Драйвер шагового двигателя и двигателя постоянного тока L298N и Arduino

Модуль L298N H-bridge можно использовать для двигателей, напряжение питания которых находится в диапазоне от 5 до 35 вольт.

Кроме того, на многих подобных платах есть встроенный 5В регулятор, который дает возможность запитывать ваши устройства.

Подключение модуля L298N

Прежде чем перейти к управлению двигателем постоянного тока и шаговым двигателем, разберемся с подключением модуля L298N (даташит, техническая информация от производителя).

Ссылки для заказа необходимого оборудования из Китая

• КУПИТЬ цифровой датчик температуры DS18B20;
• КУПИТЬ Arduino Uno R3;

Ниже приведены разъяснения к рисунку.

1. Для двигателя постоянного тока 1 “+” или для шагового двигателя A+
2. Для двигателя постоянного тока 1 “-” или для шагового двигателя A-
3. Коннектор на 12 вольт. Снимите его, если используете напряжение питания больше 12 вольт.
4. Питания вашего двигателя обеспечивается с этого выхода. Максимальное напряжение питания постоянным током 35 вольт. Если напряжение больше 12 вольт, разомкните контакты на 3 коннекторе.
5. GND — земля.
6. Питание 5 вольт, если коннектор на 12 вольт замкнут. Идеально для питания Arduino и т.п.
7. Коннектор для двигателя постоянного тока 1. Можно подключить к ШИМ-выходу для управления скоростью двигателя постоянного тока.
8. IN1.
9. IN2.
10. IN3.
11. IN4.
12. Коннектор для двигателя постоянного тока 2. В случае использования шагового двигателя, подключать сюда ничего не надо. Можно подключить к ШИМ-выходу для управления скоростью двигателя постоянного тока.
13. Двигатель постоянного тока 2 “+” или шаговый двигатель B+.
14. Двигатель постоянного тока 2 “-” или шаговый двигатель B-.

L298N, Arduino и двигатель постоянного тока

Данный модуль дает возможность управлять одним или двумя двигателями постоянного тока. Для начала, подключите двигатели к пинам A и B на контроллере L298N.

Если вы используете в проекте несколько двигателей, убедитесь, что у них выдержана одинаковая полярность при подключении. Иначе, при задании движения, например, по часовой стрелке, один из них будет вращаться в противоположном направлении. Поверьте, с точки зрения программирования Arduino это неудобно.

После этого подключите источник питания. Плюс — к четвертому пину на L298N, минус (GND) — к 5 пину. Если ваш источник питания до 12 вольт, коннектор, отмеченный 3 на рисунке выше, можно оставить. При этом будет возможность использовать 5 вольтовый пин 6 с модуля.

Данный пин можно использовать для питания Arduino. При этом не забудьте подключить пин GND с микроконтроллера к 5 пину на L298N для замыкания цепи. Теперь вам понадобится 6 цифровых пинов на Arduino. Причем некоторые пины должны поддерживать ШИМ-модуляцию.

ШИМ-пины обозначены знаком “

” рядом с порядковым номером.

Теперь подключите цифровые пины Arduino к драйверу. В нашем примере два двигателя постоянного тока, так что цифровые пины D9, D8, D7 и D6 будут подключены к пинам IN1, IN2, IN3 и IN4 соответственно. После этого подключите пин D10 к пину 7 на L298N (предварительно убрав коннектор) и D5 к пину 12 (опять таки, убрав коннектор).

Направление вращения ротора двигателя управляется сигналами HIGH или LOW на каждый привод (или канал). Например, для первого мотора, HIGH на IN1 и LOW на IN2 обеспечит вращение в одном направлении, а LOW и HIGH заставит вращаться в противоположную сторону.

При этом двигатели не будут вращаться, пока не будет сигнала HIGH на пине 7 для первого двигателя или на 12 пине для второго. Остановить их вращение можно подачей сигнала LOW на те же указанные выше пины. Для управления скоростью вращения используется ШИМ-сигнал.

Скетч приведенный ниже, отрабатывает в соответствии со схемой подключения, которую мы рассматривали выше. Двигатели постоянного тока и Arduino питаются от внешнего источника питания.

// подключите пины контроллера к цифровым пинам Arduino

Как подключить L298n к Ардуино

Одним из самых популярных приборов для управления небольшими электрическими моторами является модуль L298N, схема подключения которого определяется конструктивными особенностями микроконтроллера Arduino. Это устройство позволяет регулировать скорость и направление вращения нескольких двигателей постоянного тока. Стоимость данного драйвера в Российской Федерации составляет 99 руб.

Описание драйвера мотора L298N

Модуль L298N состоит из 4 транзисторов и 2 H-мостов, соединенных с выходами A и B. Комплектующие изготавливаются из стали или латуни. На драйвере присутствует разъем для подачи питания и подключения различных перемычек.

