一、介紹
??直流電機(jī)是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動機(jī)，因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應(yīng)用，用于驅(qū)動各種設(shè)備，如電風(fēng)扇、遙控小車、電動車窗等，也非常適合作為機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。
??L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片，內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端。該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。
二、組件
★Raspberry Pi 3主板*1
★樹莓派電源*1
★L(fēng)298N模塊*1
★DC3V-6V直流減速電機(jī)TT馬達(dá)*1
★微型數(shù)字直流電壓表頭*1（可選）
★18650可充電鋰電池*2
★面包板*1（可選）
★40P軟排線*1
★跳線若干
三、實(shí)驗(yàn)原理
（一）、L298N模塊
L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動模塊的引腳可以歸納成電源、控制和輸出等三大類，下面是各類引腳的功能說明。
1.電壓類引腳
VCC輸入：L298N芯片的電源正極，范圍可以是5V ~ 35V，如果需從模塊內(nèi)取電給樹莓派供電，則其范圍為7V~35V。
GND：L298N芯片的電源地，使用的時(shí)候應(yīng)該把樹莓派的GND接到這里，即兩者需要共地，否則電機(jī)不轉(zhuǎn)。
+5V輸出：L298N芯片輸出的5V電源，可以給外部設(shè)備供電，但要求VCC輸入要達(dá)到7V以上。
2.控制類引腳
ENA、ENB：A、B通道的使能端，高電平有效，可以用PWM來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，向使能端輸入不同占空比的PWM脈沖信號就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。使用時(shí)，可以接到樹莓派的GPIO上，實(shí)現(xiàn)用程序進(jìn)行控制。
INA、INB、INC、IND：INA、INB為A通道的控制輸入，INC、IND為B通道的控制輸入。
控制方式及直流電機(jī)狀態(tài)表如下：
3.輸出類引腳
OUTA、OUTB為A通道輸出，為直流電機(jī)等設(shè)備提供電源。
OUTC、OUTD為B通道輸出，為直流電機(jī)等設(shè)備提供電源。
控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速實(shí)際是通過給控制類引腳設(shè)置不同的值來實(shí)現(xiàn)的
（二）、直流減速電機(jī)
在了解直流電機(jī)工作原理之前，先復(fù)習(xí)一下高中幾個物理知識：
第一.左手定則
通電導(dǎo)線處于磁場中時(shí)，所受安培力 F (或運(yùn)動)的方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向 以及通電導(dǎo)體棒的電流I三者方向之間的關(guān)系的定律。
簡而言之，讓磁感線穿過手掌正面，手指方向?yàn)殡娏鞣较?，大拇指方向?yàn)楫a(chǎn)生磁力的方向
第二.右手定則
右手定則，是產(chǎn)生感生電動勢，也是發(fā)電機(jī)的原理
讓磁感線穿過掌心，大拇指方向?yàn)檫\(yùn)動方向，手指方向?yàn)楫a(chǎn)生的電動勢方向。
1.直流電機(jī)的原理
直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖儯虼舜藭r(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機(jī)能保持一個方向轉(zhuǎn)動。
2.直流電機(jī)的種類
2.1有刷電機(jī)
顧名思義，就是有刷子，主要作用就是讓中間的轉(zhuǎn)子與電源有電氣連接，還可以轉(zhuǎn)動。
為了讓兩者之間既有接觸，能導(dǎo)電；又有轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)電流的變相，一般的常見做法是在碳刷加一個彈簧。這樣，換向器與碳刷便有了頻繁的摩擦。所以碳刷很容易磨損，必須經(jīng)常進(jìn)行更換。并且磨損掉的碳渣渣在電機(jī)里面形成了積碳，需要經(jīng)常清理。
早期電機(jī)都是有刷電機(jī)，后來為了解決磨損，有了無刷電機(jī)。
2.2無刷電機(jī)
無刷電機(jī)中，換相的工作交由控制器中的控制電路（一般為霍爾傳感器+控制器，更先進(jìn)的技術(shù)是磁編碼器）來完成。
無刷電機(jī)采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉(zhuǎn)。無刷電機(jī)，是使用一套電子設(shè)備，通過霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據(jù)這種感知，使用電子線路，適時(shí)切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來驅(qū)動電機(jī)。消除了有刷電機(jī)的缺點(diǎn)。
2.3直流減速電機(jī)
一般直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速都是一分鐘幾千上萬轉(zhuǎn)的，所以一般需要安裝減速器。減速器是一種相對精密的機(jī)械零件，使用它的目的是降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩。減速后的直流電機(jī)力矩增大、可控性更強(qiáng)。按照傳動級數(shù)不同可分為單級和多級減速器；按照傳動類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星齒輪減速器。
齒輪減速器：體積較小，傳遞扭矩大，但是有一定的回程間隙。
蝸輪蝸桿減速機(jī)：具有反向自鎖功能，可以有較大的減速比，但是一般體積較大，傳動效率不高，精度不高。
行星減速器：結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長，額定輸出扭矩可以做的很大，但價(jià)格略貴。
（三）、直流電壓表頭
用于監(jiān)視18650電池組電壓，及時(shí)掌握電池電壓狀態(tài)，便于及時(shí)充電。也可用于手機(jī)鋰電池、鎳氫電池組和其它電池組的電壓，以及摩托車、汽車等電瓶的電壓，也可用于其它電壓測量用途。
