PWM 简单直流电机速度控制

作者：Jeremy Cook

在电子学中，最基本的操作之一是直流电机速度控制。这里，我们将从基础开始，了解其含义：向MOSFET或专用驱动器发送PWM信号。该信号直接控制直流电机速度，使用比控制器本身能够产生的更高的电流（通常还有电压）。

简单的LED PWM控制

PWM（即脉宽调制）通过重复脉冲的不同时间长度来模拟模拟电压输出。在这种设置中，周期被定义为完成一个开/关循环所需要的时间。占空比通常用百分比表示，是开时间与关时间的比率。
 
一个5伏特信号，具有50%的占空比，将会模拟出一个2.5V的模拟信号。1毫秒的周期会每秒产生1000次这种开/关状态变化（或1000 Hz），这被定义为PWM信号的频率。PWM控制在直流电机和其他变化缓慢的负载中工作良好。在不同情况下，比如音频重现，真实的模拟输出是更可取的。
 
我们将使用运行CircuitPython的Raspberry Pi Pico来探讨这个原理以生成PWM信号。对于一个非常简短的介绍，请加载此处找到的代码。这段代码会在板载LED之间交替，从全亮度，即65,535（2^16 – 1），到4095（2^12 -1），不到原始值的1/10。虽然可能很难将观察到的光输出与数值关联起来，但仍可以观察到光的变化。

MOSFET电机控制电路

使用MOSFET (FQP30N06L)的控制方法与LED基本相同。我们下一个实验的代码 在这里找到。通过小电阻（约100Ω）连接控制输出到MOSFET的增益引脚。当没有输入时，加上一个10k电阻接地以使其拉低。电机的正极连接到MOSFET的漏极，而MOSFET的源极连接至地。
 
最初VBUS引脚提供正电压；然而，通常使用与Pico共地的外部电压源会更好。建议安装一个 flyback二极管 来解决多余的感性负载。

L293D 电机驱动器：建立直流电机控制电路的简便方法

MOSFETs 是非常好的通用器件，但如果您想控制速度和方向——或者您要处理多个电机——事情会变得非常复杂。幸运的是，现成的电机控制器 IC可用于应对这一挑战，包括这里使用的著名的L293D 驱动。接线要求可以从数据表中确定。我使用的方法连接到我的 Raspberry Pi Pico 如下图所示：

此设置的数字（开启/关闭）旋转代码见此，使电机以全力向前和向后运行，并在中间暂停。此PWM代码在特定占空比下初始化电机，逐步增加功率，然后停止。然后在相反方向上逐步增加功率，再次停止，然后重复该序列。

关于L293D驱动器的注意事项

在使用最后那段代码时（使用12V VCC2输入且没有电容），我最后使一个Raspberry Pi Pico板失效了。良好的做法是使用电容来平衡电源和逻辑输入。L293D确实提供了内部箝位能力来处理感性负载，因此不需要外部续流二极管。此过程中有几个潜在的原因，但这应作为一个提醒，确保硬件在离开工作台后能够满足实际应用的要求。

即插即用 – 还是完全定制化？

您的直流电机控制电路设计可能不会永远停留在面包板上。从这里开始，有两条不同的路径：
 
对于更高级的原型开发或一次性设计，可以使用电机扩展板和开发板，它们添加了像L293D这样的驱动器，作为直流电机、步进电机、舵机等的即插即用解决方案。Arduino Motor Shield 也许是最知名的，与Arduino Uno的形式因子兼容。如果您希望继续使用RP2040平台，Maker Pi RP2040可能是控制电机和其他设备的一个极佳即插即用解决方案。
 
在另一端，可以将电机控制器设计直接集成到您自己的印刷电路板设计中。这种集成为您提供了几乎无限的设计自由，允许您在实现Maker Pi RP2040的一些功能的同时，省略不需要的部分。您还可以将电路板布局为适合您应用的完美物理形式因子。

这里介绍的一般PWM控制原则是可靠的，适用于各种负载；然而，本文提供的硬件是快速组合而成的演示。对于最终设计，您将需要仔细考虑每个特定情况，以及Arrow上提供的规格和数据表信息。通过正确设置PWM直流电机控制器，您的设备可以实现多年的无故障运行。
 
无论您的设计如何开发，Arrow都能提供将您的PWM直流电机速度控制器变为现实所需的微控制器、MOSFET、电机驱动器和其他设备！