آموزش راه اندازی درایور موتور DRV8833 با آردوینو

در این آموزش قصد داریم شما را با نحوه راه اندازی درایور موتور DRV8833 آشنا کنیم و سپس با طراحی یک مدار، میزان دور و جهت چرخش دو موتور DC را به‌طور هم‌زمان کنترل کنیم. کاربرد این ماژول در ساخت ربات های ماشینی کنترلی، پهباد و از این دست پروژه‌های رباتیک که نیازمند کنترل دقیق جهت و سرعت چرخش دو موتور است، می‌باشد. پس با ما همراه باشید و از انجام این آموزش لذت ببرید:

تکنولوژی ساخت ماژول درایور موتور DRV8833

برای شروع معرفی لازم است شما را با قلب این ماژول، یعنی آی سی درایور پل اِچ (H-Bridge) آشنا کنیم که ساخت شرکت Texas Instruments می‌باشد و به‌طور اختصاصی برای راه ‌اندازی موتورهای DC بهینه شده است.

مزایای تراشه DRV8833:

در این قسمت می‌توانید با شماری از ویژگی‌های مطلوب این تراشه آشنا شوید:

1) آی سی درایور DRV8833 دارای دو درایور پل اِچ NMOS می‌باشد که قابلیت کنترل دو موتور ‌DC، یک استپر موتور دو قطبی، دو سلونوئید یا بارهای سلفی دیگر را به‌صورت مجزا دارد.

2) ولتاژ کاری این تراشه ۲.۷ تا ۱۰.۸ وات است و می‌تواند به ازای هر کانال، به طور مداوم تا ۱.۲ آمپر جریان را عبور دهد، البته حداکثر جریان لحظه‌ای آن ۲ آمپر است.

3) از امکانات حفاظتی آی سی درایور DRV8833 می‌توان به حافظت در برابر کاهش بیش از حد ولتاژ، جلوگیری از اضافه جریان و نیز حفاظت در برابر افزایش دمای بیش از حد اشاره کرد که باعث می‌شود ضریب اطمینان بالایی داشته باشد. رخ دادن هر یک از این موارد باعث قطع شدن ماسفت‌های پل H می‌شود و پس از رفع شدن خطا، قطعه به عملکرد عادی خود ادامه می‌دهد.

4) این آی سی دارای مد کاری low-power sleep نیز می‌باشد و با استفاده از آن می‌توانید زمانی که موتورها در حال استفاده نیستند انرژی بیشتری ذخیره کنید.

در مجموع، همه این ویژگی‌ها، درایور DRV8833 را به انتخابی مناسب برای راه‌اندازی موتورهای کوچک و با ولتاژ پایین تبدیل کرده‌است.

مشخصات فنی آی‌سی درایور DRV8833

معرفی پایه‌های درایور موتور DC و استپر موتور DRV8833

ماژول درایور DRV8833 در مجموع با ۱۲ پایه به دنیای خارج متصل می‌شود. پین اوت ماژول در شکل زیر قابل مشاهده است:

1) پایه‌های تغذیه

ولتاژ تغذیه موتورها به پین‌های VCC و GND متصل می‌شود که می‌تواند در بازه 2.7 تا 10.8 ولت باشد.

2) پایه‌های خروجی

پایه‌های خروجی درایور موتور DRV8833 با نام‌های OUT1 تا OUT4 مشخص شده‌اند که می‌بایست موتورهای DC را به این پایه‌ها متصل کنیم. البته برای اتصالات ساده‌تر، هر چهار پایه در یک سمت ماژول قرار گرفته‌اند.

نحوه اتصالات در پایه‌های خروجی به این‌صورت است که موتور A باید به پایه‌های OUT1 و OUT2 و موتور B به پایه‌های OUT3 و OUT4 متصل شوند. شما می‌توانید هر موتور DC معمولی (با جاروبک) که ولتاژ تغذیه ۲.۷ تا ۱۰.۸ ولت نیاز دارد را به این پایه‌ها متصل کنید.

