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使用 DRV8871 和 STM32G071RB 实现更高效的电机控制和效率

快速电机驱动,尽在掌握

DC Motor 9 Click with Nucleo 64 with STM32G071RB MCU

已发布 10月 08, 2024

点击板

DC Motor 9 Click

开发板

Nucleo 64 with STM32G071RB MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32G071RB

时刻监测您的电机电流消耗。升级您的工程工具包,拥抱刷式电机控制的可能性。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

DC Motor 9 Click基于德州仪器的DR8871,这是一款带有内部电流感应的刷式直流电机驱动器。该IC是一款集成了电流调节电路的H桥驱动器,通过单个电阻限制连接负载的电流。与许多其他解决方案不同,不需要外部感应电阻。通过H桥的低导通电阻减少了总体功率耗散,同时,先进的控制电路在输出状态改变时注入死区间隔,防止电流突破。DRV8871集成了保护功能,包括欠压、过流和过温保护。这些事件中的每一个都将导致H桥MOSFET被禁用。消除故障条件后,设备将继续其操作。有两种方法可以控制电机:第一种方法是将恒定的逻辑电平应用于IN1和IN2输入。在其中一个输入保持高电平的同时,另一个应保持低电平。电机旋转的方向取决于哪个输入处于高电平。第二

种方法涉及将一个引脚保持在低电平,同时向另一个引脚应用PWM信号。改变PWM频率可以控制电机的速度,而电机的旋转方向由应用PWM信号的引脚确定。两个引脚都设置为高电平将使所有MOSFET处于高阻态(coast),从而使通过MOSFET体二极管返回源的反电动势产生电流。如果IN1和IN2引脚都设置为低电平,则连接的电机处于制动状态。当应用PWM信号时,电机将在制动和旋转模式之间切换,导致其减速,取决于应用的PWM信号的脉冲宽度。PWM信号的频率范围可以在0至200 kHz之间,但PWM脉冲必须保持在800ns以上以进行正确检测的限制。通过连接负载的电流在内部限制为最大3.6A。更高的电流将导致过流保护被激活。通过电机的峰值电流限制在约3.2A,确

保可靠的启动,同时防止过流保护被激活,即使施加了较大的负载扭矩。尽管H桥电阻很低,但应监控电流,以防止在负载相当高的情况下出现过度加热。因此,添加了一个额外的IC,允许监测电流。Click board™使用LT1999,这是一款来自Analog Devices(线性技术部门)的双向电流传感放大器。它用于放大电流传感电阻上的电压降,以便可以准确采样。LT1999 IC的输出被路由到mikroBUS™的AN引脚,允许主机MCU使用其集成的ADC模块感知电流。该Click board™只能使用5V逻辑电压电平操作。在使用具有不同逻辑电压的MCU之前,板上必须执行适当的逻辑电压级转换。然而,Click board™配备了一个包含函数和示例代码的库,可用作进一步开发的参考。

DC Motor 9 Click hardware overview image

功能概述

开发板

Nucleo-64 搭载 STM32G071RB MCU 提供了一种经济高效且灵活的平台,供开发者探索新想法并原型设计他们的项目。该板利用 STM32 微控制器的多功能性,使用户能够为他们的项目选择最佳的性能与功耗平衡。它配备了 LQFP64 封装的 STM32 微控制器,并包含了如用户 LED(同时作为 ARDUINO® 信号)、用户和复位按钮,以及 32.768kHz 晶体振荡器用于精确的计时操作等基本组件。Nucleo-64 板设计考虑到扩展性和灵活性,它特有的 ARDUINO® Uno

V3 扩展连接器和 ST morpho 扩展引脚头,提供了对 STM32 I/O 的完全访问,以实现全面的项目整合。电源供应选项灵活,支持 ST-LINK USB VBUS 或外部电源,确保在各种开发环境中的适应性。该板还配备了一个具有 USB 重枚举功能的板载 ST-LINK 调试器/编程器,简化了编程和调试过程。此外,该板设计旨在简化高级开发,它的外部 SMPS 为 Vcore 逻辑供电提供高效支持,支持 USB 设备全速或 USB SNK/UFP 全速,并内置加密功能,提升了项目的功效

和安全性。通过外部 SMPS 实验的专用连接器、 用于 ST-LINK 的 USB 连接器以及 MIPI® 调试连接器,提供了更多的硬件接口和实验可能性。开发者将通过 STM32Cube MCU Package 提供的全面免费软件库和示例得到广泛支持。这些,加上与多种集成开发环境(IDE)的兼容性,包括 IAR Embedded Workbench®、MDK-ARM 和 STM32CubeIDE,确保了流畅且高效的开发体验,使用户能够充分利用 Nucleo-64 板在他们的项目中的能力。

Nucleo 64 with STM32G071RB MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

ARM Cortex-M0

MCU 内存 (KB)

128

硅供应商

STMicroelectronics

引脚数

64

RAM (字节)

36864

你完善了我!

