MiniMoto DRV8830 硬件设计开发指南

在电子设计领域，电机驱动是一个常见且重要的应用场景。SparkFun 的 MiniMoto 板作为一款基于 I²C 的直流电机驱动器，为低电压系统中的电机控制提供了一个优秀的解决方案。本文将详细介绍 MiniMoto DRV8830 的相关特性、使用方法以及注意事项。

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一、MiniMoto 简介

MiniMoto 是 SparkFun 推出的一款 I²C 直流电机驱动器，它设计用于在同一数据线上最多可连接 8 个额外的 MiniMoto 设备的系统中。其最低电压输出能力为 2.7V，这使得它非常适合使用单节 LiPo 电池的低电压系统，同时也能与低电压电机（如 Tamiya 齿轮箱产品附带的电机）配合使用。通过 I²C 进行控制，还能释放 CPU 的数据线和处理能力，让 CPU 可以将资源用于其他任务。

二、使用前的准备

在开始使用 MiniMoto 之前，建议你先熟悉以下几个方面的知识：

1. Arduino 基础：本教程将使用 Arduino 环境来演示 MiniMoto 的功能，因此你需要了解什么是 Arduino。
2. Arduino IDE 安装：如果还没有安装 Arduino 软件，可以参考相关指南进行安装。
3. Arduino 库安装：为了充分发挥 MiniMoto 的功能，需要安装 MiniMoto 库，可通过相关教程学习安装方法。
4. 脉冲宽度调制（PWM）：MiniMoto 使用 PWM 来控制电机的速度，了解 PWM 概念将有助于你更好地使用它。
5. I²C 通信：虽然使用 MiniMoto 库不需要 I²C 知识，但如果想深入了解其工作原理，可以进一步学习 I²C 通信。

三、硬件特性

1. I/O 接口

两个 0.1 英寸的排针提供了对 I²C 线、FAULT 信号和接地参考的访问。一排用于连接控制 CPU，另一排可用于连接到下一个 MiniMoto 板。FAULT 线为开漏输出，这意味着在故障条件下，无论并联连接多少个 MiniMoto 板，信号都会拉低。

2. 电源接口

提供了两个电源接口，一个用于输入，另一个用于将电源传递到下一个 MiniMoto 板。每个接口都有两组焊盘，一组适合 0.1 英寸的排针，另一组适合 3.5mm 的螺丝端子。

3. 安装孔

板角有三个安装孔，边缘间距为 1 英寸（25mm）。孔的尺寸适合 #4 - 40 螺丝，公制 M3 螺丝也同样适用。

4. 散热垫

在电路板的元件面另一侧有一块裸铜散热垫，它与驱动 IC 底部的电源焊盘紧密耦合。该散热垫尺寸适合安装小型散热片，可使用导热胶带或导热膏固定，以提高散热性能。

5. 电机输出接口

电机输出连接到该接口，它既可以使用 0.1 英寸的引脚，也可以使用与电源连接相同的 3.5mm 螺丝端子。

6. I²C 地址选择跳线

每个板都有地址选择跳线，允许用户设置 9 个地址之一。通过添加或移除焊锡，可以改变地址。默认情况下，跳线处于 1 - 1 状态，设置地址为 0xD0。

四、电气特性

MiniMoto 设计工作电压范围为 2.75V 至 6.8V，能够驱动电流高达 900mA 的电机。与芯片可靠通信所需的最小逻辑电平随电源电压而变化，在最大工作电压 6.8V 时，芯片识别为高电平的最小值为 3.13V，因此 3.3V 的输入可以被轻松识别。I²C 总线最高可运行在 400kHz，但在负载较重的总线上，可能需要降低数据速率以保持信号完整性。MiniMoto 库默认以 100kHz 运行，在大多数情况下都能正常工作。

五、Arduino 库使用

1. 设置 I²C 地址

MiniMoto 板有两个用于设置 I²C 地址的跳线，跳线有三种状态：开路、1 或 0。通过改变跳线状态，可以设置不同的地址，具体设置如下表所示：	A1	A0	Address
0	0	0xC0
0	open	0xC2
0	1	0xC4
open	0	0xC6
open	open	0xC8
open	1	0xCA
1	0	0xCC
1	open	0xCE
1	1	0xD0

