Driver del motore L298N

Che cos’è

L298N è un driver del motore a doppio ponte H: la forza fra i delicati pin logici di un microcontrollore e un motore che vuole molta più corrente di quanta possano fornire. Un pin del microcontrollore può erogare solo poche decine di milliampere, mentre anche un piccolo motore CC con ingranaggi ne richiede centinaia. L298N riceve dalla scheda di sviluppo segnali di direzione e velocità a bassa potenza e commuta un’alimentazione separata per i motori, a corrente maggiore, di conseguenza. Pilota due motori in modo indipendente, proprio ciò che serve a un robot con due ruote.

È un componente datato: un driver MOSFET efficiente come TB6612FNG o DRV8833 scalda meno e dissipa meno tensione, ma L298N è ovunque, economico, robusto e incluso in molti kit di robotica, quindi vale la pena capirlo bene.

Come funziona un ponte H

Un ponte H è costituito da quattro interruttori disposti a «H» attorno al motore. Chiudendo gli interruttori in alto a sinistra e in basso a destra, la corrente scorre in una direzione e il motore gira in avanti. Chiudendo la coppia opposta, la corrente si inverte e il motore gira indietro. Questo è tutto il trucco: un ponte H ti permette di invertire un motore senza rimontare i collegamenti.

Controlli ogni motore con tre segnali:

• Due pin di direzione (IN1/IN2) selezionano marcia avanti, retromarcia o frenata.
• Un pin di enable (ENA), alimentato con un segnale PWM, imposta la velocità commutando rapidamente il ponte. Un PWM al massimo dà velocità massima; un ciclo al 50% dà all’incirca metà velocità.

Se colleghi l’uscita di un ciclo di controllo al pin di enable, puoi mantenere una velocità di riferimento o sterzare il robot in modo fluido, invece di oscillare tra fermo e massima potenza.

Quando usarlo

Scegli un L298N, o qualsiasi ponte H, ogni volta che un microcontrollore deve pilotare un motore CC a spazzole, cioè quasi ogni robot su ruote. I suoi 2 A per canale gestiscono senza problemi i piccoli motori gialli con ingranaggi usati nei robot seguitori di linea e nei rover.

Scegli invece un driver basato su MOSFET quando contano l’efficienza e la durata della batteria, quando i motori sono piccoli, perché la caduta di tensione di L298N spreca molta energia su un motore da 6 V, oppure quando vuoi che il driver resti freddo senza alettatore.

Cablaggio e problemi comuni

• Due alimentazioni, una terra. La batteria dei motori alimenta il pin di alimentazione dei motori; 5 V alimentano il lato logico. Le due terre devono essere collegate, altrimenti i segnali di controllo non hanno riferimento: un classico guasto silenzioso.
• Perde ~2 V. Il vecchio stadio di uscita BJT perde circa 2 V prima che il motore veda qualsiasi segnale. Fornisci circa 8 V a un motore da 6 V per farlo girare alla velocità massima.
• Scalda. A corrente costante il chip richiede l’alettatore. Se i motori perdono forza durante una sessione, controlla la temperatura.
• Fai attenzione al jumper del regolatore a 5 V integrato. Molti moduli possono alimentare il lato logico dall’alimentazione dei motori, comodo, ma solo fino a circa 12 V in ingresso. Sopra questo valore rimuovi il jumper e fornisci 5 V separatamente, altrimenti danneggi il regolatore.

Piedinatura

Il modulo L298N rosso a cui tutti fanno riferimento ha tre morsetti e due connettori di pin.

I due piccoli jumper su ENA e ENB spiegano perché così tanti primi tentativi abbiano il controllo della direzione ma non quello della velocità: finché sono inseriti, il canale resta sempre abilitato e il PWM non produce alcun effetto. Rimuovili e collega questi pin a uscite compatibili con PWM.

