第1篇：初识晶体管
本系列连载将介绍电力电子相关的基础知识和各种小知识。本系列涉及到的内容很广泛，涵盖从基础知识到应用部分的丰富内容，希望能够帮到那些“至今不好意思问别人，但又拿不准自己是否已经理解了”的人。
在要开始电子制作时，有些人可能会想尝试制作一些电动的作品，比如“想试着制作一个机器人”或“想尝试制作一个可以动的装置”。这些作品中，多会用到电机，通过齿轮减缓电机的转速使车轮转动或使连杆机构动起来，可以实现丰富的运动。
在电子小知识系列的第2篇中，将为您介绍用来驱动电机的“电机驱动器”。这次，我们将以“通过Arduino控制电机”为目标，来了解电机驱动器IC的使用方法。
目次
1. 什么是电机驱动器？
顾名思义，“电机驱动器”是用来驱动电机的。如果只是将干电池与电机相连接，电机只会根据干电池的电压全速向一个方向旋转，而如果能恰当地使用电机驱动器，则可以根据需求灵活控制电机，比如可以让它正转、反转，还可以设置为自己想要的转速。
2. 通过H桥电路控制电机的正反转
首先我们来了解一下电机的正反转机制及其原理。
使电机仅正向旋转的电路配置如图2.1所示。
图2.1 电机正转电路
在该电路中，要使电机反转，您必须手动重新将电池和电机反向接线。当然，考虑到需要将电机安装在机器人或设备中时，这种手动接线的麻烦事是不现实的。
对此，有一种称为“H桥”式的电路配置方法，可以实现电机的正转和反转。如图2.2所示，H桥是通过在VCC和GND方向上将共四个开关连接到电机的两个引脚构建而成的。
图2.2 H桥的基本结构
使电机正转时，如图2.3所示，只有左上和右下的开关ON；使电机反转时，只有右上和左下开关ON，这样通过开关的ON/OFF组合，就可以简单地实现电机的正转和反转。另外，需要注意的是，使左侧的两个开关同时（或右侧的两个开关同时）ON时，会使VCC和GND短路，所以在开关组合时要留心。
图2.3 通过H桥控制电机的正反转
3. 什么是电机驱动器IC？
“电机驱动器IC”是在MOS晶体管中集成了构成电机驱动电路所需的H桥、控制电路及保护电路等的IC。在创建支持几十安培级的大电流电机驱动器时，可以通过将分立元器件组合在一起来构建电路，如果只是几安培级的电机驱动器，那么使用电机驱动器 IC将可以实现电路的小型化和基于保护电路的过流保护。
这次，我们将使用电机驱动器IC“BD6231F”来控制普通模型用的直流电机。
图3.1 电机驱动器IC“BD6231F”
4. 查看技术规格书
首先，将开关与电机驱动器连接，并尝试使电机正转和反转。接下来，我们将在电机驱动器IC“BD6231F”周围连接电子元器件和布线，关于电源电压和连接方法，我们可以一边参考电机驱动器IC的技术规格书一边探讨。可以通过在网上搜索产品型号，或参考产品销售页面上介绍的技术规格书。
图4.1 技术规格书摘录
有关我们要使用的电机驱动器IC“BD6231F”的信息，通过查看技术规格书中写有“BD6231F”的部分即可。在其他部分列出了同系列的不同型号，因此查看时需要注意型号无误。
“BD6231F”是采用了SOP8封装（8引脚1.27mm间距表面贴装IC）的产品。图4.2是从技术规格书中摘取出来的框图、引脚排列图和引脚说明。在引脚说明中，您可以看到每个引脚的作用。
图4.2 BD6231F的框图、引脚排列图和引脚说明
如图4.3所示，推荐的电源电压范围是6V～32V，所以这次我们将6V连接至电源（VCC和GND）。
图4.3 BD6231F的推荐电压
另外，BD6231F存在“工作模式”，工作模式因输入至电机驱动器的控制输入引脚（FIN、RIN、VREF）的信号种类而异。
图4.4 工作模式
5. 尝试使用电机驱动器IC
由于本次使用的IC是间距为1.27mm的表面贴装型封装，因此无法将其直接插入面包板中使用。那么首先需要将IC和排针焊接到DIP转接板上。
图5.1 安装在DIP转接板上的器件
【所用器件】
在电路板上安装IC时，需要注意IC的方向和引脚编号。此次使用的DIP转接板上用丝网印刷（白字）的方式印制了引脚编号，这些引脚号按照图5.2所示的含义进行匹配。
图5.2 IC引脚编号的含义
我对焊接过程进行了定点拍摄，如果您是第一次尝试焊接表面贴装型器件，可以参考我拍摄的视频。
焊接完成后，成为图5.3中的照片所示的样子。
图5.3 安装在DIP转接板上的IC和排针
6. 尝试用开关控制电机驱动器IC
