功能简介

特性	编码器电机
'	无特性，不解释
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'	无特性，不解释
'	无特性，不解释
接口		I/Os

产品简介

本产品是一款高精度的N20直流编码减速电机，配备了磁性霍尔编码器和全金属齿轮，采用L型引出端子设计便于连接。主要适用于需要精确运动和控制的智能机器人和智能家居设备。

产品特点

7线霍尔编码器
全金属齿轮高精密减速器
空载转速200rpm
堵转扭矩可达1.2kg.cm
接线端子型号ZH1.5-6PIN

产品参数

额定电压	DC 12V
空载转速	200rpm
空载电流	0.1A MAX
空载起动电压	3.0V MAX
堵转扭矩	≥1.2 kg.cm
堵转电流	≤1.1A
霍尔分辨率	基础7PPR×150=1050PPR
齿轮减速比	1:150

工作方式

例程运行

安装Arduino IDE

下载Arduino IDE
首先到Arduino官网下载最新版本Arduino IDE 2.1.0的安装包。官方IDE支持不同的操作系统，根据您的操作系统选择进行安装即可。我这里下载的是windows的。（如果已安装，直接跳到第二步）安装过程很简单，一直点击下一步即可。

注意：安装过程中会提示你安装驱动，我们点击安装即可
设置Arduino IDE为中文界面
第一次安装完成后，打开Arduino IDE是英文界面的，我们可以点击“File”→“Preferences”。

在“Language”里面选择简体中文，点击OK。

安装ESP32插件

打开Arduino IDE，点击“文件”→“首选项”。
在附加开发板管理器网址中添加如下链接，点击“确定”保存设置
```
https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json
```
注意：如果您需要添加多个开发板URL，那无需将ESP32开发板支持的URL删掉，可以直接将其他URL添加至另一行，默认显示是逗号分隔开URL的。例如：如果您需要添加ESP8266开发板的URL，直接添加至另一行，显示出来如下为：
```
https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json，http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json
```
下载packages压缩包，在“我的电脑”中输入以下路径：
```
C:\Users\username\AppData\Local\Arduino15
```
username根据自己电脑的用户名变换，将解压的packages文件复制到Arduino15文件夹下

安装依赖库

点击左边第三个图标是库管理，在搜索栏中输入“INA219_WE”，找到依赖库INA219_WE并点击安装。

接着在搜索栏中输入“Adafruit_SSD1306”，找到依赖库Adafruit_SSD1306并点击安装。

下载依赖库ESP32Servo,解压依赖库，打开Arduino默认安装的位置C:\Users\username\AppData\Local\Arduino15\libraries，username根据自己电脑的用户名变换，再把图中文件夹复制到Libraries文件夹里。

上传程序

下载例程，解压后双击speedLoopCtrl.ino
点击“工具”→“端口”，记住自己电脑上已有的COM，不需要点击这个COM（此时我这里显示的COM为COM1，不同电脑显示的COM不一样）。
用USB线将多功能驱动板和计算机连接起来（此处插入的是多功能驱动板USB的Type-C接口），点击“工具”→“端口”，再点击新出现的COM（我这里新出现的COM为COM25）。
在Arduino IDE中，点击“工具”→“开发板”→“ESP32”→“ESP32 Dev Module”。
设置完成后，点击“上传”按钮将程序上传到设备上。
上传完成程序后，将 N20 电机和机器人通用驱动板上的电机 PH2.0 2P 接口连接上，将驱动板上 XH2.54 供电接口接上电源后，可以看见电机快速地开始转动。

需要注意的是：如果上传期间遇到了问题，需要重新安装或者更换Arduino IDE版本，在这之前，您需要将Arduino IDE卸载干净，卸载软件后需要将C:\Users\username\AppData\Local\Arduino15这个文件夹内的所有内容手动删除（一些隐藏文件需要显示才能看到），接着再重新下载安装。

程序解析

// --- --- --- 编码器部分 --- --- ---

// A路编码器的引脚定义
const uint16_t AENCA = 35;        // Encoder A input A_C2(B)
const uint16_t AENCB = 34;        // Encoder A input A_C1(A)

// B路编码器的引脚定义
const uint16_t BENCB = 16;        // Encoder B input B_C2(B)
const uint16_t BENCA = 27;        // Encoder B input B_C1(A)

