H-мост на 2 канала (Troyka-модуль): инструкция, схемы и примеры использования

Используйте H-мост для управления двумя коллекторными моторами, а точнее скоростью и направлением вращения вала. H-мост также сможет управлять одним биполярным шаговым двигателем.

В качестве мозга для управления моторами рассмотрим платформу из серии Arduino, например Arduino Uno.

Выберите один из вариантов коммуникации драйвера с внешним микроконтроллером:

• Подключите H-мост к платформе Arduino. Для коммуникации понадобятся соединительные провода «мама-папа».
• Для быстрой сборки и отладки устройства возьмите плату расширения Troyka Shield, которая одевается сверху на Arduino Uno методом бутерброда. Для коммуникации используйте трёхпроводные шлейфы «мама-мама», который идут в комплекте с модулем.

1. Подключите к драйверу микроконтроллер и логическое питание.
2. Подключите к драйверу коллекторные моторы и силовое питание.

Для начала покрутим каждый мотор в одну, а затем другую сторону. Прошейте платформу Arduino скетчем, приведённым ниже.

troyka-h-bridge-dual-example-arduino-dc-motors.ino

// Пины управления скоростью и направлением мотора
constexpr auto pinM1Speed = 9;
constexpr auto pinM1Direction = A1;
constexpr auto pinM2Speed = 10;
constexpr auto pinM2Direction = A0;
 
int pins[] = {pinM1Speed, pinM1Direction, pinM2Speed, pinM2Direction};
 
void setup() {
  // Настраиваем все пины управление моторами в режим выхода
  for (int i = 0; i < 4; i++) {     
    pinMode(pins[i], OUTPUT);
  }
} 
 
void loop() {
  // Крутим мотор M1 в одну сторону в течении 1 секунды
  motorsDrive(255, 0);
  delay(1000);
 
  // Крутим мотор M1 в другую сторону в течении 1 секунды
  motorsDrive(-255, 0);
  delay(1000);
 
  // Крутим мотор M2 в одну сторону в течении 1 секунды
  motorsDrive(0, 255);
  delay(1000);
 
  // Крутим мотор M2 в другую сторону в течении 1 секунды
  motorsDrive(0, -255);
  delay(1000);
 
  // Стоим на месте
  motorsDrive(0, 0);
  delay(1000);
 
}
 
// Функция управления моторами
void motorsDrive(int M1Speed, int M2Speed) {
  if (M1Speed > 0) {
    digitalWrite(pinM1Direction, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(pinM1Direction, LOW);
  }
 
  if (M2Speed > 0) {
    digitalWrite(pinM2Direction, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(pinM2Direction, LOW);
  }
  analogWrite(pinM1Speed, abs(M1Speed));
  analogWrite(pinM2Speed, abs(M2Speed));
}

Усовершенствуем эксперимент: заставим каждый мотор по очереди плавно разгоняться и останавливаться в разных направлениях.

troyka-h-bridge-dual-example-arduino-dc-motors-pwm.ino

// Пины управления скоростью и направлением мотора
constexpr auto pinM1Speed = 9;
constexpr auto pinM1Direction = A1;
constexpr auto pinM2Speed = 10;
constexpr auto pinM2Direction = A0;
 
int pins[] = {pinM1Speed, pinM1Direction, pinM2Speed, pinM2Direction};
 
void setup() {
  // Настраиваем все пины управление моторами в режим выхода
  for (int i = 0; i < 4; i++) {     
    pinMode(pins[i], OUTPUT);
  }
} 
 
void loop() {
  // Медленно разгоняем M1 в одну сторону
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    motorsDrive(i, 0);
    delay(10);
  }
  // Медленно тормозим мотор
  for (int i = 255; i >= 0; i--) {
    motorsDrive(i, 0);
    delay(10);
  }
  // Медленно разгоняем M1 в другую сторону
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    motorsDrive(-i, 0);
    delay(10);
  }
  // Медленно тормозим мотор
  for (int i = 255; i >= 0; i--) {
    motorsDrive(-i, 0);
    delay(10);
  }
 
  // медленно разгоняем M2 в одну сторону
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    motorsDrive(0, i);
    delay(10);
  }
  // медленно тормозим мотор
  for (int i = 255; i >= 0; i--) {
    motorsDrive(0, i);
    delay(10);
  }
  // медленно разгоняем M2 в другую сторону
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    motorsDrive(0, -i);
    delay(10);
  }
  // медленно тормозим мотор
  for (int i = 255; i >= 0; i--) {
    motorsDrive(0, -i);
    delay(10);
  }
 
}
 
// Функция управления моторами
void motorsDrive(int M1Speed, int M2Speed) {
  if (M1Speed > 0) {
    digitalWrite(pinM1Direction, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(pinM1Direction, LOW);
  }
 
  if (M2Speed > 0) {
    digitalWrite(pinM2Direction, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(pinM2Direction, LOW);
  }
  analogWrite(pinM1Speed, abs(M1Speed));
  analogWrite(pinM2Speed, abs(M2Speed));
}

1. Подключите к драйверу микроконтроллер и логическое питание.
2. Подключите к драйверу шаговый двигатель и силовое питание.

