การใช้งาน Maker Drive: Simplifying H-Bridge Motor Driver for Beginner โมดูลขับมอเตอร์อย่างง่าย

ESP32-S3

Maker Motor Driver

N20 Micro Metal Gear Motor with Encoder – 6V 33RPM

จากอุปกรณ์ที่คุณมี

• ESP32-S3
• Maker Drive
• N20 Gear Motor + AB Encoder จำนวน 1 หรือ 2 ตัว
• Battery 7.4V (18650 จำนวน 2 ก้อน)

เราจะทดลองให้มอเตอร์หมุน พร้อมอ่านค่า Encoder แบบ Real-Time

1. ทำความเข้าใจ Maker Drive

Maker Drive เป็นโมดูล H-Bridge แบบ Dual Channel

สามารถควบคุมมอเตอร์ DC ได้ 2 ตัว

แต่ละช่องมี

Motor A
- DIRA
- PWMA

Motor B
- DIRB
- PWMB

หลักการทำงาน

DIR = ทิศทางหมุน

PWM = ความเร็ว

ตัวอย่าง

DIR = HIGH
PWM = 150

=> หมุนไปข้างหน้า

DIR = LOW
PWM = 150

=> หมุนย้อนกลับ

2. ขั้วต่อบน N20 Encoder

มอเตอร์ N20 Encoder ส่วนใหญ่จะมีสาย 6 เส้น

Motor +
Motor -

Encoder VCC
Encoder GND

Encoder A
Encoder B

ตัวอย่างสีที่พบบ่อย

แดง     = Motor +
ดำ      = Motor -

เหลือง = Encoder A
ขาว    = Encoder B

น้ำเงิน = VCC
เขียว   = GND

แต่ควรตรวจสอบจาก Datasheet หรือใช้มัลติมิเตอร์วัดก่อน

3. การต่อวงจร

มอเตอร์

N20

Motor+ -------- MA+
Motor- -------- MA-

บน Maker Drive

MA+
MA-

4. ต่อ Encoder เข้ากับ ESP32-S3

Encoder ของ N20 เป็นแบบ Quadrature Encoder

มีสัญญาณ

A
B

ต่อดังนี้

Encoder VCC
→ 3.3V

Encoder GND
→ GND

Encoder A
→ GPIO4

Encoder B
→ GPIO5

สรุป

ESP32-S3

GPIO4 ← Encoder A

GPIO5 ← Encoder B

3.3V  ← Encoder VCC

GND   ← Encoder GND

5. ต่อ Maker Drive กับ ESP32-S3

ตัวอย่างกำหนดขา

DIRA → GPIO12

PWMA → GPIO13

ต่อสาย

Maker Drive

DIRA ← GPIO12

PWMA ← GPIO13

GND  ← GND

สำคัญมาก

ESP32 GND
Maker Drive GND
Battery GND

ต้องต่อร่วมกันทั้งหมด

Common Ground

6. การต่อแบตเตอรี่

ใช้แบตเตอรี่ 18650 จำนวน 2 ก้อน

3.7V + 3.7V

ต่ออนุกรม

7.4V Nominal

8.4V Full Charge

ต่อเข้าที่

Battery +

→ VMOT

Battery -

→ GND

บน Maker Drive

แผนผังรวม

Battery 7.4V
      |
      |
      v

+----------------+
|   Maker Drive  |
|                |
| VMOT      GND  |
|                |
| DIRA      PWMA |
+----------------+
      |       |
      |       |
GPIO12       GPIO13
      |       |
+----------------+
|    ESP32-S3    |
+----------------+

