本文是 AI 神經網路自走車 第一篇，分享如何使用 Raspberry pi pico (RP2040) 做底層的馬達控制。透過 PWM 來控制馬達轉速，並使用 MicroPython 來撰寫韌體，就讓我們一起學習吧！
準備硬體元件
這次製作需要準備的材料為：
Step 1：了解馬達驅動模組
我的目標是做兩顆馬達的個別雙向控制（前進、後退）以此同時達到轉彎的效果， 因此選用 L9110 這個馬達驅動模組。
訊號輸入部分，除了 VCC 和 GND 外，還有兩組共四 pin，分別是 A-IA、A-IB 與 B-IA、B-IB。 Ａ、Ｂ組分別透過 IA 、IB 訊號控制一顆馬達。
模組內建對 input pull high 10k 到 Vcc，如果馬達用 5V 而 MCU 是 3.3V 的話：
- 第一要確認 MCU 流入電流是否會過大。因為模組 pull high 到 5V，input 訊號電流會逆流到 MCU 的 pin (3.3V)
- 第二是馬達最大轉速只有約 3/5 (input 訊號壓差關係)，所以必要的話做電壓轉換或是用光耦合隔離
從線路圖可以看出來，如果 IA = high，IB = low，馬達會往一個方向轉，反之 IA = low，IB = high 就會往另一個方向轉，如此即可控制方向。需注意的是實際方向會因為馬達連接的 output pin 有關，為了方便描述以下真值表簡單以正、反轉來描述。
| IA | IB | 馬達轉向 |
| 0 | 0 | 停止 |
| 1 | 0 | 正 |
| 0 | 1 | 反 |
| 1 | 1 | 停止，但實測會導 致 Vcc 直接對地短 路，避免使用 |
Step 2：決定 pico 腳位
再來看看 pico 的 pinout，只要是淺綠色的都能當 PWM 輸出，超多 channel 任你選擇，pico 真是佛心來著！這邊我們以 GPIO 6, 7, 8, 9 來實作（對應到 pin 9, 10, 11, 12）
我們對照上面的 L9110 真值表和 pico 的 pinout 圖做以下連結
- GPIO 6 -> A-IA
- GPIO 7 -> A-IB
- GPIO 8 -> B-IA
- GPIO 9 -> B-IB
我們假定 A 組馬達是左邊馬達，B 組馬達是右邊馬達，所以由上面的配置可以得知每個 GPIO 的主要角色為
- GPIO 6 -> A-IA：控制左馬達正轉
- GPIO 7 -> A-IB：控制左馬達反轉
- GPIO 8 -> B-IA：控制右馬達正轉
- GPIO 9 -> B-IB：控制右馬達反轉
有以上硬體連結的設計後，我們進入韌體的設計
Step 3：撰寫 MicroPython 測試
首先進入 pico 的 python console，依照我們的硬體設計宣告對應 GPIO 為 PWM output pin
from machine import PWM, Pin
left_fwd = PWM(Pin(6))
left_bwd = PWM(Pin(7))
right_fwd = PWM(Pin(8))
right_bwd = PWM(Pin(9))接下來我們要使用方法 duty_u16() 來控制 pwm duty，如同他的函數名稱
- 當傳入 65535 時，duty cycle = 100%
- 當傳入 32768 時，duty cycle = 50%
- 當傳入 0 的時候，duty cycle = 0%
因此我們可以用以下程式來測試
left_fwd.duty_u16(65535) # 左馬達會全速正轉
left_fwd.duty_u16(32768) # 左馬達會半速正轉
left_fwd.duty_u16(0) # 左馬達會停止同理我們也可以測試反轉是否正常
left_fwd.duty_u16(0) # 先確保 left_fwd pin duty cycle = 0%
left_bwd.duty_u16(65535) # 左馬達會全速反轉 我們也可以用上述的指令來測試右馬達
right_fwd.duty_u16(65535) # 右馬達會全速正轉
right_fwd.duty_u16(32768) # 右馬達會半速正轉
right_fwd.duty_u16(0) # 右馬達會停止
right_bwd.duty_u16(65535) # 右馬達會全速反轉 如果都能正確運作，表示我們的硬體和韌體設計是一致的。
Step 4：將 PWM 控制包成類別
為了後續開發方便，我們將 PWM Motor 控制寫成一個類別 TwoWayMotor 來處理，重點描述如下：
- 在 TwoWayMotor init 的時候需要傳入 GPIO 的代號，讓他在類別內初始化 PWM pin
- 呼叫 set_speed() 時，傳入 speed 和 direction 來決定馬達的轉速和方向。
- 這邊將轉速以 0 ~ 100 來做控制，在內部轉換成 duty_16() 所需的值。
- 同時用全域變數 FORWARD 以及 BACKWARD 作為方向控制的參數來源。
from machine import PWM, Pin
_FULL_DUTY = 65535
FORWARD = 0
BACKWARD = 1
class TwoWayMotor:
def __init__(self, pin_forward: int, pin_backward: int):
self.pwm_f = PWM(Pin(pin_forward))
self.pwm_b = PWM(Pin(pin_backward))
self.pwm_f.duty_u16(0)
self.pwm_b.duty_u16(0)
# speed: 0 ~ 100
def set_speed(self, speed: int, direction: int):
if direction == FORWARD:
self.pwm_f.duty_u16(int(_FULL_DUTY * (speed / 100)))
self.pwm_b.duty_u16(0)
else:
self.pwm_f.duty_u16(0)
self.pwm_b.duty_u16(int(_FULL_DUTY * (speed / 100)))經過包裝後，每一個 TwoWayMotor 可以代表一顆馬達，使用上就會比較簡單
left_motor = TwoWayMotor(6, 7)
right_motor = TwoWayMotor(8, 9)
left_motor.set_speed(30, FORWARD) # 左馬達正轉 30% 轉速
right_motor.set_speed(85, BACKWARD) # 右馬達反轉 85% 轉速馬達底層介面開好後，我們就能往更高層的應用與控制邁進！如果覺得我文章內容對你有幫助的話，請在文章後面幫我按 5 個讚！讓我知道大家都喜歡什麼內容哦！
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