Что такое драйвер двигателя постоянного тока

Управление щёточными моторами с Arduino

Как вы знаете, никакую нагрузку мощнее светодиода нельзя подключать к Ардуино напрямую, особенно моторчики. Ардуино, да и вообще любой микроконтроллер – логическое устройство, которое может давать только логические сигналы другим железкам, а те уже могут управлять нагрузкой. Кстати, урок по управлению мощной нагрузкой постоянного и переменного тока у меня тоже есть. “Драйвером” мотора могут быть разные железки, рассмотрим некоторые из них.

При помощи обычного реле можно просто включать и выключать мотор по команде digitalWrite(пин, состояние) , прямо как светодиод:

При помощи двойного модуля реле (или просто двух реле) можно включать мотор в одну или другую сторону, а также выключать:

Купить модуль реле можно на Aliexpress.

Мосфет

Полевой транзистор, он же мосфет, позволяет управлять скорость вращения мотора при помощи ШИМ сигнала. При использовании мосфета обязательно нужно ставить диод, иначе индуктивный выброс с мотора очень быстро убьёт транзистор. Скорость мотора можно задавать при помощи ардуиновской analogWrite(пин, скорость) .

Вместо “голого” мосфета можно использовать готовый китайский модуль:

Купить мосфет модуль можно на Aliexpress.

Реле и мосфет

Если объединить реле и мосфет – получим весьма колхозную, но рабочую схему управления скоростью и направлением мотора:

Специальный драйвер

Лучше всего управлять мотором при помощи специального драйвера, они бывают разных форм и размеров и рассчитаны на разное напряжение и ток, но управляются практически одинаково. Рассмотрим основные драйверы с китайского рынка:

Драйвер Vmot Ток (пик)

Стоимость

Aliexpress
L298N 4-50V 1A (2A) 100р Купить
MX1508 2-9.6V 1.5A (2.5A) 20р Купить
TA6586 3-14V 5A (7A) 100р (чип 30р) Купить, купить, купить чип
L9110S 2.5-12V 0.8A (1.5A) 50р Купить
TB6612 4.5-13.5V 1.2A (3A) 80р Купить
BTS7960 5.5-27V 10A (43A) 300р Купить
Большой 3-36V 10A (30A) 700р Купить

Остальные драйверы смотри у меня вот тут. Схемы подключения и таблицы управления:




Пины направления управляются при помощи digitalWrite(pin, value) , а PWM – analogWrite(pin, value) . Управление драйвером по двум пинам может быть двух вариантов:

Моторы переменного тока

Мотором переменного тока (220V от розетки) можно управлять при помощи диммера на симисторе, как в уроке про управление нагрузкой.

Библиотеки

У меня есть удобная библиотека для управления мотором – GyverMotor, документацию можно почитать вот здесь. Особенности библиотеки:

  • Контроль скорости и направления вращения
  • Работа с ШИМ любого разрешения
  • Программный deadtime
  • Отрицательные скорости
  • Поддержка всех типов драйверов
  • Плавный пуск и изменение скорости
  • Режим “минимальная скважность”

Помехи и защита от них

Индуктивный выброс напряжения

Мотор – это индуктивная нагрузка, которая в момент отключения создаёт индуктивные выбросы. У мотора есть щетки, которые являются источником искр и помех за счёт той же самой индуктивности катушки. Сам мотор потребляет энергию не очень равномерно, что может стать причиной помех по линии питания, а пусковой ток мотора так вообще сильно больше рабочего тока, что гарантированно просадит слабое питание при запуске. Все четыре источника помех могут приводить к различным глюкам в работе устройства вплоть до срабатывания кнопок на цифровых пинах, наведения помех на аналоговых пинах, внезапного зависания и даже перезагрузки микроконтроллера или других железок в сборе устройства.

