树莓派电机驱动板

by 奇果派工坊

一、概述

这是基于树莓派制作运动机器人非常完美的解决方案，这款电机驱动器足够强大，可以驱动4个直流电机或2个步进电机，并且额外提供4路全速PWM控制，可以控制4路舵机。自带稳压电路，直接为树莓派提供稳定的供电电源。

因为树莓派（Raspberry Pi）没有足够的PWM引脚，所以使用基于I2C通讯的专用PWM驱动芯片（PCA9685）控制电机的速度和方向。只用2根GPIO引脚（SDA&SCL）就可以驱动多个电机，也可以多个驱动器叠加使用（可级联），并且不干扰其他I2C设备的使用。

电机使用TB6612驱动，每路支持1.2A电流（最大峰值电流3A）.

参数说明：

使用TB6612芯片组，提供每路1.2A（3A峰值）输出，可运行4.5-13.5V直流电机；
可以驱动4个直流电机或2个步进电机；
额外提供4路PWM输出，可以控制4路舵机；
自带稳压电路，直接为树莓派提供稳定5V电源；
可自定义I2C地址，支持多个驱动器叠加级联；
提供完整的代码库和丰富示例程序（Python），简单易用。

二、电源说明

因为驱动器需要同时为电机和树莓派提供电源，建议使用动力电池作为电源。供电电压为6-12V；
电机通过供电电源直接供电，所以电机的输入电压等于外接电源电压；
驱动器内置稳压模块，输出5V2A为树莓派和4路PWM（舵机）供电；
可以通过跳线选择不同的供电方式。

三、软件安装与说明

驱动器是基于树莓派运行在linux环境，驱动器提供Python类库（Python library）和相关示例代码。

首先需要使树莓派的I2C处于Enable（详细配置请参考网上资料）

*运行 apt-get install python-smbus git 安装smbus库

将代码上传到树莓派(比如 “/home/pi”)，再尝试运行examples目录下的示例。

*如果提示没有找到类库，请配置相关的库文件，或者直接拷贝列库文件到当前目录下。

1、控制直流电机（DC motor）

a）连接电机

驱动板上有4组电机接线柱分别为M1, M2, M3, 和 M4。如果运行DCTest.py示例，请将电机连接到M3接口。然后运行如下命令：

sudo python DCTest.py

#!/usr/bin/python
from Adafruit_MotorHAT import Adafruit_MotorHAT, Adafruit_DCMotor

import time
import atexit

# create a default object, no changes to I2C address or frequency
mh = Adafruit_MotorHAT(addr=0x60)

# recommended for auto-disabling motors on shutdown!
def turnOffMotors():
  mh.getMotor(1).run(Adafruit_MotorHAT.RELEASE)
  mh.getMotor(2).run(Adafruit_MotorHAT.RELEASE)
  mh.getMotor(3).run(Adafruit_MotorHAT.RELEASE)
  mh.getMotor(4).run(Adafruit_MotorHAT.RELEASE)

atexit.register(turnOffMotors)

################################# DC motor test!
myMotor = mh.getMotor(3)

# set the speed to start, from 0 (off) to 255 (max speed)
myMotor.setSpeed(150)
myMotor.run(Adafruit_MotorHAT.FORWARD);
# turn on motor
myMotor.run(Adafruit_MotorHAT.RELEASE);


while (True):
  print "Forward! "
  myMotor.run(Adafruit_MotorHAT.FORWARD)

  print "\tSpeed up..."
  for i in range(255):
    myMotor.setSpeed(i)
    time.sleep(0.01)

  print "\tSlow down..."
  for i in reversed(range(255)):
    myMotor.setSpeed(i)
    time.sleep(0.01)

  print "Backward! "
  myMotor.run(Adafruit_MotorHAT.BACKWARD)

  print "\tSpeed up..."
  for i in range(255):
    myMotor.setSpeed(i)
    time.sleep(0.01)

  print "\tSlow down..."
  for i in reversed(range(255)):
    myMotor.setSpeed(i)
    time.sleep(0.01)

  print "Release"
  myMotor.run(Adafruit_MotorHAT.RELEASE)
  time.sleep(1.0)

b）DC motor 示例详解

创建MotorHAT对象，并设置I2C的地址，默认地址是0x60（详细设置地址参考后面的内容）

mh = Adafruit_MotorHAT(addr=0x60)