配件

Click Shield for Nucleo-64 配备了两个专有的 mikroBUS™ 插座,使得所有的 Click board™ 设备都可以轻松地与 STM32 Nucleo-64 开发板连接。这样,Mikroe 允许其用户从不断增长的 Click boards™ 范围中添加任何功能,如 WiFi、GSM、GPS、蓝牙、ZigBee、环境传感器、LED、语音识别、电机控制、运动传感器等。您可以使用超过 1537 个 Click boards™,这些 Click boards™ 可以堆叠和集成。STM32 Nucleo-64 开发板基于 64 引脚封装的微控制器,采用 32 位 MCU,配备 ARM Cortex M4 处理器,运行速度为 84MHz,具有 512Kb Flash 和 96KB SRAM,分为两个区域,顶部区域代表 ST-Link/V2 调试器和编程器,而底部区域是一个实际的开发板。通过 USB 连接方便地控制和供电这些板子,以便直接对 Nucleo-64 开发板进行编程和高效调试,其中还需要额外的 USB 线连接到板子上的 USB 迷你接口。大多数 STM32 微控制器引脚都连接到了板子左右边缘的 IO 引脚上,然后连接到两个现有的 mikroBUS™ 插座上。该 Click Shield 还有几个开关,用于选择 mikroBUS™ 插座上模拟信号的逻辑电平和 mikroBUS™ 插座本身的逻辑电压电平。此外,用户还可以通过现有的双向电平转换器,使用任何 Click board™,无论 Click board™ 是否在 3.3V 或 5V 逻辑电压电平下运行。一旦将 STM32 Nucleo-64 开发板与我们的 Click Shield for Nucleo-64 连接,您就可以访问数百个工作于 3.3V 或 5V 逻辑电压电平的 Click boards™。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image

DC齿轮电机 - 430RPM(3-6V)代表了电机和齿轮箱的一体化组合,通过增加齿轮来降低电机速度,同时增加扭矩输出。这种齿轮电机具有斜齿轮箱,使其成为对扭矩和速度要求较低的应用非常可靠的解决方案。对于齿轮电机来说,最关键的参数是速度、扭矩和效率,在这种情况下,无负载时的速度为520RPM,最大效率时为430RPM,电流为60mA,扭矩为50g.cm。额定工作电压范围为3-6V,顺时针/逆时针旋转方向,该电机为机器人技术、医疗设备、电动门锁等领域提供了一种极好的解决方案,可以替代刷式直流电机执行许多功能。

DC Motor 9 Click accessories image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

Current sense
PC0
AN
NC
NC
RST
Control IN 2
PB12
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
NC
NC
3.3V
Ground
GND
GND
Control IN 1
PC8
PWM
NC
NC
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
NC
NC
SCL
NC
NC
SDA
Power supply
5V
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

DC Motor 9 Click Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Nucleo 64 with STM32G071RB MCU作为您的开发板开始。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly
Nucleo 64 with STM32F401RE MCU front image hardware assembly
LTE IoT 5 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
LTE IoT 5 Click complete accessories setup image hardware assembly
Nucleo-64 with STM32XXX MCU Access MB 1 Mini B Conn - upright/background hardware assembly
Necto image step 2 hardware assembly
Necto image step 3 hardware assembly
Necto image step 4 hardware assembly
Necto image step 5 hardware assembly
Necto image step 6 hardware assembly
Clicker 4 for STM32F4 HA MCU Step hardware assembly
Necto No Display image step 8 hardware assembly
Necto image step 9 hardware assembly
Necto image step 10 hardware assembly
Debug Image Necto Step hardware assembly

实时跟踪您的结果

应用程序输出

1. 应用程序输出 - 在调试模式下,“应用程序输出”窗口支持实时数据监控,直接提供执行结果的可视化。请按照提供的教程正确配置环境,以确保数据正确显示。

2. UART 终端 - 使用UART Terminal通过USB to UART converter监视数据传输,实现Click board™与开发系统之间的直接通信。请根据项目需求配置波特率和其他串行设置,以确保正常运行。有关分步设置说明,请参考提供的教程

3. Plot 输出 - Plot功能提供了一种强大的方式来可视化实时传感器数据,使趋势分析、调试和多个数据点的对比变得更加直观。要正确设置,请按照提供的教程,其中包含使用Plot功能显示Click board™读数的分步示例。在代码中使用Plot功能时,请使用以下函数:plot(insert_graph_name, variable_name);。这是一个通用格式,用户需要将“insert_graph_name”替换为实际图表名称,并将“variable_name”替换为要显示的参数。

软件支持

库描述

该库包含DC Motor 9 Click驱动程序的 API。

关键功能:

