STM32CubeMX——霍尔编码器、L298N驱动电机
前言
人生如逆旅，我亦是行人。 ————蘇軾《臨江仙·送錢穆父》
目錄：
一、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)介紹
B站-視頻講解：l298n電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī)正反轉(zhuǎn) 電機(jī)調(diào)速
L298N是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用 15 腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A ；額定功率 25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。
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作用與用途：
- 可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速；
- 啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；
- 工作電壓可達(dá)到 36V，4A；
- 可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)；
- 適合應(yīng)用于機(jī)器人設(shè)計(jì)及智能小車的設(shè)計(jì)；
下面為最常見的一款L298N芯片，值得注意的是，它已經(jīng)內(nèi)置的5V供電，所以不必從外面再接5V輸入。屆時(shí)5V端子將成為5V輸出，為了保證L298N供電的穩(wěn)定性（供電不足可能引起L298N的燒毀），不建議使用此5V供電作為單片機(jī)的電源。
接口介紹：
一、12V供電
理論上最高可以接入35v（沒試過(guò)最低和最高的電壓，此處是某寶賣家提供的參數(shù)），購(gòu)買直流電機(jī)前，先看清楚直流電機(jī)的相關(guān)參數(shù)和性能，如果滿足L298N的使用要求，再進(jìn)行購(gòu)買使用，否則容易燒毀L298N。
二、GND共地
顧名思義，接地線。但要注意的是，此處GND不但要接驅(qū)動(dòng)電源的GND，如果是和別的單片機(jī)或者其他系統(tǒng)連接在一起的時(shí)候，一定要從這里再引出一根GND和單片機(jī)或者系統(tǒng)的GND相連。即整個(gè)系統(tǒng)的GND連接在一起，如果不連接在一起，電壓沒有參考電平，無(wú)法進(jìn)行正常的控制。
三、5V供電
這是一個(gè)特殊的端口。既可以做L298N的邏輯電壓的輸入，也可以做外部單片機(jī)或系統(tǒng)的5v供電口。具體切換在板載5v跳帽中介紹。
四、板載5V跳帽
- 12v供電口接≥5V的電源電壓時(shí)，板載5v跳帽不拔除，5v供電口有電壓輸出。數(shù)值具體大小自己用萬(wàn)用表測(cè)，反正當(dāng)12v口接7.4v時(shí)，5v供電口是輸出5v的。
- 12v供電口≤5v的電源電壓時(shí)，板載5v跳帽需要拔除，因?yàn)長(zhǎng)298N需要邏輯驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)板子。此時(shí)5v供電口就變成了L298N的邏輯電壓供電的輸入口。供電電壓在3.3v -5v之間。
五、通道AB使能跳帽
- 需要PWM控制就拔除，不需要PWM控制就不用拔除（老玩家就別管這句話了，就算不拔除也可以做到PWM調(diào)試的，應(yīng)該懂的都懂）。
- PWM控制對(duì)于電機(jī)而言表現(xiàn)出來(lái)現(xiàn)象的就是轉(zhuǎn)速控制，在Arduino里用analogWrite（Pin，Value）語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn) [Pin(對(duì)應(yīng)的針腳)，Value(0-255之間的整型數(shù)字)]
六、邏輯輸入
- IN1和IN2為一組，對(duì)應(yīng)OutA（輸出A）；
- IN3和IN4為一組，對(duì)應(yīng)OutB（輸出B）。
七、輸出AB
直接接相應(yīng)的輸出即可。
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注意事項(xiàng)：
- 當(dāng)你的驅(qū)動(dòng)電壓（上圖標(biāo)識(shí)為12V輸入，實(shí)際可以接受的輸入范圍是7-12V）為7V-12V的時(shí)候，可以使能板載的5V邏輯供電，當(dāng)使用板載5V供電之后，接口中的+5V供電不要輸入電壓，但是可以引出5V電壓供外部使用。（這種即為常規(guī)應(yīng)用！）
- 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓高于12V，小于等于24V（芯片手冊(cè)中提出可以支持到 35V ，但是按照經(jīng)驗(yàn)一般 L298N 保守應(yīng)用最大電壓支持到24V已經(jīng)很了不起！）時(shí)，比如要驅(qū)動(dòng)額定電壓為 18V 的電機(jī)。首先必須拔除板載 5V 輸出使能的跳線帽。然后在 5V 輸出端口外部接入5V 使能即 一個(gè)電平為 5V 的控制信號(hào)，當(dāng)此信號(hào)輸入有效時(shí)，且電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中電源供電正常時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出電流。否則即使電源供電正常，電機(jī)上也無(wú)電流。電壓對(duì)L298N內(nèi)部邏輯電路供電。（這種是高壓驅(qū)動(dòng)的非常規(guī)應(yīng)用！）
