使用恩智浦MCXN947 PWM控制直流电机驱动模块L9110S

前言

恩智浦“FRDM-MCXN947”评测活动由安富利和与非网协同举办。本篇内容由与非网用户发布，已获转载许可。原文可在与非网(eefocus)工程师社区查看。

背景

01 直流电机驱动模块L9110S

一个L9110S驱动可以控制一个电机，下图中的GroundStudio L9110s模块板载两个L9110s芯片，可以驱动两个直流电机。

02 引脚说明

此模块有6根引脚，如下：

简单来说L9110S的输入输出有以下四种情形：

从上图可知，只需要给IN1和IN2管脚输入不同的电平就能实现正转、反转，输入相同的电平就能停转。

需要注意，不要直接由开发板来给模块供电，因为L9110S模块可能因为需求的驱动功率太高而导致板子上的供电不平衡。

03 MCXN947 PWM

从上表可知，使用GPIO给IN1和IN2也能驱动电机，但是不能控制速度。现在我们需要实现能控制速度的电机驱动。自然而然想到了PWM调速。

假设给IN2管脚用GPIO控制，拉低电平，只需要PWM往IN1灌高电平就可以驱动电机正转，调节PWM占空比就可以实现电机转速；把IN2管脚拉高电平，用PMW往IN1灌低电平就可以实现电机反转，注意此时的占空比和转速是反着的，即占空比越大，转速越慢。

这里选择eFlexPWM产生PWM1_A通道的PWM波来控制电机，另外一个管脚用GPIO来控制电平调节正反转。

04 代码实现

为了方便调试，先实现命令行接口，可以方便的通过串口输入命令调节参数控制电机正反转和转速。然后实现对应的电机驱动接口。

05 命令行接口

FreeRTOS-CLI新增命令行，支持如下的3种命令：

（滑动查看）

motor stop    // 电机停转
motor left speed // 电机正转，speed 表示速度，取值范围[0, 100]
motor right speed // 电机反转，speed 表示范围，取值范围[0, 100]

当前命令行的解析函数prvMotorCommand()如下，其实最终调用的函数是分别是motor_stop(),motor_left(speed)和motor_right(speed)这三个函数。

（滑动查看）

/**
* @brief 直流电机命令的实现
*
* motor left/right speed 其中 speed 取值范围是 [0, 100]
* motor stop
*
* 示例：
* motor left 0
* motor left 100
* motor right 20
* motor right 80
* motor stop 停转
*
* @param pcWriteBuffer
* @param xWriteBufferLen
* @param pcCommandString
* @return BaseType_t
*/
staticBaseType_tprvMotorCommand(char*pcWriteBuffer,size_txWriteBufferLen,constchar*pcCommandString )
{
configASSERT(pcWriteBuffer);
br
/* param1: left/right/stop */
constchar*paramMotorCmd1 =NULL;
 BaseType_t paramMotorCmd1Length =0;
br
/* param2: speed */
constchar*paramMotorCmd2 =NULL;
 BaseType_t paramMotorCmd2Length =0;
uint32_tspeed =0;
br
// 首先清除输出缓冲区旧的内容
memset(pcWriteBuffer,0, xWriteBufferLen);
br
/*     arg0 arg1    arg2  */
/* 命令形式1：motor left/right speed */
/* 命令形式2：motor stop       */
 paramMotorCmd1 =FreeRTOS_CLIGetParameter(pcCommandString,1, ¶mMotorCmd1Length);
br
if(strncmp("stop", paramMotorCmd1, strlen("stop")) ==0){
 motor_stop();
 sprintf(pcWriteBuffer,"
 motor_stop() 
");
 }else{
 /* 获取 speed */
  paramMotorCmd2 =FreeRTOS_CLIGetParameter(pcCommandString,2, ¶mMotorCmd2Length);
 if(paramMotorCmd2 !=NULL) {
   speed =strtoul(paramMotorCmd2,NULL,10);
br
  if(speed >=100){
    speed =99;/*NOTE:PWM 占空比 <= 100 但由于两个高电平导致电机停转，所以占空比应该 < 100 */
      }
    }
br
    if (strncmp("left", paramMotorCmd1, strlen("left")) == 0) {
      sprintf(pcWriteBuffer, "
 motor_left(%u) 
", speed);
      motor_left(speed);
    } else if (strncmp("right", paramMotorCmd1, strlen("right")) == 0) {
      sprintf(pcWriteBuffer, "
 motor_right(%u) 
", speed);
      motor_right(speed);
    } else {
      sprintf(pcWriteBuffer, "
Error: arg1 should be left/right
");
    }
  }
br
  /* There is no more data to return after this single string, so return pdFALSE. */
  return pdFALSE;
}

06 电机驱动实现

PWM和GPIO初始化

通过MCUXpresso Config Tools来实现，配置J3.15为PWM1_A0，配置J3.13为GPIO输出模式。生成代码，自动保存在pin_mux.c文件中。

