Как работает драйвер l298n
Микросхема L298N представляет собой сдвоенный мостовой драйвер двигателей и предназначена для управления DC и шаговыми двигателями. Данная микросхема находит очень широкое применение в роботостроительстве. Одна микросхема L298N способна управлять двумя двигателями и обеспечивает максимальную нагрузку до 2А на каждый двигатель, а если задействовать параллельное включение для одного двигателя, то можно поднять максимальный ток до 4А.
В данной статье я хочу рассмотреть подключение к Arduino готового модуля L298N, которые очень широко представлены на популярном аукционе ebay, AliExpress и в др. местах. Можно конечно купить данную микросхему и в России и сделать самому шилд и всю обвязку, но сегодняшняя реальность такова, что при средней стоимости модуля на ebay в 5 долларов, все комплектующие при покупке у нас выйдут примерно также, а то и дороже. Не говоря уже про трудозатраты на изготовление печатной платы, пайку и т.д.
Сами модули на микросхемах L298N выглядят так:
Принципиальная схема такого модуля выглядит следующим образом:
Шилд имеет следующие пины подключения:
Vcc - подключение внешнего питания двигателей
+5 - питание логики
GND - общий
IN1, IN2, IN3, IN4 (разъем P4 на схеме) - входы управления двигателями
OUT1, OUT2 (разъем P2 на схеме) - выход первого двигателя
OUT3, OUT4 (разъем P3 на схеме) - выход второго двигателя
Выключатель S1 служит для переключения питания логической части микросхемы. Т.е. при включенном S1 питание логической части берется от внутреннего преобразователя модуля. При выключенном S1 питание берется от внешнего источника.
На модулях также присутствуют перемычки ENA и ENB для разрешения включения двигателей. Если необходимо, их можно также подключить к Arduino и задействовать, но это лишние 2 провода и в этих входах нет особого смысла.
ШИМ управление позволяет плавно изменять скорость вращение двигателя. Если нам не нужно ШИМ управление, то на соответствующий вход нужно просто подать логическую 1. На какой именно вход IN1 или IN2 вы подадите сигнал ШИМ, либо направление вращения - разницы не имеет. Тоже самое справедливо и для входов IN3, IN4.
Схема подключения шилда L298N к контроллеру Arduino:
Для питания логической части схемы необходимо нажать кнопку или вставить перемычку (зависит от типа модуля). Если же на вашем модуле не предусмотрен преобразователь 5В, то дополнительно, необходимо соединить вывод 5V от Arduino к входу +5 шилда.
Как видно из схемы выше, 2 и 4 вывод используются для установки направления движения, а 3 и 5 для ШИМ управления выводами.
Напишем тестовую программу, в которой мы будем в цикле изменять скорость вращения, а также направление вращения двигателей:
Одним из самых простых и недорогх способов управления двигателями постоянного тока является модуль L298N Motor Driver с Arduino. Он может контролировать скорость и направление вращения двух двигателей постоянного тока, а так же управлять биполярным шаговым двигателем (типа NEMA 17).
Технические параметры
► Напряжение питания логики модуля: 5 В
► Потребляемый ток встроенной логики: 36 мА
► Напряжение питания драйвера: 5 В – 35 В
► Рабочий ток драйвера: 2 А (пиковый ток 3 А)
► Габариты: 43.5 мм х 43.2мм х 29.4мм
Общие сведения
Основной чип модуля это микросхема L298N, состоящая из двух H-мост (H-Bridge), один для выхода A, второй для выхода B. H-мост широко используется в электронике и служит для изменения вращения двигателем, схема H-моста содержит четыре транзистора (ключа) с двигателем в центре, образуя H-подобную компоновку. Принцип работы прост, при одновременном закрытие двух отдельных транзистора изменяется полярность напряжения, приложенного к двигателю. Это позволяет изменять направление вращения двигателя. На рисунке ниже, показана работа H-мостовой схемы.
Для управления скоростью двигателя постоянного тока используется метод PWM (Широтно-импульсной модуляции).
Модуль L298N содержит разъем для подключения питания, ряд перемычек для настройки модуля, два выхода A и B и разъем управления, которые регулируют скорость и направление вращения, назначение каждого можно ознакомится ниже:
Принципиальная схема модуля L298N
Внимание! Нельзя установить перемычку, если напряжение двигателя ниже 12 Вольт.