在声明 MiniMoto 类的对象时，需要根据上述表格传递相应的地址作为参数。

2. 库函数

• MiniMoto(byte addr)：这是 MiniMoto 类的构造函数，addr 参数是根据跳线设置确定的地址值。
• void drive(int speed)：通过 PWM 驱动电机，速度范围为 6 - 63。尝试设置低于 6 的速度将被忽略，高于 63 的速度将被截断为 63。速度值的符号决定了电机的运动方向。
• void stop()：使电机自由滑行至停止。
• void brake()：将电机线短路，给电机施加一个重负载，使其更快地停止。在斜坡或有负载试图转动电机时，还能提供制动功能。
• byte getFault()：当发生故障时，FAULTn 线将拉低，调用该函数可以确定故障的性质。调用该函数会清除故障位，允许驱动器恢复运行，但如果导致故障的条件仍然存在，驱动器可能会立即再次进入故障状态。为了确定故障的性质，定义了几个常量：
  • FAULT：如果 FAULT 位未设置，则表示没有发生故障。
  • ILIMIT：如果检测电阻设置的电流限制超过 275ms 被违反，ILIMIT 位将被设置，但不会导致电机驱动器禁用。
  • OTS：表示发生热关断事件，输出将被禁用，当芯片温度降至安全水平时，操作将自动恢复。
  • UVLO：由于电源电压降至安全水平以下（约 2.5V）导致欠压锁定，当电源电压升至安全水平（约 2.75V）时，操作将恢复。
  • OCP：表示发生严重过流事件，与 ILIMIT 故障不同，它是驱动器本身的问题，通常表示输出短路或类似问题。当发生 OCP 错误时，操作将暂停，直到故障位被清除。

六、示例代码

以下是一个使用 MiniMoto 库控制 Tamiya 双电机齿轮箱中两个直流电机的简单 Arduino 示例代码：

#include < minimoto.h > // Include the MiniMoto library
MiniMoto motor0(0xCE); // A1 = 1, A0 = clear
MiniMoto motor1(0xD0); // A1 = 1, A0 = 1 (default)
#define FAULTn 16 // Pin used for fault detection.

void setup()
{ 
    Serial.begin(9600);
    Serial.println("Hello, world!");
    pinMode(FAULTn, INPUT);
}

void loop() {
    Serial.println("Forward!");
    motor0.drive(10);
    motor1.drive(10);
    delayUntil(10000);
    Serial.println("Stop!");
    motor0.stop();
    motor1.stop();
    delay(2000);
    Serial.println("Reverse!");
    motor0.drive(-10);
    motor1.drive(-10);
    delayUntil(10000);
    Serial.println("Brake!");
    motor0.brake();
    motor1.brake();
    delay(2000);
}

void delayUntil(unsigned long elapsedTime)
{ 
    unsigned long startTime = millis();
    while (startTime + elapsedTime > millis())
    {
        if (digitalRead(FAULTn) == LOW) {
            byte result = motor0.getFault();
            if (result & FAULT) {
                Serial.print("Motor 0 fault: ");
                if (result & OCP) Serial.println("Chip overcurrent!");
                if (result & ILIMIT) Serial.println("Load current limit!");
                if (result & UVLO) Serial.println("Undervoltage!");
                if (result & OTS) Serial.println("Over temp!");
                break;
            }
            result = motor1.getFault();
            if (result & FAULT) { 
                Serial.print("Motor 1 fault: ");
                if (result & OCP) Serial.println("Chip overcurrent!");
                if (result & ILIMIT) Serial.println("Load current limit!");
                if (result & UVLO) Serial.println("Undervoltage!");
                if (result & OTS) Serial.println("Over temp!");
                break;
            } 
        }
    }
}

这段代码首先初始化了两个 MiniMoto 实例，设置了故障检测引脚。在 loop 函数中，电机先正向转动一段时间，然后停止，接着反向转动一段时间，最后制动。delayUntil 函数是一个自定义的延迟函数，它会在延迟期间检查 MiniMoto 板的故障条件，并在发生故障时报告故障信息。

七、资源与拓展

通过以上内容，你应该已经掌握了使用 MiniMoto 驱动电机的基本方法。如果你想进一步了解 MiniMoto，可以参考以下资源：

1. MiniMoto GitHub 页面：可以获取更多的代码示例和技术文档。
2. MiniMoto 数据手册（DRV8830）：详细了解其电气特性和工作原理。

此外，还有一些其他的电机相关产品和连接指南可供你探索，如 AutoDriver Hookup 和 RedBot Hookup。

在实际应用中，你是否遇到过类似电机驱动的问题？你是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。