在MCUXpresso Config Tools中，点击（1）处新建分组BOARD_MOTOR_Init，把电机相关的管脚都放在同一个组里初始化；

在（2）处可以看到J3.15配置为PWM1_A0信号，J3.13配置为PIO2_7且为输出；

在（3）处给管脚添加标识符，会生成相对应的宏定义。

对应的管脚初始化代码如下：

（滑动查看）

voidBOARD_MOTOR_Init(void)
{
 /* Enables the clock for GPIO2: Enables clock */
 CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Gpio2);
 /* Enables the clock for PORT2: Enables clock */
 CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Port2);


  gpio_pin_config_t MOTOR_DIR_config = {
    .pinDirection= kGPIO_DigitalOutput,
    .outputLogic= 0U
  };
 /* Initialize GPIO functionality on pin PIO2_7 (pin L2) */
 GPIO_PinInit(MOTOR_MOTOR_DIR_GPIO,MOTOR_MOTOR_DIR_PIN, &MOTOR_DIR_config);


 /* PORT2_6 (pin K2) is configured as PWM1_A0 */
 PORT_SetPinMux(MOTOR_MOTOR_SPEED_PORT,MOTOR_MOTOR_SPEED_PIN, kPORT_MuxAlt5);


 PORT2->PCR[6] = ((PORT2->PCR[6] &
          /* Mask bits to zero which are setting */
           (~(PORT_PCR_IBE_MASK)))


          /* Input Buffer Enable: Enables. */
          |PORT_PCR_IBE(PCR_IBE_ibe1));


 /* PORT2_7 (pin L2) is configured as PIO2_7 */
 PORT_SetPinMux(MOTOR_MOTOR_DIR_PORT,MOTOR_MOTOR_DIR_PIN, kPORT_MuxAlt0);


 PORT2->PCR[7] = ((PORT2->PCR[7] &
          /* Mask bits to zero which are setting */
           (~(PORT_PCR_IBE_MASK)))


          /* Input Buffer Enable: Enables. */
          |PORT_PCR_IBE(PCR_IBE_ibe1));
}

电机控制

需要实现4个函数，分别是：

motor_init()

motor_stop()

motor_left()

motor_right()

公共的类型和变量

（滑动查看）

#include"pin_mux.h"
#include"fsl_gpio.h"
#include"fsl_pwm.h"
#include"bsp_motor.h"
#include"fsl_debug_console.h"
br
/*******************************************************************************
* Definitions
******************************************************************************/
/* The PWM base address */
#defineBOARD_PWM_BASEADDR PWM1
#definePWM_SRC_CLK_FREQ CLOCK_GetFreq(kCLOCK_BusClk)
#defineDEMO_PWM_FAULT_LEVEL true
#defineAPP_DEFAULT_PWM_FREQUENCY (10000UL)
/* Definition for default PWM frequence in hz. */
#ifndefAPP_DEFAULT_PWM_FREQUENCY
#defineAPP_DEFAULT_PWM_FREQUENCY (1000UL)
#endif
br
/* Macros ------------*/
#defineMOTOR_DIR_SET_LEFT()   GPIO_PinWrite(MOTOR_MOTOR_DIR_GPIO, MOTOR_MOTOR_DIR_GPIO_PIN, 0)
#defineMOTOR_DIR_SET_RIGHT()   GPIO_PinWrite(MOTOR_MOTOR_DIR_GPIO, MOTOR_MOTOR_DIR_GPIO_PIN, 1)
br
br
/* Data Types --------*/
br
typedefenum{
 MOTOR_DIR_LEFT =0,
 MOTOR_DIR_RIGHT =1,
} motor_dir_e;
br
staticuint32_tpwmSourceClockInHz;
staticuint32_tpwmFrequencyInHz;
staticpwm_signal_param_tpwmSignal = {0};
staticmotor_dir_e m_motor_dir = MOTOR_DIR_LEFT;

motor_init()

