Моторы и драйвер L298N

Мотору нужен гораздо больший ток, чем может дать пин Arduino. Поэтому между ними стоит драйвер моторов L298N. Uno посылает слабые сигналы, а L298N подаёт на моторы питание от батареи: включает и выключает их, крутит вперёд или назад, быстро или медленно.

#Почему мотор нельзя подключить прямо к пину

Сравните числа:

Даже мотору, который крутится свободно, нужно как минимум в пять раз больше тока, чем пин может безопасно дать. А заблокированному колесу — в пятьдесят раз больше.

Есть и вторая проблема. Мотор — это катушка из провода. Когда ток через катушку резко прекращается, она выдаёт короткий выброс высокого напряжения. Такой выброс может вывести из строя пин или транзистор. В модуле L298N есть диоды, которые гасят эти выбросы. Поэтому никогда не подключайте мотор прямо к пину Arduino.

#Идея H-моста

Чтобы мотор постоянного тока закрутился в другую сторону, нужно пустить через него ток в обратном направлении. H-мост делает это с помощью четырёх ключей (выключателей).

Представьте букву H. Мотор — это перекладина посередине. На каждой из двух вертикальных палочек стоит один ключ выше мотора и один ниже. Верхние концы подключены к плюсу батареи, а нижние — к GND.

• Замкните левый верхний и правый нижний ключи. Ток пойдёт через мотор слева направо, и мотор закрутится в одну сторону.
• Замкните правый верхний и левый нижний ключи. Ток пойдёт справа налево, и мотор закрутится в другую сторону.
• Замкните оба нижних ключа. Теперь оба провода мотора соединены между собой. Вращающийся мотор работает как генератор, и такое короткое замыкание быстро его замедляет: мотор тормозит.
• Разомкните все четыре ключа. Мотор отключён. Он вращается по инерции, пока его не остановит трение.

Если замкнуть оба ключа на одной палочке буквы H, плюс батареи окажется соединён прямо с GND. Никакое сочетание сигналов на входах этого не сделает. В микросхеме L298N два H-моста, поэтому один модуль управляет двумя моторами. Её ключи — это транзисторы, поэтому они могут включаться и выключаться очень быстро.

#Клеммы и пины L298N

Каждый канал может дать до 2 А, а без дополнительного охлаждения — около 1 А. Мотору TT во время езды нужно около 0,3 А.

На новом модуле на ENA и ENB надеты маленькие колпачки — перемычки (джамперы). Перемычка соединяет пин с 5 В. Тогда мотор всегда включён: он крутится на полной скорости всякий раз, когда на IN1 и IN2 разные уровни. Чтобы управлять скоростью, снимите обе перемычки и подключите ENA и ENB к пинам Uno с ШИМ. В симуляторе провод от ENA к пину Uno означает, что перемычка снята.

#Таблица истинности

Для мотора A:

Мотор B работает так же через ENB, IN3 и IN4. «Вперёд» здесь означает направление, в котором мотор крутится, когда на OUT1 плюс, а на OUT2 минус. А куда покатится робот, зависит ещё и от того, как установлен мотор.

#Скорость и ШИМ

analogWrite(ENA, value) включает и выключает ENA примерно 980 раз в секунду. Значение от 0 до 255 задаёт, какую долю времени мотор получает питание. Мотор и колесо слишком тяжёлые, чтобы успевать за такими быстрыми импульсами. Они откликаются на среднее значение:

При малых значениях мотор только гудит и не крутится: среднее напряжение слишком мало, чтобы преодолеть трение в редукторе. С какого значения это начинается, зависит от мотора, батареек и пола. Поэтому в проекте «Робот, который держит дистанцию» скетч никогда не задаёт скорость меньше 90.

#Куда уходят вольты

В L298N ключами служат биполярные транзисторы. Ток мотора всегда проходит через два из них: один вверху буквы H и один внизу. Вместе они забирают около 1,8 В. Поэтому от батареи на 6 В моторам достаётся только около 4,2 В. Симулятор использует те же числа.

Моторы TT рассчитаны на 3–6 В, так что 4,2 В им подходит. Но робот едет медленнее, чем при полных 6 В.

Как быстро едет робот? За один оборот колесо диаметром 65 мм продвигает его на π × 65 мм, то есть примерно на 20 см. Значит, если колесо делает 150 оборотов в минуту, робот проезжает около 30 м в минуту, или 0,5 м/с.