GPIO4  <--- Encoder A
GPIO5  <--- Encoder B

3V3    ---> Encoder VCC
GND    ---> Encoder GND

Maker MA+ ---> Motor+
Maker MA- ---> Motor-

7. หลักการอ่าน Encoder

Encoder จะสร้าง Pulse

ตัวอย่าง

A

__----__----__----__

B

----__----__----__--

ESP32 จะนับ Pulse

Pulse = 100

หมายความว่า

ล้อหมุนไปแล้ว 100 Tick

8. วิธีคำนวณรอบหมุน

สมมุติ Encoder

12 PPR

และ Gear Ratio

1:30

จะได้

12 × 30

= 360 Pulse / รอบล้อ

ถ้านับได้

360 Pulse

แปลว่า

ล้อหมุนครบ 1 รอบ

9. วิธีคำนวณระยะทาง

สมมุติล้อ

เส้นผ่านศูนย์กลาง

32 mm

เส้นรอบวง

π × D

3.1416 × 32

= 100.5 mm

ล้อหมุน 1 รอบ

= 100.5 mm

ถ้า Encoder

360 Pulse

จะได้

1 Pulse

=

100.5 / 360

=

0.279 mm

ดังนั้น

100 Pulse

=

27.9 mm

10. เป้าหมายการทดลองแรก

ทดลอง 3 อย่าง

ทดสอบที่ 1

PWM = 100

หมุน 3 วินาที

หยุด

ทดสอบที่ 2

แสดงค่า Encoder

Pulse Count

บน Serial Monitor

ทดสอบที่ 3

สั่งให้หยุดเมื่อครบ

500 Pulse

เช่น

while(pulseCount < 500)
{
   Motor Forward
}

Motor Stop

จากตัวอย่างการต่อวงจรก่อนหน้า

DIRA  -> GPIO12
PWMA  -> GPIO13

DIRB  -> GPIO14
PWMB  -> GPIO15

ไฟล์ motordriver_1.0.ino

/*
  motordriver_1.0.ino
  ESP32-S3 + Maker Drive
  Test Motor A and Motor B

  DIRA -> GPIO12
  PWMA -> GPIO13

  DIRB -> GPIO14
  PWMB -> GPIO15
*/

const int DIRA = 12;
const int PWMA = 13;

const int DIRB = 14;
const int PWMB = 15;

// PWM Configuration
const int PWM_FREQ = 1000;
const int PWM_RESOLUTION = 8;   // 0-255

void setup()
{
  Serial.begin(115200);

  pinMode(DIRA, OUTPUT);
  pinMode(DIRB, OUTPUT);

  // ESP32 Core 3.x
  ledcAttach(PWMA, PWM_FREQ, PWM_RESOLUTION);
  ledcAttach(PWMB, PWM_FREQ, PWM_RESOLUTION);

  stopMotor();

  Serial.println();
  Serial.println("=================================");
  Serial.println("Micromouse Motor Driver Test");
  Serial.println("Maker Drive + ESP32-S3");
  Serial.println("=================================");
}

void loop()
{
  Serial.println("Motor Forward");

  motorForward(150);

  delay(3000);

  stopMotor();

  delay(1000);

  Serial.println("Motor Reverse");

  motorReverse(150);

  delay(3000);

  stopMotor();

  delay(2000);
}

void motorForward(int speedValue)
{
  digitalWrite(DIRA, HIGH);
  digitalWrite(DIRB, HIGH);

  ledcWrite(PWMA, speedValue);
  ledcWrite(PWMB, speedValue);
}

void motorReverse(int speedValue)
{
  digitalWrite(DIRA, LOW);
  digitalWrite(DIRB, LOW);

  ledcWrite(PWMA, speedValue);
  ledcWrite(PWMB, speedValue);
}

void stopMotor()
{
  ledcWrite(PWMA, 0);
  ledcWrite(PWMB, 0);
}

ผลลัพธ์ที่ควรได้

Motor Forward
(หมุนไปข้างหน้า 3 วินาที)

หยุด 1 วินาที

Motor Reverse
(หมุนย้อนกลับ 3 วินาที)

หยุด 2 วินาที

วนซ้ำ

หากมอเตอร์หมุนทิศทางไม่ถูกต้อง

ให้สลับสาย

MA+ <-> MA-

หรือ

MB+ <-> MB-

โดยไม่ต้องแก้โค้ด

ขั้นต่อไปที่ควรทำคือ motordriver_1.1.ino

• เพิ่ม Encoder A/B
• แสดง Pulse Count บน Serial Monitor
• นับจำนวน Tick ของล้อ
• คำนวณ RPM ของมอเตอร์