Отсечь индуктивный выброс с мотора можно при помощи самого обычного диода, чем мощнее мотор, тем мощнее нужен диод, то есть на более высокое напряжение и ток. Диод ставится встречно параллельно мотору, и чем ближе к корпусу, тем лучше. Точно таким же образом рекомендуется поступать с электромагнитными клапанами, соленоидами, электромагнитами и вообще любыми другими катушками. Логично, что диод нужно ставить только в том случае, если мотор или катушка управляется в одну сторону. Важные моменты:

  • При работе с драйвером и управлением в обе стороны диод ставить не нужно и даже нельзя!
  • При управлении ШИМ сигналом рекомендуется ставить быстродействующие диоды (например серии 1N49xx ) или диоды Шоттки (например серии 1N58xx).
  • Максимальный ток диода должен быть больше или равен максимальному току мотора.
  • Защитный диод, принимающий на себя обратный выброс ЭДС самоиндукции, также называется шунтирующим диодом, снаббером, flyback диодом.
  • В природе существуют мосфеты со встроенным защитным диодом. Этот диод является отдельным элементом и такой мосфет обычно имеет нестандартный корпус, читайте документацию на конкретный транзистор.
  • Диод, который показан на схематическом изображении мосфета, не является защитным диодом: это слабый и медленный “паразитный” диод, образованный при производстве транзистора. Он не защитит мосфет от выброса, нужно обязательно ставить внешний!

Помехи от щёток

Искрящиеся щетки мотора, особенно старого и разбитого, являются сильным источником электромагнитных помех, и здесь проблема решается установкой керамических конденсаторов с ёмкостью 0.1-1 мкФ на выводы мотора. Такие же конденсаторы можно поставить между каждым выводом и металлическим корпусом, это ещё сильнее погасит помехи. Для пайки к корпусу нужно использовать мощный паяльник и активный флюс, чтобы залудиться и припаяться как можно быстрее, не перегревая мотор.

Помехи по питанию, просадка

Мотор потребляет ток не очень равномерно, особенно во время разгона или в условиях переменной нагрузки на вал, что проявляется в виде просадок напряжения по питанию всей схемы. Беды с питанием решаются установкой ёмких электролитических конденсаторов по питанию, логично что ставить их нужно максимально близко к драйверу, то есть до драйвера. Напряжение должно быть выше чем напряжение питания, а ёмкость уже подбирается по факту. Начать можно с 470 мкф и повышать, пока не станет хорошо.

Разделение питания

Если описанные выше способы не помогают – остаётся только одно: разделение питания. Отдельный малошумящий хороший источник на МК и сенсоры/модули, и отдельный – для силовой части, в том числе мотора. Иногда ради стабильности работы приходится вводить отдельный БП или отдельный аккумулятор для надёжности функционирования устройства.

Экранирование

В отдельных случаях критичными являются даже наводки от питающих проводов моторов, особенно при управлении ШИМ мощными моторами и управлении мощными шаговиками в станках. Такие наводки могут создавать сильные помехи для работающих рядом чувствительных электронных компонентов, на аналоговые цепи, наводить помехи на линии измерения АЦП и конечно же на радиосвязь. Защититься от таких помех можно при помощи экранирования силовых проводов: экранированные силовые провода не всегда удаётся купить, поэтому достаточно обмотать обычные провода фольгой и подключить экран на GND питания силовой части. Этот трюк часто используют RC моделисты, летающие по FPV.

Видео

Источник

Драйвер двигателя L298N

Товары

Обзор драйвера L298N

Драйвер L298N используется радиолюбителями для многофункционального управления двигателями постоянного тока. Схема модуля, состоящая из двух H-мостов, позволяет подключать к нему один биполярный шаговый двигатель или одновременно два щёточных двигателя постоянного тока. При этом есть возможность изменять скорость и направление вращения моторов. Управление осуществляется путём подачи соответствующих сигналов на командные входы, выполненные в виде штыревых контактов. На рисунке №1 показан внешний вид модуля с кратким описанием всех его составляющих.