توجه کنید که درایور DRV8833 می‌تواند حداکثر ۱.۲ آمپر به طور دائم (۲ آمپر لحظه‌ای) از هر کانال عبور دهد.

3) پایه‌های کنترلی (ورودی)

همانطور که می‌دانید هر موتور شامل دو پایه ورودی است که برای دریافت دستورات کنترلی از درایور استفاده می‌شوند. ماژول قابل برنامه ریزی DRV8833 نیز برای کنترل سرعت و جهت چرخش هر موتور نیاز به دو پایه ورودی دارد. بنابراین پایه‌های IN1 و IN2 برای کنترل موتور A و پایه‌های IN3 و IN4 برای کنترل موتور B در این ماژول تعبیه و مورد استفاده قرار می‌گیرند.

نحوه کنترل جهت چرخش چرخ موتور DC

برای تعیین و کنترل جهت چرخش موتورها کافی است سیگنال‌های منطقی High و Low به پایه‌های کنترلی اعمال کنید. در جدول صحت زیر می‌توانید وضعیت خروجی‌ها را برحسب ورودی مشاهده نمایید:

نحوه کنترل سرعت موتور های DC با تکنیک PWM

برای کنترل سرعت موتور ها باید روی پایه‌ای که معمولاً High است موج PWM را قرار دهید. اگر به کنترل سرعت نیاز ندارید فقط لازم است پایه‌ها را High یا Low کنیم

آشنایی با تکنیک PWM برای کنترل سرعت موتورها:

این نکته را به یاد داشته باشید که برای کنترل کردن سرعت یک موتور DC لازم است ولتاژ تغذیه DC آن موتور را تغییر دهید.

یکی از کاربردهای مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای کنترل سرعت یا تعداد دور موتور در هر دقیقه است. PWM یک سیگنال دیجیتالی با فرکانس ثابت است و نحوه عملکرد در این مدولاسیون به این صورت است که ابتدا مقدار متوسط ولتاژ ورودی از طریق ارسال یکسری پالس‌‌های صفر (ولتاژ پایین) و یک (ولتاژ بالا) تنظیم مي‌شود. منظور از متوسط ولتاژ، میزان عرض پالس یا چرخه کاری یا همان duty cycle می‌باشد. یعنی هر چقدر زمان بیشتری، duty cycle برابر با High یا 1 بماند، مقدار متوسط ولتاژ تغذیه اعمال شده به موتور DC نیز بیشتر خواهد شد و در نتیجه سرعت دوران شافت موتور افزایش خواهد یافت. بالعکس، با کم کردن duty cycle و low ماندن سیگنال، میزان متوسط ولتاژ تغذیه کمتر و در نتیجه باعث کاهش سرعت دور موتور مي‌شود.

در شکل زیر تکنیک PWM را با مقادير مختلف duty cycle و میزان متوسط ولتاژ تغذیه مرتبط نشان داده شده است:

توجه کنید که پایه‌های کنترلی به صورت داخلی pull down شده‌اند تا به طور پیش‌فرض خروجی‌های درایور موتور غیرفعال باشند.

4) پایه مد خواب

پایه Sleep (که روی چاپ راهنمای برد با EEP مشخص شده‌است) حالت خواب درایور DRV8833 را کنترل می‌کند. با Low کردن این پایه، آی سی DRV8833 را به حالت خواب یا کم مصرف می‌برد و high کردن آن آی سی را دوباره فعال می‌کند.

در مد خواب، پل‌های H غیرفعال هستند، پمپ شارژ گیت خاموش است، همه مدارات منطقی داخلی در حالت ریست قرار دارند، همه کلاک‌های داخلی متوقف هستند و به ورودی‌ها عکس العملی نشان داده نمی‌شود. البته مهم است بدانید که درایور موتور هنگام خروج از حالت خواب به زمان کوتاهی (حدود ۱ میلی ثانیه) نیاز دارد تا به حالت عملکردی عادی خود بازگردد.