！！強(qiáng)調(diào)！！：L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)、STM32單片機(jī)、編碼器電機(jī)三者在使用過(guò)程中，一定要把三者的GND連接在一起，也就是共地！！！驅(qū)動(dòng)電壓可以接受的輸入范圍是7~12V，板子標(biāo)識(shí)為VCC輸入，一般都是使用航模電池或買電池盒。
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原理圖：
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L298N引腳：
- 情況一： 用L298N驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流減速電機(jī)的電路。引腳A，B可用于PWM控制。如果機(jī)器人項(xiàng)目只要求直行前進(jìn)，則可將IN1，IN2和IN3，IN4兩對(duì)引腳分別接高電平和低電平，僅用單片機(jī)的兩個(gè)端口給出PWM信號(hào)控制使能端A，B即可實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎、加減速等動(dòng)作。
- 情況二： 用L298實(shí)現(xiàn)二相步進(jìn)電機(jī)控制。將IN1，IN2和IN3，IN4兩對(duì)引腳分別接入單片機(jī)的某個(gè)端口，輸出連續(xù)的脈沖信號(hào)。信號(hào)頻率決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變繞組脈沖信號(hào)的順序即可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。
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L298N 驅(qū)動(dòng) A/B 控制邏輯：
- IN1 和 IN2 為一組，對(duì)應(yīng) OutA（輸出A）；
- IN3 和 IN4 為一組，對(duì)應(yīng) OutB（輸出B）。
| 1 | 1 | 0 | 前進(jìn)（順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)） |
| 1 | 0 | 1 | 后退（逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)） |
| 1 | 1 | 1 | 緊急停車 |
| 1 | 0 | 0 | 緊急停車 |
| 0 | - | - | 停止（自由轉(zhuǎn)動(dòng)） |
二、編碼器介紹
B站-視頻介紹：【電工知識(shí)】編碼器是干什么用的，這下終于明白了！
編碼器（encoder）是將信號(hào)（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。編碼器可以把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，是工業(yè)中常用的電機(jī)定位設(shè)備，可以精確地測(cè)試出電機(jī)的角位移和旋轉(zhuǎn)位置。其最直接的作用就是可以測(cè)量位移，通過(guò)位移就可以計(jì)算出速度。
簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)電機(jī)上的編碼器，是為了能夠通過(guò)編碼器測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而能夠更好地控制電機(jī)進(jìn)行工作。
1.編碼器的種類
按輸出信號(hào)分：增量式和絕對(duì)式
增量式：就是每轉(zhuǎn)過(guò)單位的角度就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。通常為A相、B相、Z相輸出，A相、B相為相互延遲1/4周期的脈沖輸出，根據(jù)延遲關(guān)系可以區(qū)別正反轉(zhuǎn)，而且通過(guò)取A相、B相的上升和下降沿可以進(jìn)行2或4倍頻;Z相為單圈脈沖，即每圈發(fā)出一個(gè)脈沖。
絕對(duì)式：就是對(duì)應(yīng)一圈，每個(gè) 基準(zhǔn)的角度 發(fā)出 一個(gè)唯一與該角度對(duì)應(yīng)二進(jìn)制的數(shù)值，通過(guò)外部記圈器件可以進(jìn)行多個(gè)位置的記錄和測(cè)量。
- 絕對(duì)式編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置是唯一的，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置，從而大大提高了編碼器的抗干擾能力、數(shù)據(jù)可靠性提高。
區(qū)別在于：絕對(duì)式掉電不丟失讀取數(shù)值，增量式會(huì)丟失。
按傳感技術(shù)分：光電式和霍爾式（光式、磁式、電容式）
光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是應(yīng)用最多的傳感器，由光源、光碼盤和光敏元件組成。
霍爾編碼器是一種通過(guò)磁電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。 是由霍爾碼盤（磁環(huán)）和霍爾元件組成。
