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一、概述
這是基于Arduino開發運動機器人非常完美的解決方案，這款電機驅動器足夠強大，可以驅動4個直流電機或2個步進電機，并且額外提供8路全速PWM控制，可以控制8路舵機。支持PS2無線手柄，充分發揮PS2手柄的強大功能。
最大限度的減少Arduino引腳的占用，所以使用基于I2C通訊的專用PWM驅動芯片（PCA9685）控制電機的速度和方向。只用2根IO引腳（SDA&SCL）就可以驅動多個電機，也可以多個驅動器疊加使用（可級聯），并且不干擾其他I2C設備的使用。
支持超聲波傳感器，可以輕松對接智能小車或者其他電機控制的應用。
二、接口與接線
參數說明：
- 使用高性能驅動芯片，提供每路2.2A（3.6A峰值）輸出，可運行4.5-13.5V直流電機；
- 可以驅動4個直流電機或2個步進電機；
- 額外提供8路PWM輸出，可以控制8路舵機；
- 支持PS2無線手柄；
- 支持藍牙模塊和超聲波傳感器；
- 可自定義I2C地址，支持多個驅動器疊加級聯；
- 提供完整的代碼庫和豐富示例程序，支持圖形編程，簡單易用。
大功率電機驅動版Max V5.0
PS2無線手柄連接
驅動器內置PS2接收器插座，將接收器直接插入使用。
PS2手柄為非熱插拔，在實際項目用，需要編寫重連檢測，如無法找到設備，請重啟Arduino控制器。
*手柄一段時間不操作會自動休眠，按start或analog喚醒。
三、電源說明
電源供電方案選擇
單電源供電特性：
- 單電源可同時為驅動器和開發板供電
- 板載內嵌5V穩壓器，可為舵機端口提供5V3A電源。
- 電源輸出功率（放電電流）要夠大，否則會影響穩定性
舵機獨立供電
當需要接入多個舵機或大功率舵機的時候，請選擇此方案供電
- 先拔掉左上角跳線帽，斷開板載電源
- 接上跟舵機匹配電壓匹配的電源，注意匹配參數，大多數舵機耐壓是5-6V，電壓太高會使舵機燒毀
備用電源接口
V5.3版將原來版本的黃色跳線修改為電源備用接口，此接口與DC電源接口直連。可以用于電源取電，或者不同接口的供電擴展。
注意不要插跳線或者短路！
電源選擇
電機驅動器主電源適用電壓6-12V，需要跟接的電機匹配。電源的選擇很重要，供電不足會使系統工作不穩定。推薦使用動力型電池。動力電池具有更大的放電電流，瞬間輸出功率更強。
四、軟件程序庫詳解
我們提供Arduino類庫和相關示例代碼。含兩組類庫文件：PS2X_Lib和Motor_Shield_Library examples目錄下的示例。
*如果提示沒有找到類庫，請配置相關的庫文件，或者直接拷貝列庫文件到當前項目目錄下。
1、控制直流電機（DC motor）
a）連接電機
驅動器有4組電機接線柱分別為M1, M2, M3, 和 M4。
注意：請仔細查看電機參數，電機尺寸過大（功率太大）會使驅動器超負荷，導致驅動器損壞。（實測370電機可用）
b）直流電機（DC motor） 示例詳解
#include <Wire.h>
#include "QGPMaker_MotorShield.h"
// Create the motor shield object with the default I2C address
QGPMaker_MotorShield AFMS = QGPMaker_MotorShield();
// Select which 'port' M1, M2, M3 or M4. In this case, M3
QGPMaker_DCMotor *DCMotor_3 = AFMS.getMotor(3);
void setup(){
AFMS.begin(50); // create with the default frequency 50Hz
}
void loop(){
DCMotor_3->setSpeed(200);
DCMotor_3->run(FORWARD);
delay(3000);
DCMotor_3->setSpeed(0);
DCMotor_3->run(RELEASE);
delay(2000);
DCMotor_3->setSpeed(200);
DCMotor_3->run(BACKWARD);
delay(3000);
DCMotor_3->setSpeed(0);
DCMotor_3->run(RELEASE);
delay(2000);
}
創建一個MotorShield對象：
QGPMaker_MotorShield AFMS = QGPMaker_MotorShield();
從MotorShield創建DCMotor對象，對應M3端口的電機：
QGPMaker_DCMotor *myMotor = AFMS.getMotor(3);
getMotor(port#)
port# ：1~4，對應M1~M4接線柱
在setup() 函數里加入初始化代碼:
AFMS.begin();
設置電機速度:
myMotor->setSpeed(100);
setSpeed(speed)
speed ：0 (stopped) ~255 (full speed).
