波仔
🍓 第十五章 硬件接口实验范例(一)：树莓派 WiFi 遥控视频车
📄 一句话概括

直流电机不能直连 GPIO，要靠 H 桥驱动板隔一层：方向由两根信号线定，速度由 PWM 占空比定，而电机的电必须来自自己的电池——只共地，不共电。

📝 本节和前面几节的关系

7-3／7-4 学的是【GPIO 输出电平】和【PWM 调亮度】，当时驱动的是 LED 这种毫瓦级负载；本节把同样的两件工具用在安培级负载上，于是必须插入一块驱动板来放大和隔离。所有【Pi 5 上 RPi.GPIO 失效】的结论（7-2）在这里继续有效：电机控制同样用 gpiozero ＋ lgpio。

一、为什么必须经驱动板

电机和 LED 的根本区别有三条，每条都足以烧掉树莓派：

  1. 电流量级不同：GPIO 单针安全电流约 10~16mA，TT 电机空转就近百毫安、堵转可达 0.6~0.8A——差两个数量级；
  2. 电机会【倒灌】：电机是电感，断电瞬间线圈要维持电流，会从转动的方向往回送一个远高于供电的反电动势尖峰。LED 没有这个问题，电机每次开关都有；
  3. 电机要正反转：GPIO 只会给高或低，没法把电压极性倒过来。

H 桥电路一次解决这三件事：用四个开关（现代用 MOSFET）搭成一个【桥】，电机挂在桥中间，改变对角开关的通断组合，就能改变电机两端电压的极性——这就是正转与反转的物理本质。

二、方向真值表：两根线定方向

以 L298N 的 Motor A 为例（IN1／IN2 两根方向线）：

IN1 IN2 结果
低 低 停止（滑行）
高 低 正转
低 高 反转
高 高 刹车（两端短接，急停）

Motor B 用 IN3／IN4，规则完全相同。记住【一高一低＝转，同高同低＝不转】，接线时就不会晕。

三、两块驱动板怎么选

L298N TB6612FNG
内部结构 双极型晶体管（老工艺） MOSFET（新工艺）
电压降 约 1.5~2V（发热形式浪费掉） 约 0.5V
发热 明显，要散热片 很小，通常不用散热片
单通道电流 2A 1.2A 连续／3.2A 峰值
逻辑电平 5V 兼容，3.3V 也认 3.3V 原生友好
额外引脚 — STBY 必须拉高才工作
适合 初学、12V 电机 电池车、追求效率

关键认识：L298N 那 1.5~2V 的压降不是小数目——6V 电机上等于白白损失三分之一的电压，车会明显没劲。做电池驱动的车，TB6612FNG 是更优解；手上的 L298N 也完全能跑，知道它的短板在哪就行。

四、gpiozero 的 Motor 类：把真值表封装掉

不需要自己写四路电平，Motor 类把方向＋速度合成一个对象：

from gpiozero import Motor

# 左电机：IN1=GPIO17、IN2=GPIO27、ENA=GPIO12（PWM）
left  = Motor(forward=17, backward=27, enable=12, pwm=True)
# 右电机：IN3=GPIO22、IN4=GPIO23、ENB=GPIO13（PWM）
right = Motor(forward=22, backward=23, enable=13, pwm=True)

left.forward(0.6)    # 正转，速度 60%
right.forward(0.6)

三个要点：

PWM 引脚选择：GPIO12／13／18／19 是硬件 PWM 引脚，用它俩（12、13）抖动量最小；用其他引脚会走软件 PWM，有一定抖动——但电机惯性大、能吸收抖动，所以电机控速对 PWM 抖动不敏感（这点和舵机完全不同，舵机必须硬件 PWM）。

五、电源铁律：只共地，不共电

这是整章最容易翻车的地方，五条背下来：

  1. 电机电源独立：电池正负极接驱动板的电机电源输入（L298N 的 +12V／VIN，TB6612 的 VM）；
  2. 只共地：树莓派的 GND 与驱动板的 GND 必须相连——PWM 信号需要一个共同的电压参考，不共地信号就是噪声；
  3. 绝不从驱动板反哺树莓派：L298N 板上的 5V 输出不要接到树莓派，电机启停的电压波动会顺着这条线灌进树莓派；
  4. 不接电机线到 GPIO：任何情况下电机两端都不碰 GPIO；
  5. 加一颗大电容（可选但推荐）：在电机电源输入端并一个几百微法的电解电容，吸收尖峰。

