如果您打算组装新的机器人朋友,您最终会想要学习如何控制直流电机。控制直流电机最简单且经济的方法是将 L293D 电机驱动器 IC 与 Arduino 连接。它可以控制两个直流电机的速度和旋转方向。
此外,它还可以控制单极步进电机(如 28BYJ-48)或双极步进电机(如 NEMA 17)。
为了完全控制直流电机,我们必须控制它的速度和旋转方向。这可以通过结合这两种技术来实现。
直流电机的速度可以通过改变其输入电压来控制。实现此目的的常用技术是使用 PWM(脉冲宽度调制)。
PWM 是一种通过发送一系列开关脉冲来调整输入电压平均值的技术。
平均电压与称为占空比的脉冲宽度成正比。
占空比越高,施加到直流电机的平均电压越高(导致速度越高),占空比越短,施加到直流电机的平均电压越低(导致速度较低)。
下图显示了具有不同占空比和平均电压的 PWM 技术。
脉宽调制(PWM)技术
直流电机的旋转方向可以通过改变其输入电压的极性来控制。实现此目的的常用技术是使用 H 桥。
H 桥电路由四个开关组成,电机位于中心,形成类似 H 的布置。
同时闭合两个特定开关会反转施加到电机的电压的极性。这会导致电机旋转方向发生变化。
下面的动画显示了 H 桥电路的工作情况。
H桥的工作
L293D 是一款双通道 H 桥电机驱动器,能够驱动一对直流电机或单个步进电机。这意味着它可以单独驱动多达两个电机,这使其成为构建两轮机器人平台的理想选择。
L293D 最常用于驱动电机,但也可用于驱动任何感性负载,例如继电器螺线管或大型开关功率晶体管。
它能够驱动四个螺线管、四个单向直流电机、两个双向直流电机或一个步进电机。
L293D IC 的电源范围为 4.5V 至 36V,每通道能够提供 1.2A 峰值输出电流,因此它与我们的大多数电机配合良好。
该 IC 还包括内置反冲二极管,以防止电机断电时损坏。
以下是规格:
电机输出电压 | 4.5V – 36V |
逻辑输入电压 | 5V |
每通道输出电流 | 600毫安 |
每个通道的峰值输出电流 | 1.2A |
欲了解更多详细信息,请参阅下面的数据表。
L293D IC 共有 16 个引脚,用于将其与外界连接。引脚排列如下:
让我们一一熟悉一下所有的引脚。
L293D 电机驱动器 IC 实际上有两个输入电源引脚 - VS 和 VSS。
VS(Vcc2)引脚为 IC 的内部 H 桥供电以驱动电机。您可以将 4.5 至 36V 之间的任何输入电压连接到该引脚。
VSS(Vcc1)用于驱动内部逻辑电路,电压应为5V。
接地引脚是公共接地引脚。所有 4 个 GND 引脚均在内部连接,用于散发高负载条件下产生的热量。
L293D 电机驱动器的电机 A 和 B 的输出通道引出至引脚输出1、输出2和输出3、输出4分别。您可以将两个 5-36V 直流电机连接到这些引脚。
IC 上的每个通道均可向直流电机提供高达 600mA 的电流。然而,提供给电机的电流量取决于系统的电源。
通过方向控制引脚可以控制电机正转还是反转。这些引脚实际上控制 L293D IC 内部 H 桥电路的开关。
该 IC 的每个通道都有两个方向控制引脚。这输入1和输入2引脚控制电机A的旋转方向;尽管IN3和IN4控制电机B的旋转方向。
电机的旋转方向可以通过对这些输入施加逻辑高电平(5V)或逻辑低电平(接地)来控制。下图显示了这是如何完成的。
输入1 | 输入2 | 旋转方向 |
低(0) | 低(0) | 电机关闭 |
高(1) | 低(0) | 向前 |
低(0) | 高(1) | 落后 |
高(1) | 高(1) | 电机关闭 |
速度控制引脚EMA和ENB用于打开/关闭电机并控制其速度。
将这些引脚拉高将导致电机旋转,而将其拉低将停止电机。但是,通过脉冲宽度调制 (PWM),您实际上可以控制电机的速度。
现在我们已经了解了有关 IC 的一切,我们可以开始将它连接到我们的 Arduino 了!
