Моторный шилд L293D для Arduino: AFMotor, 4 DC-мотора, шаговые двигатели и сервоприводы

Моторный шилд L293D — это плата драйвера моторов, которая вставляется прямо сверху на Arduino Uno и позволяет управлять 4 DC-моторами, 2 шаговыми двигателями и 2 сервоприводами с одной платы. Две микросхемы L293D дают моторам нужный ток, меняют направление вращения и задают скорость с помощью ШИМ (PWM), так что всеми моторами четырёхколёсной машинки-робота можно управлять без единого провода-перемычки. Почти все платы на рынке — копии старой разработки Adafruit Motor Shield V1, и программируются они одной и той же библиотекой: AFMotor.

В этом руководстве разберём, что есть на шилде, какие пины Arduino он занимает и какие остаются свободными для датчиков, как работает запутанная перемычка PWR в трёх разных схемах питания, какие команды есть в библиотеке AFMotor, и соберём полный код четырёхколёсной машинки-робота с управлением с телефона. В последних разделах — предел тока 0,6 A, почему греется микросхема, чем шилд отличается от L298N и все известные причины проблемы «моторы не крутятся» в одной таблице.

Что такое моторный шилд L293D и как он работает?

Чтобы крутить DC-мотор в обе стороны, нужна схема из четырёх ключей, которая называется H-мост; принцип подробно разобран в статье Управление DC-мотором с L298N. В микросхеме L293D два H-моста, а на шилде две такие микросхемы, так что всего получается четыре канала для моторов. Буква «D» в названии означает, что защитные диоды, гасящие выбросы обратного напряжения при выключении мотора, встроены в микросхему. Кроме того, при перегреве L293D сама отключает свои выходы.

Главная хитрость шилда — сдвиговый регистр 74HC595 в центре. Каждому из четырёх моторов нужны два сигнала направления и один сигнал скорости, а это в сумме 12 пинов Arduino. Шилд передаёт восемь сигналов направления в 74HC595 последовательно и тратит на них всего 4 пина (D4, D7, D8, D12), а для скорости использует 4 ШИМ-пина (D3, D5, D6, D11). Такая схема экономит пины, но у неё есть цена: напрямую через digitalWrite моторами не управлять, нужна библиотека, которая задвигает биты направления в регистр. Эта библиотека и есть AFMotor.

Что есть на плате? Клеммники, разъёмы и перемычка

Какие пины занимает шилд, а какие остаются свободными?

Шести свободных аналоговых пинов для датчиков более чем достаточно, ведь A0–A5 на Uno при необходимости работают и как цифровые пины 14–19. Практичная раскладка может быть такой: на A0 и A1 — ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04 или Bluetooth-модуль через SoftwareSerial, на A2 и A3 — датчики линии или препятствий, на A4 и A5 — шина I2C (OLED, LCD, MPU6050). Для энкодера колеса или кнопки с attachInterrupt() свободен только D2: второй пин прерывания Uno, D3, — это пин скорости M2. Если сервоприводы не нужны, свободны ещё D9 и D10. Раскладку своей платы можно посмотреть в утилите распиновки, а возможности каждого пина — в статье Распиновка Arduino Uno.

Питание и перемычка PWR: три правильные схемы подключения

Двухвинтовой клеммник EXT_PWR на нижнем краю платы — это вход питания моторов; плюс обычно подписан «+M» или «+», минус — «GND». Перемычка PWR рядом с ним соединяет эту линию питания моторов с пином Vin платы Arduino. Когда перемычка установлена, обе платы питаются от одного источника: напряжение, поданное на EXT_PWR, через Vin питает и Arduino, а блок питания, подключённый к гнезду питания (DC) Arduino, питает и моторы. Если перемычку снять, две линии полностью разделяются. Светодиод PWR на плате горит, только когда есть питание моторов; это первое, что стоит проверить, прежде чем разбираться с моторами.

