ESP32: УПРАВЛЯЕМ СКОРОСТЬЮ МОТОРА С ПОМОЩЬЮ ШИМ (PWM)

Что нам понадобится?

• плата ESP32 DEVKIT V1
• драйвер двигателей L293D
• мотор FA-130 3-6 В (с редуктором или без него)
• две макетные платы
• отсек для четырех батареек AA
• соединительные проводники
• кабель micro USB для подключения ESP32 к компьютеру

Регулировка тока с помощью ШИМ (PWM)

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-Width Modulation (PWM)) — это способ управления мощностью электрического тока с помощью его пульсирующего включения и выключения. Практически любым электрическим устройством, имеющим определённую инерцию, можно управлять с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Если изменять время включения и длину паузы между включениями, то можно регулировать скорость вращения мотора или яркость свечения светодиода. Таким образом, имея в распоряжении лишь два значения напряжения (высокий уровень и низкий уровень), можно получить любое промежуточное значение напряжения. Подробнее о ШИМ можно прочитать в статье "ШИМ и PWM – что это такое?"

Частота и скважность ШИМ (PWM)

Насколько часто будет происходить пульсирующее включение и выключение, определяется частотой ШИМ (англ. frequency), которая в свою очередь определяет период импульса, то есть сколько времени будет занимать одно включение вместе с выключением.

Еще одним важным параметром является время включения (ширина импульса) в одном периоде ШИМ. Отношение периода импульса к ширине импульса называют скважностью, а обратную величину – коэффициентом заполнения или рабочим циклом (англ. duty cycle).

На рисунке приведены примеры напряжений для заполнения 100% (скважность 1), 75% (скважность 4/3), 50% (скважность 2) и 25% (скважность 4).





ESP32 позволяет работать с диапазоном частот для ШИМ (PWM) от 1 Гц до 40 МГц. Для разных устройств частота следования импульсов ШИМ должна быть различной. Для светодиодов частота ШИМ может лежать в диапазоне 100-500 Гц, хотя мерцание перестает быть заметным уже на частоте 60 Гц.

Для моторов частота должна быть намного меньше, иначе мы получим падение мощности. В таблице ниже приведены примерные соотношения коэффициента заполнения (duty cycle) и частоты ШИМ для мотора FA-130 с редуктором 1:48.

duty cycle (%)	frequency (Hz)
25	15
30	20
45	20-30
50	20-40
75	20-50
100	20-50

Схема подключения мотора

Для управления мотором с помощью ESP32 будем использовать, например, выводы платы микроконтроллера D32 (GPIO32) и D33 (GPIO33). На вход ENABLE2 микросхемы драйвера моторов L293D подадим ШИМ сигнал, например, с вывода D27 (GPIO27).

Входы ENABLE1 и ENABLE2 служат для включения H-мостов драйвера и используются для управления скоростью вращения электромоторов с помощью широтно-модулированного сигнала (ШИМ).

Схема подключения очень похожа на схему из примера "ESP32: Управление мотором" и представлена на рисунке ниже.




Пример монтажа схемы на макетных платах приведен в начале статьи.

Программа для управления скоростью мотора с помощью ШИМ (PWM)

Для работы с ШИМ нам понадобится класс PWM из модуля machine. Объект PWM создается на основе объекта Pin. Поэтому сначала создадим объект Pin для вывода GPIO27 (режим Pin.OUT указывать не нужно).

Для установки частоты и коэффициента заполнения используем методы freq(frequency) и duty(duti_cycle). Значение frequency и duti_cycle должны быть целочисленными. Величина duti_cycle может лежать в пределах от 0 до 1023. Если задавать скорость мотора (speed) в процентах, то duti_cycle можно легко вычислить по формуле speed * 1023 / 100. Для скорости 50% значение duti_cycle будет 511.

Для отключения выхода ШИМ используется метод deinit(). Деинициализируем ШИМ в обработчике исключения KeyboardInterrupt. Там же остановим мотор.

Объект PWM можно создавать и с помощью конструктора, например так:

motor_pwm = PWM(Pin(27), freq=30, duty=512)

Для установки duti cycle можно также использовать методы:

duty_u16 — устанавливает рабочий цикл с 16-битной точностью в диапазоне 0–65535,

duty_ns — задает ширину импульса в наносекундах.

Программа на языке MicroPython может выглядеть следующим образом:

# из модуля machine импортируем классы Pin и PWM
from machine import Pin, PWM
# из модуля time импортируем функцию задержки sleep
from time import sleep

# функция для управления мотором
def motor(a, b):
    motor_pin1.value(a)
    motor_pin2.value(b)

# создаем объекты Pin для мотора
motor_pin1 = Pin(32, Pin.OUT)
motor_pin2 = Pin(33, Pin.OUT)
# создаем объекты Pin для ШИМ
motor_pin3 = Pin(27)

# создаем объекты ШИМ
motor_pwm = PWM(motor_pin3)

# зададим скорость мотора 50%
speed = 50
# вычисляем величину коэффициента заполнения для ШИМ
duty = int(speed * 1023 / 100)

# устанавливаем частоту для ШИМ
motor_pwm.freq(30)
# устанавливаем величину коэффициента заполнения для ШИМ
motor_pwm.duty(duty)

# организуем блок try для основного кода
try:
    # организуем бесконечный цикл
    while True:
        # включаем мотор
        # передаем в функцию motor 0 и 1
        motor(0, 1)
        # ждем 2 секунды
        sleep(2)
        # делаем реверс мотора
        # передаем в функцию motor 1 и 0
        motor(1, 0)
        # ждем 2 секунды
        sleep(2)
        # останавливаем мотор
        motor(0, 0)
        # ждем 1 секунду
        sleep(1)

# задаем обработку исключения для блока try, которое
# возникает при завершении программы пользователем
except KeyboardInterrupt:    
    # останавливаем мотор
    motor_pin1.value(0)
    motor_pin2.value(0)
    # деинициализируем объект ШИМ
    motor_pwm.deinit()

Запустим Iguana IDE – среду программирования для MicroPython. Скопируем в нее текст программы. Подключимся к микроконтроллеру с помощью USB-кабеля или по Wi-Fi и запустим программу. Вал мотора начнет вращаться со скоростью 50%, меняя направление вращения каждые 2 секунды и останавливаясь на 1 секунду.

Поэкспериментируем со значением переменной speed, наблюдая за скоростью вращения мотора.

Подробнее о загрузке и запуске программ можно прочитать в статьях "Первый проект на микроконтроллере ESP32" и "Программируем микроконтроллер ESP32 по Wi-Fi".

Удачный Вам экспериментов!

См. также:

ESP32: Управление мотором

Подключение ультразвукового датчика расстояния HC-SR04

ESP32: Используем АЦП (ADC) для измерения аналогового сигнала