پایه SLEEP به طور پیش‌فرض روی برد پول آپ شده است. بنابراین اگر نمی‌خواهید از حالت خواب استفاده کنید می‌توانید این پایه را آزاد بگذارید و به جایی متصل نکنید.

در پشت برد ماژول DRV8833، دو پد جامپر J1 قرار دارد. J1 به صورت پیش‌فرض بسته است که پایه SLEEP را پول آپ می‌کند تا آی سی درایور فعال بماند. حال اگر J1 را باز کنیم اتصال پول آپ روی برد قطع شده و پول دان داخلی چیپ فعال می‌شود. بنابراین آی سی DRV8833 به شکل پیش‌فرض در حالت خواب قرار می‌گیرد. در نتیجه اگر J1 را باز کردید برای استفاده از درایور نیاز است پایه EEP را high کنید.

5) پایه تشخیص خطا

پایه FAULT (که روی چاپ راهنمای برد با ULT مشخص شده) یک خروجی open-drain است که با رخ دادن خطا (اضافه جریان، اضافه دما یا کاهش ولتاژ) توسط چیپ low می‌شود.

به طور پیش‌فرض در حالت آزاد (floating) قرار دارد. بنابراین برای مشاهده وضعیت خطای درایور می‌توانید یک مقاومت پول آپ خارجی روی این پایه قرار دهید یا از میکروکنترلری که قابلیت پول آپ داخلی دارد استفاده کنید).

محدود کردن جریان موتور DC

درایور DRV8833 می‌تواند به طور فعال، جریان عبوری از سیم‌پیچ موتورها را محدود کند. این قابلیت با اتصال یک مقاومت بین پایه AISEN و زمین برای تنظیم جریان موتور A و یک مقاومت بین پایه BISEN و زمین برای تنظیم جریان موتور B قابل استفاده است.

اما در این برد برک اوت، این پایه‌ها مستقیماً به زمین متصل شده‌اند تا قابلیت محدود کردن جریان در دسترس نباشد.

همانطور که در ابتدای مقاله برای شما توضیح دادیم، هدف از معرفی ماژول DRV8833، آموزش راه اندازی آن برای کنترل سرعت و تعیین جهت چرخش دو موتور DC در پروژه‌های مبتنی‌بر آردوینو است. برای انجام این پروژه، لازم است در مرحله اول اتصالات بین درایور موتور DRV8833 و آردوینو را برقرار نمایید و سپس برنامه لازم را بر روی آردوینو آپلود نمایید:

هم اکنون می‌توانید با خرید اینترنتی ماژول درایور موتور DC دوکاناله DRV8833 از فروشگاه روبوایکیو، انواع پروژه‌های رباتیک را راه‌اندازی کنید.

مرحله اول: ایجاد اتصالات

• برای شروع، تغذیه موتورها را متصل می‌کنیم. پایه VCC مربوط به تغذیه هر موتور است و بسته به ولتاژ موتور باید به منبع تغذیه مناسب متصل شود. در این پروژه ما از موتورهای DC گیربکس دار با ولتاژ ۳ تا ۱۲ ولت استفاده کردیم. این موتورها معمولا در ربات‌هایی که دو چرخ دارند استفاده می‌شوند. بنابراین یک منبع تغذیه 5 ولت خارجی به پایه‌های  VCC و GND اعمال کردیم.

• حالا ورودی‌های کنترلی درایور (IN1, IN2,IN3, IN4) را به ۴ پایه خروجی آردوینو (10, 9, 6, 5) وصل می‌کنیم. توجه داشته باشید که پایه‌های انتخابی آردوینو باید قابلیت PWM داشته باشند.