光電式：當(dāng)光線穿過(guò)齒輪盤時(shí)，接收器會(huì)計(jì)一次數(shù)，并傳送給CPU。不同的轉(zhuǎn)速，自然在相同時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值不一樣，進(jìn)而達(dá)到測(cè)速的功能。
霍爾式：霍爾碼盤是在一定直徑的圓板上等分地布置有不同的磁極。霍爾碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，為判斷轉(zhuǎn)向，一般輸出兩組存在一定相位差的方波信號(hào) （通常相差90°，我們稱為AB相）。
測(cè)速可以通過(guò)計(jì)算相同時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，判斷轉(zhuǎn)向：
可以看到下圖，當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相處在下降沿時(shí)，B相是高電平。A相處在上升沿時(shí)，B相是低電平；當(dāng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，（即把上面的波形從右向左看）A相處在下降沿時(shí)，B相是低電平。A相處在上升沿時(shí)，B相是高電平。進(jìn)而判斷正反轉(zhuǎn)。
兩者的主要區(qū)別：
2. 霍爾編碼器實(shí)物圖接線
接線表：
| VCC | VCC(3.3V) | - |
| GND | GND | - |
| A相 | 接單片機(jī)的脈沖檢測(cè)接口 | 定時(shí)器編碼模式 |
| B相 | 接單片機(jī)的脈沖檢測(cè)接口 | 定時(shí)器編碼模式 |
| M+（電機(jī)線+） | 接電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸出OUT1 |
| M-（電機(jī)線-） | 接電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸出OUT2 |
3. 倍頻原理
我們通過(guò)軟件的方法實(shí)現(xiàn)四倍頻，首先可以看出圖中編碼器輸出的AB相波形，正常情況下我們使用M法測(cè)速的時(shí)候，會(huì)通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)A相輸出的脈沖數(shù)來(lái)得到速度信息，常規(guī)的方法，我們只測(cè)量A相（或者B相）的上升沿或者下降沿，也就是圖中對(duì)應(yīng)數(shù)字1234中的某一個(gè)，這樣就只能計(jì)數(shù)3次，而四倍頻的方法是測(cè)量A相和B相編碼器的上升沿和下降沿。 這樣在同樣的時(shí)間內(nèi)，可以計(jì)數(shù)12次（3個(gè)1234的循環(huán)）。這就是四倍頻的原理。
因?yàn)榫幋a器輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的方波，所以我們可以直接用單片機(jī)進(jìn)行讀取，在軟件中的處理方法分兩種，自帶編碼器接口的單片機(jī)如STM32，可以直接使用硬件計(jì)數(shù)，而沒有編碼器接口的單片機(jī)如51單片機(jī)，可以通過(guò)外部中斷讀取，比如把編碼器A相輸出接到單片機(jī)的外部中斷輸入口，這樣就可以通過(guò)跳變沿觸發(fā)中斷，然后在對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)里面，通過(guò)B相電平來(lái)確定正反轉(zhuǎn)。如當(dāng)一個(gè)A相來(lái)一個(gè)跳變沿的時(shí)候，如果B相是高電平就認(rèn)為是正轉(zhuǎn)，低電平就認(rèn)為是反轉(zhuǎn)。
三、電機(jī)介紹
電機(jī)（英文：Electric machinery，俗稱“馬達(dá)”）是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。
電機(jī)在電路中是用字母M（舊標(biāo)準(zhǔn)用D）表示，它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源，發(fā)電機(jī)在電路中用字母G表示，它的主要作用是利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
我所使用的也是一種減速電機(jī)，即電機(jī)頭部有一個(gè)減速器，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)減速器里的齒輪后再通過(guò)減速器的輸出軸輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。比如減速比是 1： 30，表示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 30圈，電機(jī)的減速器轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。
M法測(cè)速
- T0為自行設(shè)置的時(shí)間；
- M0為在設(shè)定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)；
- C為單圈總脈沖數(shù)。（直流電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)一圈 在霍爾傳感器每個(gè)引腳有 13個(gè)脈沖信號(hào) 輸出）
最終接線表：（只使用 IN1 和 IN2 這一組，對(duì)應(yīng) OutA（輸出A））
| 編碼器VCC（5V） | VCC(5V) |
| 編碼器GND | GND |