*速度是個相對值，反應在輸出上是控制電壓的大小，做大電壓等于供電電壓。供電電壓也高，相同的速度值速度越快。
啟動電機（正轉、反轉、停止）
myMotor->run(FORWARD);
run(direction)
direction ： FORWARD（正轉）, BACKWARD（反轉） ,BRAKE （剎車急停）or RELEASE（關閉電機）.
*注：電機旋轉方向跟接線有關，如果轉向不正確，請對調電機正負極接線柱。
BRAKE 和RELEASE的區別：V5.0版本新增了BRAKE選項，原理上是通過短接電機的正負極，實現有限的電機急停功能，對于大功率電機，慎用此選項，可能會損壞電機驅動芯片。RELEASE是斷開電機電源，實現電機的自然停止（帶慣性停止）。
2、舵機控制（Servo）
驅動板的舵機控制通過PWM專用芯片PCA9685實現，對應的編號分別為0-7接口。
驅動器內嵌穩壓電路，可以輸出5V，3A的電流給舵機供電。盡量避免舵機堵轉或超負荷，以免影響系統穩定性或損壞舵機。
注意：對于大功率的舵機（電源要求超過5V3A），請拔掉紅色跳線帽，再使用跟舵機匹配的電源通過“舵機輔助電源”接口獨立供電。
在驅動板右上角有2個傳感器接口，可以插三線傳感器，也可以插舵機。此接口對應Arduino D5,D6引腳。
舵機代碼解析（代碼需要導入庫文件）
#include <Wire.h>
#include "QGPMaker_MotorShield.h"
QGPMaker_MotorShield AFMS = QGPMaker_MotorShield(); //創建驅動器對象
QGPMaker_Servo *Servo3 = AFMS.getServo(3); //獲取3號舵機
void setup(){
AFMS.begin(50);
}
void loop(){
Servo3->writeServo(10); //3#舵機轉到10度位置
delay(1000);
Servo3->writeServo(120); //3#舵機轉到120度位置
delay(1000);
int deg=Servo3->readDegrees();//讀取3#舵機當前角度
}
3、編碼器電機
*此功能僅支持Arduino UNO開發板，Mega2560和其他型號開發板不支持此編碼器功能
編碼器才有PCINT計數，相關芯片引腳對應如下：
Arduino Uno/Nano/Mini: All pins are usable
Arduino Mega: 10, 11, 12, 13, 50, 51, 52, 53, A8 (62), A9 (63), A10 (64),
A11 (65), A12 (66), A13 (67), A14 (68), A15 (69)
Arduino Leonardo/Micro: 8, 9, 10, 11, 14 (MISO), 15 (SCK), 16 (MOSI)
HoodLoader2: All (broken out 1-7) pins are usable
Attiny 24/44/84: All pins are usable
Attiny 25/45/85: All pins are usable
Attiny 13: All pins are usable
Attiny 441/841: All pins are usable
ATmega644/ATmega644P/ATmega1284P: All pins are usable
ATmega 162: PORTA and PORTC usable
| PCINT | Uno/Nano/Mini | Mega/2560 | Leonardo/Micro | HL2 (8/16/32u2) | | ----- | --------------- | -------------- | -------------- | --------------- | | 0 | 8 (PB0) | 53 SS (PB0) | SS (PB0)* | 0 SS (PB0)* | | 1 | 9 (PB1) | 52 SCK (PB1) | SCK (PB1) | 1 SCK (PB1) | | 2 | 10 SS (PB2) | 51 MOSI (PB2) | MOSI (PB2) | 2 MOSI (PB2) | | 3 | 11 MISO (PB3) | 50 MISO (PB3) | MISO (PB3) | 3 MISO (PB3) | | 4 | 12 MOSI (PB4) | 10 (PB4) | 8/A8 (PB4) | 4 (PB4) | | 5 | 13 SCK (PB5) | 11 (PB5) | 9/A9 (PB5) | 5 (PB5) | | 6 | XTAL1 (PB6)* | 12 (PB6) | 10/A10 (PB6) | 6 (PB6) | | 7 | XTAL2 (PB7)* | 13 (PB7) | 11 (PB7) | 7 (PB7) | | ----- | --------------- | -------------- | -------------- | --------------- | | 