Логическая микросхема L298N имеет следующую распиновку:

1. OUT1 — OUT4: порты для подсоединения щеточных моторов или обмотки шагового двигателя.
2. VSS: пин, принимающий электрический ток с напряжением до 35 В от источника питания.
3. IN1 — IN4: контакты, применяемые для регулирования технических характеристик щеточных моторов и обмоток шагового двигателя.
4. GND: заземление, используемое для стабилизации электрического напряжения и предотвращения короткого замыкания.
5. VS: порт для подачи электроэнергии к микросхеме. Он принимает электроток с напряжением до 5 В и выполняет роль второстепенного источника питания.
6. ENABLE A и B: контакты для работы с механизмами широтно-импульсной модуляции.

Распиновка модуля была разработана на основе микросхемы L293D. Принцип работы этого устройства основан на чередовании сигналов высокого логического уровня или низкого. Направление двигателей определяется портами IN1 — IN4.

Драйвер функционирует в 2 основных режимах:

1. Активном. Каналы моторов управляются при помощи контроллера. В зависимости от логического уровня устройство увеличивает или снижает скорость вращения двигателей. ШИМ-сигнал подается на пины ENA или ENB в виде логических единиц и нулей.
2. Пассивном. Мотор вращается с постоянной скоростью вне зависимости от состояния портов и значений ШИМ-сигналов. Направление вращения нельзя изменить, потому что в пассивном режиме выводы ENABLE A и B автоматически приводятся к высокому логическому уровню. Для остановки мотора необходимо подавать сигналы широтно-импульсной модуляции на порты IN.

Питание драйвера производится при помощи разъема с 3 контактами. Его шаг составляет 3,5 мм. При работающем стабилизаторе напряжения модуль питается при помощи контакта VSS. С помощью перемычки можно отключить эти устройства и подавать питание на драйвер посредством порта VS.

Не рекомендуется выключать стабилизатор, если напряжение модуля ниже 12 В.

Технические характеристики

Модуль L298N имеет следующие технические параметры:

• максимальное напряжение, потребляемое микросхемой, — 5 В;
• сила тока — 36 мА;
• напряжение, необходимое для питания двигателей — 35 В;
• максимальна мощность драйвера при температурах выше +70°C равна 20 Вт;
• размерные характеристики: 43x43x29 мм;
• максимальная рабочая температура составляет +135°C.

Драйвер совместим с платами Arduino UNO R3, Nano, Mini и Leonardo. В базовой комплектации модуль обладает радиатором охлаждения и светодиодным индикатором, предназначенным для определения вращения силовых установок. Общий вес конструкции составляет 35 г.

Варианты подключения к Ардуино и схемы

Логическая микросхема L298N устанавливается отдельно от основного микропроцессора платы Arduino. Он подключается к контроллеру следующим образом:

1. К клеммам 1 и 2 подсоединяются двигатели.
2. Подача питания осуществляется с помощью блока клемм 3. Первый провод соединяется с портом “+12”. На него подается ток с напряжением до 12 В.
3. При отсутствии стабилизатора напряжения необходимо подать питание отдельно на контакт “+5В”.

Процедура подключения модуля зависит от разновидности силовых установок.

Коллекторный двигатель

Коллекторный двигатель — силовой агрегат, используемый для преобразования электрической энергии в механическую. Особенностью этого привода является наличие коллекторно-щеточного узла.

Существуют следующие разновидности коллекторных моторов:

1. Функционирующие от источника постоянного тока. Они применяются в транспортных средствах, самоходных установках, станках и игровых автоматах.
2. Работающие от источника переменного тока. Они используются в бытовой технике и радиоуправляемых устройствах. Универсальный агрегат, функционирующий от источника переменного тока, обладает малыми габаритами, поэтому он может использоваться в качестве мотора для ручных инструментов.

Коллекторные двигатели, вне зависимости от вида питания, состоят из следующих комплектующих:

1. Якоря. Представляет собой вал, изготовленный из металлических материалов. Он устанавливается в корпусе силового агрегата на небольших подшипниках. Якорь используется для передачи крутящего момента от двигателя к необходимым приборам.
2. Коллектора- небольших контактов с трапециевидным сечением. Эта деталь изготавливается из меди и располагается на роторе.
3. Щеток. Это детали для подачи питания к обмоткам силового агрегата. Они производятся из графита.
4. Держателей, предназначенных для фиксации щеток на корпусе двигателя. Они изготавливаются из пластиковых полимеров, что исключает подачу тока на металлические детали мотора.
5. Подшипников — втулок, изготовленных из пластика или железа. Эти комплектующие обеспечивают стабильное вращение якоря.
6. Сердечника. Это металлические пластины с обмотками, предназначенными для создания магнитного поля.

