Как правило, логические сигналы для управления шаговым двигателем формирует микроконтроллер. Ресурсов современных микроконтроллеров вполне хватает для этого даже в самом ”тяжелом” режиме – микрошаговом.
Для подключения шаговых двигателей через слаботочные логические сигналы микроконтроллеров необходимы усилители сигналов – драйверы.
В функцию драйверов входит:
- обеспечение необходимого тока и напряжения на фазных обмотках двигателя;
- коммутация обмоток;
- включение;
- выключение;
- смена полярности;
- защита коммутирующих элементов от напряжения самоиндукции обмоток.
Речь в этой статье идет о простых драйверах, достаточных для большинства приложений. Существуют драйверы с гораздо большими возможностями:
- обеспечение быстрого нарастания тока при включении и быстрого спада при выключении;
- уменьшение тока для фиксации положения остановленного двигателя;
- защитные функции;
- формирование тока и напряжения обмоток для микрошагового режима;
- и многие другие.
Схемы таких драйверов достаточно сложные, а в этих функциях в большинстве приложениях нет необходимости.
По схеме подключения шаговые двигатели делятся на униполярные и биполярные. Драйверы для этих двух вариантов двигателей принципиально отличаются.
- Драйвер униполярного шагового двигателя.
- В униполярном режиме могут работать двигатели, имеющие следующие конфигурации обмоток.
Напомню принцип управления униполярным шаговым двигателем. Четыре обмотки с общим проводом, подключенным к одному полюсу источника питания. Если другие выводы обмоток последовательно коммутировать к другому полюсу источника, то ротор двигателя будет вращаться.
Для коммутации обмоток таким способом достаточно всего четырех ключей, замыкающих обмотки на землю. Схемы коммутации обмоток двух предыдущих вариантов двигателей выглядят так.
- Если последовательно замыкать ключи 1, 2, 3, 4, то ротор двигателя будет вращаться.
- Схема драйвера униполярного шагового двигателя.
Практически ключи можно выполнить на биполярных транзисторах, но предпочтительнее использовать низкопороговые MOSFET транзисторы. Я применяю транзисторы IRF7341. Это MOSFET транзисторы с параметрами:
- максимально допустимый ток 4 А;
- предельное напряжение 55 В;
- сопротивление в открытом состоянии 0,05 Ом;
- порог включения 1 В;
- выполнены в миниатюрном корпусе SO-8;
- в корпусе два транзистора.
Крайне удобный вариант для использования в драйвере униполярного шагового двигателя.
- Нет необходимости в радиаторах охлаждения ключей;
- очень низкое падение напряжения на открытом транзисторе;
- малые размеры;
- всего два 8ми выводных корпуса для драйвера двухфазного шагового двигателя.
На биполярных транзисторах ключи с такими параметрами создать не возможно. Есть много других вариантов MOSFET транзисторов для ключей, например IRF7313 ( 6 А, 30 В, 0,029 Ом).
Схема ключа на MOSFET транзисторе для одной фазы выглядит так.
Ключ управляется непосредственно от микроконтроллера логическими уровнями KMOП или TTL ( 0 / +5 В). При управляющем сигнале высокого уровня (+5 В) ключ открыт, и через обмотку фазы идет ток.
Диод шунтирует обмотку двигателя в обратном направлении. Он необходим для защиты транзистора от бросков напряжения самоиндукции при выключении фазы.
Для управления двигателями на значительных скоростях вращения, лучше использовать высокочастотные диоды, например, FR207.
Вот фрагмент схемы подключения униполярного шагового двигателя к микроконтроллеру.
Защиты от коротких замыканий в этой схеме нет. Реализация защиты значительно усложняет драйвер. А замыканий обмоток шаговых двигателей практически не бывает. Я не встречался с таким явлением. Да и на фоне неприятности по поводу сгоревшего дорогого двигателя, замена транзистора не выглядит проблемой.
- Кстати, механическое заклинивание вала шагового двигателя не вызывает недопустимых токов в ключах драйвера и защиты не требует.
- А это изображение платы контроллера униполярного шагового двигателя с PIC контроллером фирмы Microchip.
- Простая плата с восьми разрядным микроконтроллером PIC18F2520 управляет:
- двумя шаговыми двигателями с током фазы до 3 А;
- двумя ШИМ ключами для электромагнитов;
- считывает состояние 4х датчиков;
- обменивается данными по сети с центральным контроллером.
Этот контроллер используется в составе системы управления шаговыми двигателями практически во всем фасовочном оборудовании фирмы ”РОСТ”.