诊断口诀：如果电机一转树莓派就重启（或屏幕出现闪电图标），九成是第 1、3 条没做好——先查电源，再怀疑代码。

六、动手 Demo：两层验证法

照坑 49 的老规矩，先验软件链路、再接硬件。

第一层：不接电机，只验代码与 pin 配置

from gpiozero import Motor
from gpiozero import Device

print("pin factory =", Device.pin_factory)   # 应看到 LGPIOFactory 之类，不是 MockFactory
m = Motor(forward=17, backward=27, enable=12, pwm=True)
m.forward(0.5)
print("value =", m.value)                     # 期望 0.5，证明对象活着
m.stop()

看到什么算成功：打印出真实 pin factory（不是 MockFactory），且 value 能读回 0.5。这一步不接电机也能跑——它证明库、引脚号、PWM 对象都正常。

第二层：接上电机，跑四向测试

from gpiozero import Motor
from time import sleep

left  = Motor(forward=17, backward=27, enable=12, pwm=True)
right = Motor(forward=22, backward=23, enable=13, pwm=True)

def stop():
    left.stop(); right.stop()

try:
    print("前进"); left.forward(0.7); right.forward(0.7); sleep(2)
    print("后退"); left.backward(0.7); right.backward(0.7); sleep(2)
    print("左转"); left.backward(0.5); right.forward(0.5); sleep(1.5)
    print("右转"); left.forward(0.5); right.backward(0.5); sleep(1.5)
finally:
    stop()
    print("已停车")

看到什么算成功：车依次前进 → 后退 → 原地左转 → 原地右转 → 停下。原地转向的原理：左右轮一个正转一个反转，车体绕中心自转。

读结果：如果某个方向反了，有两种修法——① 把那台电机的两根输出线（OUT1／OUT2）对调；② 代码里把 forward 与 backward 的引脚号互换。改线更直观，改代码更省事，选一样即可，不要两边都改（改两次等于没改）。

30 秒实验

把 forward 的速度依次改成 0.1、0.2、0.3 各跑 2 秒，观察：

for s in (0.1, 0.2, 0.3):
    print("speed =", s)
    left.forward(s); right.forward(s)
    sleep(2)
    left.stop(); right.stop(); sleep(0.5)

你会看到某个值以下轮子纹丝不动或只嗡嗡响——那就是这台电机＋这套电池组合的起步阈值。这个实测值很有用：15-4 的前端滑杆下限就照它设，否则用户会觉得【按了没反应】。

七、常见误区

  1. ENA／ENB 跳线帽不用管 —— 必须拔！留着它 PWM 进不去，速度永远满速，你会以为代码写错了。
  2. 树莓派和电机用同一个电源、图省事 —— 电机启停会把噪声和电压跌落甩到同一个电轨上，轻则重启、重则坏 SD 卡；共地即可，不要共电。
  3. speed 给 0.05 就该微动 —— 真实电机有静摩擦和启动电压，低速不转是物理规律；先做上面的起步阈值实验，再定前端滑杆范围。
  4. 把 L298N 的 5V 输出接到树莓派 5V 脚上省一个充电宝 —— 这是本章最危险的做法：该 5V 由板载 78M05 从电池降压得到，电机负载一变它就波动，会直接冲击树莓派供电；务必让树莓派走自己的电源。
自测三问（点开对答案） 1. 为什么必须共地、却必须分开供电？ 共地是给 PWM 信号提供统一电压参考；分开供电是防止电机启停的噪声与电压跌落污染树莓派的电源。 2. ENA 跳线帽为什么必须拔掉？ 它把使能脚硬拉到高电平，PWM 信号进不去，导致只能控方向、不能控速度。 3. 电机最低能转到什么速度，是代码决定的吗？ 不是。取决于电机静摩擦、启动电压、负载与电池电压——用起步阈值实验实测，再拿去设前端滑杆下限。

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