Падение напряжения L298N
Падение напряжения драйвера L298N составляет около 2 В, это связано с внутренним падением напряжения в транзисторах в цепи H-мосте. Таким образом, если мы подключим 12 В к источнику питания двигателя, то двигатели получат напряжение около 10 В. Это означает, что двигатель на 12 В не будет работать с максимальной скоростью, для получения максимальной скорости, напряжение поданное на двигателя должен быть выше напряжения (2 В), чем потребность в фактическом напряжении двигателя. Учитывая падение напряжения на 2 В, если вы используете двигатели 5 В, вам необходимо обеспечить питание 7 В. Если у вас 12-ваттные двигатели, то напряжение питания вашего двигателя должно составлять 14 В.
Управления скоростью
Разъемы управления скоростью ENA и ENB используются для включения и выключения управления скоростью двигателей. Когда перемычка установлена, двигатель вращается с максимальной скоростью. Если необходимо управлять скоростью двигателей, необходимо убрать перемычку и подключить выводы к контактам с поддержкой PWM на Arduino.
Подключение L298N к Arduino (коллекторный двигатель)
Необходимые детали:
► Arduino UNO R3 x 1 шт.
► Драйвер мотора на L298N (5-35V, 2A) x 1 шт.
► Коллекторный двигатель x 2 шт.
► Комплект проводов DuPont 2.54 мм, 20 см x 1 шт.
Подключение:
Первым делом необходимо подключить источник питания 12B к двигателям, в примере используется распространенные двигатель постоянного тока, рассчитанные на 3B . . . 12B (применяемые в робототехнике). Учитывая внутреннее падение напряжения на микросхеме L298N, двигатели получат 10 В и будут вращаться не в полную силу.
Далее, нужно подключить 5 вольт на логическую схему L298N, для этого воспользуемся встроенным стабилизатором напряжения, который работает от источника питания двигателя, поэтому, перемычка EN должна быть установлена.
Теперь осталось подключить управляющие провода ENA, IN1, IN2, IN3, IN4 и ENB к шести цифровым выводам Arduino 9, 8, 7, 5, 4 и 3. Обратите внимание, что выводы Arduino 9 и 3 поддерживают ШИМ. Теперь, подключаем двигатели, один к клемме A (OUT1 & OUT2), а другой к клемме B (OUT3 & OUT4). Принципиальная схема подключения приведена ниже.
На этот раз, попробуем использовать более мощный двухканальный драйвер L298N, который часто можно встретить в виде модуля красного цвета (хотя встречаются зеленые и синие модели).
Спецификация модуля L298N:
Драйвер L298N работает с более высоким током, чем L293D. С помощью L298N мы можем управлять и слабыми моторчиками типа n20 и мощными моторами, такими как JGA25 или даже JGA37 с крутящим моментом до 20-25 кг/см. Хватит для большинства DIY проектов!
Назначение элементов и контактов на плате драйвера L298N
Посмотрим внимательнее на модуль и разберемся с его контактами.
Две другие винтовые клеммы (OUT1/2 и OUT 3/4) служат для подключения моторов. Надо отметить, что моторы постоянного тока неполярные, но от того на какой контакт мотора подается плюс, а на какой минус, зависит направление их вращения.
Наконец, осталось разобраться с контактами управления. Их по три штуки на каждый мотор. Контакты ENA и ENB позволяют управлять моторами с помощью ШИМ сигнала. Если ENA и ENB подключить строго к +5 В, то моторы будут всегда вращаться с максимальной возможной скоростью. Именно для этого режима на модуле предусмотрены две перемычки рядом с ENA и ENB.