（滑动查看）

staticvoidPWM_DRV_Init2PhPwm(void)
{
uint16_tdeadTimeVal;
br
/* Set deadtime count, we set this to about 650ns */
 deadTimeVal = ((uint64_t)pwmSourceClockInHz *650) /1000000000;
br
 pwmSignal.pwmChannel = kPWM_PwmA;
 pwmSignal.level = kPWM_HighTrue;
 pwmSignal.dutyCyclePercent =30;/* x percent dutycycle */
 pwmSignal.deadtimeValue = deadTimeVal;
 pwmSignal.faultState = kPWM_PwmFaultState0;
 pwmSignal.pwmchannelenable =true;
br
/*********** PWMA_SM0 - phase A, configuration, setup 2 channel as an example ************/
PWM_SetupPwm(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Module_0, &pwmSignal,1,
  kPWM_SignedCenterAligned, pwmFrequencyInHz, pwmSourceClockInHz);
}
br
/**
* @brief 直流电机初始化，即 PWM1 的通道A和通道B初始化
*
* @return int 0 on success, others on failure.
*/
intmotor_init(void)
{
pwm_config_tpwmConfig;
pwm_fault_param_tfaultConfig;
br
 pwmSourceClockInHz = PWM_SRC_CLK_FREQ;
 pwmFrequencyInHz = APP_DEFAULT_PWM_FREQUENCY;
br
 SYSCON->PWM1SUBCTL |= SYSCON_PWM1SUBCTL_CLK0_EN_MASK;/* 只使能子模块0 */
br
PWM_GetDefaultConfig(&pwmConfig);
br
 pwmConfig.reloadLogic = kPWM_ReloadPwmFullCycle; /* use full cycle reload */
 pwmConfig.pairOperation = kPWM_Independent;   /* PWM A & PWM B operate as 2 independent channels */
 pwmConfig.enableDebugMode =true;
br
if(PWM_Init(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Module_0, &pwmConfig) == kStatus_Fail)
 {
 PRINTF("PWM initialization failed
");
 return1;
 }
br
PWM_FaultDefaultConfig(&faultConfig);
br
#ifdefDEMO_PWM_FAULT_LEVEL
 faultConfig.faultLevel = DEMO_PWM_FAULT_LEVEL;
#endif
br
/* Sets up the PWM fault protection */
PWM_SetupFaults(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Fault_0, &faultConfig);
PWM_SetupFaults(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Fault_1, &faultConfig);
PWM_SetupFaults(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Fault_2, &faultConfig);
PWM_SetupFaults(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Fault_3, &faultConfig);
br
/* Set PWM fault disable mapping for submodule 0 */
PWM_SetupFaultDisableMap(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Module_0, kPWM_PwmA, kPWM_faultchannel_0,
       kPWM_FaultDisable_0 | kPWM_FaultDisable_1 | kPWM_FaultDisable_2 | kPWM_FaultDisable_3);
br
/* Call the init function with demo configuration */
PWM_DRV_Init2PhPwm();
br
/* Set the load okay bit for all submodules to load registers from their buffer */
PWM_SetPwmLdok(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Control_Module_0,true);
br
PWM_StartTimer(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Control_Module_0);
br
motor_stop();
br
return0;
}

motor_stop()

（滑动查看）

voidmotor_stop(void)
{
if(m_motor_dir ==MOTOR_DIR_LEFT) {
 MOTOR_DIR_SET_LEFT();
 PWM_UpdatePwmDutycycle(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Module_0, kPWM_PwmA, kPWM_SignedCenterAligned,0);
 /* Set the load okay bit for all submodules to load registers from their buffer */
 PWM_SetPwmLdok(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Control_Module_0,true);
 }else{
 MOTOR_DIR_SET_RIGHT();
 PWM_UpdatePwmDutycycle(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Module_0, kPWM_PwmA, kPWM_SignedCenterAligned,100);
 /* Set the load okay bit for all submodules to load registers from their buffer */
 PWM_SetPwmLdok(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Control_Module_0,true);
 }
}

motor_left(speed)

（滑动查看）

/**
*@brief正转
*@paramspeed 占空比，[0~100]
*/
voidmotor_left(uint32_t speed)
{
MOTOR_DIR_SET_LEFT();
 m_motor_dir =MOTOR_DIR_LEFT;
br
PWM_UpdatePwmDutycycle(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Module_0, kPWM_PwmA, kPWM_SignedCenterAligned, speed);
/* Set the load okay bit for all submodules to load registers from their buffer */
PWM_SetPwmLdok(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Control_Module_0,true);
PWM_StartTimer(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Control_Module_0);
}

motor_right(speed)

（滑动查看）

/**
* @brief 反转
* @param speed
*/
voidmotor_right(uint32_tspeed)
{
MOTOR_DIR_SET_RIGHT();
 m_motor_dir = MOTOR_DIR_RIGHT;
 speed =100- speed;
br
PWM_UpdatePwmDutycycle(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Module_0, kPWM_PwmA, kPWM_SignedCenterAligned, speed);
// PWM_SetChannelOutput(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Module_0, kPWM_PwmA, kPWM_InvertState);
/* Set the load okay bit for all submodules to load registers from their buffer */
PWM_SetPwmLdok(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Control_Module_0,true);
br
PWM_StartTimer(BOARD_PWM_BASEADDR, kPWM_Control_Module_0);
}

验证

01 示波器测量

上面黄色的是CH2，即PWM1_A信号(J3.15)；

下面绿色的是CH1，即GPIO信号（J3.13）；

电机正转motor left时CH1输出低电平；

电机反转motor right时CH1输出高电平。

motor stop

两路信号都是低电平。电机停转。

motor left 5

电机正转，速度为5。示波器观测PWM1_A占空比为5。

motor left 70

电机正转，速度为70。示波器观测PWM1_A占空比为70。

motor left 100

虽然PWM占空比可以设置成100%，但是两个高电平导致电机停转，所以这里把占空比合理的范围是[0,99]。

motor right 5

motor right 70

motor right 100

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