Raspberry Pi 筆記(7)：使用L293D驅動馬達

一般控制DC 馬達驅動時，如果只是單一方向轉動，只要控制其電壓正負極的接腳，就可以控制轉向。如果要有正反轉能力的話，就必須在電路運作中將馬達電壓反向，一般常用的是L293D 這顆 IC，其他還有L298N、TA7257P、SN754410等。一般馬達電流比 Raspberry Pi 控制板大很多，如果直接使用，可能會因為控制板電流輸出過小推不動馬達，或是馬達的電流太大把控制板燒壞。所以建議使用獨立的電源供應馬達，並搭配馬達驅動器L293D。

[基礎知識：H-Bridge]

驅動馬達時，使用H-Bridge，連接的方式如下圖：

圖片來源：Wikipedia

當開關S1和S4 (下圖左方) 閉合且S2和S3是打開的，正電壓將依照電流方向使馬達正轉。當S1和S4的開關打開且S2和S3的開關閉合 (下圖右方) ，此電壓是相反的，會使馬達轉向相反。使用這個電路時，開關S1和S2不應該在同一時間被封閉，因為這將導致輸入電壓短路，電流就會從正極穿過兩個電晶體直接回到負極，同樣的S3和S4也不能同時閉合，這種情況被稱為直通 (shoot-through)，是有可能燒壞電晶體的。在實際驅動電路中通常要用硬體電路方便地控制電晶體的開關。

 圖片來源：Wikipedia

圖片來源：Robotix

[L293D接腳說明]

• 1 Enable 1-2：作為左半邊IC控制用。當這個Pin為高電壓時，左半邊IC可作用，反之，低電壓時，左半邊IC無作用。
• 2 INPUT 1：當這個Pin為高電壓時，電流會流出至Output 1。
• 3 OUTPUT 1：這個Pin要接到終端馬達的一個接腳。
• 4,5 GND：接地。
• 6 OUTPUT 2：這個Pin要接到終端馬達的一個接腳。
• 7 INPUT 2, 當這個Pin為高電壓時，電流會流出至Output 2。
• 8 VC：供給給馬達使用的電壓，如果要驅動的馬達是12V，那就要供給這個Pin 12V直流電。
• 9 Enable 3-4：作為右半邊IC控制用。當這個Pin為高電壓時，右半邊IC可作用，反之，低電壓時，右半邊IC無作用。
• 10 INPUT 3,：這個Pin為高電壓時，電流會流出至Output 3。
• 11 OUTPUT 3：這個Pin要接到終端馬達的一個接腳。
• 12,13 GND：接地。
• 14 OUTPUT 4：這個Pin要接到終端馬達的一個接腳。
• 15 INPUT 4：當這個Pin為高電壓時，電流會流出至Output 4。
• 16 VSS：提供給IC的電源，這個Pin要供給5V電壓。

[材料]

• 麵包板 x 1
• Raspberry Pi 主板 x 1
• 直流 3V 馬達 x 1
• L293D IC晶體 x 1
• 電池盒(3V) x 1
• 連接線 x N條

[線路連接與電路圖]

• Raspberry Pi Pin2接到L293D Pin16(Vcc 1)，Pin6接到L293D Pin5(GND)。
• Raspberry Pi Pin12接到L293D Pin1(Enable1,2)，Pin16接到Pin2(Input1)，Pin18接到Pin7(Input2)。
• 電池盒正負極接到L293D Pin8(VCC 2)及Pin12(GND)。
• 馬達的兩條線分別接在L293D Pin3(Output1)及Pin6(Output2)。

[程式碼]

import time
import RPi.GPIO as GPIO

enable_pin = 18
in1_pin = 23
in2_pin =24
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(enable_pin, GPIO.OUT)
GPIO.setup(in1_pin, GPIO.OUT)
GPIO.setup(in2_pin, GPIO.OUT)

pwm = GPIO.PWM(enable_pin, 500)
pwm.start(0)

def clockwise():
    GPIO.output(in1_pin, True)
    GPIO.output(in2_pin, False)

def counter_clockwise():
    GPIO.output(in1_pin, False)
    GPIO.output(in2_pin, True)

while True:
    cmd = raw_input("Command, f/r 0..9, E.g. f5 :")
    direction = cmd[0]
    if direction == "f":
        clockwise()
    else:
        counter_clockwise()
    speed = int(cmd[1]) * 10
    pwm.ChangeDutyCycle(speed)

[程式說明]

GPIO.setmode設定有兩種方法：(GPIO.BCM) 跟(GPIO.Board)，這兩種方式可以透過 RPi.GPIO對 Raspberry Pi上的Pin進行編號。
● 第一種方式是使用 BOARD 編號系統。這個方式是參考 Raspberry Pi 主機板上 P1 接線柱的針腳編號。使用這個方式的優點是無需考慮主機板的修訂版本，不會隨著硬體版本更新而改變Pin腳編號，程式也無須改變。指令為：GPIO.setmode(GPIO.BOARD)。
● 第二種方式是使用 BCM 編號系統。這是一種低階的工作方式，需參考 Broadcom SOC 的通道編號。使用時，需注意主機板上的針腳與圖表上標注的通道編號相對應。程式可能會因為Raspberry Pi 主機板進行版本更新而無法工作。指令為：GPIO.setmode(GPIO.BCM)。

[參考資料]

● Raspberry Pi Cookbook
● ROBOTIX-Motor Driver IC
● WikiPedia-H Bridge