龙芯2k0300 - 走马观碑组PWM驱动移植

在《龙芯2k0300 - 走马观碑组第21届智能汽车竞赛软硬件设计》中我们使用了DRV8701双路电机驱动，DRV8701双路电机驱动采用门极驱动芯片DRV8701E + N-MOS管TPH1R403NL方案，输入电源5.9V ~ 28V均可使用，带过流保护功能。

一、DRV8701双路电机驱动

其中

• PH-6P接口用来隔离供电以及信号输入；
• 红色端子同来提供直流电压输入，输入电压5.9-28V，一般大小为电机可承受的最大电压；
• 蓝色端子是直流电压输出，输出电压与输入PWM值正相关，连接到电机上。

1.1 电路原理图

电路原理图如下：

1.1.1 DRV8701E

DRV8701E是德州仪器 (TI) 的一款单H桥栅极驱动器，专门用来控制外部的4个N沟道MOSFET，关键特性；

• 控制接口：它采用PH/EN (相位/使能)逻辑接口。这意味着你只需要两个GPIO信号就能控制电机的正转、反转、刹车和滑行，逻辑非常清晰。
• 自举供电：它内置了一个电荷泵 (Charge Pump)，可以产生驱动高侧N-MOS管所需的高于电源电压的栅极驱动电压（通常为 9.5V），这使得它可以高效地驱动高侧开关。
• 可调驱动强度：它有一个 IDRIVE 引脚，可以通过一个电阻来调节栅极的驱动电流（从6mA到150mA）。在龙邱方案中（5.9V-28V 输入），这个功能非常有用，可以根据电源电压调整开关速度，平衡开关损耗和电磁干扰 (EMI)。
• 电流检测与保护：它内置了电流检测放大器，配合外部采样电阻，可以实现 PWM电流斩波（限制启动或堵转电流）。同时具备欠压锁定 (UVLO)、过流保护 (OCP) 和热关断 (TSD) 功能。

1.1.2 TPH1R403NL

这是一款Toshiba的N沟道MOSFET，这里会用到4颗（H桥结构），关键特性；

• 超低导通电阻：它的\(R_{DS(ON)}\)典型值仅为1.7 mΩ (在\(V_{GS}=4.5V\)时)。这是一个非常惊人的低数值，意味着导通损耗极低，发热小，效率极高；
• 大电流能力：单颗芯片的漏极电流可达60A-150A（取决于测试条件），配合DRV8701E的强驱能力，足以应对大扭矩电机的启动电流。
• 低门槛电压：它支持4.5V的低电压逻辑驱动。这与DRV8701E在电池供电（如5.9V-12V）时的输出电压完美匹配，确保在电池电压下降时MOS管依然能完全导通，避免烧管。

1.1.3 74HC125PW

74HC125PW是一款非常经典的数字逻辑芯片，它的核心身份是“四路缓冲器/线路驱动器”，并且带有三态输出功能。

可以把它想象成4个独立的电子开关；

• 缓冲/驱动（增强信号）：当开关“打开”时，它会将输入的信号（0或1）原样输出，但输出能力更强。比如，单片机的引脚电流很小，带不动大功率负载，通过74HC125后，就能驱动更重的负载（比如长导线或更多的逻辑门）；
• 三态输出（关键功能）： 这是它最特别的地方。普通的芯片输出只有“高电平（1）”和“低电平（0）”。而74HC125有第三种状态高阻态，高阻态相当于开关断开，这根线就像悬空一样，既不输出高也不输出低，对电路没有任何影响。

它还可以用来隔离信号，防止不同模块之间的信号干扰。

1.2 控制原理

DRV8701有两种控制模式：PH/EN模式以及PWM模式，DRV8701芯片表面印的字，最后会有一个字母，决定了它的工作逻辑：

• DRV8701E（后缀是 E）芯片内部电路被设计为PH/EN模式，此时，15号引脚被定义为PH（方向），14号引脚被定义为EN（使能）；
• DRV8701P（后缀是 P）：芯片内部电路被设计为 PWM (IN1/IN2) 模式。此时，15号引脚被定义为IN1，14 号引脚被定义为 IN2。

1.2.1 PH/EN模式

这种模式使用PH(Phase/相位)和EN(Enable/使能)两个信号来控制电机。逻辑非常直观，适合单片机控制。

1.2.2 PWM模式

这种模式使用IN1和IN2两个信号直接控制H桥的上下臂，通常用于直接输入PWM波的场景。

1.2.3 H桥工作原理

更多H桥工作原理内容可以参考《H桥工作原理》。

1.3 逻辑控制

1.3.1 控制逻辑

经过前面的分析，不难得出电机控制逻辑；

nSLEEP	PWM1(EN/IN2)	GPIO1（PH/IN1）	电机状态
0	X	X	电机停止
1	0	X	刹车（续流）
1	1	0	反转
1	1	1	正转

所以我们给引脚GPIO1为高电平，然后引脚PWM1输入PWM就可以进行电机调速控制。

当PWM波的占空比越大时，蓝色端子输出的电压值与红色端子的电压值越接近，反之则与0V越接近。

PWM波的频率不可以随意设置，频率太低会导致电机运转不畅，振动大，噪音大；频率太高会导致驱动器开关损耗较大，甚至有电机会啸叫而不转的情况。一般1k~30k的PWM频率较为普遍，几百Hz的也有，实际上需要根据电机功率在测试时确定合适的PWM频率范围为宜。

1.3.2 硬件接线

久久派底版控制口原理图如下：

DRV8701双路电机驱动板与龙芯2K0300开发板的连接关系需严格对应，连接表如下：

电机驱动板	功能	连接的龙芯GPIO	说明
3.3V	提供工作电压	3.3V	接3.3V
PWM1	电机PWM控制	GPIO65（SPI2_MISO）	电机PWM控制
GPIO1	电机使能	GPIO75（CAN3_TX）	电机使能
PWM2	电机PWM控制	GPIO66（SPI2_MOSI）	电机PWM控制
GPIO2	电机使能	GPIO74（CAN3_RX）	电机使能
GND	电源共地，确保电压稳定性	GND	必须可靠接地，否则可能出现显示异常

二 PWM设备驱动

PWM相关可参考《Rockchip RK3399 - GPIO&PWM风扇调试》，龙芯提供的内核源码已支持。

2.1 内核配置

2.2 PWM驱动

2.3 新增设备节点

三、应用程序

3.1 main

3.2 Makefile

3.3 编译应用程序

四、测试

4.1 烧录设备树

4.2 应用程序测试

参考文章：

[1] 基于直流有刷电机的速度闭环控制以及matlab仿真

[2] STM32F103直流有刷电机速度闭环控制

[3] Rockchip RK3399 - GPIO&PWM风扇调试