Motoren ansteuern

Um einen Motor mit einem Microcontroller anzusteuern, könnten Sie auf die Idee kommen diesen, wie eine LED, direkt an einen GPIO-Pin anzuschließen. Dies ist jedoch eine sehr schlechte Idee. Hier wollen wir uns anschauen warum und welche Lösung es dafür gibt.

Leistungsaufnahme eines Motors.

KI generated

Hinweis

Je nach Wahl des genauen Motors können die folgenden Werte natürlich variieren. Als Beispiel nehmen wir einen TT Motor, wie er häufig in kleinen Robotern verwendet wird.

Sie können diese Motoren mit 3V bis 6V betreiben, wobei sie bei höheren Spannungen natürlich etwas schneller laufen. Wenn Sie ins Datenblatt schauen oder selbst Messungen durchführen können z.B. folgende Werte ermittelt werden:

anliegende Spannung	Stromaufnahme (Leerlauf)	Stromaufnahme (Stillstand)
3V	150 mA (120 U/min)	1,1 A
4,5V	155 mA (185 U/min)	1,2 A
6V	160 mA (250 U/min)	1,5 A

Probleme

Wenn Sie die Werte genauer ansehen, ist Ihnen eventuell aufgefallen, dass unser ESP32 nicht mit 6V sondern nur 3.3V arbeitet. Wir könnten den Motor also garnicht mit voller Geschwindigkeit laufen lassen.

Das zweite, und viel größere Problem ist jedoch, dass ein GPIO-Pin des Microcontrollers max 40mA liefern kann.

Gefahr

Zieht unser Motor einen Strom von 150mA kann das dazu führen, dass der GPIO-Pin dauerhaft beschädigt wird.

Lösung

Je nach Anwendungsfall gibt es verschiedene Lösungsmöglichkeiten für dieses Problem.

• Nutzen eines Transistors zur Ansteuerung
• Nutzen einer H-Brücke zur Ansteuerung
• Nutzen eines Motor-Treiber-ICs

Für den Bau eines kleinen Roboters, wie unserem Space Rover, ist die Nutzung von Motor-Treiber-ICs die beste Lösung, da diese bereits alle nötigen Komponenten enthalten und einfach zu nutzen sind.

Den richtigen Motortreiber auswählen

Auf dem Markt auch eine Reihe von fertigen ICs für die Motoransteuerung. Bekannte Motortreiber sind z.B der L298N, L293D, DRV8833, TB6612FNG, …

Wir wollen uns hier den L293D und den DRV8833 genauer anschauen, da diese beiden Treiber sehr beliebt sind und sich gut vergleichen lassen.

LL293D vs DRV8833

Strom und Spannung:

• L293D: Bis 36V, max 600mA pro Kanal (kurzfristig: 1.2 A)
• DRV8833: 2.7V - 10.8V, max 1.5A pro Kanal (kurzfristig: 2A)

Wirkungsgrad:

• LN293D: Bipolartransistoren (hohe Wärmeentwicklung, Spannungsverlust ~1.5V)
• DRV8833: MOSFET-Technologie (weniger Hitzeentwicklung, niedriger Spannungsabfall)

Fazit: Der DRV8833 ist erheblich effizienter und bleibt kühler.

Preis:

• L293D: Tendenziell günstiger, aber mit dem Nachteil der geringeren Effizienz
• DRV8833: Etwas teurer, aber modernes Design und bessere Leistung

• Wir haben einen passenden Motortreiber für unser Projekt ausgewählt.

Entscheidungshilfe

• L293D: Wenn du höhere Spannungen (z. B. 24 V) brauchst und Effizienz nicht so wichtig ist.
• DRV8833: Für batteriebetriebene Anwendungen, kleine Motoren (bis 10 V) besser geeignet.

Aber auch weitere Treiber wie der TB6612FNG oder L298N könnten für unser Projekt genutzt werden.

Anschluss des Motortreibers

Je nach gewähltem Motortreiber gibt es unterschiedliche Möglichkeiten diesen an den ESP32 anzuschließen. Hier wollen wir uns die beiden Treiber L293D und DRV8833 anschauen. Beide Treiber sind Dual H-Brücken Treiber, das heißt sie können zwei Motoren in beide Richtungen steuern.

Das Pinout oder Datenblatt liefert uns die nötigen Informationen zu den Anschlüssen des ICs.

Pinout/Datenblatt

L293D

DRV8833

Neben dem reinen Chip, welcher nicht als Breadboard kompatibles Design verfügbar ist, gibt es auch Module, auf denen der Chip bereits verbaut ist. Der Anschluss solcher Module ist dann relativ einfach.

Hinweis

Die Pins 5 und 6 können auch durch andere Pins am ESP32 ersetzt werden.[^1]

Power Pins

Die meisten Motortreiber haben separate Pins für die Versorgung der Logik und der Motoren. Die Logik wird typischerweise mit 5V versorgt, während die Motoren mit einer höheren Spannung betrieben werden können (z.B. 6V, 12V, …).

L293D

• VSS: Versorgungsspannung für die Logik (5V)
• VS: Versorgungsspannung für die Motoren (4.5V - 36V)

DRV8833

Fertige Module haben oft Spannungsregler integriert, so dass die Versorgung der Logik auch mit der gleichen Spannung wie die Motoren erfolgen kann.

• VCC: Versorgungsspannung für Logik und Motoren (2.7V - 10.8V)

Richtung festlegen

Die Richtung des Motors wird durch die Pins IN1 und IN2 festgelegt.

IN1	IN2	Motorbewegung
LOW	LOW	Stop
HIGH	LOW	Vorwärts
LOW	HIGH	Rückwärts
HIGH	HIGH	Stop

Geschwindigkeit steuern

L293D

Über den Pin EN A kann die Geschwindigkeit des Motors eingestellt werden.