Коллекторный мотор преобразует электрическую энергию в механическую посредством плавного раскручивания вала якоря. Напряжение передается на обмотки при помощи коллектора. Во время этого процесса может возникнуть замыкание витков. Оно способно привести к поломке привода. Для предотвращения замыкания обмотки покрываются изолирующей оболочкой. В результате передачи электрического тока между якорем и обмотками появляется магнитное поле противоположной полярности, увеличивающее скорость вращения вала.

Выделяют следующие преимущества коллекторного двигателя:

1. Универсальность: щеточный мотор можно подключить к любой электросети, что позволяет использовать силовой агрегат в качестве источника переменного тока.
2. Небольшие габариты: коллекторные моторы могут использоваться в маленьких приборах.
3. Простота эксплуатации: для настройки оборотов щеточного двигателя применяется реостат. Он обеспечивает стабильную работу силовой установки.

Одним из главных недостатков коллекторного двигателя является необходимость регулярного обслуживания. При длительной эксплуатации щетки, изготовленные из графита, полностью стираются. Замену этих комплектующих нужно производить 1 раз в несколько месяцев. Также у коллекторного двигателя отсутствует стабильность мощности. При увеличении нагрузок этот параметр уменьшается, что приводит к снижению КПД.

Для подключения коллекторных моторов к Arduino требуется комплект проводов DuPont. Их толщина должна составлять не менее 2,5 мм. С помощью проводов к приводу подсоединяется источник питания с напряжением 12 В. Логическая микросхема L298N подключается к портам 5V, 9, 8, 7, 5, 4 и 3. Двигатель подсоединяется к выходам A и B.

Подключенные устройства соединяются с персональным компьютером при помощи кабеля USB. После этого необходимо скачать программную среду Arduino IDE и написать скетч, предназначенный для активации драйвера.

Шаговый двигатель

Шаговые двигатели — силовые агрегаты синхронного типа, предназначенные для вращения рабочих узлов. Они применяются при конструировании роботов, станков с числовым программным управлением и электронно-вычислительных машин.

Главным элементом шагового двигателя является статор, на котором размещены обмотки. Ротор мотора выполнен из металлов с магнитными свойствами. Вдоль оси силовой установки размещены зубцы. Между ними находятся постоянные магниты. Устройства, в которых количество зубцов равно числу шагов, называются гибридными шаговыми двигателями.

Выделяют 3 основные разновидности силовых установок синхронного типа:

1. Биполярные имеют 4 контакта с 2 обмотками. Они не соединены между собой, что усложняет процесс изменения полярности магнитного тока.
2. Униполярные — обмотки соединены в виде звезды. Они состоят из 5 выводов. Управление этим мотором осуществляется при помощи поочередной подачи питания на все обмотки.
3. Двигатели с 4 обмотками сочетают свойства биполярных и униполярных моторов.

Существуют следующие режимы управления шаговыми двигателями:

1. Волновой. Силовой агрегат регулируется при помощи 1 обмотки. Этот метод позволяет передавать низкий крутящий момент при небольшом потреблении электроэнергии. При волновом способе управления привод совершает 4 шага за оборот.
2. Полношаговый. Питание подается на 2 обмотки. Напряжение увеличивается в 2 раза, если детали мотора соединены параллельно. При последовательном соединении двигатель потребляет больше электроэнергии.
3. Полушаговый. Этот режим позволяет позиционировать вал силовой установки. В данном случае обмотки могут включаться как попарно, так и по отдельности. При полушаговом методе управления крутящий момент составляет 100%.

Выделяют следующие преимущества шагового двигателя:

1. Устройство не требует регулярного обслуживания. Основные детали мотора не изнашиваются после длительной эксплуатации. Они могут функционировать без поломок в течение нескольких лет.
2. Стабильность показателей мощности: при повышении нагрузок на вал силового агрегата мощность мотора не изменяется.
3. Высокая прочность комплектующих. При поломке регулировочного реостата двигатель продолжит стабильно работать. При нагрузках, превышающих максимальный крутящий момент, мотор пропускает шаги. Это позволяет предотвратить возгорание устройства.
4. Привод имеет фиксированный угол поворота.

При подключении шагового мотора используются провода “плюс-минус”. Двигатель подключается к пинам EN, ENA и ENB, расположенным на драйвере. Источник питания подсоединяется к порту VSS. Модуль подключается к 8, 9, 10 и 11 контактам Arduino. Устройства подключаются к компьютеру при помощи USB-кабеля.

Программа для драйвера мотора

Для управления логической платой L298N требуется загрузить на модуль следующий скетч:

Управление скоростью мотора производится при помощи выходов ENABLE A и ENABLE B. ШИМ-сигналы кодируются в виде 0 и 255. Логический нуль обозначает остановку силового агрегата. Число 255 означает повышение скорости вращения двигателя до максимальных значений. Направление движения силовых установок определяется контактами IN1 — 2.