8 | A0 (PC0) | 0 RX (PE0)* | | (PC6)* | | 9 | A1 (PC1) | 15 RX3 (PJ0)* | | (PC5)* | | 10 | A2 (PC2) | 14 TX3 (PJ1)* | | (PC4)* | | 11 | A3 (PC3) | NC (PJ2)* | | (PC2)* | | 12 | A4 SDA (PC4) | NC (PJ3)* | | (PD5)* | | 13 | A5 SDC (PC5) | NC (PJ4)* | | | | 14 | RST (PC6)* | NC (PJ5)* | | | | 15 | | NC (PJ6)* | | | | ----- | --------------- | -------------- | -------------- | --------------- | | 16 | 0 RX (PD0) | A8 (PK0) | | | | 17 | 1 TX (PD1) | A9 (PK1) | | | | 18 | 2 INT0 (PD2) | A10 (PK2) | | | | 19 | 3 INT1 (PD3) | A11 (PK3) | | | | 20 | 4 (PD4) | A12 (PK4) | | | | 21 | 5 (PD5) | A13 (PK5) | | | | 22 | 6 (PD6) | A14 (PK6) | | | | 23 | 7 (PD7) | A15 (PK7) | | | | ----- | --------------- | -------------- | -------------- | --------------- |
a）編碼器電機接線
b）AB相正交編碼器簡單介紹
AB相編碼器通過2個傳感器檢測90度的異相波形，用正交編碼計算電機的移動變化。基本原理圖下圖所示：
c）編碼器庫文件和示例說明
編碼器庫采用AB相4倍頻算法：比如編碼器磁環基礎脈沖數是12（PPR），則連接磁環的電機轉動一圈得到的脈沖數是12*4=48。如果減速電機齒數比是1:90，則輪子旋轉一周的脈沖數（CPR）=12(PPR)*4*90(齒數比)=4320。
編碼器庫的基本用法
導入編碼器庫文件
#include "QGPMaker_Encoder.h"
創建3號編碼器
QGPMaker_Encoder encoder3(3); //對應M3電機口
獲取編碼器數值
int32_t position3= encoder3.read(); //讀取3號編碼器的數值
寫入編碼器數值（初始值），一般用于校準或者清零復位
encoder3.write(0); //編碼器設置為0
讀取電機轉速
int rpm=encoder3.getRPM();//獲取3號編碼器電機對應的每分鐘轉速（RPM）
#include <Wire.h>
#include "QGPMaker_MotorShield.h"
#include "QGPMaker_Encoder.h"
QGPMaker_MotorShield AFMS = QGPMaker_MotorShield();
QGPMaker_DCMotor *DCMotor_3 = AFMS.getMotor(3);
QGPMaker_Encoder Encoder3(3); //創建3號編碼器（對于M3電機）
void setup(){
AFMS.begin(50);
Serial.begin(9600);
DCMotor_3->setSpeed(200);
DCMotor_3->run(FORWARD); //啟動電機
}
void loop(){
Serial.println(Encoder3.read()); //輸出編碼器數值
}
4、步進電機
*不推薦使用，建議使用步進電機專用的驅動器控制，謹慎使用
a）驅動板可以同時接2個步進電機，單極和雙極都適用。
b）連接電機
*步進電機型號很多，線序顏色跟上圖可能一致，注意參考電機資料了解清楚
- 單極驅動Unipolar Stepper Motor（6線或5線）: 首先需要知道哪根線是中心線，然后將中心線都接到板子上任意標識的GND（右圖白色和黃色）端口，剩下的兩組端線（黑和綠，紅和藍）分別接到M1、M2或M3、M4。
- 雙極驅動Bipolar stepper motors（4線）: 跟單極驅動類似，將4根線依次接到M1、M2或M3、M4端口。
C）步進電機（Stepper motor）控制示例詳解
#include <Arduino.h>
#include "QGPMaker_MotorShield.h"
QGPMaker_MotorShield JFMS = QGPMaker_MotorShield(); //初始化驅動器
const int stepsPerRevolution = 200; // 步進電機轉一周的步數，一般42電機的步數是200步
QGPMaker_StepperMotor *stepper1 = JFMS.getStepper(stepsPerRevolution, 1); //獲取1號步進電機（對應M1,M2接口）
