开源一款I2C电机驱动扩展板-FreakStudio多米诺系列

总线直流电机扩展板

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FreakStudio的博客

摘要

设计了一个I2C电机驱动板，通过I2C接口控制多个电机的转速和方向，支持刹车和减速功能。可连接16个扩展板，具有PWM输出、过流过热保护和可更换电机驱动芯片。支持按键控制使能，电源指示灯显示供电状态。

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1.总体介绍

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总线直流电机扩展板设计用于通过I2C接口控制最多四个直流电机，具有以下主要特点：

  • 小尺寸设计：可以与XIAO系列主控板直接连接，也可以作为独立模块使用。
  • I2C接口：提供I2C总线接口进行堆叠式级联，最多支持16个电机驱动扩展板，且提供4个地址位可供选择。
  • PWM输出引脚：PWM扩展芯片的输出引脚连接有保护电阻，同时使用的电机驱动芯片自带过流和过热保护功能。
  • 按键控制芯片使能/失能：PWM扩展芯片的使能引脚通过按键引出，使用时可通过按键失能芯片。
  • 电机驱动芯片可更换：根据需要，可将RZ7899芯片替换为TMI8260、AM2837或SS6285L芯片。
  • 电源指示灯：板载电源指示灯显示电机供电状态和PWM扩展芯片供电状态。
  • 多种电源输入方式：支持接线端子和Type-C接口供电，具有防反接设计。
  • 支持6V至18V供电的电机：整个扩展板最大电流为5A，若只使用两个电机通道，单通道峰值电流支持最大4A。
  • 高频低阻电解电容供电：使用四颗220μF高频低阻电解电容或固态电解电容进行供电，固态电解电容相比铝电解电容具有更低的ESR、较高的工作频率和更长的使用寿命。
  • 散热设计：扩展板背面的VCC区域采用开窗设计，通过焊锡增大散热效果。
    该扩展板提供了优越的电机保护和电源管理功能，适用于各种电机控制应用，我们提供了MicroPython和Arduino例程。
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2.接口说明

2.1 通信接口

我们提供了两个I2C通信接口，当作为单独模块使用时，通过PH2.0连接线连接主控模块和扩展板，如下图所示：
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也可以使用主控板直接插入到扩展板的排母接口上：
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多个扩展板也可以堆叠连接，此时使用扩展板下方靠近供电端子部分的I2C通信接口与扩展板上方靠近供电端子部分的I2C通信接口相互连接，连接时需要注意线序，这里需要使用PH2.0双头反向连接线，我们这里使用M2塑料柱将两个扩展板进行固定：
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2.2 电机接口

连接电机时，注意电机线M+与A通道连接，电机线M-与B通道连接，若不确定电机的正负极，可以在程序中驱动两个编号电机都向正方向运动，若其中一个电机反向运动，将该电机连线反接即可：
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2.3 供电接口

我们可以使用Type-C接口的电源适配器进行供电（需要注意电源适配器最大电流，建议使用15V 3A适配器），也可以使用接线端子供电，电源正极连接V，电源负极连接G：
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3.硬件细节

3.1 提高散热和电流

我们的电路板对供电部分进行开窗处理，必要时可通过向开窗部分焊锡和加装散热片提高散热：
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3.2 更换电机驱动芯片

我们可以根据电机需要的电压和电流对驱动芯片进行更换：
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3.3 电容选择

我们使用220uF固态电容作为稳压元件，固态电容具有较低的等效串联电阻和快速的电荷释放能力，对高频信号的阻抗更低，能够更高效地滤除高频噪声，相比传统电解电容在高温下具有更稳定的性能和更长的使用寿命，你也可以选择高频低电阻铝电解电容：
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3.4 PWM输出芯片地址位选择

我们可以通过焊接扩展板背面短路点来设置PWM扩展芯片地址位，注意四个地址位必须都焊接，默认地址位浮空：
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3.5 沉金工艺

部分配置采用沉金工艺，确保焊接质量和延长电路板的使用寿命。
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4.提供代码和使用须知

在使用烧录完程序后的主控板通过扩展板控制电机前，务必确保电机和通信接线正确，供电无误：
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示例代码包括以下版本：

  • MicroPython版本：总线电机扩展板MicroPython示例程序
  • Arduino版本：总线电机扩展板Arduino示例程序

5.定制化选择

你的模块，何必千篇一律？我们已经厌恶了市面上开源硬件厂商提供的一模一样的电子模块，类似如下：
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为什么我们买的的模块都是一模一样的？而不能是像买手机或者电脑一样，对其配色和配置可以选择？
秋刀鱼会过期，肉罐头会过期，连保鲜纸都会过期，但是我们持续满足玩家个性化需求的意愿永不过期！

购买我们的模块，无论是选择散件发货还是成品发货，都可以对排母的高低、排针颜色、电容类型和电机驱动芯片类型进行选择：
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甚至于电路板的颜色和阻焊类型也可以进行选择：
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是的，再出高价，也可以把我们的logo换掉！！！：
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6.获取链接

  • 硬件开源链接：硬件开源资料链接

7.设计思路

I2C总线电机扩展板类型可以分为I2C总线PWM电机控制类型和I2C总线外置主控电机控制类型两种：
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I2C总线PWM电机控制类型的基本原理为：使用主控板通过I2C通信接口控制一个独立的PWM芯片来生成多路PWM信号，并将其传输到电机驱动芯片，控制电机的速度和方向：
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I2C总线外置主控电机控制类型的基本原理为：主控板通过I2C接口与电机驱动板上芯片进行通信，电机驱动板上内置芯片读取主控板的指令、数据或状态，并根据这些信息控制电机驱动芯片的工作（例如：调整电机转速、改变电机方向等）：
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两种方式各有侧重：

  • I2C总线PWM电机控制类型：适合简单、直接的电机控制，结构简单，控制方式易于实现。
  • I2C总线外置主控电机控制类型：可以实现更复杂的电机控制算法（例如：PID控制、电机状态监测等）。

做这块板的核心设计想法：

  • 小尺寸，可以和我的XIAO系列主控板搭配，也可以作为外置模块直接使用
  • 电机驱动芯片烧坏时，可轻易更换电机驱动芯片
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8.参考资料

  • https://github.com/Seeed-Studio/grove.py/blob/master/grove/motor/i2c_motor_driver.py
  • https://github.com/Seeed-Studio/grove.py/blob/master/grove/grove_i2c_motor_driver.py
  • https://github.com/adafruit/micropython-adafruit-pca9685/blob/master/stepper.py
  • https://wiki.seeedstudio.com/Grove-I2C_Motor_Driver-TB6612FNG/
  • https://wiki.seeedstudio.com/Grove-I2C_Motor_Driver_V1.2/
  • https://wiki.seeedstudio.com/Grove-I2C-Motor-Driver-L298P/
  • https://item.taobao.com/item.htm?id=627007991368
  • https://www.adafruit.com/product/3243

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