| 編碼器A相 | 定時(shí)器編碼器模式的通道（TIMx_CH1） |
| 編碼器B相 | 定時(shí)器編碼器模式的通道（TIMx_CH2） |
| M+（電機(jī)線+） | 接電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸出OUT1 |
| M-（電機(jī)線-） | 接電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸出OUT2 |
| GND | L298N的GND |
| 輸出IO口高電平 | IN1 |
| 輸出IO口低電平 | IN2 |
| PWM波產(chǎn)生通道（定時(shí)器PWM波產(chǎn)生通道） | 通道A使能端 |
| 負(fù)極（黑線） | L298N的GND（三個(gè)電源接入的最中間） |
| 正極（紅線） | L298N的12V接口（三個(gè)電源接入的左邊） |
四、新建工程
硬件：
- 芯片： STM32F103RBT6（正點(diǎn)原子NANO開發(fā)板）
- STM32CubeMX軟件
- IDE：MDK-Keil 軟件
- STM32F1xxHAL庫(kù)·
- 上述所介紹的：L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、帶有霍爾編碼編碼器的直流減速電機(jī)以及用來(lái)供電的 12V電池（紅線：正；黑線：負(fù)）
1.打開STM32CubeMX軟件，點(diǎn)擊“新建工程”
2. 選擇 MCU 和封裝
3.配置時(shí)鐘
具體學(xué)習(xí)可以參考：博客網(wǎng)站-RCC學(xué)習(xí)
4.配置調(diào)試模式
5.串口（USART1）配置
6. 引腳（IO）配置
配置兩輸出IO引腳，作為輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)的IN1和IN2。
7. 定時(shí)器配置為PWM輸出模式
配置定時(shí)器1的通道1產(chǎn)生 PWM 波，用以連接 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸出A的使能輸入。（將跳線帽拔掉）
8. 定時(shí)器配置為編碼器模式（Encoder）
配置定時(shí)器2（TIM2）為編碼器模式（Encoder Mode），連接電機(jī)上面的編碼器的A相與B相。
分頻系數(shù)表示對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行分頻，編碼器模式默認(rèn)時(shí)四倍頻。
編碼器上的AB相應(yīng)該接編碼器模式對(duì)應(yīng)的引腳。 編碼器模式就相當(dāng)于一個(gè)專門計(jì)數(shù)的工具，當(dāng)編碼器的碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，A、B相輸出矩形波形脈沖，進(jìn)入PA0和PA1進(jìn)行計(jì)數(shù)（數(shù)脈沖）。
9. 定時(shí)器配置中斷函數(shù)
記得開啟定時(shí)器中斷，注：編碼器的更新中斷定時(shí)器最好要比10ms定時(shí)器的優(yōu)先級(jí)高，用來(lái)防止在更新中被打斷。
10.生成代碼
輸入項(xiàng)目名稱和路徑。（注：路徑中不允許出現(xiàn)中文。）
選擇應(yīng)用的IDE，開發(fā)環(huán)境MDK-ARM V5
每個(gè)外設(shè)生成獨(dú)立的 ’.c/.h’ 文件
- 不勾： 所有初始化代碼都生成在 main.c
- 勾選： 初始化代碼生成在對(duì)應(yīng)的外設(shè)文件。 如 GPIO 初始化代碼生成在 gpio.c 中。
點(diǎn)擊 GENERATE CODE 生成代碼
11.構(gòu)建工程
- DeBug的模式根據(jù)不同的芯片進(jìn)行選擇：
-
實(shí)物連接圖：
五、編寫代碼
- 在主函數(shù)main.c中添加代碼：
- 編寫中斷處理函數(shù)HAL_TIM_PeriodElapsedCallback（）；：
六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
完成上述過(guò)程，結(jié)果是電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，如果電機(jī)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，可以通過(guò)檢查線路，或者會(huì)出現(xiàn)板子燒毀的情況，會(huì)其他的情況。如果板子仍可以正常工作且接線無(wú)誤，則考慮是不是L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，可以通過(guò)使用萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量OUT1和OUT2兩個(gè)引腳和GND之間是否有電壓差，如果測(cè)得電壓很小，則可能是驅(qū)動(dòng)燒壞。換了新的驅(qū)動(dòng)之后，測(cè)試有沒有用的時(shí)候，切記一定要記得L298N驅(qū)動(dòng)模塊與STM32單片機(jī)要共地。（同一個(gè)電位參考）
謝謝閱讀
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的STM32CubeMX——霍尔编码器、L298N驱动电机的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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