Driver de motor L298N

O que é

O L298N é um driver de motor com ponte H dupla—a força muscular entre os pinos lógicos delicados de um microcontrolador e um motor que exige muito mais corrente do que esses pinos podem fornecer. Um pino do microcontrolador pode fornecer apenas algumas dezenas de miliamperes; até um pequeno motorredutor CC consome centenas. O L298N recebe da placa sinais de direção e velocidade de baixa potência e comuta uma alimentação separada dos motores, com capacidade de corrente maior, de acordo com eles. Ele aciona dois motores de forma independente, exatamente o que um robô de duas rodas precisa.

Ele é antigo—um driver MOSFET eficiente, como o TB6612FNG ou o DRV8833, dissipa menos calor e desperdiça menos tensão—mas o L298N está em todo lugar, é barato, robusto e é o módulo que acompanha a maioria dos kits de robótica; portanto, vale conhecê-lo bem.

Como funciona uma ponte H

Uma ponte H é formada por quatro chaves dispostas ao redor do motor em forma de “H”. Feche as chaves superior esquerda e inferior direita e a corrente percorre o motor em um sentido—ele avança. Feche o par oposto e a corrente inverte—o motor dá ré. Esse é todo o truque: uma ponte H permite inverter um motor sem reconectá-lo.

Você controla cada motor com três sinais:

• Dois pinos de direção (IN1/IN2) selecionam avanço, ré ou frenagem.
• Um pino de habilitação (ENA), alimentado por um sinal de PWM, define a velocidade ligando e desligando a ponte rapidamente. PWM totalmente ligado corresponde à velocidade máxima; 50% de ciclo de trabalho corresponde a aproximadamente metade.

Alimente o pino de habilitação com a saída de uma malha de controle e poderá manter uma velocidade-alvo ou conduzir o robô suavemente, em vez de alternar entre parada e velocidade máxima.

Quando usar

Use um L298N—ou qualquer ponte H—sempre que um microcontrolador precisar acionar um motor CC com escovas, o que ocorre em praticamente todo robô com rodas. Seus 2 A por canal atendem confortavelmente aos pequenos motorredutores amarelos usados em seguidores de linha e rovers.

Escolha um driver baseado em MOSFET quando a eficiência e a autonomia da bateria forem importantes, quando os motores forem pequenos (a queda de tensão do L298N desperdiça muita tensão em um motor de 6 V) ou quando quiser que o driver funcione sem dissipador.

Conexões e armadilhas

• Duas alimentações, uma massa. A bateria dos motores alimenta o pino de alimentação dos motores; 5 V alimentam o lado lógico. As massas devem ser conectadas juntas, ou os sinais de controle ficarão sem referência—uma falha silenciosa clássica.
• Ele perde cerca de 2 V. O estágio de saída BJT mais antigo perde cerca de 2 V antes de o motor receber tensão. Forneça cerca de 8 V a um motor de 6 V para que ele funcione na velocidade máxima.
• Ele aquece. Sob corrente contínua, o chip precisa do dissipador. Se os motores enfraquecerem durante uma execução, verifique a temperatura.
• Cuidado com o jumper do regulador de 5 V integrado. Muitos módulos podem alimentar o lado lógico pela alimentação dos motores—uma solução prática, mas apenas até cerca de 12 V. Acima disso, remova o jumper e forneça 5 V separadamente, ou o regulador queimará.

Pinagem

O módulo L298N vermelho que todos conhecem tem três blocos de terminais e dois conectores de pinos.

Os dois pequenos jumpers em ENA e ENB são a razão pela qual tantas primeiras tentativas têm controle de direção, mas não de velocidade: enquanto estiverem instalados, o canal fica permanentemente habilitado e o PWM não faz nada. Remova-os e conecte esses pinos a saídas com capacidade PWM.

O terceiro jumper, ao lado do bloco de alimentação, habilita o regulador de 5 V integrado.

A tabela-verdade

Três sinais por motor e seis combinações significativas. Esta tabela constitui toda a interface de controle.

Frenar e rodar livre são realmente diferentes, e essa diferença importa mais do que as pessoas esperam. Rodar livre deixa o robô avançar por inércia; frear provoca o curto-circuito da própria contra-EMF do motor na ponte, converte a energia rotacional em calor e para o motor de forma muito mais abrupta. Um seguidor de linha que ultrapassa todos os cruzamentos costuma estar rodando livre quando deveria frear.

Conexão com um Arduino

O jumper do regulador de 5 V, decidido corretamente

Acima de aproximadamente 12 V, o regulador linear precisa dissipar a diferença como calor e queimará. Abaixo de cerca de 7 V, ele não consegue manter 5 V, e a lógica sofre queda de tensão à medida que os motores carregam o conjunto. As duas falhas se manifestam como reinícios aleatórios.

Código mínimo funcional

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
}

Observe que driveA(0) faz o motor rodar livre, em vez de frear—definir o ciclo de trabalho em zero desabilita a ponte. Se quiser uma parada abrupta, é preciso solicitar uma frenagem.

O problema dos 2 V, quantificado

O estágio de saída do L298N é formado por transistores bipolares, e cada par em condução provoca uma queda de tensão. A folha de dados informa uma queda total de saturação de aproximadamente 1,8 V a 1 A e de até cerca de 2,7 V a 2 A. Essa tensão nunca chega ao motor; transforma-se em calor no chip.

As consequências ficam mais claras quando expressas em números:

Em um motor de 6 V alimentado com 6 V, um terço da bateria está aquecendo o chip. Essa é toda a razão pela qual o L298N parece fraco em robôs pequenos—e por que um motor de 6 V precisa de cerca de 8 V de alimentação após este driver.

Também é um problema térmico. A 1 A por canal, com os dois motores funcionando, o chip dissipa cerca de 4 W. O pequeno dissipador só dá conta disso com ventilação, e um travamento com limite de corrente o levará ao desligamento térmico—o que aparece como motores que enfraquecem no meio da execução e se recuperam após uma pausa.

Solução de problemas

L298N ou TB6612FNG?

Escolha o TB6612FNG para praticamente qualquer robô pequeno: dois motorredutores amarelos, um seguidor de linha, um solucionador de labirinto. A diferença de eficiência não é marginal—em um sistema de 6 V, ela representa um terço da potência da bateria.

Escolha o L298N quando a tensão de alimentação dos motores exceder 13,5 V, quando precisar de mais de cerca de 1,2 A continuamente por canal ou quando ele simplesmente veio no kit. É robusto, tolera abuso e compreendê-lo ensina a ponte H de verdade.

Para projetos mais novos, também vale conhecer o DRV8833 (semelhante ao TB6612FNG, com limitação de corrente) e o BTS7960 (43 A, para motores realmente grandes).