• Ist der Pin EN A LOW, stoppt der Motor.
• Ist der Pin EN A HIGH, läuft der Motor mit voller Geschwindigkeit.
• Für eine Variable Geschwindigkeit kann der Pin EN A auch mit einem PWM-Signal angesteuert werden.

Alternative

Sie können auch den EN1 Pin dauerhaft auf HIGH setzen und die Geschwindigkeit über die Pins IN1 und IN2 steuern.

DRV8833

Das Modul hat keinen enable Pin. Sie steuern die Geschwindigkeit des Motors über die Pins IN1, IN2 indem Sie ein PWM Signal verwenden.

Ausgangssignale

An den beiden Ausgangssignalen OUT1 und OUT2 liegt die Spannung an, die den Motor antreibt.

Hinweis

Den zweiten Motor steuern Sie equivalent mit IN3, IN4 und EN B.

Logik in Klasse Motor kapseln

Es ist eine gute Praxis die Logik zur Ansteuerung eines Motors in einer eigenen Klasse zu kapseln. Diese Klasse schreiben wir in ein eigenes Modul (motor.py) und könnte dann wie folgt aussehen:

motor.py

from machine import Pin, PWM
import time

class DCMotor:
    """ Klasse zur Ansteuerung eines Gleichstrommotors über eine H-Brücke.
        Enable Pin wird nicht genutzt, stattdessen wird die Geschwindigkeit über die IN Pins gesteuert.
        Verbinden Sie den Enable Pin mit VCC, damit der Motor immer aktiviert ist.
    """

    def __init__(self, in1_pin, in2_pin, freq=10000):
        # Set up the direction pins (in1 and in2)
        self._in1 = PWM(Pin(in1_pin, Pin.OUT), freq=freq, duty_u16=0)
        self._in2 = PWM(Pin(in2_pin, Pin.OUT), freq=freq, duty_u16=0)

        self._speed = 0

    @property
    def speed(self):
        return self._speed

    @speed.setter
    def speed(self, value: None | int):
        if value is not None and (value < -65535 or value > 65535):
            raise ValueError("Only values between -65535 and 65535 are allowed.")

        if value is None:
            self._in1.duty_u16(0)
            self._in2.duty_u16(0)
        elif value == 0:   # brake (set both pin high)
            self._in1.duty_u16(0xFFFF);
            self._in2.duty_u16(0xFFFF);
        else:
            speed = abs(value)
            if value < 0:
                self._in1.duty_u16(0)
                self._in2.duty_u16(speed)
            else:
                self._in1.duty_u16(speed)
                self._in2.duty_u16(0)

Die Klasse vereinfacht die Ansteuerung des Motors, da wir uns nicht mehr um die Details der Pins kümmern müssen, sondern einfach die Geschwindigkeit über die speed Eigenschaft einstellen können.

Zur Verwendung in der main.py importieren wir die Klasse DCMotor aus unserem Modul motor und erstellen eine Instanz davon.

main.py

from time import sleep
from motor import DCMotor
motor = DCMotor(in1_pin=5, in2_pin=18)
while True:
    motor.speed = 30000  # Motor läuft vorwärts mit halber Geschwindigkeit
    sleep(2)
    motor.speed = -30000 # Motor läuft rückwärts mit halber Geschwindigkeit
    sleep(2)

Tipp

Für unseren Roboter benötigen wir zwei Motoren, also können wir einfach eine zweite Instanz der Klasse DCMotor erstellen.

Aufgabe: Praxisübung

1. Bauen Sie folgende Schaltung auf. Hinweis: Aufbau ist in Wokwi nur bedingt möglich.

   Start Lab in Wokwi

2. Laden Sie das Module motor.py auf Ihren ESP32 und importieren Sie die Klasse DCMotor in Ihre main.py.

3. Testen Sie die Ansteuerung des Motors, indem Sie die Geschwindigkeit über die speed Eigenschaft verändern.

   • Motor läuft in beide Richtungen
   • Motor kann auch angehalten werden
   • Geschwindigkeit kann variiert werden

Kontrollfragen

Teste dein Wissen

1. Warum sollte ein Motor nicht direkt an einen GPIO-Pin angeschlossen werden?

   1. Der Motor benötigt eine höhere Spannung als der GPIO-Pin liefern kann.

   2. Der Motor kann nicht mit Gleichstrom betrieben werden.

   3. Der Motor zieht zu viel Strom und kann den GPIO-Pin beschädigen.

   Absenden

2. Welche Vorteile hat der DRV8833 gegenüber dem L293D?

   1. Kann größere Spannungen verarbeiten.

   2. Bessere Effizienz und geringere Wärmeentwicklung.

   3. Günstigerer Preis.

   Absenden

3. Wie wird die Richtung eines Motors mit einer H-Brücke gesteuert?

   1. Durch die Steuerung der Eingänge IN1 und IN2.

   2. Durch die Änderung der Versorgungsspannung.

   3. Durch die Änderung der Frequenz des PWM-Signals.

   Absenden

4. Wie kann die Geschwindigkeit eines Motors gesteuert werden?

   1. Durch die Änderung der Pulsweite (Duty Cycle).

   2. Durch die Änderung der Versorgungsspannung.

   3. Durch die Änderung der Frequenz des PWM-Signals.

   Absenden

5. Welche Vorteile hat die Kapselung der Motorsteuerung in einer eigenen Klasse?

   1. Erhöhte Leistung des Motors.

   2. Reduzierter Stromverbrauch.

   3. Vereinfachte Nutzung und bessere Wartbarkeit des Codes.

   Absenden