Несмотря на простоту контроллера, реализованы следующие режимы управления:
- полно-шаговый, одна фаза на полный шаг;
- полно-шаговый, две фазы на полный шаг;
- полу-шаговый;
- фиксацию положения двигателя при остановке.
К достоинствам управления шаговым двигателем в униполярном режиме следует отнести:
- простой, дешевый, надежный драйвер.
К недостаткам:
- в униполярном режиме крутящий момент примерно на 40 % меньше по сравнению с биполярным режимом.
- Пример практической схемы простого контроллера униполярного шагового двигателя.
- Статья о подключении униполярного шагового двигателя к плате Ардуино.
- Драйвер биполярного шагового двигателя.
- В биполярном режиме могут работать двигатели, имеющие любые конфигурации обмоток.
У биполярного двигателя по одной обмотке для каждой фазы. Обычно две обмотки AB и CD. В первых двух вариантах четыре обмотки соединяются так, что получается две. Обмотки по очереди подключаются к источнику питания в одной полярности, затем в другой.
Драйвер биполярного двигателя должен обеспечивать сложную коммутацию. Каждая обмотка:
- подключается в прямой полярности к источнику напряжения;
- отключается от источника напряжения;
- подключается с противоположной полярностью.
Схема коммутации одной обмотки биполярного двигателя выглядит так.
Для обеспечения двух полярных коммутаций от одного источника питания требуется 4 ключа. При замыкании 1 и 2 ключей обмотка подключается к источнику питания в прямой полярности. Замыкание 3 и 4 ключей подает на обмотку обратную полярность напряжения.
Сложность драйвера биполярного шагового двигателя вызвана не только большим числом ключей ( 4 ключа на обмотку, 8 ключей на двигатель), но и:
- сложное управление верхними ключами ( 1 и 4) от логических сигналов “привязанных” к земле;
- проблемы со сквозными токами при одновременном открывании ключей одного плеча ( 1,3 или 2,4).
Сквозные токи могут возникать из-за не одинакового быстродействия нижнего и верхнего ключа. К примеру, нижний ключ уже открылся, а верхний – не успел закрыться.
Схема драйвера биполярного шагового двигателя.
Реализовать схему драйвера биполярного шагового двигателя на дискретных элементах довольно сложно. Могу показать мою схему, которая подключает биполярный двигатель к униполярному драйверу. Эта схема используется для управления биполярными двигателями от контроллера, приведенного в качестве примера в предыдущей главе.
Схема достаточно простая. Проблема сквозных токов решается за счет резисторов 0.22 Ом в коммутируемых цепях. В момент коммутаций MOSFET транзисторов, верхний и нижний ключ оказываются одновременно открытыми на короткое время. Эти резисторы и ограничивают сквозной ток.
К сожалению, они ограничивают и рабочий ток двигателя. Поэтому, несмотря на мощные транзисторы, драйвер по такой схеме можно использовать для токов коммутации не более 2 А.
Схема не требует диодов для защиты от эдс самоиндукции обмоток, потому что эти диоды интегрированы в MOSFET транзисторы.
Гораздо удобнее и практичнее использовать интегральные драйверы биполярного шагового двигателя. Самым распространенным из них является микросхема L298N.
Драйвер биполярного шагового двигателя L298N.
Описания этой микросхемы на русском языке практически нет. Поэтому привожу параметры L298N достаточно подробно, по официальным материалам производителя этой микросхемы – компании STMicroelectronics (datasheet l298n.pdf).
L298N это полный мостовой драйвер для управления двунаправленными нагрузками с токами до 2 А и напряжением до 46 В.
- Драйвер разработан для управления компонентами с индуктивными нагрузками, такими как электромагниты, реле, шаговые двигатели.
- Сигналы управления имеют TTL совместимые уровни.
- Два входа разрешения дают возможность отключать нагрузку независимо от входных сигналов микросхемы.
- Предусмотрена возможность подключения внешних датчиков тока для защиты и контроля тока каждого моста.
- Питание логической схемы и нагрузки L298N разделены. Это позволяет подавать на нагрузку напряжение другой величины, чем питание микросхемы.
- Микросхема имеет защиту от перегрева на уровне + 70 °C.
- Структурная схема L298N выглядит так.
- Микросхема выполнена в 15ти выводном корпусе с возможностью крепления радиатора охлаждения.