• یکی از موتورها را به ترمینال A (OUT1 و OUT2) و موتور دیگر را به ترمینال B (OUT3 و OUT4) وصل می‌کنیم. البته بسته به محل موتورها و جهت چرخش آن‌ها می‌توانید این اتصالات را جابجا کنید.

برای بررسی وضعیت پایه FALUT می‌توانید آن را هم به یکی از پایه‌های دیجیتال آردوینو متصل کنید. همانطور که گفتیم این پایه خروجی open-drain است و نیاز به پول آپ دارد.

در جدول زیر می‌توانید اتصالات بین ورودی‌های ماژول درایور موتور را با آردوینو ملاحضه نمایید:

• در نهایت زمین مشترک مدار و آردوینو را به هم وصل کنید.

شماتیک زیر اتصالات پایه‌های درایور موتور DRV8833 و آردوینو را نشان می‌دهد.

مرحله دوم: آپلود کد آردوینو

برنامه زیر به شما نشان می‌دهد چگونه سرعت و جهت چرخش یک جفت موتور DC را با درایور موتور DRV8833 کنترل کنید و با گسترش این برنامه، پروژه‌های عملی‌تر را پیاده‌سازی کنید.

// Define the control inputs
#define MOT_A1_PIN 10
#define MOT_A2_PIN 9
#define MOT_B1_PIN 6
#define MOT_B2_PIN 5

void setup(void)
{
  // Set all the motor control inputs to OUTPUT
  pinMode(MOT_A1_PIN, OUTPUT);
  pinMode(MOT_A2_PIN, OUTPUT);
  pinMode(MOT_B1_PIN, OUTPUT);
  pinMode(MOT_B2_PIN, OUTPUT);

  // Turn off motors - Initial state
  digitalWrite(MOT_A1_PIN, LOW);
  digitalWrite(MOT_A2_PIN, LOW);
  digitalWrite(MOT_B1_PIN, LOW);
  digitalWrite(MOT_B2_PIN, LOW);

  // Initialize the serial UART at 9600 baud
  Serial.begin(9600);
}

void loop(void)
{
  // Generate a fixed motion sequence to demonstrate the motor modes.

  // Ramp speed up.
  for (int i = 0; i < 11; i++) {
    spin_and_wait(25*i, 25*i, 500);
  }
  // Full speed forward.
  spin_and_wait(255,255,2000);

  // Ramp speed into full reverse.
  for (int i = 0; i < 21 ; i++) {
    spin_and_wait(255 - 25*i, 255 - 25*i, 500);
  }

  // Full speed reverse.
  spin_and_wait(-255,-255,2000);

  // Stop.
  spin_and_wait(0,0,2000);

  // Full speed, forward, turn, reverse, and turn for a two-wheeled base.
  spin_and_wait(255, 255, 2000);
  spin_and_wait(0, 0, 1000);
  spin_and_wait(-255, 255, 2000);
  spin_and_wait(0, 0, 1000);
  spin_and_wait(-255, -255, 2000);
  spin_and_wait(0, 0, 1000);
  spin_and_wait(255, -255, 2000);
  spin_and_wait(0, 0, 1000);
}

/// Set the current on a motor channel using PWM and directional logic.
///
/// \param pwm    PWM duty cycle ranging from -255 full reverse to 255 full forward
/// \param IN1_PIN  pin number xIN1 for the given channel
/// \param IN2_PIN  pin number xIN2 for the given channel
void set_motor_pwm(int pwm, int IN1_PIN, int IN2_PIN)
{
  if (pwm < 0) {  // reverse speeds
    analogWrite(IN1_PIN, -pwm);
    digitalWrite(IN2_PIN, LOW);

  } else { // stop or forward
    digitalWrite(IN1_PIN, LOW);
    analogWrite(IN2_PIN, pwm);
  }
}

