《Arduino直流电机控制教程》

Posted 2022-08-12 smartvxworks

《Arduino直流电机控制教程》

在这个Arduino教程中，我们将学习如何使用Arduino控制直流电机。我们来看看控制直流电机的一些基本技术，并通过两个例子，学习如何使用L298N电机驱动器和Arduino板来控制直流电机。

在以往的文章中，我们知道可以通过简单地控制输入电压来控制直流电机的速度，最常用的方法是使用PWM信号。延伸可阅读： PWM

使用PWM控制直流电机

PWM，即脉冲宽度调制技术，它是一种允许我们通过调整进入电机的电压的平均值，通过高电平和低电平的持续时间来控制电机运动的技术。平均电压取决于占空比，即信号在一段时间内打开的时间与关闭的时间之比。

                                                  脉冲宽度调制技术

因此，根据电机的大小，我们可以简单地将Arduino PWM输出连接到晶体管的底座或MOSFET的栅极，通过控制PWM输出来控制电机的速度。低功率Arduino PWM信号开关在MOSFET上，通过 PWM信号开关可驱动大功率电机。

                                                     Arduino PWM 控制直流电机

H桥直流电机控制

另一方面，为了控制电机的旋转方向，我们只需要对电流流过电机的方向进行逆转，最常用的方法是用H桥。一个H桥电路包含四个开关元件，晶体管或mosfet，形成一个类似于H的结构。通过同时激活两个特定的开关，我们可以改变电流流动的方向，从而改变电机的旋转方向。

                                                              H桥的结构

所以，如果我们把PWM和H桥这两种方法结合起来，我们就可以完全控制直流电机的运动了。有许多直流电机驱动器都具有这些特性，L298N就是其中之一。

L298N驱动模块

L298N是一个双H桥电机驱动器，它允许在同一时间，在速度和方向上对两个直流电机进行控制。该模块可以驱动电压在5 – 35V之间的直流电机，峰值工作电流可达2A。

                                                                     L298N驱动模块

让我们仔细看看L298N模块的接口定义，并解释它是如何工作的。该模块包括两个 电机（A、B）的连接端子、接地GND端子、电机的VCC和一个可作为输入或输出的5V引脚， 这主要取决于在电机VCC上使用的电压，具体使用请往下看。

该模块有一个板载5V调节器，可通过跳线启用或禁用。如果电机供电电压低于12V，我们可以启用5V调节器，5V引脚可以作为输出，例如为我们的Arduino板供电；但是如果电机电压大于12V，我们必须断开跳线，因为这些电压会对板载5V调节器造成损坏。在这种情况下，5V引脚将作为输入，因为我们需要连接到5V电源，以便IC正常工作。

使用中这个集成电路的电压降大约是2V。例如，如果我们使用12V电源，电机端子的电压大约是10V，这意味着我们无法从12V直流电机中获得最大速度。

                                                 L298N的电压降

接下来是逻辑控制信号输入。使能A和使能B引脚用于使能和控制电机的速度。如果跳线出现在这个引脚上，电机将被启用并以最大速度工作，如果我们移除跳线，我们可以将PWM输入连接到这个引脚上，以这种方式控制电机的速度。如果我们把这个插针接在地GND上，马达就会不工作。

                                                                   L298N的逻辑输入控制

其中，输入1和2针用于控制电动机A的转动方向,输入3和4用于控制电机B。这些插针实际上控制的是H桥的开关L298N 芯片。它的控制原理是：当输入1是低,2是高马达A会向前转动,反之亦然,如果输入1高2低电机A将反方向旋转。如果两个输入都相同，无论高低电平，电机A都会停止。同样的道理也适用于输入3和4。

Arduino 上 L298N 的使用

现在让我们做一些实际的测试。在第一个示例中，我们将使用电位器控制电机的速度，并使用一个按钮改变旋转方向。这是电路原理图。

                                                                 Arduino 上 L298N 的使用

测试元件包括：一个L298N驱动器，一个直流电机，一个电位器，一个按钮开关和一个Arduino板以及12V电源。

Arduino 控制代码如下

/* Arduino DC Motor Control - PWM | H-Bridge | L298N - Example 01

*/

#define enA 9

#define in1 6

#define in2 7

#define button 4

int rotDirection = 0;

int pressed = false;

void setup()

pinMode(enA, OUTPUT);

pinMode(in1, OUTPUT);

pinMode(in2, OUTPUT);

pinMode(button, INPUT);

