11 - 电机控制应用

本章节介绍 Pico-G1 扩展板上的直流电机控制应用示例 —— motor。该应用演示了如何使用 GPIO 和 PWM 接口驱动 TB6612 电机驱动模块，实现直流电机的正反转、速度调节和停止控制，并在 TFT 屏幕上显示电机状态。这是学习电机控制和 PWM 调速的实用示例。

应用源码位于 SDK 目录 source/app/11_motor/，提供了完整的 TB6612 驱动实现。

1 应用概述

1.1 功能特性

  • 电机驱动控制：通过 GPIO 控制 TB6612 电机驱动模块
  • PWM 调速：支持 PWM 速度调节（占空比 0~100%）
  • 正反转控制：支持电机正转、反转、停止和刹车
  • 实时状态显示：在 TFT 屏幕上显示电机方向、速度和运行状态
  • 多种运行模式：支持连续运行、定时运行、脉冲运行等模式

1.2 技术参数

参数值
驱动芯片TB6612FNG
电机电压2.5V~13.5V
逻辑电压2.7V~5.5V
最大电流1.2A 连续 / 3.2A 峰值
PWM 频率1kHz~20kHz
速度调节0~100% 占空比
控制接口GPIO + PWM

1.3 测试用例列表

index名称测试指令预期现象（成功）失败可能原因
1正转测试./motor电机A正向旋转，TFT显示FORWARD状态GPIO配置错误、供电不足
2反转测试发送反转命令电机A反向旋转，TFT显示BACKWARD状态方向控制信号错误
3调速测试发送速度命令电机转速变化，TFT显示速度百分比PWM配置错误
4刹车测试发送刹车命令电机快速停止，TFT显示BRAKE状态刹车逻辑错误

1.4 目录结构

source/app/11_motor/
├── Makefile              # 构建脚本
├── main.c                # 主程序
├── tb6612.c              # TB6612 驱动实现
├── tb6612.h              # TB6612 驱动头文件
├── pwm_hal.c             # PWM HAL 层实现
├── pwm_hal.h             # PWM HAL 层头文件
├── gpio_hal.c            # GPIO HAL 层实现
├── gpio_hal.h            # GPIO HAL 层头文件
├── spi_hal.c             # SPI HAL 层实现
├── spi_hal.h             # SPI HAL 层头文件
├── st7789.c              # ST7789 驱动实现
├── st7789.h              # ST7789 驱动头文件
├── font8x16.h            # 8×16 ASCII 点阵字库
└── README.md             # 说明文档

2 硬件连接说明

2.1 引脚定义

信号板上 GPIO说明
AIN1GPIO5_2电机 A 方向控制1
AIN2GPIO5_3电机 A 方向控制2
PWMAGPIO5_4电机 A 速度控制（PWM）
BIN1GPIO5_5电机 B 方向控制1
BIN2GPIO5_6电机 B 方向控制2
PWMBGPIO5_7电机 B 速度控制（PWM）
VCC3.3V逻辑供电
VM电池电压电机供电（2.5V~13.5V）
GNDGND地线

2.2 硬件电路

TB6612 接线图：

     Pico-G1                   TB6612 Module
  ┌───────────┐              ┌──────────────┐
  │           │              │              │
  │ GPIO5_2 ──┼────── AIN1 ───┤ AIN1         │
  │           │              │              │
  │ GPIO5_3 ──┼────── AIN2 ───┤ AIN2         │
  │           │              │              │
  │ GPIO5_4 ──┼────── PWMA ───┤ PWMA         │
  │           │              │              │
  │ GPIO5_5 ──┼────── BIN1 ───┤ BIN1         │
  │           │              │              │
  │ GPIO5_6 ──┼────── BIN2 ───┤ BIN2         │
  │           │              │              │
  │ GPIO5_7 ──┼────── PWMB ───┤ PWMB         │
  │           │              │              │
  │    3.3V ───┼─────────────┤ VCC          │
  │  电池电压 ──┼─────────────┤ VM           │
  │     GND ───┼─────────────┤ GND          │
  └───────────┘              └──────────────┘
                              │ AO1 ───── 电机A+
                              │ AO2 ───── 电机A-
                              │ BO1 ───── 电机B+
                              │ BO2 ───── 电机B-

2.3 控制逻辑

TB6612 控制真值表：

AIN1AIN2PWMA电机状态
00X停止（高阻态）
01PWM正转（CCW）
10PWM反转（CW）
11X刹车（低阻态）

3 编译与部署

3.1 编译应用

export PATH=$PATH:<SDK>/tools/linux/toolchains/arm-gcc12.2.0-linux-uclibceabi/bin
cd <SDK>/source/app/11_motor
make

3.2 运行应用

scp motor root@<板端IP>:/usr/bin/
ssh root@<板端IP} '/usr/bin/motor'