首先，我们用开关启动电机驱动器IC，尝试使电机正转和反转。应该是按下SW1使电机正转，按下SW2使电机反转。为了降低电机的再生电流引起的噪声，C1使用了多层陶瓷电容器（0.1μF），C2使用电解电容器（100μF）。
图6.1 BD6231外围电路（通过开关进行控制）
在该电路中，VREF引脚是与VCC连接的，FIN和RIN为ON或OFF（H或L）输入，因此工作模式是Mode (b)的正转模式或Mode (c)的反转模式。
图6.2 正转模式和反转模式
下面，我们来尝试一下让电机正转和反转。
这样，我们通过开关对电机驱动器IC进行控制输入，使电机成功地实现了正转和反转。
7. 尝试用Arduino控制电机驱动器IC
现在，我们尝试用Arduino来控制电机驱动器IC。前面我们通过开关实现了对电机驱动器的控制输入，只要将这个开关替换为Arduino端口就可以了。另外，Arduino由USB数据线供电。
图7.1 BD6231外围电路（通过Arduino进行控制）
由于VREF与VCC相连接，输入至FIN和RIN的信号是PWM信号或L信号，因此该电路的工作模式Mode (e)和(f)的PWM控制模式A。
图7.2 PWM控制模式A
我创建的Arduino程序如下（test_BD6231.ino）。我使用analogWrite函数使引脚10和引脚11输出PWM信号，使引脚10输出正转时的PWM信号，使引脚11输出反转时的PWM信号。
最终，这个程序将执行“最大输出为30%、缓慢改变电机的正反转速度”的工作。
const int pinFin = 10;
const int pinRin = 11;
int theta = 0;
void setup() {
}
void loop() {
int speedMotor = 30 * sin(theta * PI / 180); //在-30到+30之间绘制正弦曲线
driveMotor(speedMotor); //电机控制
delay(20);
theta = (theta + 1) % 360; //对theta进行计数并取余数
}
//控制电机的函数 参数：speed（通过-100～100指定速度）
void driveMotor(int speed) {
int output = constrain(abs(speed * 255 / 100), 0, 255);
if (speed > 0) {
analogWrite(pinFin, output);
analogWrite(pinRin, 0);
} else if (speed < 0) {
analogWrite(pinFin, 0);
analogWrite(pinRin, output);
} else {
analogWrite(pinFin, 0);
analogWrite(pinRin, 0);
}
}
当我们尝试用这个程序来运行电机时，您是否注意到，电机的加速度比使用开关进行正反转时更加缓慢，最大转速也变慢了？
通过使用电机驱动器IC，将可以使用Arduino这样的微控制器来控制电机，因此，能够比用手按开关更精细地控制电机的转速。
利用这种应用可以实现各种工作模式，比如当传感器反应时自动启动设备，或者使电机根据操纵杆的倾斜度执行不同转速的旋转。由电机驱动的装置和机器人，其工作模式是通过这些机制相组合而创建的，因此您可以根据自己的想法创建出各种有趣的作品！
8. 总结
此次我们了解了电机驱动器基础——H桥的相关知识，并实际使用电机驱动器IC来让电机旋转。电机驱动器IC不仅可以让电机旋转，还内置有可以防止过电流和过热的保护电路，因此能够安全地控制电机。在电子制作过程中，涉及到电机控制时，经常会发生由于电机过载而导致的过电流和过热等问题，所以，让我们使用内置保护功能的电机驱动器IC享受安全的电子制作吧！
本系列连载的内容
第1篇：初识晶体管
第2篇：初识电机驱动器（本文）
第3篇：初识电阻器
第4篇：逻辑电路基础
第5篇：测试仪的使用方法
河岛 晋
1991年出生于日本福冈县北九州市。从九州工业大学研究生毕业后，一直从事电子制作套件的开发、机器人竞赛的运营、活动中的制作业务等工作。目前，主办了数字制造社区“药院Make部”，同时还在福冈县福冈市推动制造活动。多次参加机器人大赛和作品竞赛。代表作有“论文守护者”和“再睡五分钟闹钟”。