Рисунок №1 – внешний вид модуля L298N

  • OUT1 и OUT2 – разъёмы для подключения первого щёточного двигателя или первой обмотки шагового двигателя;
  • OUT3 и OUT4 – разъёмы для подключения второго щёточного двигателя или второй обмотки шагового двигателя;
  • VSS – вход для питания двигателей (максимальный уровень +35V);
  • GND – общий провод (не забываем соединить с аналогичным входом Arduino. );
  • Vs – вход для питания логики +5V. Через него непосредственно запитывается сама микросхема L298N. Есть ещё второй способ питания, при котором 5V для L298N берётся от встроенного в модуль стабилизатора напряжения. В таком случае на разъём подаётся только питание для двигателей (Vss), контакт Vs остаётся не подключенным, а на плате устанавливается перемычка питания от стабилизатора, который ограничит питающее моторы напряжение до приемлемых 5V.
  • IN1, IN2 – контакты управления первым щёточным двигателем или первой обмоткой шагового двигателя.
  • IN3, IN4 – контакты управления вторым щёточным двигателем или второй обмоткой шагового двигателя.
  • ENA, ENB – контакты для активации/деактивации первого и второго двигателей или соответствующих обмоток ШД. Подача логической единицы на эти контакты разрешает вращение двигателей, а логический ноль – запрещает. Для изменения скорости вращения щёточных моторов на эти контакты подаётся ШИМ-сигнал. Для работы с шаговым двигателям, как правило, на эти контакты ставят перемычки, обеспечивающие постоянную подтяжку к +5V.

На рисунке №2 показана электрическая схема модуля L298N.


Рисунок №2 – электрическая схема модуля L298N

Как видно из вышеприведенной схемы, основным элементом модуля является микросхема L298N, в состав которой входят два полноценных H-моста. Каждый H-мост выполнен в виде сборки из четырёх транзисторных ключей с включённой в центре нагрузкой в виде обмотки двигателя. Такой подход позволяет менять полярность в обмотке и как следствие направление вращения двигателя путём чередования пар открытых и закрытых ключей. Более наглядно этот процесс демонстрирует рисунок №3.

Рисунок №3 – транзисторные мосты Н-типа

На рисунке изображены два транзисторных моста Н-типа. В первом случае на вход IN1 подаётся логическая единица, а на вход IN2 – логический ноль. Так как транзисторы в схеме моста имеют разный тип проводимости, то при таком входном сигнале транзисторы Т1 и Т4 останутся в закрытом состоянии, в то время, как через транзисторы Т2 и Т3 потечёт ток. Ввиду того, что единственный путь протекания тока лежит через обмотку двигателя, то последний окажется подключен правой клеммой к плюсу питания, а левой к минусу. Всё это приведёт к вращению мотора в определённом направлении. Абсолютно противоположная картина показана на нижнем рисунке. Здесь IN3 установлен в логический ноль, а IN4 в логическую единицу. Теперь ток течёт в обратном направлении (левая клемма – плюс, правая – минус), заставляя второй двигатель крутиться в противоположную сторону.

Технические характеристики

  • Напряжение питания логики: 5V;
  • Потребляемый логикой ток: 36mA;
  • Напряжение питания моторов: от 5V до 35V;
  • Рабочий ток драйвера: 2 А;
  • Пиковый ток драйвера 3 А;
  • Максимальная мощность: 20 Вт (при температуре 75оС);
  • Диапазон рабочих температур: -25оС…+135оС;
  • Размеры модуля: 43.5 х 43.2 х 29.4 мм;

Подключение L298N к плате Arduino

Работать с модулем L298N довольно просто и комфортно. Здесь не придётся изучать тонны литературы с описанием замороченных протоколов. Все сводится к простому переключению логических уровней на выводах Arduino плюс к генерации ШИМ, если требуется управлять скоростью вращения.
Так как драйвер способен управлять двумя типами моторов (щёточным или шаговым), то и работа с ним строится по-разному. Рассмотрим для начала подключение обычных щёточных моторов постоянного тока и управление ими с помощью платы Arduino Nano. На рисунке №4 показана соответствующая схема подключения.

Рисунок №4 – схема подключения двух щёточных двигателей постоянного тока

Следует обратить внимание, что в схеме предусмотрена возможность управления скоростью вращения, поэтому выводы ENA и ENB драйвера подключены к пинам Arduino, способным выдавать ШИМ-сигнал. Arduino питается от отдельного источника 7-12 В. Если напряжение питания моторов лежит в этом же диапазоне, то можно объединить питающие цепи в одну общую. Также необходимо следить за тем, чтобы минусовые провода всех элементов схемы были соединены между собой.
Для демонстрации возможностей модуля, напишем скетч, который будет вращать моторы с различной скоростью и периодически менять направления их вращения. Ниже приведена программа с подробными комментариями, которая реализует задуманный алгоритм.