3.3 预期输出

控制台输出

/mnt # ./motor
[motor] 初始化 SPI 屏...
[spi] pad 0x100C0028 -> 0x00001004
[spi] pad 0x100C002C -> 0x00001004
[spi] pad 0x100C0030 -> 0x00001000
[spi] pad 0x100C0020 -> 0x00001005
[spi] pad 0x100C001C -> 0x00001005
[spi] opening /dev/spidev2.0 ...
[spi] spidev opened, fd=3
[spi] spidev mode/bits/speed set (MODE3/8b/24MHz)
[spi] chardev request DC  @ /dev/gpiochip4 line 5 ...
[spi] chardev request RES @ /dev/gpiochip4 line 4 ...
[spi] chardev request CS  @ /dev/gpiochip5 line 1 ...
[spi] chardev-verify: DC=0(expect0) RES=1(expect1) CS=1(expect1)  ==> OK(chardev 真驱动了引脚)
[spi] spi_hal_init done
[tft] init: SLPOUT
[tft] init: SLPOUT +120ms ok
[tft] init: config cmds ok
[tft] init: DISPON
[tft] init: DISPON ok
[tft] init: clear-flush start
[tft] flush #1 start
[tft] flush #1 done
[tft] init: clear-flush done
[motor] 初始化 TB6612（7 路 GPIO + 软件 PWM 线程）...
[tb6612] pad 0x100C003C -> 0x00001000
[tb6612] pad 0x100C007C -> 0x00001000
[tb6612] pad 0x100C0074 -> 0x00001000
[tb6612] pad 0x100C0034 -> 0x00001000
[tb6612] pad 0x100C0060 -> 0x00001000
[tb6612] pad 0x100C0064 -> 0x00001000
[tb6612] pad 0x100C0040 -> 0x00001000
[tb6612] PWMA ok (chip=/dev/gpiochip5 line=4)
[tb6612] AIN2 ok (chip=/dev/gpiochip7 line=4)
[tb6612] AIN1 ok (chip=/dev/gpiochip7 line=2)
[tb6612] STBY ok (chip=/dev/gpiochip5 line=2)
[tb6612] BIN1 ok (chip=/dev/gpiochip6 line=5)
[tb6612] BIN2 ok (chip=/dev/gpiochip6 line=6)
[tb6612] PWMB ok (chip=/dev/gpiochip5 line=5)
[tb6612] init ok, 两路 1kHz 软件 PWM 已启动
[tft] flush #2 start
[tft] flush #2 done
[motor] 就绪：方向=COAST 速度=0%。敲命令（回车确认）：
> w 60
[motor] 方向=FWD 速度=0%
[tft] flush #3 start
[tft] flush #3 done
> 50
[motor] 方向=FWD 速度=50%

TFT 屏幕显示

电机控制显示效果

4 PWM 调制原理

4.1 PWM 基础概念

PWM（脉冲宽度调制）通过改变脉冲的占空比来控制平均电压：

  • 占空比：高电平时间占整个周期的比例
  • 频率：PWM 信号的周期性（建议 10kHz）
  • 分辨率：PWM 可调节的精度等级

4.2 PWM 配置

int pwm_export(int pin)
{
    char path[64];
    snprintf(path, sizeof(path), "/sys/class/pwm/pwmchip0/export");

    FILE *fp = fopen(path, "w");
    if (!fp) return -1;

    fprintf(fp, "%d", pin);
    fclose(fp);
    return 0;
}

int pwm_set_config(int pin, int period_ns, int duty_ns)
{
    char path[64];

    // 设置周期
    snprintf(path, sizeof(path), "/sys/class/pwm/pwmchip0/pwm%d/period", pin);
    FILE *fp = fopen(path, "w");
    if (fp) {
        fprintf(fp, "%d", period_ns);
        fclose(fp);
    }

    // 设置占空比
    snprintf(path, sizeof(path), "/sys/class/pwm/pwmchip0/pwm%d/duty_cycle", pin);
    fp = fopen(path, "w");
    if (fp) {
        fprintf(fp, "%d", duty_ns);
        fclose(fp);
    }

    return 0;
}

4.3 速度调节

占空比与速度关系：

void motor_set_speed(int motor_id, int speed_percent)
{
    // 速度百分比转换为占空比
    int period_ns = 100000;  // 10kHz 周期
    int duty_ns = period_ns * speed_percent / 100;

    // 设置 PWM 占空比
    if (motor_id == 0) {
        pwm_set_config(GPIO5_4, period_ns, duty_ns);  // 电机A
    } else {
        pwm_set_config(GPIO5_7, period_ns, duty_ns);  // 电机B
    }
}

5 TB6612 控制详解

5.1 基础控制函数

// 电机正转
void motor_forward(int motor_id, int speed_percent)
{
    if (motor_id == 0) {
        gpio_set_value(GPIO5_2, 0);  // AIN1 = 0
        gpio_set_value(GPIO5_3, 1);  // AIN2 = 1
        motor_set_speed(motor_id, speed_percent);
    }
}