- Назначение выводов L298N.
| 1 | Sense A | Между этими выводами и землей подключаются резисторы — датчики тока для контроля тока нагрузки. Если контроль тока не используется, они соединяются с землей. |
| 15 | Sense B | |
| 2 | Out 1 | Выходы моста A. |
| 3 | Out 2 | |
| 4 | Vs | Питание нагрузки. Между этим выводом и землей должен быть подключен низкоимпедансный конденсатор емкостью не менее 100 нФ. |
| 5 | In 1 | Входы управления мостом A. TTL совместимые уровни. |
| 7 | In 2 | |
| 6 | En A | Входы разрешения работы мостов. TTL совместимые уровни. Низкий уровень сигналов запрещает работу моста. |
| 11 | En B | |
| 8 | GND | Общий вывод. |
| 9 | Vss | Питание логической части микросхемы (+ 5 В). Между этим выводом и землей должен быть подключен низкоимпедансный конденсатор емкостью не менее 100 нФ. |
| 10 | In 3 | Входы управления мостом B. TTL совместимые уровни. |
| 12 | In 4 | |
| 13 | Out 3 | Выходы моста B. |
| 14 | Out 4 |
Предельно допустимые параметры L298N.
| Обозначение | Параметр | Значение |
| Vs | Напряжение питания | 50 В |
| Vss | Напряжение питания логики | 7 В |
| Vi, Ven | Напряжение логических входов | -0,3…7 В |
| Io | Выходной ток (для каждого канала)
|
|
| Vsens | Напряжение датчиков тока | -1…2,3 В |
| Ptot | Мощность рассеивания (температура корпуса 75°C) | 25 Вт |
| Top | Рабочая температура кристалла | -25…130 °C |
| Tstg | Температура хранения | -40…150 °C |
Параметры расчетов тепловых режимов.
| Обозначение | Параметр | Значение |
| Tth j-case | Тепловое сопротивление кристалл-корпус | 3 ºC/Вт |
| Tth j-amb | Тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда | 35 ºC/Вт |
Электрические характеристики драйвера L298N.
| Обозначение | Параметр | Значение |
| Vs | Напряжение питания (вывод 4) | Vih+2.5 …46 В |
| Vss | Питание логики | 4,5… 5 …7 В |
| Is | Потребляемый ток покоя (вывод 4)
|
13 … 22 мА 50 … 70 мА 4 мА |
Драйверы двигателя L298N, L293D и Arduino Motor Shield
Драйвер двигателя выполняет крайне важную роль в проектах ардуино, использующих двигатели постоянного тока или шаговые двигатели.
C помощью микросхемы драйвера или готового шилда motor shield можно создавать мобильных роботов, автономные автомобили на ардуино и другие устройства с механическими модулями.
В этой статье мы рассмотрим подключение к ардуино популярных драйверов двигателей на базе микросхем L298N и L293D.
Драйвер двигателя в проектах ардуино
Для чего нужен драйвер двигателя?
Как известно, плата ардуино имеет существенные ограничения по силе тока присоединенной к ней нагрузки. Для платы это 800 mA, а для каждого отдельного вывода – и того меньше, 40mA.
Мы не можем подключить напрямую к Arduino Uno, Mega или Nano даже самый маленький двигатель постоянного тока.
Любой из этих двигателей в момент запуска или остановки создаст пиковые броски тока, превышающие этот предел.
Как же тогда подключить двигатель к ардуино? Есть несколько вариантов действий:
Использовать реле. Мы включаем двигатель в отдельную электрическую сеть, никак не связанную с платой Arduino. Реле по команде ардуино замыкает или размыкает контакты, тем самым включает или выключает ток.
Соответственно, двигатель включается или выключается.
Главным преимуществом этой схемы является ее простота и возможность использовать Главным недостатком данной схемы является то, что мы не можем управлять скоростью и направлением вращения.
Использовать силовой транзистор. В данном случае мы можем управлять током, проходящим через двигатель, а значит, можем управлять скоростью вращения шпинделя. Но для смены направления вращения этот способ не подойдет.
Использовать специальную схему подключения, называемую H-мостом, с помощью которой мы можем изменять направление движения шпинделя двигателя. Сегодня можно без проблем найти как микросхемы, содержащие два или больше H-моста, так и отдельные модули и платы расширения, построенные на этих микросхемах.
В этой статье мы рассмотрим последний, третий вариант, как наиболее гибкий и удобный для создания первых роботов на ардуино.
Микросхема или плата расширения Motor Shield
Motor Shield – плата расширения для Ардуино, которая обеспечивает работу двигателей постоянного тока и шаговых двигателей. Самыми популярными платами Motor Shield являются схемы на базе чипов L298N и L293D, которые могут управлять несколькими двигателями. На плате установлен комплект сквозных колодок Ардуино Rev3, позволяющие устанавливать другие платы расширения.
Также на плате имеется возможность выбора источника напряжения – Motor Shield может питаться как от Ардуино, так и от внешнего источника. На плате имеется светодиод, который показывает, работает ли устройство. Все это делает использование драйвера очень простым и надежным – не нужно самим изобретать велосипеды и решать уже кем-то решенные проблемы.
В этой статье мы будем говорить именно о шилдах.
Принцип действия H-моста
Принцип работы драйвера двигателя основан на принципе работы H-моста. H-мост является электронной схемой, которая состоит из четырех ключей с нагрузкой. Название моста появилось из напоминающей букву H конфигурации схемы.
Схема моста изображена на рисунке. Q1…Q4 0 полевые, биполярные или IGBT транзисторы. Последние используются в высоковольтных сетях. Биполярные транзисторы практически не используются, они могут присутствовать в маломощных схемах.
Для больших токов берут полевые транзисторы с изолированным затвором. Ключи не должны быть замкнуты вместе одновременно, чтобы не произошло короткого замыкания источника. Диоды D1…D4 ограничительные, обычно используются диоды Шоттки.
С помощью изменения состояния ключей на H-мосте можно регулировать направление движения и тормозить моторы. В таблице приведены основные состояния и соответствующие им комбинации на пинах.
| Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | Состояние |
| 1 | 1 | Поворот мотора вправо | ||
| 1 | 1 | Поворот мотора влево | ||
| Свободное вращение | ||||
| 1 | 1 | Торможение | ||
| 1 | 1 | Торможение | ||
| 1 | 1 | Короткое замыкание | ||
| 1 | 1 | Короткое замыкание |
Драйвер двигателя L298N
Модуль используется для управления шаговыми двигателями с напряжением от 5 до 35 В. При помощи одной платы L298N можно управлять сразу двумя двигателями. Наибольшая нагрузка, которую обеспечивает микросхема, достигает 2 А на каждый двигатель. Если подключить двигатели параллельно, это значение можно увеличить до 4 А.
Плата выглядит следующим образом:
Распиновка микросхемы L298N:
- Vcc – используется для подключения внешнего питания;
- 5В;
- Земля GND;
- IN1, IN2, IN3, IN4 – используется для плавного управления скоростью вращения мотора;
- OUT1, OUT2 – используется для выхода с первого двигателя;
- OUT3, OUT4 – используется для выхода со второго двигателя;
- S1 – переключает питание схемы: от внешнего источника или от внутреннего преобразователя;
- ENABLE A, B – требуются для раздельного управления каналами. Используются в двух режимах – активный, при котором каналами управляет микроконтроллер и имеется возможность изменения скорости вращения, и пассивный, в котором невозможно управлять скоростью двигателей (установлено максимальное значение).
При подключении двух двигателей, нужно проверить, чтобы у них была одинаковая полярность. Если полярность разная, то при задании направления движения они будут вращаться в противоположные стороны.
Драйвер двигателя L293D
L293D – является самой простой микросхемой для работы с двигателями. L293D обладает двумя H-моста, которые позволяют управлять двумя двигателями. Рабочее напряжение микросхемы – 36 В, рабочий ток достигает 600 мА. На двигатель L293D может подавать максимальный ток в 1,2 А.
В схеме имеется 16 выходов. Распиновка:
- +V – питание на 5 В;
- +Vmotor – напряжение питания для мотором до 36 В;
- 0V – земля;
- En1, En2 –включают и выключают H-мосты;
- In1, In2 – управляют первым H-мостом;
- Out1, Out2 – подключение первого H-моста;
- In3, In4 – управляют вторым H-мостом;
- Out3, Out4 – подключение второго H-моста.
Для подключения к микроконтроллеру Arduino Uno нужно соединить выходы In1 на L293D и 7 пин на Ардуино, In2 – 8, In3 – 2, In4 – 3, En1 – 6, En2 – 5, V – 5V, Vmotor – 5 V, 0V – GND. Пример подключения одного двигателя к Ардуино показан на рисунке.
Драйвер двигателя на микросхеме HG7881
HG7881 – двухканальный драйвер, к которому можно подключить 2 двигателя или четырехпроводной двухфазный шаговый двигатель. Устройство часто используется из-за своей невысокой стоимости. Драйвер используется только для изменения направления вращения, менять скорость он не может.
Плата содержит 2 схемы L9110S, работающие как H-мост.
Характеристики драйвера HG7881:
- 4-контактное подключение;
- Питание для двигателей от 2,5 В до 12 В;
- Потребляемый ток менее 800 мА;
- Малые габариты, небольшой вес.
Распиновка:
- GND – земля;
- Vcc – напряжение питания 2,5В – 12В;
- A-IA – вход A(IA) для двигателя A;
- A-IB – вход B (IB) для двигателя A;
- B-IA – вход A(IA) для двигателя B;
- B-IB – вход B (IB) для двигателя B.
В зависимости от поданного сигнала на выходах IA и IB будет разное состояние для двигателей. Возможные варианты для одного из моторов приведены в таблице.
| IA | IB | Состояние мотора |
| Остановка | ||
| 1 | Двигается вперед | |
| 1 | Двигается назад | |
| 1 | 1 | Отключение |
Подключение одного двигателя к Ардуино изображено на рисунке.
Сравнение модулей
Модуль L293D подает максимальный ток в 1,2А, в то время как на L298N можно добиться максимального тока в 4 А. Также L293D обладает меньшим КПД и быстро греется во время работы.
При этом L293D является самой распространенной платой и стоит недорого. Плата HG7881 отличается от L293D и L298N тем, что с ее помощью можно управлять только направлением вращения, скорость менять она не может.
HG7881 – самый дешевый и самый малогабаритный модуль.
Подключение L298N к Arduino
Как уже упоминалось, в первую очередь нужно проверить полярность подключенных двигателей. Двигатели, вращающиеся в различных направлениях, неудобно программировать.
Нужно присоединить источник питания. + подключается к пину 4 на плате L298N, минус (GND) – к 5 пину.
Затем нужно соединить выходы с L298N и пины на Ардуино, причем некоторые из них должны поддерживать ШИМ-модуляцию. На плате Ардуино они обозначены ~.
Выходы с L298N IN1, IN2, IN3 и IN4 подключить к D7, D6, D5 и D4 на Ардуино соответственно. Подключение всех остальных контактов представлено на схеме.
Направление вращения задается с помощью сигналов HIGH и LOW на каждый канал. Двигатели начнут вращаться, только когда на 7 пине для первого мотора и на 12 пине для второго на L298N будет сигнал HIGH. Подача LOW останавливает вращение. Чтобы управлять скоростью, используются ШИМ-сигналы.
Для управления шаговым двигателем в Arduino IDE существует стандартная библиотека Stepper library. Чтобы проверить работоспособность собранной схемы, можно загрузить тестовый пример stepper_oneRevolution. При правильной сборке вал двигателя начнет вращаться.
При работе с моторами Ардуино может периодически перезагружаться. Это возникает из-за того, что двигателям требуются большие токи при старте и в момент торможения. Для решения этой проблемы в плату встроены конденсаторы, диоды и другие схемы. Также для этих целей на шидле имеется раздельное питание.
Управление двигателем постоянного тока с применением драйвера L298N и Arduino UNO
В данном примере мы рассмотрим один из способов управления электродвигателем постоянного тока, который осуществляется посредством платы Arduino и драйвера L298N.
Несмотря на большое многообразие вариантов управления работой электрических машин постоянного тока, куда большей популярностью пользуется именно эта схема.
Так как с ее помощью можно осуществлять достаточно широкий спектр различных операций, в сравнении со схемами, использующими другие драйвера и микроконтроллеры.
Введение
Электрическая машина постоянного тока является одной из самых простых в эксплуатации, благодаря чему ее так часто применяют в устройствах радиоэлектроники и робототехники.
Такая популярность обусловлена простотой питания и управления – для этого подаются два полюса от источника эдс (отрицательный и положительный), и при протекании тока по обмоткам происходит вращение вала.
При смене полярности двигатель совершает реверсивное движение.
В системах радиоэлектроники такие способы управления работой двигателя получили название широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Такой процесс характеризуется изменением продолжительности подаваемого напряжения или формы его сигнала.
Как можно изменять скорость вращения при помощи ШИМ?
Применяя способ ШИМ, вы производите попеременную подачу и отключение напряжения на обмотки двигателя с большой частотой. Частота импульсов при этом может достигать нескольких килогерц.
Величина среднего напряжения, подаваемого на двигатель, напрямую зависит от формы сигнала ШИМ .
Форма сигнала, в свою очередь, определяется рабочим циклом, который можно представить в виде отношения времени подачи сигнала к общему периоду (сумме времени подачи напряжения и его отключения).
В результате получается безразмерная величина, которую выражают в процентном отношении – сколько времени от общего периода напряжение подавалось на двигатель. В слаботочных системах на 5, 12, 24 или 36 В применяется цикл на 25%, 50%, 75% и 100%.
Широтно-импульсная модуляци
Управление двигателем при помощи Arduino и сгенерированным сигналом ШИМ
Для запуска процесса плата генерирует сигнал, который подается на обмотки двигателя. Чтобы контролировать величину подаваемого сигнала в рабочую схему включается транзистор.
Который включается в разрыв питающей сети, а на его базу подается управляющий импульс от Arduino.
Задавая определенные параметры работы набором команд для Arduino, транзистор будет переходить в открытое, закрытое или приоткрытое состояние.
На рисунке ниже вы можете увидеть пример схемы, на которой питание двигателя контролируется Arduino через транзистор. Как видите, здесь от ШИМ выхода подается сигнал на базу транзистора, а через его коллектор и эмиттер будет подаваться напряжение на обмотку.
Принципиальная схема управления dc мотором
Программирование ардуино может выполняться с помощью компьютера, для этого используются как специальные утилиты, так и классические языки программирования. При программировании работы устройства вы можете использовать стандартный набор команд, который предоставит доступ к наиболее простым командам. Или собирать их в комбинации для формирования специфической логики работы устройства.
Пример программных команд для работы вышеприведенной схемы включения Arduino вы можете скачать по ссылке ниже. Применяя их, вы сможете управлять скоростью вращения, постепенно наращивая ее до максимального значения, и так же плавно снижая до полной остановки.
- Полный скетч проекта:
- Управление DC мотором с помощью Arduino Uno
- Используемые команды:
- void setup – поле для установки рабочего выхода с ШИМ порта;
- void loop – поле для формирования рабочего процесса;
- motorSpeed – задает скорость вращения двигателя;
- analogWrite – задает работу конкретного вывода платы;
- delay – устанавливает величину временного промежутка.
При помощи этой программы и вышеприведенной схемы вы сможете легко изменять скорость вращения двигателя постоянного тока, но менять направление его вращения будет достаточно сложно. Так как потребуется изменить направление протекание электрического тока по обмоткам. Поэтому менять направление вращения куда удобнее при помощи Н-моста на полупроводниковых преобразователях.
Управление двигателем постоянного тока с использованием Н-моста
Если рассмотреть принцип действия, то Н-мост представляет собой логическую схему из четырех логических элементов (релейного или полупроводникового типа), способных переходить в два состояния (открытое и закрытое).
В данном примере рассматривается мост собранный на полупроводниках. Простым изменением попарного состояния этих элементов двигатель будет вращаться то в одну, то в другую сторону без необходимости переключения его контактов.
Свое название данное устройство получило за счет внешнего сходства с буквой «Н», где каждая пара транзисторов находится в вертикальных элементах буквы, а непосредственно сам управляемый мотор в горизонтальном. Пример элементарного Н-моста из четырех транзисторов приведен на рисунке ниже. Попарно открывая и закрывая нужные элементы схемы, вы сможете пропускать ток через обмотки в противоположных направлениях.
Схема H-моста
Посмотрите на рисунок, в этой схеме управление питанием двигателя происходит от выводов А и В, на которые подается управляющий потенциал.
Принцип определения направления вращения в Н-мосте происходит следующим образом:
- при подаче на базы транзисторов Q1 и Q4 импульса для открытия перехода происходит протекание тока по обмоткам двигателя в одном направлении;
- при подаче на базы транзисторов Q2 и Q3 импульса для открытия перехода ток будет протекать в противоположном направлении, в сравнении с предыдущим и произойдет реверсивное движение;
- попарное открытие транзисторов Q1 и Q3, Q2 и Q4 приводит к торможению ротора;
- открытие транзисторов в последовательности Q1 и Q2 или Q3 и Q4 совершенно недопустимо, поскольку оно приведет к возникновению короткого замыкания в цепи.
Применяя схему Н-моста для управления работой двигателя постоянного тока, вы сможете реализовать полный набор операций для электрической машины без необходимости переподключения ее выводов.
В виду сложности подбора транзисторов и подключения их в схему Н-моста, гораздо проще использовать уже существующие драйвера, имеющие такую функцию.
Среди них наиболее популярными являются драйверы L293D и L298N.
Сравнивая оба драйвера, следует отметить, что L298N превосходит L293D как по параметрам работы, так и по доступным опциям. Несмотря на то, что L293D более дешевая модель, L298N, ввиду значительных преимуществ, стал использоваться куда чаще. Поэтому в данном примере мы рассмотрим принцип управления двигателем при помощи драйвера L298N и платы Arduino.
Что представляет собой драйвер L298N?
Данная плата содержит микросхему и 15 выходов для генерации управляющих сигналов. Предназначено для передачи сигналов к рабочим элементам индуктивного типа – обмоткам двигателя, катушкам реле и т.д. Конструктивно L298N позволяет подключать в работу до двух таких элементов, к примеру, через нее можно одновременно управлять двумя шаговыми двигателями.
На схеме ниже приведен пример распределения выводов L298N от рабочей микросхемы.
L298N. Выводы
- Vss – вывод питания для логических цепей в 5В;
- GND – нулевой вывод (он же корпус);
- INPUT1, INPUT 2, INPUT 3, INPUT 4 – позволяют плавно наращивать и уменьшать скорость вращения двигателя;
- OUTPUT1, OUTPUT2 – выводы для питания первой индуктивной нагрузки;
- OUTPUT3, OUTPUT4 – выводы для питания второй индуктивной нагрузки;
- Vs – вывод для переключения питания;
- ENABLE A, B – выводы, при помощи которых осуществляется раздельное управление каналами, могут устанавливать активный и пассивный режим (с регулируемой скоростью вращения и с установленной);
- CURRENT SENSING A, B – выводы для установки текущего режима.
Принцип управления двигателем при помощи Arduino и драйвера L298N
Благодаря наличию в драйвере L298N встроенного моста данная плата позволяет осуществлять одновременное управление сразу двумя электрическими машинами от двух пар выводов. Логическая схема в данном устройстве работает от напряжения в 5В, а питание самих электрических машин можно осуществлять до 45В включительно. Максимально допустимый ток для одного канала платы составляет 2А.
Как правило, этот драйвер имеет модульное исполнение, за счет чего в комплект модуля уже включены рабочие элементы, выводы и разъемы, необходимые для передачи управляющих сигналов. Пример такого драйвера показан на рисунке ниже:
Пример драйвера L298N
Теперь разберем, как осуществляется управление двигателем с помощью драйвера L298N. Подключение двигателя производится к винтовым клеммным зажимам – по паре для питания каждого моторчика.
Остальные клеммные зажимы предназначены для подачи питания плюс и минус, а также получения пониженного напряжения (на них подается определенный уровень питающего напряжения, от которого работают двигатели, а внутренний преобразователь понижает его до 5В для собственных логических цепей).
Штекерные выводы платы осуществляют широтно-импульсную модуляцию при формировании рабочих сигналов.
Зажимы, куда подключать моторы
Следует отметить, что клеммный зажим с тремя выводами не только подводит к плате питающее напряжение, но и позволяет получить его уже преобразованное для собственных нужд драйвера величиной в 5В, как показано на рисунке выше. Этот выход можно использовать для запитки того же Ардуино или для любых других устройств, которые питаются от 5В.
Немаловажным моментом для получения 5В от этого клеммного вывода является установка черной перемычки, которая отвечает за преобразование отличного от 5 В уровня напряжения, при условии, что его уровень ниже 12В. Если уровень питающего напряжения выше 12В, перемычку необходимо снять, так как внутренний преобразователь на него не рассчитан, а сама плата должна запитываться от 5В через третий вывод этого же клеммника.
Простой пример работы Arduino с драйвером L298N
Сейчас мы рассмотрим пример простой схемы совместного использования Arduino и L298N. Такой вариант позволяет управлять скоростью вращения вала и его направлением у двигателя постоянного тока.
Для этого задается специальная программа на ПК, которая будет определять генерацию ШИМ сигнала от L298N и направление протекания электрического тока через Н-мост.
Разумеется, для формирования схемы потребуются еще несколько дополнительных компонентов, которые позволят соединить между собой драйвер, Ардуино, компьютер и двигатели.
Схема совместного использования Arduino и L298N
Перечень необходимых компонентов для сборки схемы:
- Arduino UNO — наиболее простая модель из линейки, но его функционала будет более чем достаточно. Если вы используете более продвинутый вариант, то он также хорошо справится с этой задачей.
- Драйвер L298N – не самый доступный драйвер, но заменить его другим не получится, так как принцип работы похожих моделей может в корне отличаться.
- Двигатель на 12 В – в данном примере используется электрическая машина постоянного тока.
- Потенциометр 100 кОм.
- Кнопка для коммутации цепи.
- Источник питания 12 В — может подойти любой вариант, включая несколько пальчиковых батареек.
- Плата для установки элементов.
- Соединительные провода, желательно с готовыми штекерами папа/мама.
| Arduino | UNO Rev3.0 | 1 | [mask_link]Ссылка[/mask_link] |
| Драйвер | L298N | 1 | [mask_link]Ссылка[/mask_link] |
| Мини-двигатель | 12В, DC, 6000 об/мин. | 1 | [mask_link]Ссылка[/mask_link] |
| Блок питания | 12 Вольт | 1 | [mask_link]Ссылка[/mask_link] |
| Кнопка | Micro SMD SMT | 1 | [mask_link]Ссылка[/mask_link] |
| Потенциометр | 100 кОм | 1 | [mask_link]Ссылка[/mask_link] |
| Соединительные провода | папа-мама | [mask_link]Ссылка[/mask_link] |
- Полный код проекта:
- Управление DC двигателем с помощью Arduino UNO
- Практическое применение.
Программирование работы электрическими двигателями широко используется в робототехнике, к примеру, ваше изобретение, оснащенное колесами, сможет осуществлять движение и в прямом, и в обратном направлении.
Как вы могли уже убедиться, совместная работа Arduino и драйвера L298N сможет без проблем решить такую задачу.
При этом вы можете обеспечить одновременную работу сразу двух двигателей от одного драйвера, то есть управлять сразу двумя колесами, причем независимо друг от друга.
В другом варианте двигатели, управляемые Arduino и драйвером L298N могут перемещать руки робота в прямом и реверсивном направлении, передвигаться по линейной траектории и т.д. Полный перечень возможностей платы Arduino и драйвера L298N ограничивается только вашей собственной фантазией, поэтому вы можете самостоятельно найти им интересное применение.
Arduino UNO урок 13 — драйвер двигателя L298N
Микросхема L298N представляет собой сдвоенный мостовой драйвер двигателей и предназначена для управления DC и шаговыми двигателями. Данная микросхема находит очень широкое применение в роботостроительстве.
Одна микросхема L298N способна управлять двумя двигателями и обеспечивает максимальную нагрузку до 2А на каждый двигатель, а если задействовать параллельное включение для одного двигателя, то можно поднять максимальный ток до 4А.
В данной статье я хочу рассмотреть подключение к Arduino готового модуля L298N, которые очень широко представлены на популярном аукционе ebay, AliExpress и в др. местах.
Можно конечно купить данную микросхему и в России и сделать самому шилд и всю обвязку, но сегодняшняя реальность такова, что при средней стоимости модуля на ebay в 5 долларов, все комплектующие при покупке у нас выйдут примерно также, а то и дороже.
Не говоря уже про трудозатраты на изготовление печатной платы, пайку и т.д.
Сами модули на микросхемах L298N выглядят так:
Принципиальная схема такого модуля выглядит следующим образом:
Шилд имеет следующие пины подключения:Vcc — подключение внешнего питания двигателей+5 — питание логикиGND — общийIN1, IN2, IN3, IN4 (разъем P4 на схеме) — входы управления двигателямиOUT1, OUT2 (разъем P2 на схеме) — выход первого двигателяOUT3, OUT4 (разъем P3 на схеме) — выход второго двигателяВыключатель S1 служит для переключения питания логической части микросхемы. Т.е. при включенном S1 питание логической части берется от внутреннего преобразователя модуля. При выключенном S1 питание берется от внешнего источника.
На модулях также присутствуют перемычки ENA и ENB для разрешения включения двигателей. Если необходимо, их можно также подключить к Arduino и задействовать, но это лишние 2 провода и в этих входах нет особого смысла.
ШИМ управление позволяет плавно изменять скорость вращение двигателя. Если нам не нужно ШИМ управление, то на соответствующий вход нужно просто подать логическую 1. На какой именно вход IN1 или IN2 вы подадите сигнал ШИМ, либо направление вращения — разницы не имеет. Тоже самое справедливо и для входов IN3, IN4.
Схема подключения шилда L298N к контроллеру Arduino:
Для питания логической части схемы необходимо нажать кнопку или вставить перемычку (зависит от типа модуля). Если же на вашем модуле не предусмотрен преобразователь 5В, то дополнительно, необходимо соединить вывод 5V от Arduino к входу +5 шилда.
Как видно из схемы выше, 2 и 4 вывод используются для установки направления движения, а 3 и 5 для ШИМ управления выводами.
Напишем тестовую программу, в которой мы будем в цикле изменять скорость вращения, а также направление вращения двигателей:
#define D1 2 // Направление вращение двигателя 1
#define M1 3 // ШИМ вывод для управления двигателем 1
#define D2 4 // Направление вращение двигателя 2
#define M2 5 // ШИМ вывод для управления двигателем 2
bool direction = 0; // Текущее направление вращения
int value; // Текущее значение ШИМ
void setup()
{
pinMode(D1, OUTPUT);
pinMode(D2, OUTPUT);
}
void loop()
{
for(value = 0; value
Загрузка...