#Питание Uno от L298N

У робота только одна батарея. Собственный стабилизатор L298N на 5 В питает ещё и Uno: клемма +5V драйвера соединена с пином 5V платы Uno.

Чтобы выдавать полные 5 В, стабилизатору нужно около 7 В на входе. От четырёх батареек AA он выдаёт около 4,4 В. Это немного низковато, но для работы Uno этого хватает.

Не подключайте +5V драйвера L298N и к VIN. VIN ведёт к собственному стабилизатору Uno, которому нужно 7–12 В. Если на его входе около 4,4 В, микросхема получает слишком мало напряжения, чтобы работать. Симулятор проверяет обе эти ошибки.

#Общая земля

Напряжение всегда измеряют между двумя точками. Когда Uno выставляет на D4 HIGH, пин D4 оказывается на несколько вольт выше GND платы Uno. L298N заметит это, только если будет отсчитывать напряжение от того же GND. Вот почему GND драйвера L298N соединён проводом с пином GND платы Uno. В робот-машине по этому проводу ещё и возвращается к батарее ток, которым питается Uno. Если провода нет, симулятор сообщает, что нет общей земли.

#Почему выводы правого мотора переставлены

Оба мотора одинаковые, но правый установлен развёрнутым — зеркально левому. При таком же подключении тот же сигнал «вперёд» крутил бы правое колесо назад, и робот вертелся бы на месте. Поэтому выводы правого мотора специально переставлены: M+ идёт на OUT4, а M- — на OUT3. Теперь при одном и том же сигнале оба колеса катятся вперёд. Это исправлено в подключении, поэтому в коде с обоими моторами можно обращаться одинаково.

#Подключение

Вот полное подключение робота с этой страницы.

#Скетч MotorTest

ramp(1) поднимает скорость обоих моторов от 0 до 255 шагами по 5, по одному шагу каждые 30 мс. Затем опускает скорость обратно до 0. Это 52 шага в каждую сторону: около 1,6 секунды на разгон и 1,6 секунды на замедление. После паузы в полсекунды ramp(-1) делает то же самое, но назад. Полный проход loop() занимает около 7 секунд. setup() делает шесть управляющих пинов выходами с помощью короткого цикла for по массиву.

#setMotor() строка за строкой

Все скетчи на этом сайте, которые управляют моторами, используют одни и те же две функции. Вот первая из них:

void setMotor(byte enablePin, byte inA, byte inB, int speed) {
  speed = constrain(speed, -255, 255);
  digitalWrite(inA, speed > 0);        // IN1 high, IN2 low: forwards
  digitalWrite(inB, speed < 0);        // IN1 low, IN2 high: backwards
  analogWrite(enablePin, abs(speed));  // PWM on ENA: how fast
}

• Строка 1. Функция получает три пина одного мотора и скорость от -255 (полный ход назад) до 255 (полный ход вперёд).
• Строка 2. constrain() удерживает скорость в этих пределах. Скорость 300 превращается в 255.
• Строка 3. speed > 0 — это сравнение, поэтому его результат — true или false. true здесь означает HIGH, а false — LOW. Значит, на IN1 будет HIGH, только когда скорость положительная.
• Строка 4. Точно так же на IN2 будет HIGH, только когда скорость отрицательная.
• Строка 5. abs() убирает знак минус: -160 превращается в 160. Это значение идёт на ШИМ пина ENA и задаёт, как быстро крутится мотор.

Три примера для левого мотора:

При скорости 0 мотор вращается по инерции, потому что на ENA LOW. Он не тормозит.

Вторая функция, drive(left, right), вызывает setMotor() дважды: с ENA, IN1 и IN2 для левого мотора и с ENB, IN3 и IN4 для правого. drive(200, 200) — это езда прямо вперёд, drive(-160, -160) — назад, а drive(170, -170) — разворот вправо на месте.

#Попробуйте в симуляторе

Запустите робота на арене. Он медленно трогается вперёд, разгоняется, замедляется и останавливается. Через полсекунды он делает то же самое задним ходом. Показания моторов на панели в реальном времени растут и падают вместе с каждым разгоном и замедлением. В начале каждого разгона колёса ещё не крутятся: напряжение пока слишком мало.

Дальше в проекте «Первый заезд» та же функция drive() ведёт машину по квадрату.