สำหรับ motordriver_1.1.ino เราจะเพิ่มความสามารถดังนี้

• ควบคุมมอเตอร์ผ่าน Maker Drive
• อ่าน Encoder A/B
• นับ Pulse
• คำนวณ Tick
• คำนวณ RPM ทุก 1 วินาที
• แสดงผลบน Serial Monitor

การต่อวงจร

Encoder VCC -> 3.3V
Encoder GND -> GND

Encoder A -> GPIO4
Encoder B -> GPIO5

DIRA -> GPIO12
PWMA -> GPIO13

หาก Encoder ของคุณเป็นแบบ Hall Sensor 3.3V สามารถต่อเข้ากับ ESP32-S3 ได้โดยตรง

ไฟล์ motordriver_1.1.ino

/*
  motordriver_1.1.ino

  ESP32-S3
  Maker Drive
  N20 Motor + AB Encoder

  DIRA -> GPIO12
  PWMA -> GPIO13

  Encoder A -> GPIO4
  Encoder B -> GPIO5
*/

const int DIRA = 12;
const int PWMA = 13;

const int ENCODER_A = 4;
const int ENCODER_B = 5;

volatile long encoderCount = 0;

unsigned long lastRPMTime = 0;
long lastEncoderCount = 0;

const int PWM_FREQ = 1000;
const int PWM_RESOLUTION = 8;

const int MOTOR_SPEED = 150;

/*
  ปรับตาม Encoder จริงของคุณ

  ตัวอย่าง:
  Encoder Disc = 12 PPR
  Gear Ratio = 30

  12 x 30 = 360 Pulse / Wheel Revolution
*/

const float PULSE_PER_REV = 360.0;

void IRAM_ATTR encoderISR()
{
  bool A = digitalRead(ENCODER_A);
  bool B = digitalRead(ENCODER_B);

  if (A == B)
  {
    encoderCount++;
  }
  else
  {
    encoderCount--;
  }
}

void setup()
{
  Serial.begin(115200);

  pinMode(DIRA, OUTPUT);

  pinMode(ENCODER_A, INPUT_PULLUP);
  pinMode(ENCODER_B, INPUT_PULLUP);

  attachInterrupt(
    digitalPinToInterrupt(ENCODER_A),
    encoderISR,
    CHANGE
  );

  ledcAttach(PWMA, PWM_FREQ, PWM_RESOLUTION);

  Serial.println();
  Serial.println("=================================");
  Serial.println("Micromouse Encoder Test");
  Serial.println("ESP32-S3 + Maker Drive");
  Serial.println("=================================");

  motorForward(MOTOR_SPEED);

  lastRPMTime = millis();
}

void loop()
{
  if (millis() - lastRPMTime >= 1000)
  {
    long currentCount = encoderCount;

    long pulseDelta =
      currentCount - lastEncoderCount;

    float rpm =
      (pulseDelta * 60.0) /
      PULSE_PER_REV;

    Serial.print("Pulse Count : ");
    Serial.print(currentCount);

    Serial.print("    Delta : ");
    Serial.print(pulseDelta);

    Serial.print("    RPM : ");
    Serial.println(rpm);

    lastEncoderCount = currentCount;
    lastRPMTime = millis();
  }
}

void motorForward(int speedValue)
{
  digitalWrite(DIRA, HIGH);
  ledcWrite(PWMA, speedValue);
}

void motorReverse(int speedValue)
{
  digitalWrite(DIRA, LOW);
  ledcWrite(PWMA, speedValue);
}

void stopMotor()
{
  ledcWrite(PWMA, 0);
}

ผลลัพธ์บน Serial Monitor

Pulse Count : 356    Delta : 356    RPM : 59.3
Pulse Count : 714    Delta : 358    RPM : 59.7
Pulse Count : 1072   Delta : 358    RPM : 59.7
Pulse Count : 1429   Delta : 357    RPM : 59.5