В самом верху программы задаются макроопределения всех выводов, используемых в проекте. В функции Setup() все выводы Arduino Nano, участвующие в управлении, задаются в качестве выхода. На выводах IN1-IN4 выставляются логические нули, чтобы двигатели гарантированно не вращались в момент старта программы. В главном цикле, программа обеспечивает вращение двигателей в одном направлении, увеличивая их скорость каждые 3 секунды. Когда разгон вырастает до максимального, моторы начинают вращаться в обратном направлении, постепенно замедляя скорость. На пике сбрасывания скорости, алгоритм повторяется заново. Как видим, сложного здесь ничего нет. Теперь разберёмся с шаговым двигателем. На рисунке №5 показана схема его подключения к плате Arduino Nano.

Рисунок №5 — схема подключения шагового двигателя к Arduino Nano

В качестве демонстрационной модели использован популярный шаговый двигатель NEMA17. Он способен вращаться с частотой до 60 оборотов в минуту и имеет разрешающую способность 200 шагов на один оборот. Следует обратить внимание, что выводы ENA и ENB должны быть подтянуты к +5V путём установки перемычек на самом модуле. Таким образом управляющему сигналу будет разрешено проходить на обмотки шагового двигателя. Также, в случае использования двигателя NEMA17, напряжение его питания не должно превышать 12V. Ниже приведён пример кода с комментариями, который заставит двигатель вращаться в разные стороны, меняя своё направление после каждого полного оборота. В программе использована стандартная библиотека Stepper.h, которая значительно упрощает процесс разработки ПО для проектов с шаговыми двигателями.

Как можно заметить, библиотека сокращает код до минимума, так что разобраться в нём не составит никакого труда даже начинающему программисту.

Пример использования

Рисунок №6 — электрическая схема робота-машинки

Для приёма управляющих сигналов с ИК-пульта, в проекте будет использоваться популярная микросхема TSOP-1738. Удобство её заключается в том, что она напрямую подключается к плате Arduino и поддерживает большое разнообразие пультов управления. Цифра 38 в конце маркировки означает несущую частоту (кГц), с которой ваш пульт передаёт сигнал. Существует несколько модификаций данной микросхемы на разные несущие частоты. Ниже приведён список возможных вариантов.

  • TSOP-1730 (30 кГц);
  • TSOP-1733 (33 кГц);
  • TSOP-1736 (36 кГц);
  • TSOP-1737 (37.6 кГц);
  • TSOP-1738 (38 кГц);
  • TSOP-1740 (40 кГц);
  • TSOP-1756 (56 кГц);

Следует помнить, что помимо несущей частоты, каждая кнопка пульта дистанционного управления имеет свой уникальный код, который предварительно необходимо считать и вставить в текст основного скетча. В данном проекте будет использоваться всего 4 кнопки: “вперёд”, “назад”, “вправо” и “влево”. Определить коды поможет библиотека IRremote .
Итак, собираем всё по вышеприведенной схеме, устанавливаем библиотеку IRremote, и для начала заливаем в Arduino этот скетч:

После запуска, в мониторе будут отображаться коды клавиш, нажатые на пульте ДУ. Нам необходимо выбрать 4 кнопки для управления движением робота и выписать их коды для дальнейшего использования в основной программе. У меня получилось следующее:

  • Кнопка “Вперёд” — 0xB4B4E21D
  • Кнопка “Назад” — 0xB4B412ED
  • Кнопка “Вправо” — 0xB4B45AA5
  • Кнопка “Влево” — 0xB4B49A65

На этом подготовка к реализации проекта завершена, можно приступать к сборке шасси. Здесь можно дать волю своей фантазии. В моём случае получилось следующее (рисунок №7).


Рисунок №7 — пример реализации шасси для робота

В пластиковом корпусе удалось разместить все необходимые элементы схемы, а именно: источник питания, Arduino Nano и модуль L298N. ИК-приемник TSOP-1738 был вынесен на верх корпуса, чтобы обеспечить надёжную связь с пультом ДУ. Ведущие колёса с моторами закреплены снизу при помощи двухстороннего скотча. В качестве переднего колеса используется поворотный ролик от кресла. На рисунке №8 показан итоговый результат сборки.


Рисунок №8 — робот готов к программированию

Ниже приведён исходный код управления роботом-машинкой с подробными комментариями.

Источник

Читайте также:  Что такое система возбуждения двигателя от постоянных магнитов