  • dcmotor9_generic_read - 此函数读取ADC数据。

  • dcmotor9_pwm_start - 此函数启动PWM模块。

  • dcmotor9_set_duty_cycle - 此函数设置PWM占空比。

开源

代码示例

完整的应用程序代码和一个现成的项目可以通过NECTO Studio包管理器直接安装到NECTO Studio 应用程序代码也可以在MIKROE的GitHub账户中找到。

/*!
 * @file main.c
 * @brief DC Motor 9 Click Example
 *
 * # Description
 * DC Motor 9 Click is a brushed DC motor driver with the current limiting and
 * current sensing. It can be operated by two logic signals, allowing to drive
 * the connected motor in two different ways:
 * it can use fixed logic levels for the direction control,
 * or it can be controlled by a PWM signal, offering an additional speed control
 * option.
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 *
 * ## Application Init
 * Initializes GPIO, PWM and logger and enables the click board.
 *
 * ## Application Task
 * This is a example which demonstrates the use of DC Motor 9 Click board.
 * DC Motor 9 Click controls DC Motor speed via PWM interface.
 * It shows moving in the both directions from slow to fast speed
 * and from fast to slow speed.
 * Results are being sent to the Usart Terminal where you can track their changes.
 *
 * @author Nikola Peric
 *
 */
// ------------------------------------------------------------------- INCLUDES

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "dcmotor9.h"

// ------------------------------------------------------------------ VARIABLES

static dcmotor9_t dcmotor9;
static log_t logger;

// ------------------------------------------------------ APPLICATION FUNCTIONS

void application_init ( void )
{
    log_cfg_t log_cfg;
    dcmotor9_cfg_t dcmotor9_cfg;

    /** 
     * Logger initialization.
     * Default baud rate: 115200
     * Default log level: LOG_LEVEL_DEBUG
     * @note If USB_UART_RX and USB_UART_TX 
     * are defined as HAL_PIN_NC, you will 
     * need to define them manually for log to work. 
     * See @b LOG_MAP_USB_UART macro definition for detailed explanation.
     */
    LOG_MAP_USB_UART( log_cfg );
    log_init( &logger, &log_cfg );
    log_info( &logger, "---- Application Init ----" );

    //  Click initialization.

    dcmotor9_cfg_setup( &dcmotor9_cfg );
    DCMOTOR9_MAP_MIKROBUS( dcmotor9_cfg, MIKROBUS_1 );
    if ( dcmotor9_init( &dcmotor9, &dcmotor9_cfg ) == PWM_ERROR )
    {
        log_info( &logger, "---- Application Init Error ----" );
        log_info( &logger, "---- Please, run program again ----" );

        for ( ; ; );
    }

    dcmotor9_set_duty_cycle ( &dcmotor9, DCMOTOR9_PWM_DUTY_PERCENT_0 );
    
    dcmotor9_enable( &dcmotor9 );
    dcmotor9_pwm_start( &dcmotor9 );
    log_info( &logger, "---- Application Task ----" );
    Delay_ms( 1000 );
}

void application_task ( void )
{
    static float duty;
    static uint8_t n_cnt;
    
    dcmotor9_clockwise ( &dcmotor9 );
    log_printf( &logger, "> CLOCKWISE <\r\n" );
    dcmotor9_enable ( &dcmotor9 );
    
    for ( n_cnt = 10; n_cnt > 0; n_cnt--  )
    {
        duty = ( float ) n_cnt ;
        duty /= 10;
        dcmotor9_set_duty_cycle( &dcmotor9, duty );
        Delay_ms( 500 );
    }
    for ( n_cnt = 1; n_cnt <= 10; n_cnt++ )
    {
        duty = ( float ) n_cnt ;
        duty /= 10;
        dcmotor9_set_duty_cycle( &dcmotor9,  duty );
        Delay_ms( 500 );
    }
    
    log_printf( &logger, "* Pull break *\r\n" );
    dcmotor9_short_brake( &dcmotor9 );
    Delay_ms( 1000 );
    
    dcmotor9_counter_clockwise ( &dcmotor9 );
    log_printf( &logger, "> COUNTER CLOCKWISE <\r\n" );
        
    for ( n_cnt = 1; n_cnt <= 10; n_cnt++  )
    {
        duty = ( float ) n_cnt ;
        duty /= 10;
        dcmotor9_set_duty_cycle( &dcmotor9, duty );
        Delay_ms( 500 );
    }
    for ( n_cnt = 10; n_cnt > 0; n_cnt-- )
    {
        duty = ( float ) n_cnt ;
        duty /= 10;
        dcmotor9_set_duty_cycle( &dcmotor9,  duty );
        Delay_ms( 500 );
    }
    
}

void main ( void )
{
    application_init( );

    for ( ; ; )
    {
        application_task( );
    }
}

// ------------------------------------------------------------------------ END

额外支持

资源

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