// Set initial rotation direction

digitalWrite(in1, LOW);

digitalWrite(in2, HIGH);

void loop()

int potValue = analogRead(A0); // Read potentiometer value

int pwmOutput = map(potValue, 0, 1023, 0 , 255); // Map the potentiometer value from 0 to 255

analogWrite(enA, pwmOutput); // Send PWM signal to L298N Enable pin

// Read button - Debounce

if (digitalRead(button) == true)

pressed = !pressed;

while (digitalRead(button) == true);

delay(20);

// If button is pressed - change rotation direction

if (pressed == true & rotDirection == 0)

digitalWrite(in1, HIGH);

digitalWrite(in2, LOW);

rotDirection = 1;

delay(20);

// If button is pressed - change rotation direction

if (pressed == false & rotDirection == 1)

digitalWrite(in1, LOW);

digitalWrite(in2, HIGH);

rotDirection = 0;

delay(20);

代码解释:首先我们需要为程序定义引脚和一些变量。在 setup 部分，我们需要设置引脚模式和电机的初始旋转方向。在 loop 部分，我们首先读取电位器的值，然后将我们从电位器中得到的值，0到 1023 映射到PWM信号值 0 到 255，也就是PWM信号从0到100%的占空比。然后使用 analogWrite() 函数，发送PWM信号到L298N板的使能端，从而实现电机的驱动。接下来，检查是否按下了按钮，如果是，将通过反方向设置输入1和输入2的状态来改变电机的旋转方向。这个按钮将作为切换按钮工作，每次我们按下它，它都将改变电机的旋转方向。

Arduino采用L298N驱动机器人小车

如果我们理解了上面的知识，下面我们就可以制造自己的Arduino机器人小车了。下面是电路原理图:

                                                            Arduino采用L298N驱动机器人小车

我们需要两个直流电机，L298N驱动器，一个Arduino板和一个操纵杆Joystick。在电源方面，我选择了三节3.7V的锂离子电池作为电源，电压约11V。小车采用3毫米的胶合板做了底盘，用金属支架把电机固定在上面，把轮子连在电机上，底盘的前面安装了一个转向轮。在网上有成品底盘，例如：智能小车底盘

现在让我们看看Arduino代码，看看它是如何工作的。

int xAxis = analogRead(A0); // Read Joysticks X-axis

int yAxis = analogRead(A1); // Read Joysticks Y-axis

在loop部分定义了引脚之后，我们首先读取操纵杆X和Y轴的值。操纵杆实际上是由两个电位器连接到Arduino的模拟输入，它们的值从0到1023。当操纵杆保持在中心位置时，电位器或轴的值都在512左右。

                                                         操纵杆Joystick 模块的值

我们将增加一点公差，以470到550的值为中心。所以如果向后移动操纵杆的Y轴，数值低于470，将使用四个输入引脚将两个电机的旋转方向设置为向后。然后，我们将从470到0的下降值转换为PWM从0到255的上升值，这实际上是控制电机的速度。

             // Y-axis used for forward and backward control

            if (yAxis < 470)

         

                   // Set Motor A backward

                   digitalWrite(in1, HIGH);

                  digitalWrite(in2, LOW);

                  // Set Motor B backward

                 digitalWrite(in3, HIGH);

                 digitalWrite(in4, LOW);

                  // Convert the declining Y-axis readings for going backward from 470 to 0 into 0 to 255 value for the PWM signal for increasing the motor speed

                  motorSpeedA = map(yAxis, 470, 0, 0, 255);

                  motorSpeedB = map(yAxis, 470, 0, 0, 255);

         

类似的，如果我们向前移动操纵杆的Y轴，数值超过550，我们将设置电机向前移动，并将读数从550到1023转换为PWM值从0到255。如果操纵杆保持在它的中心，电机的速度将为零。接下来，让我们看看如何使用X轴来控制小车左右转动 。

                          // X-axis used for left and right control

                       if (xAxis < 470)

                   

                                // Convert the declining X-axis readings from 470 to 0 into increasing 0 to 255 value

                                 int xMapped = map(xAxis, 470, 0, 0, 255);

                                // Move to left - decrease left motor speed, increase right motor speed

                                 motorSpeedA = motorSpeedA - xMapped;

                                motorSpeedB = motorSpeedB + xMapped;

                                // Confine the range from 0 to 255

                               if (motorSpeedA < 0)

                                       motorSpeedA = 0;

                              