В машинках-роботах чаще всего выбирают один источник: батарейный отсек из двух аккумуляторов 18650 подключается к EXT_PWR, перемычка ставится на место, и Arduino, и моторы работают от одной батареи. Это просто, но когда моторы на старте берут большой ток, напряжение батареи может на мгновение просесть, и Arduino перезагрузится. Если такое случается, надёжное решение — снять перемычку и питать Arduino от отдельного источника (пауэрбанк, USB или блок питания на 9 V). При опытах на столе удобнее всего вторая схема: Arduino остаётся подключённой к компьютеру, моторы работают от батарей, перемычка снята.

Какую батарею выбрать? В зависимости от тока выходные транзисторы L293D «съедают» примерно 1,5–2,6 V, так что на мотор приходит настолько меньше, чем напряжение батареи. Для жёлтых TT-моторов на 3–6 V из робонаборов идеально подходят два литиевых аккумулятора 18650 (7,4 V номинально, 8,4 V при полном заряде): моторы получают около 5,5–6 V, а при установленной перемычке и стабилизатору Arduino комфортно. Четыре батарейки AA (6 V) оставляют моторам всего около 4 V, и их не хватает, чтобы питать Arduino через Vin. Батарейка-«крона» (PP3) на 9 V не выдаёт больше нескольких сотен миллиампер: моторы либо вообще не крутятся, либо батарейка садится за считаные минуты. Время работы можно оценить с помощью калькулятора времени работы от батареи, а обо всех вариантах питания рассказано в статье Как питать Arduino от батареи.

Установка библиотеки AFMotor

1. Открой в Arduino IDE менеджер библиотек: Инструменты › Управлять библиотеками (Tools › Manage Libraries) или Ctrl+Shift+I.
2. Введи в строку поиска Adafruit Motor Shield. Появятся два результата: Adafruit Motor Shield library с пометкой «V1 firmware» в описании и Adafruit Motor Shield V2 Library.
3. Для шилда L293D установи версию V1. Библиотека V2 предназначена для совсем другой платы, которая работает по I2C и построена на микросхемах TB6612.
4. Добавь в начало скетча строку #include <AFMotor.h>.
5. При желании открой «Файл › Примеры › Adafruit Motor Shield library › MotorTest» (File › Examples) и проверь плату с мотором на M1.

Первый скетч: DC-мотор вперёд, назад и на разных скоростях

Прикрути два провода мотора к двум крайним винтам клеммника M1, а средний винт GND оставь свободным. Подключи батарейный отсек к EXT_PWR, Arduino — к компьютеру по USB и сними перемычку PWR (вторая схема выше). Если светодиод PWR горит, загрузи код ниже: мотор сначала плавно разгоняется и замедляется, затем две секунды крутится назад и останавливается.

1#include <AFMotor.h>                  // Adafruit Motor Shield V1 kütüphanesi / library
2
3AF_DCMotor motor(1);                  // M1 klemensi / M1 terminal
4
5void setup() {
6  Serial.begin(9600);
7  Serial.println(F("L293D motor testi / motor test"));
8  motor.setSpeed(200);                // 0–255; bunu unutursan motor dönmez / skip this and the motor won't turn
9  motor.run(RELEASE);                 // başlangıçta dur / start stopped
10}
11
12void loop() {
13  motor.run(FORWARD);                 // ileri / forward
14  for (int s = 60; s <= 255; s++) {   // yavaşça hızlan / ramp up
15    motor.setSpeed(s);
16    delay(10);
17  }
18  for (int s = 255; s >= 60; s--) {   // yavaşça yavaşla / ramp down
19    motor.setSpeed(s);
20    delay(10);
21  }
22  motor.run(RELEASE);                 // dur / stop
23  delay(500);
24
25  motor.setSpeed(180);
26  motor.run(BACKWARD);                // geri / backward
27  delay(2000);
28  motor.run(RELEASE);
29  delay(1000);
30}

Скорость задаётся тем, что питание мотора включается и выключается тысячи раз в секунду; подробности — в статье Что такое ШИМ?. Поскольку M1 и M2 работают от Timer2, их частоту можно выбрать: MOTOR12_64KHZ, MOTOR12_8KHZ (по умолчанию), MOTOR12_2KHZ и MOTOR12_1KHZ. На 64 kHz писк мотора становится неслышным, но L293D на такой частоте греется сильнее. А вот M3 и M4 привязаны к Timer0; этот таймер отвечает ещё и за millis() и delay(), поэтому библиотека не трогает его частоту, и эти два канала всегда работают примерно на 1 kHz.