С помощью контактов IN1,IN2,IN3,IN4 задаётся режим работы моторов. Таблица режимов для двигателя A имеет вид:
| Режим | IN1 | IN2 |
| Вращение в одну сторону | 1 | 0 |
Вращение в обратную сторону | 0 | 1 |
| Блокировка мотора | 1 | 1 |
| Отключение мотора | 0 | 0 |
Подключение драйвера L298N к Ардуино Уно
Чтобы попробовать драйвер в деле, подключим его к контроллеру Ардуино Уно и к любому, попавшему под руку, небольшому мотору постоянного тока. В данном уроке мы используем самый простой мотор с напряжением питания 1,5-3 Вольта. Для питания этого мотора нам будет достаточно двух пальчиковых батареек. В такой схеме просто невозможно запитать микросхему драйвера от встроенного стабилизатора, поэтому питание +5В будем брать от Ардуино.
Также отметим, что при данной схеме подключения с внешним питанием +5 В, нам нужно убрать соответствующую перемычку, о которой мы говорили выше (перемычка питания от стабилизатора)!
Ну и раз уж мы планируем управлять скоростью вращения, уберем перемычку с контакта ENA.
Принципиальная схема
Внешний вид макета
Программа для драйвера мотора L298N
Напишем простую программу, которая будет вращать мотор в одну сторону 3 секунды с максимальной скоростью, и затем 3 секунды в обратную сторону с более медленной скоростью.
Загружаем программу на Ардуино, затем подключаем к драйверу элементы питания и смотрим как ведёт себя моторчик.
Следует отметить, что данная программа не гарантирует вращение мотора с какой-то конкретной скоростью. Мы лишь можем менять мощность, передаваемую на мотор, с помощью изменения коэффициента заполнения ШИМ сигнала (duty cycle). Подробнее о ШИМ сигнале можно узнать в одном из наших уроков.
Заключение
Итак, модуль драйвера L298N оказался не таким сложным, как могло показаться. Все драйверы имеют практически схожие контакты управления: EN,IN1,IN2. Бывает, что отдельный вход EN отсутствует, и тогда ШИМ сигнал подается на IN1,IN2. Разобравшись с одним драйвером, мы можем с легкостью применять в своих проектах и другие модели.
Как уже было написано, L298N является достаточно мощным чтобы потянуть большинство моторов, применяемых в DIY проектах. Это и популярные пластиковые желтые моторы с редуктором и более мощные металлические JGA25 и JGA37.
Отдельно следует отметить и ещё одно распространенное применение L298N. С помощью этого драйвера можно управлять биполярными шаговыми двигателями, хотя и не настолько эффективно, как это делают специализированные драйвера типа A4988.
В данном примере мы рассмотрим один из способов управления электродвигателем постоянного тока, который осуществляется посредством платы Arduino и драйвера L298N. Несмотря на большое многообразие вариантов управления работой электрических машин постоянного тока, куда большей популярностью пользуется именно эта схема. Так как с ее помощью можно осуществлять достаточно широкий спектр различных операций, в сравнении со схемами, использующими другие драйвера и микроконтроллеры.
Введение
Электрическая машина постоянного тока является одной из самых простых в эксплуатации, благодаря чему ее так часто применяют в устройствах радиоэлектроники и робототехники. Такая популярность обусловлена простотой питания и управления – для этого подаются два полюса от источника эдс (отрицательный и положительный), и при протекании тока по обмоткам происходит вращение вала. При смене полярности двигатель совершает реверсивное движение.
В системах радиоэлектроники такие способы управления работой двигателя получили название широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Такой процесс характеризуется изменением продолжительности подаваемого напряжения или формы его сигнала.
Как можно изменять скорость вращения при помощи ШИМ?
Применяя способ ШИМ, вы производите попеременную подачу и отключение напряжения на обмотки двигателя с большой частотой. Частота импульсов при этом может достигать нескольких килогерц.
Величина среднего напряжения, подаваемого на двигатель, напрямую зависит от формы сигнала ШИМ . Форма сигнала, в свою очередь, определяется рабочим циклом, который можно представить в виде отношения времени подачи сигнала к общему периоду (сумме времени подачи напряжения и его отключения). В результате получается безразмерная величина, которую выражают в процентном отношении – сколько времени от общего периода напряжение подавалось на двигатель. В слаботочных системах на 5, 12, 24 или 36 В применяется цикл на 25%, 50%, 75% и 100%.