Для лёгкого и быстрого управления шаговым двигателем мы написали библиотеку AmperkaStepper, которая скрывает в себе все тонкости работы с мотором и предоставляет удобные методы.

troyka-h-bridge-dual-example-arduino-stepper.ino

// Библиотека для работы с шаговым двигателем
#include <AmperkaStepper.h>
 
// Создаём объект для работы с шаговым двигателем
// и передаём фиксированное количество шагов за полный оборот.
// Подробности в характеристиках двигателя
AmperkaStepper motor(200, A0, A1, 9, 10);
 
void setup() {
  // Устанавливаем скорость вращения 30 оборотов в минуту.
  motor.setSpeed(30);
}
 
void loop() {
  // 180° по часовой стрелке в двухфазном режиме
  motor.step(100, FULL_STEP);
  delay(1000);
 
  // 180° против часовой стрелки в однофазном режиме
  motor.step(-100, WAVE_DRIVE);
  delay(1000);
 
  // 180° по часовой стрелке в полушаговом режиме
  motor.step(200, HALF_STEP);
  delay(1000);
 
  // 180° против часовой стрелки в двухфазном режиме
  // этот режим используется по умолчанию, если не передан
  // второй аргумент
  motor.step(-100);
  delay(1000);
}

В качестве мозга для управления моторами рассмотрим платформу из серии Espruino, например, Iskra JS.

Выберите один из вариантов коммуникации драйвера с внешним микроконтроллером:

• Подключите драйвер к платформе Arduino. Для коммуникации понадобятся соединительные провода «мама-папа».
• Для быстрой сборки и отладки устройства возьмите плату расширения Troyka Shield, которая одевается сверху на Arduino Uno методом бутерброда. Для коммуникации используйте трёхпроводные шлейфы «мама-мама», который идут в комплекте с модулем.

1. Подключите к драйверу микроконтроллер и логическое питание.
2. Подключите к драйверу коллекторные моторы и силовое питание.

Покрутим каждый мотор в одну, а затем другую сторону. Прошейте платформу Espruino скриптом, приведённым ниже.

troyka-h-bridge-dual-example-espruino-dc-motors.js

// Подключаем библиотеку «motor»
var Motor = require('@amperka/motor');
 
 
// Пины управления скоростью и направлением мотора
var motorOne = Motor.connect({phasePin: A1, pwmPin: P9, freq: 100});
var motorTwo = Motor.connect({phasePin: A0, pwmPin: P10, freq: 100});
 
// Интервал времени
var time = 1000;
// Счётчик
var state = 0;
 
// Каждую секунду меняем режим работы
setInterval(() => {
  motorOne.write(0);
  motorTwo.write(0);
  state++;
  if (state === 1) {
    motorOne.write(1);
  } else if (state === 2) {
    motorOne.write(-1);
  } else if (state === 3) {
    motorTwo.write(1);
  } else if (state === 4) {
    motorTwo.write(-1);
  } else {
    state = 0;
  }
}, time);

1. Подключите к драйверу микроконтроллер и логическое питание.
2. Подключите к драйверу шаговый двигатель и силовое питание.

Для лёгкого и быстрого управления шаговым двигателем, используйте библиотеку StepperMotor, которая скрывает в себе все тонкости работы с шаговиком и предоставляет удобные методы.

troyka-h-bridge-dual-example-espruino-stepper.js

// Подключаем библиотеку «motor»
var StepperMotor = require("StepperMotor");
 
// Создаём объект для работы с шаговым двигателем
// передаём пины управления
var motor = new StepperMotor({
  pins:[A0, A1, P9, P10],
  pattern:[0b0001,0b0011,0b0010,0b0110,0b0100,0b1100,0b1000,0b1001],
});
 
// Крутим вал на 100 шагов по часовой стрелке
motor.moveTo(100, 5000, function() {
  // Крутим вал на 100 шагов против часовой стрелке
  motor.moveTo(-100, 5000, function() {
    // Приехали
    console.log("Done!");
  }, true);  
});

В качестве мозга для управления моторами рассмотрим одноплатные компьютеры Raspberry Pi, например, Raspberry Pi 4.