创建 DC motor 对象

MotorHAT 有一个 getMotor(num)方法，num为1~4。

myMotor = mh.getMotor(3)

设置电机旋转速度

myMotor.setSpeed(150)

setSpeed(speed)

speed ：0 (off)~ 255 (maximum!).

*speed取值是0到255，速度是个相对值，跟供电电压有关。

设置DC Motor 方向

myMotor.run(Adafruit_MotorHAT.FORWARD)

run(direction)

direction 定义如下:

Adafruit_MotorHAT.FORWARD – DC motor spins forward
Adafruit_MotorHAT.BACKWARD – DC motor spins forward
Adafruit_MotorHAT.RELEASE – DC motor is ‘off’, not spinning but will also not hold its place.

2、使用步进电机（Stepper Motors）

驱动板可以同时接2个步进电机，单极和双极都可适用。

a）连接电机Stepper Motors

上图中左为双极驱动Bipolar stepper motors（4线），右为单极驱动Unipolar Stepper Motor（6线）

单极驱动Unipolar Stepper Motor（6线）: 首先需要知道哪根线是中心线，然后将中心线都接到接线柱的GND（右图白色和黄色），剩下的两组端线（黑和绿，红和蓝）分别接到M1、M2或M3、M4。
双极驱动Bipolar stepper motors（4线）: 跟单极驱动类似，GND留空不接就可以。

StepperTest.py 示例

将步进电机连接到 M1、M2，在examples目录下运行：

sudo python StepperTest.py

#!/usr/bin/python
#import Adafruit_MotorHAT, Adafruit_DCMotor, Adafruit_Stepper 
from Adafruit_MotorHAT import Adafruit_MotorHAT, Adafruit_DCMotor, Adafruit_StepperMotor

import time
import atexit

# create a default object, no changes to I2C address or frequency
mh = Adafruit_MotorHAT()

# recommended for auto-disabling motors on shutdown!
def turnOffMotors():
  mh.getMotor(1).run(Adafruit_MotorHAT.RELEASE)
  mh.getMotor(2).run(Adafruit_MotorHAT.RELEASE)
  mh.getMotor(3).run(Adafruit_MotorHAT.RELEASE)
  mh.getMotor(4).run(Adafruit_MotorHAT.RELEASE)

atexit.register(turnOffMotors)

myStepper = mh.getStepper(200, 1)  	# 200 steps/rev, motor port #1
myStepper.setSpeed(30)  		# 30 RPM

while (True):
  print("Single coil steps")
  myStepper.step(100, Adafruit_MotorHAT.FORWARD,  Adafruit_MotorHAT.SINGLE)
  myStepper.step(100, Adafruit_MotorHAT.BACKWARD, Adafruit_MotorHAT.SINGLE)

  print("Double coil steps")
  myStepper.step(100, Adafruit_MotorHAT.FORWARD,  Adafruit_MotorHAT.DOUBLE)
  myStepper.step(100, Adafruit_MotorHAT.BACKWARD, Adafruit_MotorHAT.DOUBLE)

  print("Interleaved coil steps")
  myStepper.step(100, Adafruit_MotorHAT.FORWARD,  Adafruit_MotorHAT.INTERLEAVE)
  myStepper.step(100, Adafruit_MotorHAT.BACKWARD, Adafruit_MotorHAT.INTERLEAVE)

  print("Microsteps")
        myStepper.step(100, Adafruit_MotorHAT.FORWARD,  Adafruit_MotorHAT.MICROSTEP)
        myStepper.step(100, Adafruit_MotorHAT.BACKWARD, Adafruit_MotorHAT.MICROSTEP)

b）示例详解

创建MotorHAT对象，并设置I2C的地址，默认地址是0x60（详细设置地址参考后面的内容）

mh = Adafruit_MotorHAT(addr=0x60)