Управление двигателем при помощи Arduino и сгенерированным сигналом ШИМ
Для запуска процесса плата генерирует сигнал, который подается на обмотки двигателя. Чтобы контролировать величину подаваемого сигнала в рабочую схему включается транзистор. Который включается в разрыв питающей сети, а на его базу подается управляющий импульс от Arduino. Задавая определенные параметры работы набором команд для Arduino, транзистор будет переходить в открытое, закрытое или приоткрытое состояние.
На рисунке ниже вы можете увидеть пример схемы, на которой питание двигателя контролируется Arduino через транзистор. Как видите, здесь от ШИМ выхода подается сигнал на базу транзистора, а через его коллектор и эмиттер будет подаваться напряжение на обмотку.
Принципиальная схема управления dc мотором
Программирование ардуино может выполняться с помощью компьютера, для этого используются как специальные утилиты, так и классические языки программирования. При программировании работы устройства вы можете использовать стандартный набор команд, который предоставит доступ к наиболее простым командам. Или собирать их в комбинации для формирования специфической логики работы устройства.
Пример программных команд для работы вышеприведенной схемы включения Arduino вы можете скачать по ссылке ниже. Применяя их, вы сможете управлять скоростью вращения, постепенно наращивая ее до максимального значения, и так же плавно снижая до полной остановки.
Полный скетч проекта:
Используемые команды:
- void setup – поле для установки рабочего выхода с ШИМ порта;
- void loop – поле для формирования рабочего процесса;
- motorSpeed – задает скорость вращения двигателя;
- analogWrite – задает работу конкретного вывода платы;
- delay – устанавливает величину временного промежутка.
При помощи этой программы и вышеприведенной схемы вы сможете легко изменять скорость вращения двигателя постоянного тока, но менять направление его вращения будет достаточно сложно. Так как потребуется изменить направление протекание электрического тока по обмоткам. Поэтому менять направление вращения куда удобнее при помощи Н-моста на полупроводниковых преобразователях.
Управление двигателем постоянного тока с использованием Н-моста
Если рассмотреть принцип действия, то Н-мост представляет собой логическую схему из четырех логических элементов (релейного или полупроводникового типа), способных переходить в два состояния (открытое и закрытое). В данном примере рассматривается мост собранный на полупроводниках. Простым изменением попарного состояния этих элементов двигатель будет вращаться то в одну, то в другую сторону без необходимости переключения его контактов.
Схема H-моста
Посмотрите на рисунок, в этой схеме управление питанием двигателя происходит от выводов А и В, на которые подается управляющий потенциал.
Принцип определения направления вращения в Н-мосте происходит следующим образом:
- при подаче на базы транзисторов Q1 и Q4 импульса для открытия перехода происходит протекание тока по обмоткам двигателя в одном направлении;
- при подаче на базы транзисторов Q2 и Q3 импульса для открытия перехода ток будет протекать в противоположном направлении, в сравнении с предыдущим и произойдет реверсивное движение;
- попарное открытие транзисторов Q1 и Q3, Q2 и Q4 приводит к торможению ротора;
- открытие транзисторов в последовательности Q1 и Q2 или Q3 и Q4 совершенно недопустимо, поскольку оно приведет к возникновению короткого замыкания в цепи.
Применяя схему Н-моста для управления работой двигателя постоянного тока, вы сможете реализовать полный набор операций для электрической машины без необходимости переподключения ее выводов. В виду сложности подбора транзисторов и подключения их в схему Н-моста, гораздо проще использовать уже существующие драйвера, имеющие такую функцию. Среди них наиболее популярными являются драйверы L293D и L298N.
Сравнивая оба драйвера, следует отметить, что L298N превосходит L293D как по параметрам работы, так и по доступным опциям. Несмотря на то, что L293D более дешевая модель, L298N, ввиду значительных преимуществ, стал использоваться куда чаще. Поэтому в данном примере мы рассмотрим принцип управления двигателем при помощи драйвера L298N и платы Arduino.
Что представляет собой драйвер L298N?
Данная плата содержит микросхему и 15 выходов для генерации управляющих сигналов. Предназначено для передачи сигналов к рабочим элементам индуктивного типа – обмоткам двигателя, катушкам реле и т.д. Конструктивно L298N позволяет подключать в работу до двух таких элементов, к примеру, через нее можно одновременно управлять двумя шаговыми двигателями.