1、本電壓表接線簡單，常規(guī)用兩根線，紅接正，黑接負(fù)，內(nèi)有反接保護(hù)，接反不燒。
2、常規(guī)無需外接工作電源，可以用測量電壓直接工作，測量電壓范圍二線2.4-30V。
3、寬電壓工作，紅色最低測量電壓2.4V，最大安全承壓可達(dá)40V ，超過40V可能損壞。
4、在測量10V以下電壓時(shí)，小數(shù)點(diǎn)后顯示兩位；在測量10V以上電壓時(shí)，小數(shù)點(diǎn)后顯示一位。
（四）、18650電池組
由于電動機(jī)需要的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樹莓派GPIO的供電能力，所以必須使用外接電源，選用大容量的18650電池是個不錯的選擇，許多充電寶和電動車電池組都是使用的這個。
同時(shí)，使用電動機(jī)的場景總是移動的情況，所以電池組可能還要給樹莓派供電。以前購買套裝時(shí)贈送的18650電池，每次充滿電，只堅(jiān)挺了10分鐘，而且電壓掉得非?？臁＿@里我選用的某寶SupFire/神火電池，負(fù)極加了保護(hù)芯片的AB5-S，39元1顆，充電器還另算錢。不過效果好多了，充滿電后串聯(lián)兩顆電池初始8.23V，一天一個電動機(jī)的實(shí)驗(yàn)做下來，還有7.6V。
四、實(shí)驗(yàn)步驟
??第1步： 連接電路。
| 樹莓派（name） | T型轉(zhuǎn)接板（BCM） | L298N模塊 |
|---|---|---|
| GPIO4 | G23 | INA |
| GPIO5 | G24 | INB |
| GPIO1 | G18 | EMA |
| GND | GND | GND |
| L298N模塊 | 電池組 | 電壓表頭 | 馬達(dá) |
|---|---|---|---|
| VCC | + | + | |
| GND | - | - | |
| OUTC | + | ||
| OUTD | - |
這里必須說一下，上面的電路圖是使用電子設(shè)計(jì)自動化軟件Fritzing畫的，易學(xué)好用，但是必須要學(xué)習(xí)哈，光看是半天搞不懂滴！
特別是元件庫里找不到的電子元件，只能自己創(chuàng)建，就需要自己畫SVG圖（Scalable Vector Graphics，意思為可縮放的矢量圖形），這里我用的是Inkscape，一款外國開發(fā)的開源矢量圖形編輯軟件。畫圖中的一個重要經(jīng)驗(yàn)是：在Friting里找到并導(dǎo)出類似的元件SVG圖，然后在Inkscape里修改，最后又導(dǎo)入Friting里合成。
學(xué)會第一次雖慢，但是以后就難不倒你了，而且畫得很快！
Fritzing下載地址https://fritzing.org/download/
Inkscape下載地址https://inkscape.org/release/inkscape-1.0/
??第2步： 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)里我只用L298N的B通道控制了一個電機(jī)，控制命令也很粗糙，后面我會做智能小車的綜合實(shí)驗(yàn)，會實(shí)現(xiàn)圖形界面控制和自動循跡。
??當(dāng)輸入r0 ~ r9，速度由0到快；當(dāng)輸入f0 ~ f9，反方向速度由0到快；當(dāng)輸入b時(shí)，電機(jī)制動。
#!/usr/bin/env python
import RPi.GPIO as GPIO
import time
ENB = 18 #使能信號
INC = 23 #信號輸入1
IND = 24 #信號輸入2
GPIO.setwarnings(False) #關(guān)閉警告信息
def setup(enable_pin,in1_pin,in2_pin):
'''初始化引腳'''
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(enable_pin, GPIO.OUT)
GPIO.setup(in1_pin, GPIO.OUT)
GPIO.setup(in2_pin, GPIO.OUT)
def pwm(enable_pin):
'''初始化PWM（脈寬調(diào)制）'''
pwm = GPIO.PWM(enable_pin, 500)
pwm.start(0)
return pwm
def changespeed(pwm,speed):
'''通過改變占空比改變馬達(dá)轉(zhuǎn)速'''
pwm.ChangeDutyCycle(speed)
def clockwise(in1_pin,in2_pin):
'''馬達(dá)順時(shí)針轉(zhuǎn)的信號'''
GPIO.output(in1_pin, 1)
GPIO.output(in2_pin, 0)
def counter_clockwise(in1_pin,in2_pin):
'''馬達(dá)逆時(shí)針轉(zhuǎn)的信號'''
GPIO.output(in1_pin, 0)
GPIO.output(in2_pin, 1)
def brake(pwm,in1_pin,in2_pin):
'''馬達(dá)制動的信號'''
GPIO.output(in1_pin, 0)
GPIO.output(in2_pin, 0)
changespeed(pwm,100)
#使能信號為高電平，IN1和IN2都為0或1時(shí)馬達(dá)制動
def loop():
while True:
'''通過輸入的命令改變馬達(dá)轉(zhuǎn)動'''
cmd = input("Command, f/r/b 0..9, E.g. f5 :")
direction = cmd[0]
if direction == "f":
clockwise(INC,IND)
if direction == "r":
counter_clockwise(INC,IND)
if direction == "b": #剎車制動，
brake(ENB_pwm,INC,IND)
continue
speed = int(cmd[1]) * 10 #通過輸入0~9的數(shù)字更改占空比0~90%
changespeed(ENB_pwm,speed)
def destroy():
ENB_pwm.stop()
GPIO.cleanup() # Release resource
if __name__ == '__main__': # Program start from here
try:
setup(ENB,INC,IND) #初始化引腳
ENB_pwm=pwm(ENB) #初始化PWM
loop()
except KeyboardInterrupt: # When 'Ctrl+C' is pressed
destroy()
finally:
destroy()
??實(shí)驗(yàn)結(jié)果示例：
