4路直流有刷电机控制器

一、产品简介

支持正交增量编码器的4路有刷直流电机控制器。设计输入电压6~12V，单路持续输出电流4A。预留电流检测电路，支持modbus通信。

二、应用场景

适用于2S~3S锂电池供电，需要相对较大输出电流，驱动多个有刷电机的场景。支持增量式编码器，可实现速度和位置闭环控制。

• 4轮驱动的智能小车
• 简易机械臂

三、产品概述

本作品最初针对智能小车应用设计。鉴于电机控制的实现比较复杂，但功能又比较常用，因此将其剥离出来，制成模块，有助于提高复用性，简化主控的设计。

在功能上，支持驱动4路直流有刷电机，以及4个增量编码器，可实现速度和位置闭环控制。每个编码器使用一个通用定时器用于脉冲计数。硬件上还预留了电流检测电路，可以通过测量串联采样电阻上的电压，计算出电机电流。如不需要电流检测功能，不焊相关器件，并用导线代替采样电阻即可。为了与主控通信，采用通用的modbus协议。使用modbus的好处是，已经有很多上位机可以使用。

速度控制和位置控制通过PID实现，实际使用可能需要修改PID参数。通过modbus协议，可以选择每个电机是采用速度控制还是位置控制。为了便于调试，还可以选择第三种控制模式，直接设置PWM的占空比。

3D简介图

四、产品参数

• 输入电压：6~12V
• 单路电机持续电流：4A
• 支持电机数量：4个
• 支持增量编码器数量：4个
• UART隔离光耦电源电压：3.3V或5V。
• UART（modbus）波特率：9600.

五、使用说明

使用非常简单，匹配好各插座的线序，插上电源、电机、串口就可以用了。串口可以用USB转TTL模块，由于使用了光耦隔离，所以要将USB转TTL模块上的电源也接上，一共4根线。

接线完毕之后，就可以通过modbus设置控制参数了。

总装图

六、备注

1.     附件包含源代码及Hex。

2.     预留SWD接口，可通过ST-Link调试或烧录。

3.     固件在keil下完成开发和调试(没错，我是山顶洞人)。

4.     使用的器件都很便宜，个人制作的话，单板成本应该在30以内。

特别提醒，本作品为个人出于爱好制作，未经全面测试。硬件单路4A的指标是按1Oz 1mm 2A 的经验法则来设计的，并未遵守严格的规范，也没有做过全面的测试，因此若需要应用于大电流的场景，最好在保证安全的前提下做好压力测试，确定可以满足需求。

七、测试视频

视频演示了通过位置控制模式，实现4种不同型号电机（370、310、130、N20）位置同步的速度控制。

控制方法是，根据设定速度，计算出目标位置，然后下发位置指令，所以电机会以设定速度运行，并保持位置同步。由于电机特性不同，且PID不可避免地引入振荡，所以可以看到电机启动时并不同步，但经过调整之后，4只电机均实现了同步匀速旋转。

下方视频展示了位置控制的效果。程序中给定设定角度不变，然后用手将电机轴拧动电机轴，在PID控制的作用下，电机轴会回到原位置。

八、设计说明

该作品在硬件上基于以下几个思路设计：

• 尽量使用国产芯片。
• 电路板的尺寸应尽可能的小，所以尽量采用小封装、高集成度的芯片。
• 采用单芯片H桥的同时，工作电流尽可能大（2A以上）。

为了在电机控制模块化的同时，尽可能减小PCB的体积，器件选型上尽量选用小封装和高集成度的芯片。国产芯片在DCDC和LDO方面已经比较成熟，相对容易地就找到了小封装的XP3182和ME6211。但是大电流的集成H桥就比较难找，常用方案如DRV8833，虽然集成度很高，但是支持的电流只有1A，很多国产集成H桥也是这个规格。经过一番辛苦的搜寻，终于找到TMI8260，可以在SOP8的封装下提供4A的持续电流。

比较难受的是，为了实现4对互补PWM，使用了2个高级定时器，而F103系列又只有大容量产品才有这个配置，对应的封装最小也有64pin，占用了不小PCB的面积。

另一个比较难受的地方是，电流检测使用了TI的电流检测专用运放INA181，占用了非常小的PCB面积，但是暂时没找到该芯片的国产替代，否则就可以实现板上器件全国产了。如果有网友知道替代型号的话，麻烦在评论区告诉我，我去尝试一下。

软件上，预期是通过C语言，基于模块化和面向对象的思路编写。但是由于水平有限，加之对STM32系列的单片机也还在学习阶段，所以为了实现功能，代码开始变得越来越混乱。实现modbus协议，使用了freemodbus库，非常感谢开源大佬和网络上各位前辈的无私奉献。