QGPMaker_StepperMotor *stepper2 = JFMS.getStepper(stepsPerRevolution, 2); //獲取2號步進電機（對應M3,M4接口）
void setup() {
Serial.begin(9600);
JFMS.begin();
stepper1->setSpeed(60); //RPM速度
stepper2->setSpeed(6); //RPM速度
}
void loop() {
stepper1->step(200, FORWARD,DOUBLE); //電機正轉200步（一周）
stepper2->step(200, FORWARD, MICROSTEP);//電機向前轉200步（一周）
delay(1000);
stepper1->step(200, BACKWARD,DOUBLE); //電機反轉200步（一周）
stepper2->step(200, BACKWARD, MICROSTEP);
delay(1000);
}
程序接口說明：
QGPMaker_StepperMotor *stepper1 = JFMS.getStepper(stepsPerRevolution, 1); //獲取1號步進電機（對應M1,M2接口）
獲取一個步進電機對象
- stepsPerRevolution：每周的步數。比如42步進電機的單步角度是1.8度，每周步數=360/1.8=200步
stepper1->setSpeed(60); //RPM速度
void setSpeed(uint16_t);
設置電機轉速，數值是每分鐘的轉速（rpm）
stepper1->step(200, FORWARD,DOUBLE); //電機正轉200步（一周）
void step(uint16_t steps, uint8_t dir, uint8_t style = SINGLE);
控制電機：
- steps:旋轉的步數
- dir:旋轉方向 FORWARD or BACKWARD，電機旋轉方向也跟端口接線有關
- style：電機驅動方式 SINGLE（單拍）, DOUBLE（雙拍）, INTERLEAVED （混合）or MICROSTEP（微步）
驅動方式區別簡介：
- SINGLE：單組線圈工作，電機功耗小，扭矩也相對小
- DOUBLE：雙組線圈工作，功耗比SINGLE大，扭矩也增大
- INTERLEAVED：單雙線圈交替工作
- MICROSTEP：微步模式，電機精度高，速度慢（默認是16分）
void release(void);
斷開電機電源，釋放電機。默認情況，步進電機驅動后，會處于鎖住狀態。如果要關閉電機，請調用release()方法，比如：stepper1->release();
5、無線手柄控制
非完整代碼，請勿直接復制編譯
//導入庫文件
#include "PS2X_lib.h"
//定義ps2手柄
PS2X ps2x;
int error;
void setup() {
//配對接收器
do {
error = ps2x.config_gamepad(13, 11, 10, 12, true, true);
if (error == 0) { break; }
else { delay(100); }
} while (1);
}
void loop(){
ps2x.read_gamepad(false, 0);//讀入手柄狀態信息
//鍵位碼請看上面對應圖
if (ps2x.Button(PSB_PAD_UP)) {}//如果“上”按鈕按下
if (ps2x.Analog(PSS_RY) > 240) {}//如果搖桿RY返回值大于240
delay(10);//延遲10ms
}
6、電子開關/繼電器控制
a)接線
將電子開關、繼電器或者相關模塊控制端接到舵機接口對應的PWM引腳。
b)程序示例說明
#include <Wire.h>
#include "QGPMaker_MotorShield.h"
QGPMaker_MotorShield AFMS = QGPMaker_MotorShield();
void setup(){
AFMS.begin(50);
}
void loop(){
AFMS.setPin(2,HIGH); //2#舵機口輸出高電平（電子開關打開）
AFMS.setPWM(3,4000); //3#舵機口輸出PWM值4000（可作為PWM控制，電機調速，LED亮度調節等）
}
- PWM輸出，可作為PWM控制，電機調速，LED亮度調節等：
AFMS.setPWM(n,pwm);
n:0~7 對應舵機端口的0~7號端口
pwm：取值范圍(0~4096)
- 開關量輸出，可以用于控制電子開關或者繼電器等
AFMS.setPin(n,HIGH/LOW);
n:0~7 對應舵機端口的0~7號端口
HIGH/LOW：HIGH或LOW 輸出高低電平
7、無刷電機控制（待完善）
五、原理圖
Arduino UNO R3開發板官方原理圖：點擊下載
六、演示作品和示例代碼
1、4WD小車
2、麥克納姆輪小車
原創文章，作者：奇果派工坊，如若轉載，請注明出處：http://www.yourwine.cn/archives/308