Код четырёхколёсной (4WD) машинки-робота

Любимое применение моторного шилда L293D — четырёхколёсная машинка-робот: у каждого из четырёх моторов свой клеммник, и никакой путаницы с проводами. Руля у таких машинок нет, они поворачивают как танк: если два левых колеса крутятся в одну сторону, а два правых — в другую, машинка разворачивается на месте. Поэтому код управляет моторами не по одному, а двумя группами: левый борт и правый борт. Для управления с телефона подключаем Bluetooth-модуль HC-05 к свободным пинам A0 и A1 через SoftwareSerial; подробно модуль разобран в статье Bluetooth-модуль HC-05.

1#include <AFMotor.h>
2#include <SoftwareSerial.h>
3
4AF_DCMotor frontLeft(1);              // M1: sol ön / front left
5AF_DCMotor rearLeft(2);               // M2: sol arka / rear left
6AF_DCMotor rearRight(3);              // M3: sağ arka / rear right
7AF_DCMotor frontRight(4);             // M4: sağ ön / front right
8
9SoftwareSerial bt(A0, A1);            // RX = A0 (HC-05 TXD), TX = A1 (HC-05 RXD, bölücüyle / via a divider)
10
11int speed = 200;                      // 0–255 arası sürüş hızı / driving speed 0–255
12
13void setSide(AF_DCMotor &a, AF_DCMotor &b, int value) {   // -255 … 255
14  uint8_t dir = value > 0 ? FORWARD : (value < 0 ? BACKWARD : RELEASE);
15  uint8_t pwm = constrain(abs(value), 0, 255);
16  a.setSpeed(pwm);
17  b.setSpeed(pwm);
18  a.run(dir);
19  b.run(dir);
20}
21
22void drive(int left, int right) {     // sol ve sağ taraf / left and right side
23  setSide(frontLeft, rearLeft, left);
24  setSide(frontRight, rearRight, right);
25}
26
27void setup() {
28  Serial.begin(9600);                 // hata ayıklama / debugging
29  bt.begin(9600);                     // HC-05 varsayılan hızı / default baud rate
30  drive(0, 0);
31}
32
33void loop() {
34  if (!bt.available()) return;
35  char c = bt.read();
36  Serial.println(c);
37
38  switch (c) {
39    case 'F': drive(speed, speed);        break;   // ileri / forward
40    case 'B': drive(-speed, -speed);      break;   // geri / backward
41    case 'L': drive(-speed, speed);       break;   // yerinde sola / spin left
42    case 'R': drive(speed, -speed);       break;   // yerinde sağa / spin right
43    case 'G': drive(speed / 3, speed);    break;   // ileri-sola kavis / curve forward-left
44    case 'I': drive(speed, speed / 3);    break;   // ileri-sağa kavis / curve forward-right
45    case 'S': drive(0, 0);                break;   // dur / stop
46    case 'q': speed = 255;                break;   // tam hız / full speed
47    default:
48      if (c >= '0' && c <= '9') speed = map(c - '0', 0, 9, 90, 240);   // hız kademesi / speed step
49  }
50}

Сердце кода — функция drive(left, right): для каждого борта она принимает значение от -255 до 255, где плюс означает вперёд, минус — назад, а ноль — стоп. setSide() задаёт обоим моторам одного борта одинаковые скорость и направление. Команды — это одиночные буквы, которые отправляют приложения вроде «Arduino Bluetooth RC Car» из магазинов приложений: F — вперёд, B — назад, L и R — разворот на месте, G и I — поворот по дуге, S — стоп. Ползунок скорости в приложении отправляет цифру от 0 до 9; код превращает её в значение ШИМ от 90 до 240, и благодаря нижней границе 90 моторы трогаются даже на минимальной настройке. Если какое-то колесо крутится не в ту сторону, код не меняй: поменяй местами два провода этого мотора в клеммнике. Сборка шасси и вариант с двумя моторами — в статье Как сделать машинку-робота на Arduino.