Il terzo jumper, accanto al morsetto di alimentazione, abilita il regolatore a 5 V integrato.

Tabella di verità

Tre segnali per motore e sei combinazioni significative. Questa tabella costituisce tutta l’interfaccia di controllo.

Frenare e muoversi per inerzia sono davvero diverse, e la differenza conta più di quanto le persone immaginino. Muovendosi per inerzia il robot continua a rotolare; frenando il ponte cortocircuita la forza controelettromotrice del motore, che dissipa l’energia rotazionale in calore e lo ferma molto più bruscamente. Un robot seguitore di linea che sorpassa ogni giunzione spesso frena mentre dovrebbe decelerare per inerzia.

Collegamento a un Arduino

Il jumper del regolatore a 5 V, deciso correttamente

Sopra circa 12 V il regolatore lineare deve dissipare la differenza in calore e si danneggia. Sotto circa 7 V non riesce a mantenere 5 V e la logica va in brownout quando i motori caricano il pacco batteria. Entrambi i guasti appaiono come riavvii casuali.

Codice minimo funzionante

const int ENA = 9, IN1 = 8, IN2 = 7;
const int ENB = 3, IN3 = 5, IN4 = 4;

void setup() {
  for (int p : {ENA, IN1, IN2, ENB, IN3, IN4}) pinMode(p, OUTPUT);
}

// speed: -255..255. Negative is reverse, 0 coasts.
void driveA(int speed) {
  digitalWrite(IN1, speed > 0);
  digitalWrite(IN2, speed < 0);
  analogWrite(ENA, abs(constrain(speed, -255, 255)));
}

void brakeA() {
  digitalWrite(IN1, HIGH);
  digitalWrite(IN2, HIGH);
  analogWrite(ENA, 255);
}

void loop() {
  driveA(180); delay(1500);   // forward
  brakeA();    delay(500);    // stop hard
  driveA(-180); delay(1500);  // reverse
  driveA(0);   delay(500);    // coast
}

Nota che driveA(0) lascia il motore libero invece di frenarlo: impostare il ciclo a zero disabilita il ponte. Se vuoi un arresto brusco devi richiederlo esplicitamente.

Il problema dei 2 V, quantificato

Lo stadio di uscita del L298N è costruito con transistor bipolari e ogni coppia in conduzione perde tensione. Il datasheet indica una caduta di saturazione totale di circa 1.8 V a 1 A e fino a circa 2.7 V a 2 A. Questa tensione non raggiunge mai il motore: diventa calore nel chip.

Le conseguenze vale la pena vederle in numeri:

Su un motore da 6 V alimentato a 6 V, un terzo della batteria scalda il chip. Ecco il motivo principale per cui L298N sembra debole sui piccoli robot e perché un motore da 6 V vuole circa 8 V di alimentazione dietro questo driver.

È anche un problema termico. A 1 A per canale con entrambi i motori in funzione, il chip dissipa circa 4 W. Il piccolo alettatore gestisce questa potenza solo con un flusso d’aria e una corrente di stallo limitata lo porta all’arresto termico, che si manifesta come motori che si indeboliscono a metà sessione e si riprendono dopo una pausa.

Risoluzione dei problemi

L298N o TB6612FNG?

Scegli TB6612FNG per praticamente ogni piccolo robot: due motori gialli con ingranaggi, un seguitore di linea, un risolutore di labirinto. La differenza di efficienza non è marginale: su un sistema a 6 V consuma un terzo della batteria.

Scegli L298N quando l’alimentazione dei motori supera 13.5 V, quando ti servono più di circa 1.2 A in continuo per canale oppure semplicemente quando è ciò che hai ricevuto nel kit. È robusto, tollera gli abusi e capirlo ti insegna correttamente il ponte H.

Per i progetti più recenti vale anche la pena conoscere DRV8833, simile a TB6612FNG ma con limitazione di corrente, e BTS7960, da 43 A per motori davvero grandi.