创建 Stepper motor object

myStepper = mh.getStepper(200, 1) # 200 steps/rev, motor port #1

getStepper(steps, portnum)

steps :每一转多少步（通常35~200之间）

portnum ：1~2，Port #1 is M1 and M2, port #2 is M3 and M4

设置速度，每分钟转速（RPM）

myStepper.setSpeed(30) # 30 RPM

setSpeed() 设置速度，每分钟转速（RPM）

step() – blocking steps

stepper1.step(100, Adafruit_MotorHAT.FORWARD, Adafruit_MotorHAT.SINGLE)

step(numberofsteps, direction, type)

numbersteps：步数

direction：FORWARD or BACKWARD

type：SINGLE, DOUBLE, INTERLEAVE or MICROSTEP

*关于步进电机工作特性请参考网上资料。

Using “Non-blocking” oneStep()

oneStep(direction, stepstyle) 单步执行

3、舵机控制

驱动板的舵机控制通过PWM专用芯片PCA9685实现，对应的编号分别为0,1,14,15。由于市面上普通舵机通常只支持50Hz的信号，所以pwm.setPWMFreq(50)频率控制在50左右。

舵机示例：

from Adafruit_PWM_Servo_Driver import PWM
import time

# Initialise the PWM device using the default address
pwm = PWM(0x60,debug = False)

servoMin = 150  # Min pulse length out of 4096
servoMax = 600  # Max pulse length out of 4096

def setServoPulse(channel, pulse):
  pulseLength = 1000000.0                   # 1,000,000 us per second
  pulseLength /= 50.0                       # 50 Hz
  print "%d us per period" % pulseLength
  pulseLength /= 4096.0                     # 12 bits of resolution
  print "%d us per bit" % pulseLength
  pulse *= 1000.0
  pulse /= (pulseLength*1.0)
# pwmV=int(pluse)
  print "pluse: %f  " % (pulse)
  pwm.setPWM(channel, 0, int(pulse))


# Angle to PWM
def write(servonum,x):
  y=x/90.0+0.5
  y=max(y,0.5)
  y=min(y,2.5)
  setServoPulse(servonum,y)

pwm.setPWMFreq(50)                        # Set frequency to 60 Hz

write(0, 90)
write(14, 120)

四、叠加级联

当觉得电机接口不够用时，可以多个驱动板级联使用。我们最多支持 32个驱动器叠加使用，总共可以支持64个步进电机（steppers）或者128个直流电机（DC motors）

多个驱动器级联需要为每个驱动器设置唯一的I2C地址，默认地址是0x60。地址范围从0x60~0x80总共32个地址。

驱动板上有A0~A4总共5个跳线，焊接不同的跳线可以设置不同的地址。规则如下

Board 0: Address = 0x60 Offset = binary 0000 (默认全部为空)
Board 1: Address = 0x61 Offset = binary 0001 (只焊接A0)
Board 2: Address = 0x62 Offset = binary 0010 (只焊接A1)
Board 3: Address = 0x63 Offset = binary 0011 (同时焊接A0 & A1)
Board 4: Address = 0x64 Offset = binary 0100 (只焊接A2)
依次类推。。。

0x70 是广播地址,建议保留不用.

StackingTest.py是级联叠加的代码示例,关键部分是创建2个MotorHAT对象：

# bottom hat is default address 0x60
bottomhat = Adafruit_MotorHAT(addr=0x60)

# top hat has A0 jumper closed, so its address 0x61
tophat = Adafruit_MotorHAT(addr=0x61)

五、原理图

示例程序下载:点击下载