實驗目的

本節(jié)視頻的目的是掌握GPIO模擬輸出PWM的方法，學習直流電機的控制原理，并實現(xiàn)直流電機的控制。

實驗原理

硬件原理圖，看到有 2 個直流電機接口，可分別連接直流有刷電機和直流無刷電機。實驗箱上只預留一個直流電機的位置，出貨默認配置的是直流有刷電機。其中驅(qū)動直流有刷電機的管腳分別為：GPIO0[13]和 GPIO0[15]。

控制直流無刷電機的管腳為GPIO5[15]和 GPIO5[8]。其中直流無刷電機內(nèi)置霍爾傳感器，霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制

作的一種磁場傳感器，用于測量直流無刷電機的轉(zhuǎn)速。

直流有刷電機

直流有刷電機是內(nèi)含電刷裝置的將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能的旋轉(zhuǎn)電機。區(qū)別于直流無刷電機，電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。直流有刷電機是所有電機的基礎(chǔ)，它具有啟動快、制動及時、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對簡單等特點。

改變直流有刷電機電機速度的最有效方式是采用脈寬調(diào)制技術(shù)，改變pwm信號的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)電機的速度。脈沖高低電平間的比例稱為pwm信號的占空比。

直流有刷電機具有良好的啟動和調(diào)速性能，常應用于對啟動和調(diào)速有較高要求的場合，如高速電梯、電力機車、地鐵列車等生產(chǎn)機械中。

直流無刷電機

無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。無刷電機是指無電刷和換向器的電機，又稱無換向器電機。電動機的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動等等。無刷直流電機可應用于汽車、工具、工業(yè)工控、自動化以及航空航天等等。

直流無刷電機&直流有刷電機的區(qū)別

直流無刷電機和直流有刷電機的區(qū)別主要有四點，

第一，是否配置有常用的電刷-換向器。

第二，直流無刷是基于交流調(diào)速原理基礎(chǔ)上制造出來的，性能方面既有直流電機的啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定調(diào)速方便，又有交流電機的結(jié)構(gòu)簡單沒有易損件。

第三，直流無刷電機大部分都自帶驅(qū)動電路，驅(qū)動起來只要給它接上額定電壓后，輸入調(diào)速PWM信號就可以了。這點無需再添加專門的驅(qū)動電路。

第四，直流無刷電機因為有霍爾元件做反饋所以轉(zhuǎn)速幾乎是穩(wěn)定恒速的。

PWM基本原理

脈沖寬度調(diào)制即是PWM，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。主要的特點是脈沖，也就是方波的寬度調(diào)節(jié)，重點在于占空比控制上。

占空比是指高電平在一個周期中所占的比例。

我們看下圖示的PWM波形，其中可調(diào)脈沖寬度t指高電平的時間，恒定的脈沖周期T是固定頻率。

PWM基本原理

在PWM調(diào)速系統(tǒng)中，一般可以采用定寬調(diào)頻、調(diào)寬調(diào)頻、定頻調(diào)寬3 種方法改變控制脈沖的占空比。

定寬調(diào)頻指的是脈沖寬度t不變，改變頻率，即改變周期T；

調(diào)寬調(diào)頻指的是同時改變脈沖寬度t和周期T；

定頻調(diào)寬指的是周期T不變，改變脈沖寬度。
但是前兩種方法在調(diào)速時改變了控制脈寬的周期，從而引起控制脈沖頻率的改變，當該頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時將會引起振蕩。為避免這個，本實驗設(shè)計采用定頻調(diào)寬改變占空比的方法來調(diào)節(jié)直流電動機電樞兩端電壓。

定頻調(diào)速是在脈沖波形的頻率不變的前提下，通過改變一個周期波形中高電平的時間從而改變波形的占空比，從而改變平均電壓，調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。

程序流程

程序流程設(shè)計中首先要進行電機初始化，接著進行定時器和定時器中斷初始化，然后進行LCD顯示及觸摸初始化，接著初始化并配置LVGL，最后進行LCD觸摸檢測并控制直流電機的轉(zhuǎn)動。

輕量級通用型圖形庫

LVGL是輕量級通用型圖形庫，是一個免費的開放源代碼圖形庫，是高度可裁剪、低資源占用、界面美觀且易用的嵌入式系統(tǒng)圖形庫。它提供創(chuàng)建具有易于使用的圖形元素，精美的視覺效果和低內(nèi)存占用的嵌入式GUI所需的一切。