                                if (motorSpeedB > 255)

                                      motorSpeedB = 255;

                               

               

首先，需要把X轴的读数转换成0到255之间的速度值。对于向左移动，我们使用这个值来降低左电机速度并增加右电机速度。在这里，由于算术函数，我们使用两个额外的“if”语句来限制电机速度范围从0到255。

                                                                  机器人小车的左转和右转

同样的方法也适用于向右移动小车。

根据所施加的电压和采用电机本身的不同，在较低的速度下，电机无法启动，并产生嗡嗡声。在我本文的例子中，如果PWM信号的值低于70，电机就无法启动。因此，使用这两个if语句，我实际上把速度限制在70到255之间。最后，发送电机速度控制值或PWM信号到L298N驱动器的使能引脚。

// Prevent buzzing at low speeds (Adjust according to your motors. My motors couldn't start moving if PWM value was below value of 70)

if (motorSpeedA < 70)

motorSpeedA = 0;

if (motorSpeedB < 70)

motorSpeedB = 0;

analogWrite(enA, motorSpeedA); // Send PWM signal to motor A

analogWrite(enB, motorSpeedB); // Send PWM signal to motor B

最后附上Arduino机器人小车示例的完整代码:

*/

#define enA 9

#define in1 4

#define in2 5

#define enB 10

#define in3 6

#define in4 7

int motorSpeedA = 0;

int motorSpeedB = 0;

void setup()

pinMode(enA, OUTPUT);

pinMode(enB, OUTPUT);

pinMode(in1, OUTPUT);

pinMode(in2, OUTPUT);

pinMode(in3, OUTPUT);

pinMode(in4, OUTPUT);

void loop()

int xAxis = analogRead(A0); // Read Joysticks X-axis

int yAxis = analogRead(A1); // Read Joysticks Y-axis

// Y-axis used for forward and backward control

if (yAxis < 470)

// Set Motor A backward

digitalWrite(in1, HIGH);

digitalWrite(in2, LOW);

// Set Motor B backward

digitalWrite(in3, HIGH);

digitalWrite(in4, LOW);

// Convert the declining Y-axis readings for going backward from 470 to 0 into 0 to 255 value for the PWM signal for increasing the motor speed

motorSpeedA = map(yAxis, 470, 0, 0, 255);

motorSpeedB = map(yAxis, 470, 0, 0, 255);

else if (yAxis > 550)

// Set Motor A forward

digitalWrite(in1, LOW);

digitalWrite(in2, HIGH);

// Set Motor B forward

digitalWrite(in3, LOW);

digitalWrite(in4, HIGH);

// Convert the increasing Y-axis readings for going forward from 550 to 1023 into 0 to 255 value for the PWM signal for increasing the motor speed

motorSpeedA = map(yAxis, 550, 1023, 0, 255);

motorSpeedB = map(yAxis, 550, 1023, 0, 255);

// If joystick stays in middle the motors are not moving

else

motorSpeedA = 0;

motorSpeedB = 0;

// X-axis used for left and right control

if (xAxis < 470)

// Convert the declining X-axis readings from 470 to 0 into increasing 0 to 255 value

int xMapped = map(xAxis, 470, 0, 0, 255);

// Move to left - decrease left motor speed, increase right motor speed

motorSpeedA = motorSpeedA - xMapped;

motorSpeedB = motorSpeedB + xMapped;

// Confine the range from 0 to 255

if (motorSpeedA < 0)

motorSpeedA = 0;

if (motorSpeedB > 255)

motorSpeedB = 255;

if (xAxis > 550)

// Convert the increasing X-axis readings from 550 to 1023 into 0 to 255 value

int xMapped = map(xAxis, 550, 1023, 0, 255);

// Move right - decrease right motor speed, increase left motor speed

motorSpeedA = motorSpeedA + xMapped;

motorSpeedB = motorSpeedB - xMapped;

// Confine the range from 0 to 255

if (motorSpeedA > 255)

motorSpeedA = 255;

if (motorSpeedB < 0)

motorSpeedB = 0;

// Prevent buzzing at low speeds (Adjust according to your motors. My motors couldn't start moving if PWM value was below value of 70)

if (motorSpeedA < 70)

motorSpeedA = 0;

if (motorSpeedB < 70)

motorSpeedB = 0;

analogWrite(enA, motorSpeedA); // Send PWM signal to motor A

analogWrite(enB, motorSpeedB); // Send PWM signal to motor B

这就是本文的全部内容。