// 用于计算在“interval”时间（单位ms）内的编码器的某一个霍尔传感器的高低电平变化次数
// 因为后面初始化中断时使用的是RISING，所以具体来说是低电平变高电平的次数
volatile long B_wheel_pulse_count = 0;
volatile long A_wheel_pulse_count  = 0;

// 计算速度的周期时间，每隔这么多ms机算一次速度
int interval = 100;

// 当前的时间
long currentMillis = 0;

// 电机的减速比，减速电机的电机转速和输出轴的转速是不一样的
// 例如DCGM3865这款电机，减速比是1：42，意味着电机转动42圈，输出轴转动1圈
// 对应输出轴的一圈，电机需要转的圈数越多，减速比越大，通常扭矩越大
// 一下以DCGM3865电机（减速比1：42）为例
double reduction_ratio = 150;

// 编码器线数，电机转动一圈，编码器的一个霍尔传感器的高低电平变化次数
int ppr_num = 7;

// 输出轴转动一圈，编码器的一个霍尔传感器的高低电平变化次数
double shaft_ppr = reduction_ratio * ppr_num;

// 中断函数的回调函数，参考后面的attachInterrupt()函数
void IRAM_ATTR B_wheel_pulse() {
  if(digitalRead(BENCA)){
    B_wheel_pulse_count++;
  }
  else{
    B_wheel_pulse_count--;
  }
}

void IRAM_ATTR A_wheel_pulse() {
  if(digitalRead(AENCA)){
    A_wheel_pulse_count++;
  }
  else{
    A_wheel_pulse_count--;
  }
}
// --- --- --- --- --- --- --- --- ---

// --- --- --- 电机控制部分 --- --- ---
// 以下定义了用于控制TB6612的ESP32引脚
// A路电机
const uint16_t PWMA = 25;         // Motor A PWM control  Orange
const uint16_t AIN2 = 17;         // Motor A input 2      Brown
const uint16_t AIN1 = 21;         // Motor A input 1      Green

// B路电机
const uint16_t BIN1 = 22;        // Motor B input 1       Yellow
const uint16_t BIN2 = 23;        // Motor B input 2       Purple
const uint16_t PWMB = 26;        // Motor B PWM control   White

// 用于PWM输出的引脚的PWM频率
int freq = 100000;

// 定义PWM通道
int channel_A = 5;
int channel_B = 6;

// 定义PWM的精度，精度为8时，PWM数值在0-255（2^8-1）
const uint16_t ANALOG_WRITE_BITS = 8;
// 最大的PWM数值
const uint16_t MAX_PWM = pow(2, ANALOG_WRITE_BITS)-1;
// 最小的PWM数值，由于直流电机的低速特性一般比较差，过低的PWM达不到电机的转动阈值
const uint16_t MIN_PWM = MAX_PWM/5;

// A路电机控制
void channel_A_Ctrl(float pwmInputA){
  // 将pwmInput值取整
  int pwmIntA = round(pwmInputA);

  // 如果pwmInput是0则停止转动
  if(pwmIntA == 0){
    digitalWrite(AIN1, LOW);
    digitalWrite(AIN2, LOW);
    return;
  }

  // 判断pwmInput值的正负来确定旋转方向
  if(pwmIntA > 0){
    digitalWrite(AIN1, LOW);
    digitalWrite(AIN2, HIGH);
    // constrain()函数用于将pwmIntA的值限制在MIN_PWM与MAX_PWM之间
    ledcWrite(channel_A, constrain(pwmIntA, MIN_PWM, MAX_PWM));
  }
  else{
    digitalWrite(AIN1, HIGH);
    digitalWrite(AIN2, LOW);
    ledcWrite(channel_A,-constrain(pwmIntA, -MAX_PWM, 0));
  }
}

// B路电机控制
void channel_B_Ctrl(float pwmInputB){
  int pwmIntB = round(pwmInputB);
  if(pwmIntB == 0){
    digitalWrite(BIN1, LOW);
    digitalWrite(BIN2, LOW);
    return;
  }

  if(pwmIntB > 0){
    digitalWrite(BIN1, LOW);
    digitalWrite(BIN2, HIGH);
    ledcWrite(channel_B, constrain(pwmIntB, 0, MAX_PWM));
  }
  else{
    digitalWrite(BIN1, HIGH);
    digitalWrite(BIN2, LOW);
    ledcWrite(channel_B,-constrain(pwmIntB, -MAX_PWM, 0));
  }
}
// --- --- --- --- --- --- --- --- ---

