly success

  1. 本地安装

2.1 下载Mixly扩展包,解压;

2.2 导入本地库;步骤如下:

步骤一

mixly guanliku

步骤二

local install

步骤三

select xml

当看到一下界面,就证明安装成功。

mixly success

Mixly块表述

1.Mixly扩展包和案例下载

download

2.积木描述

序号 积木 说明
1 mixly_init 初始化积木,使用所有积木的前提
2 set_freq 设置IO口输出频率,输出范围1-1600HZ
3 set_mode 控制IO口输出高低电平,IO口有八个,分别为S1-S8
4 pwm 控制IO口输出PWM,输出范围0-4096
5 dc_init 初始化直流电机接口,电机包含M1\M2\M3\M4四个
6 run_dc 设置直流电机的转动方向和速度,方向分为正转、反转、刹车、释放,速度范围为0-255
7 stop_dc 停止直流电机
8 init_encoder 初始化编码电机,编码电机有四个,分为Encoder1\Encoder2\Encoder3\Encoder4
9 run_encoder 设置编码电机运动方向和速度,方向分为正/反转,速度范围为0-255
10 stop_encoder 停止编码电机
11 stepper_init 初始化步进电机,不同的步进电机转一圈的步数是不同的,并设置每分钟需要转的圈数,即旋转速度
12 run_stepper 设置步进电机运动方向、驱动方式和运动步数;方向分为正、反转,驱动方式分为全步、半步和单步;运动步数即需要运动步数
13 stop_stepper 停止步进电机
14 servo_init 初始化舵机
15 run_servo 设置选择的舵机的旋转角度和旋转的速度,速度范围为0-100

注: PS2、RGB灯、蜂鸣器等模块请使用Mixly自带的模块。

Mblock5

  1. Mblock5库安装

1.1 下载Mblock5库,解压

1.2 将解压后的ext_motordriverboard.mext扩展包拖到Mblock5软件里面,能看到以下界面,证明安装成功。

mblock install success

  1. Mblock5库和案例下载

download

  1. 积木描述
序号 积木 说明
1 mixly_init 初始化积木,使用所有积木的前提
2 set_freq 设置IO口输出频率,输出范围1-1600HZ
3 set_mode 控制IO口输出高低电平,IO口有八个,分别为S1-S8
4 pwm 控制IO口输出PWM,输出范围0-4096
5 dc_init 初始化直流电机接口,电机包含M1\M2\M3\M4四个
6 run_dc 设置直流电机的转动方向和速度,方向分为正转、反转、刹车、释放,速度范围为0-255
7 stop_dc 停止直流电机
8 init_encoder 初始化编码电机,编码电机有四个,分为Encoder1\Encoder2\Encoder3\Encoder4
9 run_encoder 设置编码电机运动方向和速度,方向分为正/反转,速度范围为0-255
10 stop_encoder 停止编码电机
11 stepper 初始化步进电机,不同的步进电机转一圈的步数是不同的,并设置每分钟需要转的圈数,即旋转速度
12 run_stepper 设置步进电机运动方向、驱动方式和运动步数;方向分为正、反转,驱动方式分为全步、半步和单步;运动步数即需要运动步数
13 stop_stepper 停止步进电机
14 servo_init 初始化舵机
15 run_servo 设置选择的舵机的旋转角度和旋转的速度,速度范围为0-100

注: PS2、RGB灯、蜂鸣器等模块可以去Mblock扩展库找对应的扩展,这里不做解释。

Mind+

敬请期待

MagicBlock

敬请期待

FAQ

Q:驱动板arduino IO对应关系?

A :本驱动板采用I2C方式控制PCA9685(16路PWM输出芯片)。所以本驱动板电机或者舵机和arduino主板IO口不存在对应关系,是通过I2C扩展PWM控制

Q:驱动板该如何接电?

A :请先判断手里是用什么电源,驱动什么样的电机,需要多大电压和电流,还有舵机,然后根据实际情况采用对应的电池,不建议使用干电池供电

Q:驱动板驱动不了电机?

A :请先判断驱动板是否有供电,并且开关有打开,只通过usb口供电是驱动不了电机的,另外主板还得烧录对应的驱动程序

Q:PS2遥控不了驱动板?

A :在使用驱动板的时候,如果是新手用户,请一定要一步步来熟悉使用,不要一上来就全部功能一起使用,然后问的问题很大。针对这个问题需要做如下三个测试才行

a、驱动板是否使用7V以上锂电池供电且正常,板子上灯是否亮 b、下载直流电机驱动测试程序确保要上传成功,电机接线正确,来确定板子驱动正常 c、测试PS2接收测试程序,来证明PS2遥控器是好的 d、前面正确后下载PS2控制四驱小车程序,并按按键控制电机

Q:驱动板是否有原理图?

A :有,点击这里驱动板原理图

Q:如何分析并判断驱动板是否损坏?

A :先外观判断是否有芯片烧黑,冒烟,等情况。如果已经很熟练操作此板子,如果程序下载正确,供电也正确,板子就是驱动不了电机,那么有三种情况

1、电源切换开关接触不良,用万用表点一下确定,检测是否有5V电源输出

2、4个直流电机里面其中一部分转,一部分不转,有可能对应的驱动芯片烧坏

3、四个电机,舵机都不转,使用I2C 扫描程序测试,看是否能扫描到PCA968A的I2C地址,如果扫描不到PCA8685损坏

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