На схеме ниже приведен пример распределения выводов L298N от рабочей микросхемы.
- Vss – вывод питания для логических цепей в 5В;
- GND – нулевой вывод (он же корпус);
- INPUT1, INPUT 2, INPUT 3, INPUT 4 – позволяют плавно наращивать и уменьшать скорость вращения двигателя;
- OUTPUT1, OUTPUT2 – выводы для питания первой индуктивной нагрузки;
- OUTPUT3, OUTPUT4 – выводы для питания второй индуктивной нагрузки;
- Vs – вывод для переключения питания;
- ENABLE A, B – выводы, при помощи которых осуществляется раздельное управление каналами, могут устанавливать активный и пассивный режим (с регулируемой скоростью вращения и с установленной);
- CURRENT SENSING A, B – выводы для установки текущего режима.
Принцип управления двигателем при помощи Arduino и драйвера L298N
Благодаря наличию в драйвере L298N встроенного моста данная плата позволяет осуществлять одновременное управление сразу двумя электрическими машинами от двух пар выводов. Логическая схема в данном устройстве работает от напряжения в 5В, а питание самих электрических машин можно осуществлять до 45В включительно. Максимально допустимый ток для одного канала платы составляет 2А.
Как правило, этот драйвер имеет модульное исполнение, за счет чего в комплект модуля уже включены рабочие элементы, выводы и разъемы, необходимые для передачи управляющих сигналов. Пример такого драйвера показан на рисунке ниже:
Пример драйвера L298N
Теперь разберем, как осуществляется управление двигателем с помощью драйвера L298N. Подключение двигателя производится к винтовым клеммным зажимам – по паре для питания каждого моторчика. Остальные клеммные зажимы предназначены для подачи питания плюс и минус, а также получения пониженного напряжения (на них подается определенный уровень питающего напряжения, от которого работают двигатели, а внутренний преобразователь понижает его до 5В для собственных логических цепей). Штекерные выводы платы осуществляют широтно-импульсную модуляцию при формировании рабочих сигналов.
Зажимы, куда подключать моторы
Следует отметить, что клеммный зажим с тремя выводами не только подводит к плате питающее напряжение, но и позволяет получить его уже преобразованное для собственных нужд драйвера величиной в 5В, как показано на рисунке выше. Этот выход можно использовать для запитки того же Ардуино или для любых других устройств, которые питаются от 5В.
Немаловажным моментом для получения 5В от этого клеммного вывода является установка черной перемычки, которая отвечает за преобразование отличного от 5 В уровня напряжения, при условии, что его уровень ниже 12В. Если уровень питающего напряжения выше 12В, перемычку необходимо снять, так как внутренний преобразователь на него не рассчитан, а сама плата должна запитываться от 5В через третий вывод этого же клеммника.
Простой пример работы Arduino с драйвером L298N
Сейчас мы рассмотрим пример простой схемы совместного использования Arduino и L298N. Такой вариант позволяет управлять скоростью вращения вала и его направлением у двигателя постоянного тока. Для этого задается специальная программа на ПК, которая будет определять генерацию ШИМ сигнала от L298N и направление протекания электрического тока через Н-мост. Разумеется, для формирования схемы потребуются еще несколько дополнительных компонентов, которые позволят соединить между собой драйвер, Ардуино, компьютер и двигатели.
Перечень необходимых компонентов для сборки схемы:
Полный код проекта:
Практическое применение.
Программирование работы электрическими двигателями широко используется в робототехнике, к примеру, ваше изобретение, оснащенное колесами, сможет осуществлять движение и в прямом, и в обратном направлении. Как вы могли уже убедиться, совместная работа Arduino и драйвера L298N сможет без проблем решить такую задачу. При этом вы можете обеспечить одновременную работу сразу двух двигателей от одного драйвера, то есть управлять сразу двумя колесами, причем независимо друг от друга.
В другом варианте двигатели, управляемые Arduino и драйвером L298N могут перемещать руки робота в прямом и реверсивном направлении, передвигаться по линейной траектории и т.д. Полный перечень возможностей платы Arduino и драйвера L298N ограничивается только вашей собственной фантазией, поэтому вы можете самостоятельно найти им интересное применение.
Читайте также: