Драйвер коллекторного двигателя постоянного тока: схема подключения к Ардуино

Описание драйвера мотора L298N

Модуль L298N состоит из 4 транзисторов и 2 H-мостов, подключенных к выходам A и B. Аксессуары изготовлены из стали или латуни. В драйвере есть разъем для питания и подключения различных перемычек.

В центральной части модуля расположен отсек для подключения электродвигателей. Настройка скорости и направления вращения мотора осуществляется одновременным закрытием 2-х транзисторов. Полярность мотора изменена с помощью технологии ШИМ.

Логическая интегральная схема L298N имеет следующую распиновку:

1. OUT1 — OUT4: порты для подключения щеточных двигателей или обмоток шаговых двигателей.
2. VSS: контакт, принимающий электрический ток до 35 В от источника питания.
3. IN1 — IN4: контакты, используемые для проверки технических характеристик щеточных двигателей и обмоток шаговых двигателей.
4. GND: заземление, используемое для стабилизации электрического напряжения и предотвращения коротких замыканий.
5. VS: порт для питания микросхемы. Он принимает электрический ток с напряжением до 5В и служит вторичным источником питания.
6. ВКЛЮЧЕНИЕ A и B: контакты для работы с механизмами широтно-импульсной модуляции.

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

Драйвер работает в 2-х основных режимах:

1. Активный. Каналы двигателя контролируются контроллером. В зависимости от логического уровня устройство увеличивает или уменьшает скорость вращения двигателей. Сигнал PWM отправляется на выводы ENA или ENB в виде логических единиц и нулей.
2. Пассивный. Двигатель вращается с постоянной скоростью независимо от состояния ворот и значений сигналов ШИМ. Направление вращения не может быть изменено, потому что в пассивном режиме штифты ENABLE A и B автоматически перемещаются вверх. Чтобы остановить двигатель, на порты IN должны подаваться сигналы широтно-импульсной модуляции.

Драйвер питается от 3-х контактного разъема. Его колесная база составляет 3,5 мм. Когда регулятор напряжения работает, модуль получает питание от контакта VSS. Перемычка может использоваться для отключения этих устройств и подачи питания на драйвер через порт VS.

Не рекомендуется выключать стабилизатор, если напряжение на модуле меньше 12 В.

Подключение модуля L298N

GND — земля. Клеммы, к которым подключаются двигатели. Обратите внимание, что трехпроводная клемма не только подает напряжение питания на плату, но также позволяет преобразовать его, уже преобразованное для нужд пилота, на значение 5 В, как показано на рисунке рисунок выше.

Вы можете остановить их вращение, подав НИЗКИЙ сигнал на те же контакты, упомянутые выше. На схеме ниже показан пример распределения выводов LN от работающей микросхемы.

Пора. Мы использовали танковую платформу, так как двигатель раскручивает коробку передач и гусеницы, для ее запуска требуется приличный ток.

На рисунке ниже два двигателя будут вращаться в обоих направлениях с постепенным увеличением скорости. Схема подключения Напряжение питания двигателей менее 12 вольт, это означает, что перемычка 3 установлена, перемычки 1 и 2 на контактах ENA и ENB сняты.

Не так давно мы рассматривали алгоритм сборки ЧПУ своими руками, в котором была затронута тема управления шаговым двигателем, ведь именно они позволяют просто и точно разместить фрезу в определенной точке. Ввиду сложности выбора транзисторов и подключения их к схеме H-моста гораздо проще использовать существующие драйверы с такой функцией. Все это приведет к вращению двигателя в определенном направлении. Клеммная колодка 3 отвечает за подключение питания к двигателям.

Подключение L298N к плате Arduino

Кроме того, некоторые контакты должны поддерживать модуляцию ШИМ. При этом можно изменять скорость и направление вращения двигателей. В этом примере рассматривается полупроводниковый мост.

В противном случае, когда вы укажете движение, например по часовой стрелке, один из них будет вращаться в противоположном направлении. Подключение биполярного шагового двигателя к модулю L для управления через Raspberry Pi.

ВЫСОКИЙ, подождите 5 секунд. Типы шаговых двигателей: биполярные, униполярные, с четырьмя обмотками.
ПРОСТОЙ ШАГОВЫЙ МОТОРНЫЙ ВОДИТЕЛЬ ДЛЯ НЕГО

Подключение драйвера L298N к Ардуино Уно

Чтобы проверить драйвер в действии, давайте подключим его к контроллеру Arduino Uno и любому небольшому двигателю постоянного тока, который находится в пределах легкой досягаемости. В этом уроке мы используем самый простой мотор с напряжением питания 1,5-3 Вольта. Для питания этого двигателя хватит двух батареек АА. В такой схеме запитать микросхему драйвера от встроенного стабилизатора просто невозможно, поэтому + 5В питания возьмем с Ардуино.

Также обратите внимание, что при данной схеме подключения с внешним питанием +5 В необходимо снять соответствующую перемычку, о которой мы говорили выше (перемычка питания от стабилизатора)!

Что ж, раз уж мы планируем проверить скорость вращения, снимаем перемычку с контакта ENA.

Управление двигателем при помощи Arduino и сгенерированным сигналом ШИМ

Для запуска процесса плата генерирует сигнал, который отправляется на обмотки двигателя. Для проверки амплитуды подаваемого сигнала в рабочую цепь включается транзистор. Которая включается в прерывание подачи питания и на его базе предусмотрен управляющий импульс от Ардуино. Установив определенные рабочие параметры с помощью серии команд для Arduino, транзистор перейдет в открытое, закрытое или слегка открытое состояние.

На изображении ниже вы можете увидеть пример схемы, в которой мощность двигателя контролируется Arduino через транзистор. Как видите, здесь сигнал отправляется с выхода ШИМ на базу транзистора, а напряжение будет подаваться на обмотку через ее коллектор и эмиттер.

Программирование Arduino может быть выполнено с помощью компьютера; для этого используются как специальные утилиты, так и классические языки программирования. При программировании работы устройства можно использовать стандартный набор команд, который обеспечит доступ к простейшим командам. Или соберите их в комбинации, чтобы сформировать логику для конкретного устройства.

Пример программных команд для работы вышеупомянутой схемы переключения Arduino можно скачать по ссылке ниже. Применяя их, вы можете контролировать скорость вращения, постепенно увеличивая ее до максимального значения и так же плавно уменьшая до полной остановки.

Полный план проекта:

Управление двигателем постоянного тока с помощью Arduino Uno

Используемые команды:

• void setup — поле для установки вывода работы с порта ШИМ;
• void loop — поле для формирования рабочего процесса
• motorSpeed ​​- устанавливает скорость вращения мотора;
• analogWrite — устанавливает работу определенного пина платы;
• delay — установите количество временного интервала.

С помощью этой программы и приведенной выше диаграммы вы можете легко изменить скорость вращения двигателя постоянного тока, но изменить направление его вращения будет довольно сложно. Так как потребуется изменить направление протекания электрического тока по обмоткам. Поэтому на полупроводниковых преобразователях гораздо удобнее изменять направление вращения с помощью H-моста.

L298N – драйвер шагового двигателя

Двигатель постоянного тока (3-6В DC, 2000 об./мин.)

Что представляет собой драйвер L298N?

Эта плата содержит микросхему и 15 выходов для генерации управляющих сигналов. Предназначен для передачи сигналов на рабочие элементы индуктивного типа: обмотки двигателя, катушки реле и т.д. Конструктивно L298N позволяет подключать до двух таких элементов, например, через него можно одновременно управлять двумя шаговыми двигателями.

L298N выводы

• Vss — выход мощности для логических цепей 5В;
• GND — ноль вывода (также называется корпусом);
• INPUT1, INPUT 2, INPUT 3, INPUT 4 — позволяют постепенно увеличивать и уменьшать скорость двигателя;
• OUTPUT1, OUTPUT2 — вывод для питания первой индуктивной нагрузки;
• OUTPUT3, OUTPUT4 — вывод для питания второй индуктивной нагрузки;
• Vs — выход для переключения мощности;
• ENABLE A, B — выходы, с помощью которых осуществляется раздельное управление каналами, могут устанавливать активный и пассивный режимы (с переменной скоростью и с заданной);
• CURRENT SENSING A, B — пин для установки текущего режима.

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;
• максимальная мощность драйвера при температуре выше + 70 ° С — 20 Вт;
• габаритные характеристики: 43x43x29 мм;
• максимальная рабочая температура + 135 ° C.

Драйвер совместим с платами Arduino UNO R3, Nano, Mini и Leonardo. В базовой комплектации модуль имеет радиатор охлаждения и светодиодный индикатор, предназначенный для определения вращения силовых установок. Общий вес конструкции 35 г.

Управление скоростью вращения при помощи ШИМ

Скорость вращения мотора регулируется изменением уровня подаваемого на него напряжения.

ШИМ — это метод, суть которого заключается в том, что среднее значение входного напряжения регулируется серией импульсов включения-выключения, то есть путем быстрого включения и выключения напряжения питания двигателя.

Среднее значение напряжения будет пропорционально скважности (ширине) импульса: чем выше коэффициент, тем выше напряжение и наоборот.

Это изображение иллюстрирует эту зависимость:

Драйвер двигателя L293D

L293D — простейшая микросхема для работы с моторами. L293D имеет две оси H, которые позволяют управлять двумя двигателями. Рабочее напряжение микросхемы 36В, рабочий ток достигает 600мА. Двигатель L293D может выдавать максимальный ток 1,2 А.

Схема имеет 16 выходов. Распиновка:

• + V — питание 5В;
• + Vmotor — напряжение питания двигателя до 36 В;
• 0В — земля;
• En1, En2 — активирует и деактивирует H-мосты;
• In1, In2 — управляет первым мостом H;
• Out1, Out2 — подключение первого H-моста;
• In3, In4 — управляет вторым мостом H;
• Out3, Out4 — подключение второго H-моста.

Для подключения к микроконтроллеру Arduino Uno необходимо подключить выходы In1 к L293D и 7 контактов к Arduino, In2 — 8, In3 — 2, In4 — 3, En1 — 6, En2 — 5, V — 5V, Vmotor — 5V, 0V — GND… На рисунке показан пример подключения двигателя к Arduino.

Падение напряжения на L298N

Падение напряжения на драйвере может достигать 2 В из-за падения напряжения на транзисторах H-Bridge. Таким образом, при подаче напряжения на контакт Vs 12V, только 10V будут достигать электродвигателей, что означает, что они не смогут достичь своей максимальной скорости (это, конечно, электродвигатели постоянного тока на 12 вольт). Следовательно, напряжение, подаваемое на контакт Vss, должно быть на 2 В выше, чем рабочее напряжение электродвигателя (14 В для двигателей на 12 В, 7 В для двигателей на 5 В соответственно)

Arduino Uno (DIP версия)

Управление двигателем постоянного тока с использованием Н-моста

Если рассматривать принцип действия, H-мост представляет собой логическую схему из четырех логических элементов (релейного или полупроводникового типа), способную переходить в два состояния (разомкнутый и замкнутый). В этом примере рассматривается полупроводниковый мост. Просто изменив попарное состояние этих элементов, двигатель будет вращаться в одном или другом направлении без необходимости менять местами контакты.

Это устройство получило свое название от внешнего сходства с буквой «H», где каждая пара транзисторов расположена в вертикальных элементах буквы, а сам управляемый двигатель — в горизонтальном. Пример элементарного H-моста из четырех транзисторов показан на следующем рисунке. Разомкнув и замкнув попарно необходимые элементы схемы, вы сможете пропускать ток по обмоткам в противоположных направлениях.

Посмотрите на картинку, в этой схеме мощность двигателя регулируется контактами A и B, на которые подается управляющий потенциал.

Принцип определения направления вращения моста H следующий:

• когда на базы транзисторов Q1 и Q4 подается импульс для открытия перехода, ток течет через обмотки двигателя в одном направлении;
• когда на базы транзисторов Q2 и Q3 подается импульс для открытия перехода, ток будет течь в противоположном направлении относительно предыдущего, и произойдет обратное движение;
• парное 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, так как приведет к короткому замыканию в цепи.

Используя Н-мостовую схему для управления работой двигателя постоянного тока, можно реализовать полный набор операций для электрической машины без необходимости повторного подключения ее клемм. Ввиду сложности выбора транзисторов и подключения их к схеме H-моста гораздо проще использовать существующие драйверы с такой функцией. Среди них наиболее популярны драйверы L293D и L298N.

При сравнении обоих драйверов следует отметить, что L298N превосходит L293D как по производительности, так и по доступным опциям. Несмотря на то, что L293D — более дешевая модель, L298N, благодаря своим существенным достоинствам, стал гораздо более распространенным. Поэтому в этом примере мы рассмотрим принцип управления двигателем с помощью драйвера L298N и платы Arduino.

Питание драйвера

Питание на L298N подается через три контакта (1 контакт Vs — питание, которое будет подаваться через драйвер на двигатели; 2 контакта GND — земля; 3 контакта Vss — источник питания 5 В для устройства, управляющего драйвером, которое может быть клеммный разъем микроконтроллера или Raspberry Pi) (провода вставляются в разъем и фиксируются поворотом винта на разъеме).

L298N также имеет встроенный стабилизатор напряжения (78M05) до 5 В. Когда перемычка установлена, этот стабилизатор работает, и с вывода Vss можно снять 5 В 0,5 А для питания устройства, управляющего драйвером. При снятии перемычки стабилизатор отключается, а значит, нам нужно запитать устройство, управляющее драйвером, от независимого источника питания.

Запрещается использование перемычки при подаче напряжения выше 12 В на 1-й контакт (Vs). Это может повредить стабилизатор 78M05 .

Если перемычка установлена, контакт Vss работает как выход. В этом случае запрещается подавать напряжение извне

Варианты подключения к Ардуино и схемы

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

1. Двигатели подключаются к клеммам 1 и 2.
2. Питание подается через клеммную колодку 3. Первый провод подключается к порту «+12». На него подается ток с напряжением до 12 В.
3. При отсутствии стабилизатора напряжения контакт «+ 5В» необходимо запитать отдельно”.

Порядок подключения модуля зависит от типа блока управления.

Коллекторный двигатель

Коллекторный двигатель — это единица мощности, используемая для преобразования электрической энергии в механическую. Особенностью данного агрегата является наличие коллекторно-щеточного узла.

Коллекторные двигатели бывают следующих типов:

1. Работает на постоянном токе. Они используются в транспортных средствах, самоходных установках, станках и игровых автоматах.
2. Работает от источника переменного тока. Они используются в бытовой технике и радиоуправляемых устройствах. Универсальный блок, работающий от источника переменного тока, имеет небольшие размеры, поэтому его можно использовать в качестве мотора для ручных инструментов.

Коллекторные двигатели, независимо от типа источника питания, состоят из следующих компонентов:

1. Якоря. Это дерево из металлических материалов. Устанавливается в корпусе силового агрегата на мелких подшипниках. Якорь используется для передачи крутящего момента от двигателя на необходимые инструменты.
2. Коллектор — контакты малого трапециевидного сечения. Эта часть сделана из меди и расположена на роторе.
3. Кисти. Это детали для подачи энергии на обмотки силового агрегата. Они сделаны из графита.
4. Кронштейны, предназначенные для фиксации щеток на корпусе двигателя. Они изготовлены из пластичных полимеров, которые исключают подачу питания на металлические части двигателя.
5. Подшипники представляют собой пластмассовые или железные втулки. Эти компоненты обеспечивают стабильное вращение якоря.
6. Ядро. Это металлические пластины с обмотками, предназначенные для создания магнитного поля.

Коллекторный двигатель преобразует электрическую энергию в механическую, мягко вращая вал якоря. Напряжение передается на обмотки через коллектор. Во время этого процесса может произойти короткое замыкание. Это может повредить устройство. Во избежание коротких замыканий обмотки покрывают изолирующей оболочкой. В результате передачи электрического тока между якорем и обмотками возникает магнитное поле противоположной полярности, увеличивающее скорость вращения вала.

Выделяют следующие достоинства коллекторного двигателя:

1. Универсальность: мотор щетки можно подключить к любой электрической сети, что позволяет использовать силовой агрегат в качестве источника переменного тока.
2. Малая занимаемая площадь: щеточные двигатели могут использоваться в небольших бытовых приборах.
3. Простота эксплуатации: реостат используется для регулировки скорости двигателя щетки. Это обеспечивает стабильную работу силовой установки.

Одним из основных недостатков щеточного двигателя является необходимость регулярного обслуживания. При длительном использовании графитовые щетки стираются полностью. Эти компоненты необходимо заменять раз в несколько месяцев. Кроме того, двигателю щетки не хватает стабильности мощности. С увеличением нагрузок этот параметр уменьшается, что приводит к снижению КПД.

для подключения щеточных двигателей к Arduino требуется комплект кабелей DuPont. Их толщина должна быть не менее 2,5 мм. Источник питания 12 В подключается к приводу кабелями. Логическая микросхема L298N подключается к портам 5V, 9, 8, 7, 5, 4 и 3. Двигатель подключается к выходам A и B.

Подключенные устройства подключаются к персональному компьютеру через USB-кабель. Затем вам нужно загрузить программное обеспечение Arduino IDE и написать скетч, предназначенный для активации драйвера.

Шаговый двигатель

Шаговые двигатели — это силовые агрегаты синхронного типа, предназначенные для вращения рабочих агрегатов. Они используются в конструкции роботов, станков с числовым программным управлением и электронных вычислительных машин.

Основным элементом шагового двигателя является статор, на котором расположены обмотки. Ротор двигателя изготовлен из металлов с магнитными свойствами. Зубья размещены по оси силовой установки. Между ними есть постоянные магниты. Устройства, в которых количество зубцов равно количеству ступеней, называют гибридными шаговыми двигателями.

Выделяют 3 основных типа синхронных электростанций:

1. Биполярный имеет 4 контакта с 2 обмотками. Они не соединены между собой, что усложняет процесс смены полярности магнитного тока.
2. Униполярный: обмотки соединены звездой. Они состоят из 5 контактов. Этот двигатель управляется попеременным питанием всех обмоток.
3. 4-обмоточные двигатели сочетают в себе свойства двухполюсных и однополюсных двигателей.

Для шаговых двигателей существуют следующие режимы управления:

1. Волна. Блок питания регулируется с 1 обмоткой. Этот метод позволяет передавать низкий крутящий момент с низким энергопотреблением. При волновом управлении привод делает 4 шага на оборот.
2. Полный шаг. Питание подается на 2 обмотки. Напряжение удваивается, если части двигателя соединены параллельно. При последовательном подключении двигатель потребляет больше энергии.
3. Полшага. Этот режим позволяет расположить штангу панели управления. В этом случае обмотки можно включать как попарно, так и по отдельности. При полушаговом управлении крутящий момент составляет 100%.

Выделяют следующие преимущества шагового двигателя:

1. Устройство не требует регулярного обслуживания. Основные части двигателя не изнашиваются при длительной эксплуатации. Они могут работать без сбоев несколько лет.
2. Стабильность показателей мощности: при увеличении нагрузок на вал силового агрегата мощность двигателя не меняется.
3. Высокий срок службы компонентов. При выходе из строя регулирующего реостата двигатель продолжит стабильно работать. При нагрузках, превышающих максимальный крутящий момент, двигатель пропускает шаги. Это предотвратит возгорание устройства.
4. Привод имеет фиксированный угол поворота.

При подключении шагового двигателя используются плюсово-минусовые провода. Двигатель подключается к контактам EN, ENA и ENB, расположенным на драйвере. Блок питания подключается к порту VSS. Модуль подключается к контактам 8, 9, 10 и 11 Arduino. Устройства подключаются к компьютеру через USB-кабель.

Принцип управления двигателем при помощи Arduino и драйвера L298N

Благодаря мосту, встроенному в драйвер L298N, эта карта позволяет одновременно управлять двумя электрическими машинами с помощью двух пар контактов. Логическая схема в этом устройстве работает от напряжения 5В, а питание самих электрических машин может осуществляться до 45В включительно. Максимальный ток, разрешенный для одного канала карты, составляет 2 А.

Как правило, этот драйвер имеет модульную конструкцию, благодаря чему в комплект модуля уже входят рабочие элементы, контакты и разъемы, необходимые для передачи управляющих сигналов. Пример такого драйвера показан на следующем рисунке:

Пример драйвера L298N

Теперь давайте посмотрим, как мотор управляется с помощью драйвера L298N. Двигатель подключается к винтовым клеммам — по одной паре на каждое питание двигателя. Остальные клеммы предназначены для обеспечения большей и меньшей мощности, а также для получения пониженного напряжения (им задается определенный уровень напряжения питания, от которого работают двигатели, а внутренний преобразователь понижает его до 5 В для своего собственные логические схемы). Съемные клеммы платы модулируют ширину импульса во время генерации рабочих сигналов.

Обратите внимание, что трехпроводной зажимной терминал не только подает напряжение источника питания на плату, но также позволяет преобразовать его для собственных нужд драйвера со значением 5 В, как показано на рисунке выше. Этот выход можно использовать для питания самой Arduino или любого другого устройства с питанием 5 В.

Важным моментом для получения 5 В от этого вывода терминала является установка черной перемычки, которая отвечает за преобразование уровня напряжения, отличного от 5 В, при условии, что его уровень меньше 12 В. Источник питания больше 12 В, перемычку необходимо удалить, так как внутренний преобразователь на это не рассчитан, а сама плата должна питаться 5В через третий вывод той же клеммной колодки.

Драйвер двигателя на микросхеме HG7881

HG7881 — это двухканальный драйвер, который может подключать 2 двигателя или четырехпроводный двухфазный шаговый двигатель. Устройство часто используется из-за невысокой стоимости. Драйвер используется только для изменения направления вращения, он не может изменять скорость.

Плата содержит 2 схемы L9110S, которые работают как H-мосты.

Характеристики драйвера HG7881:

• 4-х контактное соединение;
• Электропитание двигателей от 2,5 В до 12 В;
• Потребляемый ток менее 800 мА;
• Маленький размер, легкий 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 сигнала, подаваемого на выходы IA и IB, для двигателей будет различное состояние. Возможные варианты одного из двигателей приведены в таблице.

Я	IB	Состояние двигателя
0	0	Стоп
1	0	Идти вперед
0	1	Вернись
1	1	Отключение

Подключение мотора к Arduino показано на рисунке.

Сравнение модулей

Модуль L293D обеспечивает максимальный ток 1,2 А, в то время как на L298N может быть достигнут максимальный ток 4 А. Кроме того, L293D менее эффективен и быстро нагревается во время работы. В то же время L293D — самая распространенная карта, и она недорогая. Плата HG7881 отличается от L293D и L298N тем, что может управлять только направлением вращения, но не может изменять скорость. HG7881 — самый дешевый и маленький модуль.

H-Bridge

Направление вращения регулируется изменением полярности входного напряжения. Стандартный способ реализовать такое изменение — H-Bridge

В электрической схеме (которая визуально напоминает букву H) H-моста есть 4 ключа с мотором в центре этой цепи.

Полярность входного напряжения на двигателе будет зависеть от того, какая пара ключей в данный момент замыкает цепь.

Читайте также: Датчик воды для Arduino: схема для защиты от протечек своими руками