Подключите драйвер к компьютеру Raspberry Pi через Troyka Cap. Для коммуникации используйте трёхпроводные шлейфы «мама-мама», который идут в комплекте с модулем.

1. Настрой Raspberry Pi
2. Настройте плату расширения Troyka Cap

1. Подключите к драйверу микроконтроллер и логическое питание.
2. Подключите к драйверу коллекторные моторы и силовое питание.

Для начала покрутим каждый мотор в одну, а затем другую сторону. Запустите скрипт на малине, приведённый ниже.

troyka-h-bridge-dual-example-raspberry-pi-dc-motors.py

# библиотека для работы с пинами GPIO
import RPi.GPIO as GPIO
# библиотека для работі с временем
import time
 
# выбираем имена пинов BCM
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
# устанавливаем светодиод в режим выхода
GPIO.setup(24, GPIO.OUT)
 
try:
    while True:
        # ждём одну секунду
        time.sleep(1)
        # зажигаем светодиод
        GPIO.output(24, GPIO.HIGH)
        # ждём одну секунду
        time.sleep(1)
        # гасим светодиод
        GPIO.output(24, GPIO.LOW)
except KeyboardInterrupt:
    print('The program was stopped by keyboard.')
finally:
    GPIO.cleanup()
    print('GPIO cleanup completed.')

H-мост может управлять двумя отдельными коллекторными моторами или одним биполярным шаговым двигателем.

1. Подключите два коллекторных мотора к клеммникам M1 и M2 соответственно.

1. Подключите силовое питание для моторов через клеммник P.
   1. В качестве стационарного источника напряжения рекомендуем использовать внешний регулируемый блок питания Robiton.
   2. В качестве автономного источника обратите внимание на батарейный отсек с элементами питания.

1. Подключите шаговый двигатель к клеммникам M1 и M2.

1. Подключите силовое питание для мотора через клеммник P.
   1. В качестве стационарного источника напряжения рекомендуем использовать внешний регулируемый блок питания Robiton.
   2. В качестве автономного источника обратите внимания на батарейный отсек с элементами питания.

Сердце и мускулы платы — микросхема двухканального H-моста TB6612FNG, которая позволяет управлять двумя коллекторными моторами или одним биполярным шаговым двигателем с помощью внешнего микроконтроллера.

Термин «H-мост» появился благодаря графическому изображению схемы, напоминающему букву «H». Рассмотрим подробнее принцип работы H-моста.

В зависимости от текущего состояние переключателей возможно разное состояние мотора.

Ключи меняем на MOSFET-транзисторы, а для плавной регулировки скорости вращения вала мотора используем ШИМ-сигнал.

На плате драйвера моторов присутствует два контура питания: силовое и логическое.

• Силовой контур (VM) — напряжение для питания моторов от силовой части микросхемы TB6612FNG и светодиодов индикации. Силовое питание подключается через клеммник P c входным диапазоном напряжения от 5 до 12 вольт.
• Логический контур (Vcc) — питание вспомогательной цифровой логики управления микросхемы TB6612FNG. Логическое питание поступает на плату модуля через контакт V. Диапазон входного напряжения от 3,3 до 5 вольт.

Нагрузка разделена на два независимых канала. Первый канал на плате обозначен шёлком M1, а второй канал — M2. К каждому каналу можно подключить по одному коллекторному мотору или объединить каналы для подключения биполярного шагового двигателя.

Обозначения «+» и «−» показывают воображаемые начало и конец обмотки. Если подключить два коллекторных двигателя, чтобы их одноимённые контакты щёточного узла соответствовали одному и тому же обозначению на плате, то при подаче на H-Bridge одинаковых управляющих импульсов, моторы будут вращаться в одну и ту же сторону.

• Драйвер моторов: TB6612FNG
• Количество подключаемых моторов: 2
• Напряжение логической части: 3,3–5 В
• Напряжение силовой части: 3,3—12 В
• Максимальный ток нагрузки: до 1,2 A на канал
• Максимальная частота переключения (ШИМ): 100 кГц
• Габариты модуля: 50,8×25,4×19 мм

• H-мост на 2 канала в магазине.
• Векторное изображение датчика
• Datasheet на драйвер моторов TB6612FNG