// --- --- --- 闭环控制部分 --- --- ---
// PID控制器参数
double Kp = 0.05;   // 比例系数
double Ki = 0.05;   // 积分系数
double Kd = 0;   // 微分系数

// 目标转速和实际转速
double targetSpeed_A = 100.0;  // 目标转速（可根据需求调整）
double actualSpeed_A = 0.0;   // 实际转速
double targetSpeed_B = 100.0;  // 目标转速（可根据需求调整）
double actualSpeed_B = 0.0;   // 实际转速

// PID控制器变量
double previousError_A = 0.0;
double integral_A = 0.0;
double previousError_B = 0.0;
double integral_B = 0.0;
// --- --- --- --- --- --- --- --- ---

void setup(){
  // 设置编码器相关引脚的工作模式
  pinMode(BENCB , INPUT_PULLUP);
  pinMode(BENCA , INPUT_PULLUP);

  pinMode(AENCB , INPUT_PULLUP);
  pinMode(AENCA , INPUT_PULLUP);
 
  // 设置中断和对应的回调函数，当BEBCB由低电平变高电平时（RISING），调用 B_wheel_pulse 函数。
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(BENCB), B_wheel_pulse, RISING);
  // 设置中断和对应的回调函数，当AEBCB由低电平变高电平时（RISING），调用 A_wheel_pulse 函数。
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(AENCB), A_wheel_pulse, RISING);

  // 初始化串口，波特率115200
  Serial.begin(115200);
  // 等待串口初始化完成
  while(!Serial){}

  // 设置用于控制TB6612FNG的ESP32引脚的工作模式
  pinMode(AIN1, OUTPUT);
  pinMode(AIN2, OUTPUT);
  pinMode(PWMA, OUTPUT);
  pinMode(BIN1, OUTPUT);
  pinMode(BIN2, OUTPUT);
  pinMode(PWMB, OUTPUT);

  // 设置用于PWM输出的ESP32引脚的通道、频率和精度
  ledcSetup(channel_A, freq, ANALOG_WRITE_BITS);
  ledcAttachPin(PWMA, channel_A);

  ledcSetup(channel_B, freq, ANALOG_WRITE_BITS);
  ledcAttachPin(PWMB, channel_B);

  // 用于控制转动的引脚置于低电平，电机停止转动，避免初始化后立即开始转动
  digitalWrite(AIN1, LOW);
  digitalWrite(AIN2, LOW);
  digitalWrite(BIN1, LOW);
  digitalWrite(BIN2, LOW);
}

void loop(){
  // 计算B通道电机输出轴的转速，单位为 转/分钟
  actualSpeed_B = (float)((B_wheel_pulse_count / shaft_ppr) * 60 * (1000 / interval));
  B_wheel_pulse_count = 0;

  // 计算A通道电机输出轴的转速，单位为 转/分钟
  actualSpeed_A = (float)((A_wheel_pulse_count / shaft_ppr) * 60 * (1000 / interval));
  A_wheel_pulse_count = 0;

  // 计算误差和控制量
  double error_A = targetSpeed_A - actualSpeed_A;
  integral_A += error_A;
  double derivative_A = error_A - previousError_A;

  double error_B = targetSpeed_B - actualSpeed_B;
  integral_B += error_B;
  double derivative_B = error_B - previousError_B;

  // 计算PID输出
  double output_A = Kp * error_A + Ki * integral_A + Kd * derivative_A;
  double output_B = Kp * error_B + Ki * integral_B + Kd * derivative_B;

  // output_A += Kp * error_A;
  // output_B += Kp * error_B;
 
  // 限制输出范围
  output_A = constrain(output_A, -MAX_PWM, MAX_PWM);
  output_B = constrain(output_B, -MAX_PWM, MAX_PWM);

  // 输出PWM信号，控制电机转速
  channel_A_Ctrl(-output_A);
  channel_B_Ctrl(-output_B);

  // 更新上一个误差值
  previousError_A = error_A;
  previousError_B = error_B;

  Serial.print("RPM_A: ");Serial.print(actualSpeed_A);Serial.print("   RPM_B: ");Serial.println(actualSpeed_B);
  Serial.println("--- --- ---");

  delay(interval);
}

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联系人：刘工
EMAIL：3005296252@qq.com
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