Драйвер двигателей L298N

Что это такое

L298N — двойной H-мост для двигателей, силовая часть между чувствительными логическими выводами микроконтроллера и двигателем, которому требуется значительно больший ток. Вывод микроконтроллера может обеспечить лишь несколько десятков миллиампер, даже небольшой редукторный двигатель постоянного тока потребляет сотни. L298N принимает маломощные сигналы направления и скорости и переключает отдельный источник питания двигателей с большим током. Он независимо управляет двумя двигателями — именно это и нужно двухколёсному роботу.

Это устаревшая микросхема: эффективный MOSFET-драйвер вроде TB6612FNG или DRV8833 работает холоднее и теряет меньше напряжения, — но L298N есть везде, он дешёв, прочен и входит в большинство робототехнических наборов, поэтому его стоит хорошо понимать.

Как работает H-мост

H-мост состоит из четырёх переключателей, расположенных вокруг двигателя в форме «H». Замыкание верхнего левого и нижнего правого переключателей направляет ток одним способом — двигатель вращается вперёд. Замыкание противоположной пары меняет ток — двигатель вращается назад. В этом и состоит весь приём: H-мост позволяет менять направление двигателя без перепайки проводов.

Каждым двигателем управляют три сигнала:

• Два вывода направления (IN1/IN2) выбирают движение вперёд, назад или торможение.
• Один вывод разрешения ENA, на который подаётся сигнал PWM, задаёт скорость быстрым переключением моста. PWM с полным заполнением даёт полную скорость; скважность 50% — примерно половину.

Если подать на вывод разрешения выход контура регулирования, можно удерживать заданную скорость или плавно управлять роботом вместо рывков между остановом и полной мощностью.

Когда его следует использовать

Выбирайте L298N или любой H-мост всякий раз, когда микроконтроллер должен управлять коллекторным двигателем постоянного тока (DC), то есть практически в каждом колёсном роботе. Его 2 A на канал с запасом покрывают небольшие жёлтые редукторные двигатели, применяемые в роботах, следующих по линии, и колёсных платформах.

Выбирайте MOSFET-драйвер, когда важны эффективность и ресурс батареи, когда двигатели небольшие, поскольку падение L298N съедает много питания на двигателе 6 V, или когда драйвер должен работать без нагрева и радиатора.

Подключение и важные нюансы

• Два источника питания, одна земля. Батарея двигателей питает соответствующий вход; логика 5 V питает логическую сторону. Их земли должны быть соединены, иначе у сигналов управления нет общей опорной земли — классический отказ без сообщения.
• Он съедает ~2 V. Старый выходной каскад BJT теряет примерно 2 V до того, как двигатель увидит что-либо. Для полной скорости двигателя 6 V подавайте около 8 V.
• Он нагревается. При длительном токе микросхеме нужен радиатор. Если двигатели во время работы слабеют, проверяйте температуру.
• Учитывайте перемычку встроенного регулятора 5 V. Многие модули позволяют питать логику от источника двигателей, что удобно, но допустимо только примерно до 12 V. Выше этого нужно снять перемычку и подать 5 V отдельно, иначе регулятор перегреется.

Расположение выводов

Распространённый красный модуль L298N имеет три клеммных блока и два ряда выводов.

Две маленькие перемычки на ENA и ENB объясняют, почему во многих первых попытках работает направление, но не скорость: пока они установлены, канал постоянно разрешён, и PWM ничего не делает. Снимите их и подключите выводы к выходам с поддержкой PWM.

Третья перемычка рядом с силовым блоком включает встроенный регулятор 5 V.

Таблица истинности

На каждый двигатель приходятся три сигнала и шесть значимых комбинаций. Эта таблица полностью описывает интерфейс управления.

Торможение и вращение по инерции действительно различаются, и различие важнее, чем кажется. При вращении по инерции робот продолжает катиться; торможение замыкает собственную противоЭДС (EMF) двигателя через мост, преобразуя энергию вращения в тепло и останавливая его гораздо резче. Робот, следующий по линии и каждый раз проезжающий развилку, часто движется по инерции там, где должен тормозить.

Подключение к Arduino

Правильное решение для перемычки регулятора 5 V

Выше примерно 12 V линейный регулятор должен преобразовывать разницу в тепло и перегреется. Ниже примерно 7 V он не может поддерживать 5 V, и при нагрузке двигателями логика уходит в состояние просадки. Оба отказа выглядят как случайные перезагрузки.

Минимальный рабочий код

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
}

Обратите внимание: driveA(0) не тормозит, а оставляет двигатель вращаться по инерции, поскольку нулевая скважность отключает мост. Для резкой остановки необходимо запросить её явно.

Проблема 2 V в числах

Выходной каскад L298N построен на биполярных транзисторах, и каждая проводящая пара теряет напряжение. По техническому описанию суммарное падение при насыщении составляет примерно 1.8 V при 1 A и до 2.7 V при 2 A. Это напряжение не достигает двигателя, а превращается в тепло в микросхеме.

Последствия нагляднее в числах:

При двигателе 6 V, питаемом от 6 V, целая треть батареи греет микросхему. Именно поэтому L298N кажется слабым на небольших роботах и почему двигателю 6 V нужен источник около 8 V.

Это также тепловая проблема. При 1 A на канал и двух работающих двигателях микросхема рассеивает около 4 W. Маленький радиатор справляется лишь при воздушном потоке, а останов двигателя с ограничением тока переводит драйвер в тепловую защиту, что проявляется как замедление двигателей посреди работы и восстановление после паузы.

Диагностика

L298N или TB6612FNG?

Выбирайте TB6612FNG практически для любого небольшого робота: двух жёлтых редукторных двигателей, робота, следующего по линии, решателя лабиринта. Разница в эффективности существенна: в системе 6 V это целая треть батареи.

Выбирайте L298N, когда питание двигателей выше 13.5 V, требуется более 1.2 A непрерывно на канал или деталь просто была в комплекте. Она прочна, терпима к небрежной эксплуатации, а её изучение даёт полноценное понимание H-моста.

Для новых конструкций стоит знать также DRV8833, похожий на TB6612FNG, но с ограничением тока, и BTS7960 на 43 A для действительно крупных двигателей.