L298N-motordriver

Wat het is

De L298N is een dubbele H-brugmotordriver—de schakelkracht tussen de kwetsbare logica-pins van een microcontroller en een motor die veel meer stroom nodig heeft dan die pins kunnen leveren. Een microcontroller-pin kan slechts enkele tienten milliampères leveren; zelfs een kleine tandwielmotor vraagt honderden. De L298N neemt laagvermogen-signalen voor richting en snelheid van het bord over en schakelt een aparte motorvoeding die meer stroom kan leveren. Hij bestuurt twee motoren onafhankelijk, precies wat een robot met twee wielen nodig heeft.

Hij is van een oud ontwerp—een efficiënte MOSFET-motordriver zoals de TB6612FNG of DRV8833 blijft koeler en heeft een kleinere spanningsval—maar de L298N is overal, goedkoop, robuust en zit in de meeste robotkits. Daarom is het de moeite waard om hem goed te begrijpen.

Hoe een H-brug werkt

Een H-brug bestaat uit vier schakelaars die rond de motor in een “H” staan. Sluit de linkerbovenste en rechteronderste schakelaars, dan loopt de stroom de ene kant op en draait de motor vooruit. Sluit het andere paar, dan keert de stroom om en draait de motor achteruit. Dat is de hele truc: met een H-brug kun je een motor omkeren zonder de bedrading te wijzigen.

Je bestuurt elke motor met drie signalen:

• Twee richtingspinnen (IN1/IN2) kiezen voor vooruit, achteruit of remmen.
• Eén inschakelpin (ENA), waarop je een PWM-signaal aansluit, bepaalt de snelheid door de brug snel aan en uit te schakelen. Een volledig ingeschakeld PWM-signaal geeft volle snelheid; 50% werkverhouding is ongeveer de helft.

Sluit de uitvoer van een regellus aan op de inschakelpin en je kunt een streefsnelheid vasthouden of een robot soepel besturen in plaats van hem tussen stilstand en volle snelheid te laten schokken.

Wanneer je hem gebruikt

Kies een L298N—of een willekeurige H-brug—telkens wanneer een microcontroller een borstel-gelijkstroommotor moet aansturen, en dat is vrijwel elke wielerobot. De 2 A per kanaal zijn ruim voldoende voor de kleine gele tandwielmotoren die in lijnvolgers en rovers worden gebruikt.

Kies in plaats daarvan een MOSFET-motordriver wanneer efficiëntie en batterijduur belangrijk zijn, wanneer je motoren klein zijn — bij een 6 V-motor gaat door de spanningsval van de L298N veel spanning verloren — of wanneer je de motordriver zonder koellichaam koel wilt laten draaien.

Aansluiting en aandachtspunten

• Twee voedingen, één ground. Sluit de motoraccu aan op de motorvoedingspin en sluit 5 V-logica aan op de logische kant. De grounds moeten aan elkaar gekoppeld zijn, anders hebben de besturingssignalen geen referentie—een klassieke stille fout.
• Spanningsval van ~2 V. De oudere BJT-uitgangstrap heeft een spanningsval van ongeveer 2 V voordat de motor iets ziet. Geef een 6 V-motor ongeveer 8 V spanning om op volle snelheid te draaien.
• Hij wordt warm. Bij langdurige stroom heeft de chip zijn koellichaam nodig. Als motoren tijdens een rit zwakker worden, controleer dan de temperatuur.
• Let op de 5 V-regulatorjumper op de module. Veel modules kunnen de logische kant voeden vanaf de motorvoeding—handig, maar alleen tot ongeveer 12 V ingang. Daarboven moet je de jumper verwijderen en 5 V afzonderlijk toevoeren, anders verbrand je de regulator.

Pinindeling

De rode L298N-module die iedereen bedoelt, heeft drie klemmenblokken en twee pinnenheaders.

De twee kleine jumpers op ENA en ENB zijn de reden dat zoveel eerste pogingen wel richtingsbesturing maar geen snelheidsregeling hebben: zolang ze geplaatst zijn, blijft het kanaal permanent ingeschakeld en doet PWM niets. Haal ze weg en sluit die pinnen aan op PWM-uitgangen.

De derde jumper, naast het voedingsblok, schakelt de ingebouwde 5 V-regulator in.

De waarheidstabel

Drie signalen per motor en zes betekenisvolle combinaties. Deze tabel vormt de volledige besturingsinterface.

Remmen en doorlopen zijn echt verschillend, en dat verschil is belangrijker dan mensen verwachten. Doorlopen laat de robot verder rollen; bij remmen wordt de terug-elektrische spanning van de motor via de brug afgevoerd als warmte, waardoor de rotatie-energie verdwijnt en de motor veel scherper stopt. Een lijnvolger die bij elke kruising doorschiet, laat vaak de motor doorlopen terwijl die zou moeten remmen.

Aansluiten op een Arduino

De 5 V-regulatorjumper, goed gekozen

Boven ongeveer 12 V voert de lineaire regulator het spanningsverschil als warmte af, waardoor hij doorbrandt. Onder ongeveer 7 V kan hij geen 5 V vasthouden, en de logica valt uit doordat de motoren de accu belasten. Beide storingen zien eruit als willekeurige herstarts.

Minimaal werkende code

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
}

driveA(0) laat de motor doorlopen in plaats van remmen: een werkverhouding van nul schakelt de brug uit. Wil je een harde stop, dan moet je die expliciet aanvragen.

Het 2 V-probleem, gekwantificeerd

De uitgangstrap van de L298N bestaat uit bipolaire transistoren, en elk geleidend paar laat spanning vallen. De datasheet vermeldt een totale saturatiespanning van ongeveer 1,8 V bij 1 A en tot ongeveer 2,7 V bij 2 A. Die spanning bereikt de motor nooit; ze wordt warmte in de chip.

De gevolgen zijn nuttig als getallen:

Op een 6 V-motor die met 6 V draait, verwarmt een derde van je accu de chip. Dat is de hele reden waarom de L298N zwak aanvoelt op kleine robots — en waarom een 6 V-motor achter deze motordriver ongeveer 8 V spanning nodig heeft.

Het is ook een thermisch probleem. Bij 1 A per kanaal met beide motoren draaiend, zet de chip ongeveer 4 W om in warmte. Het kleine koellichaam kan dat alleen met luchtstroom aan, en een stroombegrensde vastloop kan de chip in thermische uitschakeling brengen — motors die tijdens een rit vervagen en na een pauze weer op gang komen.

Problemen oplossen

L298N of TB6612FNG?

Kies de TB6612FNG voor vrijwel elke kleine robot: twee gele tandwielmotoren, een lijnvolger, een doolhofoplosser. Het efficiëntieverschil is niet marginaal — op een 6 V-systeem gaat het om een derde van je accu.

Kies de L298N wanneer de motorvoeding hoger is dan 13,5 V, wanneer je meer dan ongeveer 1,2 A aanhoudende stroom per kanaal nodig hebt, of wanneer het simpelweg in je kit zat. Hij is robuust en verdraagt zwaar gebruik; hem begrijpen leert je bovendien hoe een H-brug werkt.

Voor nieuwere ontwerpen zijn ook de DRV8833 (vergelijkbaar met de TB6612FNG, met stroombegrenzing) en de BTS7960 (43 A, voor werkelijk grote motoren) de moeite waard om te kennen.