Управление шаговыми двигателями: 28BYJ-48 и NEMA 17

Шилд может управлять двумя шаговыми двигателями одновременно: порт шагового двигателя 1 использует клеммники M1 и M2, а порт 2 — M3 и M4. Биполярный мотор (4 провода, как у NEMA 17) подключается так: одна обмотка на M1, другая на M2. У униполярного мотора (5 или 6 проводов) две обмотки тоже идут на M1 и M2, а общий провод — на винт GND в середине клеммника. Для популярного 28BYJ-48 схема такая: синий и жёлтый провода на M1, розовый и оранжевый на M2, красный общий провод на GND. Как работать с этим мотором через плату ULN2003, рассказано в статье Что такое шаговый двигатель?.

28BYJ-48 — мотор на 5 V; для этого теста питай моторы от 4 батареек AA (6 V), сними перемычку и запитай Arduino от USB. Из-за редуктора внутри мотора один оборот — это 2048 полных шагов:

1#include <AFMotor.h>
2
3// 28BYJ-48: tam adımda tur başına 2048 adım / 2048 full steps per revolution
4AF_Stepper stepper(2048, 1);          // 1 = M1 + M2, 2 = M3 + M4
5
6void setup() {
7  stepper.setSpeed(10);               // dakikada 10 tur / 10 RPM
8}
9
10void loop() {
11  stepper.step(2048, FORWARD, DOUBLE);       // bir tur ileri, güçlü tork / one turn forward, more torque
12  delay(500);
13  stepper.step(4096, BACKWARD, INTERLEAVE);  // yarım adımla bir tur geri / one turn back in half steps
14  stepper.release();                         // bobinleri kapat, ısınmasın / de-energise the coils
15  delay(1000);
16}

setSpeed() задаёт число оборотов в минуту; из-за редуктора 28BYJ-48 не крутится быстрее примерно 10–15 об/мин. Важно помнить, что step() блокирующая: пока мотор не выполнит заданные шаги, loop() больше ничего не делает. Если нужно читать датчики или управлять DC-моторами, пока крутится шаговый, используй функцию библиотеки onestep() вместе с библиотекой AccelStepper; именно это показывает пример AFMotor_ConstantSpeed, который идёт вместе с библиотекой. Вызов release(), пока мотор стоит, отключает обмотки и не даёт им греться, но вал на это время теряет момент удержания.

Подключение сервоприводов: разъёмы SER1 и SERVO_2

Два трёхконтактных разъёма в углу шилда предназначены для сервоприводов. По маркировке на плате контакты такие: − (GND), + (5 V) и S (сигнал); коричневый провод сервопривода идёт на −, красный на +, оранжевый на S. По принципиальной схеме платы разъём SER1 подключён к D10, а SERVO_2 — к D9 (в некоторых источниках номера указаны наоборот; если сервопривод не двигается, попробуй в коде другой пин). Сервоприводами управляет стандартная библиотека Servo, а Timer1, который она использует на Uno, не конфликтует с таймерами моторов, так что DC-моторы и сервоприводы работают вместе без проблем.