/// Set the current on both motors.
///
/// \param pwm_A  motor A PWM, -255 to 255
/// \param pwm_B  motor B PWM, -255 to 255
void set_motor_currents(int pwm_A, int pwm_B)
{
  set_motor_pwm(pwm_A, MOT_A1_PIN, MOT_A2_PIN);
  set_motor_pwm(pwm_B, MOT_B1_PIN, MOT_B2_PIN);

  // Print a status message to the console.
  Serial.print("Set motor A PWM = ");
  Serial.print(pwm_A);
  Serial.print(" motor B PWM = ");
  Serial.println(pwm_B);
}

/// Simple primitive for the motion sequence to set a speed and wait for an interval.
///
/// \param pwm_A  motor A PWM, -255 to 255
/// \param pwm_B  motor B PWM, -255 to 255
/// \param duration delay in milliseconds
void spin_and_wait(int pwm_A, int pwm_B, int duration)
{
  set_motor_currents(pwm_A, pwm_B);
  delay(duration);
}

// Define the control inputs
#define MOT_A1_PIN 10
#define MOT_A2_PIN 9
#define MOT_B1_PIN 6
#define MOT_B2_PIN 5

void setup(void)
{
  // Set all the motor control inputs to OUTPUT
  pinMode(MOT_A1_PIN, OUTPUT);
  pinMode(MOT_A2_PIN, OUTPUT);
  pinMode(MOT_B1_PIN, OUTPUT);
  pinMode(MOT_B2_PIN, OUTPUT);

  // Turn off motors - Initial state
  digitalWrite(MOT_A1_PIN, LOW);
  digitalWrite(MOT_A2_PIN, LOW);
  digitalWrite(MOT_B1_PIN, LOW);
  digitalWrite(MOT_B2_PIN, LOW);

  // Initialize the serial UART at 9600 baud
  Serial.begin(9600);
}

// Ramp speed up.
for (int i = 0; i < 11; i++) {
  spin_and_wait(25*i, 25*i, 500);
}
// Full speed forward.
spin_and_wait(255,255,2000);

// Ramp speed into full reverse.
for (int i = 0; i < 21 ; i++) {
  spin_and_wait(255 - 25*i, 255 - 25*i, 500);
}

// Full speed reverse.
spin_and_wait(-255,-255,2000);

// Stop.
spin_and_wait(0,0,2000);

// Full speed, forward, turn, reverse, and turn for a two-wheeled base.
spin_and_wait(255, 255, 2000);
spin_and_wait(0, 0, 1000);
spin_and_wait(-255, 255, 2000);
spin_and_wait(0, 0, 1000);
spin_and_wait(-255, -255, 2000);
spin_and_wait(0, 0, 1000);
spin_and_wait(255, -255, 2000);
spin_and_wait(0, 0, 1000);

void set_motor_pwm(int pwm, int IN1_PIN, int IN2_PIN)
{
  if (pwm < 0) {  // reverse speeds
    analogWrite(IN1_PIN, -pwm);
    digitalWrite(IN2_PIN, LOW);

  } else { // stop or forward
    digitalWrite(IN1_PIN, LOW);
    analogWrite(IN2_PIN, pwm);
  }
}

void set_motor_currents(int pwm_A, int pwm_B)
{
  set_motor_pwm(pwm_A, MOT_A1_PIN, MOT_A2_PIN);
  set_motor_pwm(pwm_B, MOT_B1_PIN, MOT_B2_PIN);

  // Print a status message to the console.
  Serial.print("Set motor A PWM = ");
  Serial.print(pwm_A);
  Serial.print(" motor B PWM = ");
  Serial.println(pwm_B);
}

void spin_and_wait(int pwm_A, int pwm_B, int duration)
{
  set_motor_currents(pwm_A, pwm_B);
  delay(duration);
}

مقالات مرتبط با این آموزش:

کنترل و راه اندازی موتور DC با درایور موتور L293D و آردوینو

آموزش راه اندازی ماژول درایور موتور L298 با آردوینو