// 电机反转
void motor_backward(int motor_id, int speed_percent)
{
    if (motor_id == 0) {
        gpio_set_value(GPIO5_2, 1);  // AIN1 = 1
        gpio_set_value(GPIO5_3, 0);  // AIN2 = 0
        motor_set_speed(motor_id, speed_percent);
    }
}

// 电机停止
void motor_stop(int motor_id)
{
    if (motor_id == 0) {
        gpio_set_value(GPIO5_2, 0);  // AIN1 = 0
        gpio_set_value(GPIO5_3, 0);  // AIN2 = 0
        motor_set_speed(motor_id, 0);
    }
}

// 电机刹车
void motor_brake(int motor_id)
{
    if (motor_id == 0) {
        gpio_set_value(GPIO5_2, 1);  // AIN1 = 1
        gpio_set_value(GPIO5_3, 1);  // AIN2 = 1
        motor_set_speed(motor_id, 0);
    }
}

5.2 双电机控制

typedef enum {
    MOTOR_STOP = 0,
    MOTOR_FORWARD,
    MOTOR_BACKWARD,
    MOTOR_BRAKE
} motor_direction_t;

void motor_control(int motor_id, motor_direction_t direction, int speed_percent)
{
    switch (direction) {
        case MOTOR_FORWARD:
            motor_forward(motor_id, speed_percent);
            break;
        case MOTOR_BACKWARD:
            motor_backward(motor_id, speed_percent);
            break;
        case MOTOR_STOP:
            motor_stop(motor_id);
            break;
        case MOTOR_BRAKE:
            motor_brake(motor_id);
            break;
    }
}

6 关键编程要点

6.1 GPIO 初始化

int gpio_export(int pin)
{
    char buffer[64];
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "/sys/class/gpio/export");

    FILE *fp = fopen(buffer, "w");
    if (!fp) return -1;

    fprintf(fp, "%d", pin);
    fclose(fp);
    return 0;
}

int gpio_set_direction(int pin, const char *direction)
{
    char path[64];
    snprintf(path, sizeof(path), "/sys/class/gpio/gpio%d/direction", pin);

    FILE *fp = fopen(path, "w");
    if (!fp) return -1;

    fprintf(fp, "%s", direction);
    fclose(fp);
    return 0;
}

6.2 PWM 初始化

int pwm_enable(int pin)
{
    char path[64];
    snprintf(path, sizeof(path), "/sys/class/pwm/pwmchip0/pwm%d/enable", pin);

    FILE *fp = fopen(path, "w");
    if (!fp) return -1;

    fprintf(fp, "1");
    fclose(fp);
    return 0;
}

6.3 速度平滑调节

void motor_smooth_speed(int motor_id, int target_speed, int step_delay)
{
    int current_speed = get_current_speed(motor_id);

    while (current_speed != target_speed) {
        if (current_speed < target_speed) {
            current_speed++;
        } else {
            current_speed--;
        }

        motor_set_speed(motor_id, current_speed);
        usleep(step_delay * 1000);
    }
}

7 常见问题排查

问题可能原因解决方案
电机不转控制信号错误、供电不足检查 GPIO 配置、确认 VM 电压
只能单向方向控制信号错误检查 AIN1/AIN2 状态
速度无法调节PWM 信号异常检查 PWM 配置和频率设置
电机抖动PWM 频率过低提高 PWM 频率到 10kHz 以上
电机发热长时间大负载运行降低负载、增加散热
刹车效果差刹车逻辑错误检查 AIN1/AIN2 都为高电平

电机使用建议

  • 电源选择：使用独立电池供电，避免从板端取电
  • PWM 频率：建议使用 10kHz，兼顾噪声和响应速度
  • 启动方式：使用平滑启动，避免电机冲击电流
  • 散热设计：长时间运行注意电机和驱动芯片散热

8 进阶功能

8.1 加减速控制

void motor_ramp_speed(int motor_id, int start_speed, int end_speed, int ramp_time)
{
    int steps = abs(end_speed - start_speed);
    int delay = ramp_time * 1000 / steps;

    for (int i = 0; i <= steps; i++) {
        int speed = start_speed + (end_speed - start_speed) * i / steps;
        motor_set_speed(motor_id, speed);
        usleep(delay);
    }
}

8.2 位置控制

void motor_move_steps(int motor_id, int steps, int speed_percent)
{
    int step_delay = 1000000 / (speed_percent * 10);  // 简化计算

    for (int i = 0; i < steps; i++) {
        motor_forward(motor_id, speed_percent);
        usleep(step_delay);
    }

    motor_stop(motor_id);
}

8.3 电流保护

bool motor_check_current(int motor_id, float max_current)
{
    float current = read_motor_current(motor_id);

    if (current > max_current) {
        printf("[Motor] 电流过载: %.2fA\n", current);
        motor_brake(motor_id);
        return false;
    }

    return true;
}

9 参考链接