Сервоприводы питаются не от батареи моторов, а от линии 5 V платы Arduino. Для SG90 это нормально, но крупные сервоприводы вроде MG996R при движении могут потреблять больше 1 A: стабилизатор Arduino греется, напряжение проседает, и плата перезагружается. С крупными сервоприводами вставляй в разъём только сигнальный провод, а + и − сервопривода питай от отдельного источника на 5–6 V и объедини земли. Подробнее — в статьях Сервопривод MG996R с Arduino и Что такое сервопривод?. Код ниже качает сервопривод на SER1 влево-вправо, пока работает мотор на M3:

1#include <AFMotor.h>
2#include <Servo.h>
3
4AF_DCMotor motor(3);                  // M3 klemensi / M3 terminal
5Servo servo1;                         // SER1 başlığı / SER1 header
6
7void setup() {
8  servo1.attach(10);                  // SER1 = D10, SERVO_2 = D9
9  motor.setSpeed(170);
10  motor.run(FORWARD);                 // motor dönerken servo tarar / servo sweeps while the motor runs
11}
12
13void loop() {
14  for (int a = 20; a <= 160; a += 2) {   // sağa tara / sweep right
15    servo1.write(a);
16    delay(15);
17  }
18  for (int a = 160; a >= 20; a -= 2) {   // sola tara / sweep left
19    servo1.write(a);
20    delay(15);
21  }
22}

Предел тока (0,6 A) и нагрев

Самая важная строка в даташите L293D — 0,6 A длительно и 1,2 A в пике на канал. Пиковое значение относится только к очень коротким импульсам; если мотор секундами тянет 1 A, микросхеме приходится тяжело. Простой расчёт показывает, почему она греется: L293D — драйвер старого типа на биполярных транзисторах, и при 0,6 A на верхнем транзисторе обычно падает 1,4 V, а на нижнем — 1,2 V. Значит, когда мотор потребляет 0,6 A, в микросхеме выделяется 0,6 A × 2,6 V ≈ 1,6 W тепла; два мотора на одной микросхеме дают вдвое больше, около 3 W. Маленький DIP-корпус без радиатора не успевает отводить это тепло, температура быстро растёт, и в итоге тепловая защита отключает выходы. Симптом знакомый: моторы какое-то время работают, останавливаются и снова запускаются, когда микросхема остынет.

Жёлтые TT-моторы без нагрузки потребляют около 150 mA, а при езде по полу — 200–300 mA, это в пределах возможностей шилда. Проблема — в моменты, когда колесо упирается в препятствие или машинка разворачивается на месте: заторможенный TT-мотор может тянуть 1–1,5 A, а в машинке 4WD при развороте на месте напрягаются сразу все четыре мотора. Чтобы узнать реальный ток своего мотора, включи мультиметр последовательно с мотором и измерь ток, на секунду придержав колесо рукой; как это делается, показано в статье Как пользоваться мультиметром. Чтобы шилд не перегревался:

• Используй плавный старт: не прыгай с 0 сразу на 255; поднимай скорость постепенно за 200–300 мс, и пусковой ток заметно снизится.
• Не тормози мотор препятствием: в роботах, объезжающих препятствия, останавливай машинку до столкновения; заторможенный мотор выделяет больше всего тепла.
• Наклей на микросхемы радиаторы: маленькие алюминиевые радиаторы на термоскотче немного снижают температуру L293D.
• Напаяй вторую L293D: Adafruit тоже упоминает, что для увеличения допустимого тока можно напаять вторую L293D поверх имеющихся микросхем, ножка к ножке; две микросхемы делят ток между собой.
• Не подавай больше напряжения, чем нужно: 12 V на моторы, рассчитанные на 6 V, увеличивают и ток, и нагрев.
• Перейди на подходящий драйвер: если мотор постоянно потребляет больше 0,6 A, используй драйвер на L298N или TB6612FNG.

Моторный шилд L293D или L298N?

Короче говоря, если на Arduino Uno собирается машинка 4WD с TT-моторами, шилд L293D сводит провода к минимуму и держит все четыре мотора на одной плате. Если моторы мощнее, плата — ESP32 или Pico или важно выбирать пины, гибче L298N; подробности — в статье Управление DC-мотором с L298N. А если нужно что-то эффективнее обоих, у TB6612FNG на MOSFET-транзисторах очень маленькое падение напряжения, и батареи живут дольше. Какой тип мотора для какой задачи подходит, сравниваем в статье DC-мотор, сервопривод или шаговый двигатель.