主要特性包括提供功能強大的構(gòu)建塊，例如按鈕，圖表，列表，滑塊，圖像等，提供帶有動畫，抗鋸齒，不透明，平滑滾動的高級圖形，允許各種輸入設(shè)備，例如觸摸板，鼠標，鍵盤，編碼器等。

管腳復用源碼

基于StarterWare控制外設(shè)時可調(diào)用對應的API接口，無需配置復雜的寄存器。GPIO管腳復用配置的函數(shù)源碼可以查看GPIO.c。

方向配置源碼

配置GPIO管腳方向的函數(shù)源碼和函數(shù)使用說明可以查看gpio.c。其中，第一個參數(shù)時GPIO的基地址，第二個參數(shù)是GPIO的編號，第三個參數(shù)設(shè)置GPIO的方向。

數(shù)據(jù)配置源碼

配置GPIO輸出值的函數(shù)源碼和函數(shù)使用說明可以查看gpio.c。其中，第一個參數(shù)是GPIO的基地址，第二個參數(shù)是GPIO的編號，第三個參數(shù)設(shè)置GPIO的電平。

定時器配置源碼

配置定時器的函數(shù)源碼和函數(shù)使用說明可以查看timer.c。其中，第一個參數(shù)是定時器模塊寄存器的基地址，第二個參數(shù)是用于配置定時器模塊。

周期配置源碼

配置定時器周期的函數(shù)源碼和函數(shù)使用說明可以查看timer.c。其中，第一個參數(shù)是定時器模塊寄存器的基地址，第二個參數(shù)是要設(shè)置周期的定時器，第三個參數(shù)是設(shè)置的周期大小。

定時器使能源碼

配置使能定時器的函數(shù)源碼和函數(shù)使用說明可以查看timer.c。其中，第一個參數(shù)是定時器模塊寄存器的基地址，第二個參數(shù)是要使能的定時器，第三個參數(shù)是配置使能定時器的模式。

軟件操作

導入工程，選擇Demo文件夾下的對應工程，導入直流有刷電機和直流無刷電機的程序。

依次編譯兩個工程

以直流有刷電機的程序為例，將CCS連接實驗箱并加載程序

點擊運行程序，LCD會顯示控制界面，可通過點擊 LCD 屏幕上的按鈕控制電機的轉(zhuǎn)動速度和方向，同時LCD 屏幕會顯示轉(zhuǎn)動方向和 PWM 的占空比。

Motor Dir 表示轉(zhuǎn)動方向，正方向轉(zhuǎn)動為 Forward，反方向轉(zhuǎn)動為 Backward；

DutyCycle表示占空比；

Change代表改變轉(zhuǎn)動方向

Up代表加速

Down代表減速

Stop代表停止轉(zhuǎn)動

實驗結(jié)束后，建議先按下Stop 按鈕，讓電機停止轉(zhuǎn)動，然后點擊黃色按鈕暫停程序運行，再點擊紅色按鈕退出CCS與實驗箱的連接，最后實驗箱斷電即可。

接著可以查看直流無刷電機的實驗現(xiàn)象，直流無刷電機內(nèi)含霍爾測速，可測量電機速度。

將CCS連接實驗箱并加載程序

點擊運行程序，LCD會顯示控制界面，可通過點擊 LCD 屏幕上的按鈕控制電機的轉(zhuǎn)動速度和方向，同時LCD 屏幕會顯示轉(zhuǎn)動方向和 PWM 的占空比。

Motor Dir 表示轉(zhuǎn)動方向，正方向轉(zhuǎn)動為 Forward，反方向轉(zhuǎn)動為 Backward；

DutyCycle表示占空比；

Speed代表轉(zhuǎn)動速度

Change代表改變轉(zhuǎn)動方向

Up代表加速

Down代表減速

Stop代表停止轉(zhuǎn)動

實驗結(jié)束后，建議先按下Stop 按鈕，讓電機停止轉(zhuǎn)動，然后點擊黃色按鈕暫停程序運行，再點擊紅色按鈕退出CCS與實驗箱的連接，最后實驗箱斷電即可。