การตรวจสอบค่า PULSE_PER_REV ที่แท้จริง

เนื่องจาก N20 Encoder แต่ละรุ่นไม่เท่ากัน ให้ทดลองดังนี้

1. ทำเครื่องหมายที่ล้อ 1 จุด
2. หมุนให้ครบ 1 รอบพอดี
3. ดูค่า Pulse Count

ตัวอย่างแสดงว่า

const float PULSE_PER_REV = 420.0;

ค่าที่วัดจริงจะแม่นยำกว่าการคำนวณจาก Datasheet

motordriver_1.2.ino ซึ่งถือเป็นพื้นฐานของระบบ Odometry ที่ใช้จริงใน Micromouse

ความสามารถที่เพิ่มขึ้น

• อ่าน Encoder ซ้ายและขวาพร้อมกัน
• คำนวณ RPM ซ้ายและขวา
• คำนวณความเร็ว mm/s
• คำนวณระยะทางสะสม
• แสดงผลบน Serial Monitor ทุก 1 วินาที

การต่อวงจร

Motor Left

DIRA -> GPIO12
PWMA -> GPIO13

Motor Right

DIRB -> GPIO14
PWMB -> GPIO15

Encoder Left

Encoder A -> GPIO4
Encoder B -> GPIO5

Encoder Right

Encoder A -> GPIO6
Encoder B -> GPIO7

การกำหนดค่าล้อ

ตัวอย่างล้อ Micromouse

const float WHEEL_DIAMETER_MM = 32.0;

เส้นรอบวงล้อ

π × 32

= 100.53 mm

PULSE_PER_REV

ต้องแก้ตาม Encoder จริงของคุณ

ตัวอย่าง

const float PULSE_PER_REV = 360.0;

หากยังไม่ทราบค่า ใช้ 360 ไปก่อน

---

motordriver_1.2.ino

/*
  motordriver_1.2.ino

  ESP32-S3
  Maker Drive
  Dual N20 Encoder Motor

  Features
  - Dual Encoder
  - RPM Left/Right
  - Speed mm/s
  - Distance mm
*/

const int DIRA = 12;
const int PWMA = 13;

const int DIRB = 14;
const int PWMB = 15;

const int ENCODER_L_A = 4;
const int ENCODER_L_B = 5;

const int ENCODER_R_A = 6;
const int ENCODER_R_B = 7;

volatile long encoderLeft = 0;
volatile long encoderRight = 0;

unsigned long lastTime = 0;

long lastLeftCount = 0;
long lastRightCount = 0;

float totalDistanceLeft = 0;
float totalDistanceRight = 0;

const float PULSE_PER_REV = 360.0;

const float WHEEL_DIAMETER_MM = 32.0;
const float WHEEL_CIRCUMFERENCE =
  3.1415926 * WHEEL_DIAMETER_MM;

const int PWM_FREQ = 1000;
const int PWM_RESOLUTION = 8;

void IRAM_ATTR leftEncoderISR()
{
  bool A = digitalRead(ENCODER_L_A);
  bool B = digitalRead(ENCODER_L_B);

  if (A == B)
    encoderLeft++;
  else
    encoderLeft--;
}

void IRAM_ATTR rightEncoderISR()
{
  bool A = digitalRead(ENCODER_R_A);
  bool B = digitalRead(ENCODER_R_B);

  if (A == B)
    encoderRight++;
  else
    encoderRight--;
}

void setup()
{
  Serial.begin(115200);

  pinMode(DIRA, OUTPUT);
  pinMode(DIRB, OUTPUT);

  pinMode(ENCODER_L_A, INPUT_PULLUP);
  pinMode(ENCODER_L_B, INPUT_PULLUP);

  pinMode(ENCODER_R_A, INPUT_PULLUP);
  pinMode(ENCODER_R_B, INPUT_PULLUP);

  attachInterrupt(
    digitalPinToInterrupt(ENCODER_L_A),
    leftEncoderISR,
    CHANGE
  );

  attachInterrupt(
    digitalPinToInterrupt(ENCODER_R_A),
    rightEncoderISR,
    CHANGE
  );

  ledcAttach(PWMA, PWM_FREQ, PWM_RESOLUTION);
  ledcAttach(PWMB, PWM_FREQ, PWM_RESOLUTION);

  motorForward(150);

  lastTime = millis();