Можно ли использовать шилд с ESP32, Raspberry Pi Pico или Mega?

С Arduino Mega 2560 он работает без проблем: шилд садится на первые цифровые и аналоговые пины Mega, а AFMotor знает таймеры Mega. С Uno R4, Leonardo, ESP32 и Raspberry Pi Pico он не работает, потому что AFMotor пишет напрямую в регистры таймеров ATmega328P и ATmega2560. Если выбрана ESP32, сборка останавливается с ошибкой 'DC_MOTOR_PWM_RATE' was not declared in this scope (константа не объявлена в этой области видимости), а если выбрана Leonardo — с ошибкой #error "This chip is not supported!". Платы ESP32 в форм-факторе Uno (например, ESPDuino-32) физически подходят к шилду, но номера пинов и уровень сигнала 3,3 V у них другие. На таких платах гораздо проще вместо шилда взять L298N, TB6612FNG или одну микросхему L293D. Входы L293D считают HIGH всё, что выше 2,3 V, поэтому она работает с платами на 3,3 V напрямую:

1from machine import Pin, PWM
2import time
3
4en = PWM(Pin(15))                 # L293D pin 1 (1,2EN): hız / speed
5en.freq(1000)
6in1 = Pin(14, Pin.OUT)            # L293D pin 2 (1A): yön / direction
7in2 = Pin(13, Pin.OUT)            # L293D pin 7 (2A): yön / direction
8
9def motor(speed):                 # -100 … 100
10    in1.value(1 if speed > 0 else 0)
11    in2.value(1 if speed < 0 else 0)
12    en.duty_u16(int(abs(speed) * 655.35))
13
14while True:
15    motor(80)                     # ileri / forward
16    time.sleep(2)
17    motor(0)                      # dur / stop
18    time.sleep(0.5)
19    motor(-60)                    # geri / backward
20    time.sleep(2)
21    motor(0)
22    time.sleep(0.5)

Земли Pico и батареи обязательно нужно соединить. На ESP32 та же логика строится на языке Arduino: направление через digitalWrite, скорость через analogWrite на пинах из таблицы. Если эти платы пока незнакомы, начни со статей Что такое ESP32? и Что такое Raspberry Pi Pico?.

Моторы не крутятся: частые ошибки и решения

Идеи проектов с моторным шилдом L293D

• Машинка 4WD с управлением по Bluetooth: полноприводный робот, которым можно управлять с телефона с помощью кода выше.
• Робот, объезжающий препятствия: машинка, которая сканирует пространство впереди датчиком HC-SR04 на сервоприводе SER1 и поворачивает туда, где свободнее всего; полное руководство — в статье Робот, объезжающий препятствия, на Arduino.
• Робот, следующий по линии: едет по чёрной линии на полу с помощью ИК-датчиков на A0–A3; настройка ПИД-регулятора разобрана в статье Робот, следующий по линии, на Arduino.
• Слайдер для камеры: шаговый двигатель медленно ведёт камеру по рельсу для съёмки таймлапсов.
• Поворотная головка pan-tilt: подключи два сервопривода к двум разъёмам и наводи камеру или лазер по двум осям; если сервоприводов нужно больше, загляни в статью Робот-манипулятор на Arduino.
• Автоматическая штора или конвейер: открывай и закрывай штору DC-мотором в зависимости от освещённости или собери маленький ленточный конвейер.

Итог правильной работы с моторным шилдом L293D: установи библиотеку V1, проверь светодиод PWR, поставь перемычку в соответствии со схемой питания, не забывай про setSpeed(), подключай датчики к A0–A5 и держи моторы ниже предела 0,6 A. Если соблюдать эти правила, маленький шилд в одиночку потянет всю «мускулатуру» четырёхмоторного робота. В приложении BlueGrays есть проекты машинки с управлением по Bluetooth, робота, объезжающего препятствия, шагового двигателя и сервопривода — пошагово, со схемами подключения и кодом.