让我们从将电源连接到电机开始。在我们的实验中,我们使用两轮驱动机器人中常见的直流变速箱电机(也称为“TT”电机)。它们的额定电压为 3 至 12V。因此,我们将外部5V电源连接到VS(Vcc2)引脚。
接下来,我们需要向 L293D 的逻辑电路提供 5V 电压。将 VSS (Vcc1) 引脚连接到 Arduino 上的 5V 输出。并确保您的电路和 Arduino 共享一个公共地。
现在将 L293D IC 的输入和使能引脚(ENA、IN1、IN2、IN3、IN4 和 ENB)连接到 6 个 Arduino 数字输出引脚(9、8、7、5、4 和 3)。请注意,Arduino 输出引脚 9 和 3 均启用 PWM。
最后,将一个电机连接到 OUT1 和 OUT2,将另一个电机连接到 OUT3 和 OUT4。您可以互换电机的连接。从技术上讲,没有正确或错误的方法。
完成后,您应该看到类似于下图的内容。
下面的草图将让您全面了解如何使用L293D电机驱动IC来控制直流电机的速度和旋转方向,并将作为更多实际实验和项目的基础。
- // Motor A connections
- int enA = 9;
- int in1 = 8;
- int in2 = 7;
- // Motor B connections
- int enB = 3;
- int in3 = 5;
- int in4 = 4;
-
- void setup() {
- // Set all the motor control pins to outputs
- pinMode(enA, OUTPUT);
- pinMode(enB, OUTPUT);
- pinMode(in1, OUTPUT);
- pinMode(in2, OUTPUT);
- pinMode(in3, OUTPUT);
- pinMode(in4, OUTPUT);
-
- // Turn off motors - Initial state
- digitalWrite(in1, LOW);
- digitalWrite(in2, LOW);
- digitalWrite(in3, LOW);
- digitalWrite(in4, LOW);
- }
-
- void loop() {
- directionControl();
- delay(1000);
- speedControl();
- delay(1000);
- }
-
- // This function lets you control spinning direction of motors
- void directionControl() {
- // Set motors to maximum speed
- // For PWM maximum possible values are 0 to 255
- analogWrite(enA, 255);
- analogWrite(enB, 255);
-
- // Turn on motor A & B
- digitalWrite(in1, HIGH);
- digitalWrite(in2, LOW);
- digitalWrite(in3, HIGH);
- digitalWrite(in4, LOW);
- delay(2000);
-
- // Now change motor directions
- digitalWrite(in1, LOW);
- digitalWrite(in2, HIGH);
- digitalWrite(in3, LOW);
- digitalWrite(in4, HIGH);
- delay(2000);
-
- // Turn off motors
- digitalWrite(in1, LOW);
- digitalWrite(in2, LOW);
- digitalWrite(in3, LOW);
- digitalWrite(in4, LOW);
- }
-
- // This function lets you control speed of the motors
- void speedControl() {
- // Turn on motors
- digitalWrite(in1, LOW);
- digitalWrite(in2, HIGH);
- digitalWrite(in3, LOW);
- digitalWrite(in4, HIGH);
-
- // Accelerate from zero to maximum speed
- for (int i = 0; i < 256; i++) {
- analogWrite(enA, i);
- analogWrite(enB, i);
- delay(20);
- }
-
- // Decelerate from maximum speed to zero
- for (int i = 255; i >= 0; --i) {
- analogWrite(enA, i);
- analogWrite(enB, i);
- delay(20);
- }
-
- // Now turn off motors
- digitalWrite(in1, LOW);
- digitalWrite(in2, LOW);
- digitalWrite(in3, LOW);
- digitalWrite(in4, LOW);
- }
Arduino 代码非常简单。它不需要任何库即可工作。该草图首先声明 L293D 控制引脚所连接的 Arduino 引脚。
// Motor A connections
- int enA = 9;
- int in1 = 8;
- int in2 = 7;
- // Motor B connections
- int enB = 3;
- int in3 = 5;
- int in4 = 4;
在代码的设置部分,所有电机控制引脚(方向和速度控制引脚)都配置为数字输出,方向控制引脚被拉低以关闭两个电机。
- void setup() {
- // Set all the motor control pins to outputs
- pinMode(enA, OUTPUT);
- pinMode(enB, OUTPUT);
- pinMode(in1, OUTPUT);
- pinMode(in2, OUTPUT);
- pinMode(in3, OUTPUT);
- pinMode(in4, OUTPUT);
-
- // Turn off motors - Initial state
- digitalWrite(in1, LOW);
- digitalWrite(in2, LOW);
- digitalWrite(in3, LOW);
- digitalWrite(in4, LOW);
- }
在代码的循环部分,我们以一秒的间隔调用两个用户定义的函数。
- void loop() {
- directionControl();
- delay(1000);
- speedControl();
- delay(1000);
- }
这些功能是:
DirectionControl() – 此函数使两个电机以最大速度向前旋转两秒。然后它反转电机的旋转方向并旋转两秒钟。最后它关闭电机。
- void directionControl() {
- // Set motors to maximum speed
- // For PWM maximum possible values are 0 to 255
- analogWrite(enA, 255);
- analogWrite(enB, 255);
-
- // Turn on motor A & B
- digitalWrite(in1, HIGH);
- digitalWrite(in2, LOW);
- digitalWrite(in3, HIGH);
- digitalWrite(in4, LOW);
- delay(2000);
-
- // Now change motor directions
- digitalWrite(in1, LOW);
- digitalWrite(in2, HIGH);
- digitalWrite(in3, LOW);
- digitalWrite(in4, HIGH);
- delay(2000);
-
- // Turn off motors
- digitalWrite(in1, LOW);
- digitalWrite(in2, LOW);
- digitalWrite(in3, LOW);
- digitalWrite(in4, LOW);
- }
speedControl() – 该函数通过使用AnalogWrite()函数生成 PWM 信号将两个电机从零加速到最大速度,然后将它们减速回零。最后它关闭电机。
- void speedControl() {
- // Turn on motors
- digitalWrite(in1, LOW);
- digitalWrite(in2, HIGH);
- digitalWrite(in3, LOW);
- digitalWrite(in4, HIGH);
-
- // Accelerate from zero to maximum speed
- for (int i = 0; i < 256; i++) {
- analogWrite(enA, i);
- analogWrite(enB, i);
- delay(20);
- }
-
- // Decelerate from maximum speed to zero
- for (int i = 255; i >= 0; --i) {
- analogWrite(enA, i);
- analogWrite(enB, i);
- delay(20);
- }
-
- // Now turn off motors
- digitalWrite(in1, LOW);
- digitalWrite(in2, LOW);
- digitalWrite(in3, LOW);
- digitalWrite(in4, LOW);
- }