  Serial.println();
  Serial.println("====================================");
  Serial.println("Micromouse Odometry Test");
  Serial.println("Version 1.2");
  Serial.println("====================================");
}

void loop()
{
  if (millis() - lastTime >= 1000)
  {
    long currentLeft = encoderLeft;
    long currentRight = encoderRight;

    long deltaLeft =
      currentLeft - lastLeftCount;

    long deltaRight =
      currentRight - lastRightCount;

    float rpmLeft =
      (deltaLeft * 60.0) /
      PULSE_PER_REV;

    float rpmRight =
      (deltaRight * 60.0) /
      PULSE_PER_REV;

    float speedLeft =
      (rpmLeft * WHEEL_CIRCUMFERENCE) / 60.0;

    float speedRight =
      (rpmRight * WHEEL_CIRCUMFERENCE) / 60.0;

    float distanceLeft =
      (deltaLeft * WHEEL_CIRCUMFERENCE) /
      PULSE_PER_REV;

    float distanceRight =
      (deltaRight * WHEEL_CIRCUMFERENCE) /
      PULSE_PER_REV;

    totalDistanceLeft += distanceLeft;
    totalDistanceRight += distanceRight;

    Serial.println();

    Serial.print("L Pulse=");
    Serial.print(currentLeft);

    Serial.print(" RPM=");
    Serial.print(rpmLeft);

    Serial.print(" Speed=");
    Serial.print(speedLeft);
    Serial.print(" mm/s");

    Serial.print(" Dist=");
    Serial.print(totalDistanceLeft);
    Serial.println(" mm");

    Serial.print("R Pulse=");
    Serial.print(currentRight);

    Serial.print(" RPM=");
    Serial.print(rpmRight);

    Serial.print(" Speed=");
    Serial.print(speedRight);
    Serial.print(" mm/s");

    Serial.print(" Dist=");
    Serial.print(totalDistanceRight);
    Serial.println(" mm");

    lastLeftCount = currentLeft;
    lastRightCount = currentRight;

    lastTime = millis();
  }
}

void motorForward(int pwm)
{
  digitalWrite(DIRA, HIGH);
  digitalWrite(DIRB, HIGH);

  ledcWrite(PWMA, pwm);
  ledcWrite(PWMB, pwm);
}

void motorReverse(int pwm)
{
  digitalWrite(DIRA, LOW);
  digitalWrite(DIRB, LOW);

  ledcWrite(PWMA, pwm);
  ledcWrite(PWMB, pwm);
}

void stopMotor()
{
  ledcWrite(PWMA, 0);
  ledcWrite(PWMB, 0);
}

ตัวอย่างผลลัพธ์

L Pulse=360 RPM=60.0 Speed=100.5 mm/s Dist=100.5 mm
R Pulse=358 RPM=59.7 Speed=100.0 mm/s Dist=100.0 mm

L Pulse=720 RPM=60.0 Speed=100.5 mm/s Dist=201.0 mm
R Pulse=716 RPM=59.7 Speed=100.0 mm/s Dist=200.0 mm

Link:https://www.genlogic.co.th/product/1002/maker-drive-simplifying-h-bridge-motor-driver-for-beginner-%E0%B9%82%E0%B8%A1%E0%B8%94%E0%B8%B9%E0%B8%A5%E0%B8%82%E0%B8%B1%E0%B8%9A%E0%B8%A1%E0%B8%AD%E0%B9%80%E0%B8%95%E0%B8%AD%E0%B8%A3%E0%B9%8C%E0%B8%AD%E0%B8%A2%E0%B9%88%E0%B8%B2%E0%B8%87%E0%B8%87%E0%B9%88%E0%B8%B2%E0%B8%A2?srsltid=AfmBOoogULK07Dp9zkpZIVlKCj5YRMPhhVTtJk333Oy_2EnGOu4Vli2d

http://wiki.fluidnc.com/en/hardware/ESP32-S3_Pin_Reference

https://www.robotics.org.za/N20-33RPM-ENC-6V

https://www.hackster.io/amal-shaji/reading-the-encoder-value-of-n20-motor-using-esp32-56575a