Управление DC-мотором через L298N: скорость и направление с Arduino

Моторы постоянного тока (DC-моторы) — самые распространённые моторы: они крутят вентиляторы, колёса роботов, водяные насосы и игрушечные машинки. Но подключать мотор прямо к пину Arduino нельзя: он потребляет гораздо больше тока, чем способен дать пин, а чтобы сменить направление вращения, нужно поменять полярность. Драйвер моторов L298N решает обе проблемы сразу: он независимо вращает два DC-мотора вперёд и назад и задаёт их скорость через PWM. Он есть почти в каждом проекте машинки-робота.

Как работает DC-мотор и зачем ему драйвер?

Подай напряжение на два вывода DC-мотора — и он закрутится; поменяй полярность — закрутится в другую сторону; уменьши напряжение — замедлится. Даже маленький игрушечный мотор во время работы потребляет сотни миллиампер, а при старте или остановке под нагрузкой — больше 1 ампера. А поскольку мотор — это катушка, при выключении он создаёт выбросы обратного напряжения. Пин Arduino может дать максимум 20–40 mA и не защищён от таких выбросов; прямое подключение мотора сжигает пин и может даже повредить плату.

Что такое H-мост?

Способ вращать мотор в обе стороны — H-мост: четыре электронных ключа, расположенные вокруг мотора в форме буквы «H». Когда замыкаются два ключа по диагонали, ток идёт через мотор в одну сторону; когда замыкается другая диагональная пара — в другую. В микросхеме L298N два таких H-моста, поэтому она может независимо управлять двумя моторами. Каждый мотор использует два пина направления (IN1 и IN2) и один пин скорости (ENA):

Характеристики L298N

Пины L298N и подключение питания

Вращаем мотор вперёд, назад и с разной скоростью

Сначала сними перемычку с ENA и подключи ENA к пину Arduino D9, IN1 — к D8, а IN2 — к D7. Мотор подключи к OUT1 и OUT2, а сборку из 2 × 18650 (7,4 V) или 4–6 батареек AA — к клеммам 12V и GND; GND также соедини с GND Arduino. Функция motor() ниже принимает значение от -255 до 255: положительное — вперёд, отрицательное — назад, ноль — тормоз. Идея управления скоростью объяснена в статье Что такое PWM?

1const int ENA = 9;    // hız (PWM) / speed (PWM)
2const int IN1 = 8;
3const int IN2 = 7;
4
5void motor(int speed) {              // -255 … 255
6  if (speed == 0) {                  // fren / brake
7    digitalWrite(IN1, HIGH);
8    digitalWrite(IN2, HIGH);
9    analogWrite(ENA, 255);
10    return;
11  }
12  digitalWrite(IN1, speed > 0);      // ileri ya da geri / forward or backward
13  digitalWrite(IN2, speed < 0);
14  analogWrite(ENA, abs(speed));
15}
16
17void setup() {
18  pinMode(ENA, OUTPUT);
19  pinMode(IN1, OUTPUT);
20  pinMode(IN2, OUTPUT);
21}
22
23void loop() {
24  motor(200);   delay(2000);   // ileri / forward
25  motor(0);     delay(500);    // dur / stop
26  motor(-120);  delay(2000);   // yavaşça geri / slowly backward
27  motor(0);     delay(500);
28}

Машинка-робот на двух моторах: вперёд, назад, влево и вправо

У машинок-роботов нет руля: они поворачивают, вращая два колеса с разной скоростью и в разные стороны. Если оба мотора крутятся вперёд, машинка едет прямо; если левый крутится назад, а правый вперёд, машинка разворачивается влево на месте. Функция drive() ниже принимает скорость каждого мотора отдельно, от -255 до 255:

1// Sol motor / left motor: ENA=9, IN1=8, IN2=7 — Sağ motor / right motor: ENB=10, IN3=5, IN4=4
2const int ENA = 9, IN1 = 8, IN2 = 7;
3const int ENB = 10, IN3 = 5, IN4 = 4;
4
5void drive(int left, int right) {            // her biri -255 … 255 / each -255 … 255
6  digitalWrite(IN1, left >= 0);  digitalWrite(IN2, left < 0);
7  digitalWrite(IN3, right >= 0); digitalWrite(IN4, right < 0);
8  analogWrite(ENA, abs(left));
9  analogWrite(ENB, abs(right));
10}
11
12void setup() {
13  int pins[] = {ENA, IN1, IN2, ENB, IN3, IN4};
14  for (int p : pins) pinMode(p, OUTPUT);
15}
16
17void loop() {
18  drive(200, 200);   delay(1500);   // ileri / forward
19  drive(-200, 200);  delay(600);    // sola dön / turn left
20  drive(200, -200);  delay(600);    // sağa dön / turn right
21  drive(-180, -180); delay(1000);   // geri / backward
22  drive(0, 0);       delay(1000);   // dur / stop
23}

Добавь спереди машинки датчик расстояния — и получится робот, который останавливается и поворачивает, увидев препятствие; про датчик читай в статье Датчик расстояния HC-SR04. Если на Uno используется библиотека Servo, будь внимательнее: она отключает PWM на пинах 9 и 10, поэтому перенеси ENA и ENB на пины 5 и 6.

L298N с ESP32 и Raspberry Pi Pico

Входы L298N считают HIGH всё, что выше примерно 2,3 V, поэтому напрямую работают с сигналами 3,3 V от ESP32 и Pico; питание логики платы при этом должно быть 5 V. На ESP32 можно использовать тот же код Arduino, взяв для ENA и ENB пины с поддержкой PWM (например, GPIO 25 и 26); пины 34–39 работать на выход не умеют. На Pico с MicroPython управление одним мотором выглядит так:

1from machine import Pin, PWM
2import time
3
4ena = PWM(Pin(15), freq=1000)
5in1 = Pin(14, Pin.OUT)
6in2 = Pin(13, Pin.OUT)
7
8def motor(speed):                   # -100 … 100
9    in1.value(speed > 0)
10    in2.value(speed < 0)
11    ena.duty_u16(int(abs(speed) * 655.35))
12
13while True:
14    motor(80);  time.sleep(2)       # ileri / forward
15    motor(0);   time.sleep(0.5)     # dur / stop
16    motor(-50); time.sleep(2)       # geri / backward

L298N, TB6612FNG или MOSFET?

Если мотор нужно только включать и выключать, подойдёт и реле, но регулировать скорость оно не умеет; мы сравнили их в статье Что такое модуль реле? Подобрать подходящий транзистор или MOSFET поможет утилита Транзисторы.

Идеи проектов с L298N

• Робот, объезжающий препятствия: машинка, которая видит препятствия через HC-SR04 и меняет направление.
• Машинка с управлением по Bluetooth: робот, которым управляешь из приложения на телефоне через HC-05.
• Машинка с джойстиком: преврати две оси джойстика в скорости двух моторов; подробности в статье Модуль джойстика.
• Робот, следующий по линии: машинка, которая едет по чёрной линии на полу с помощью инфракрасных датчиков.
• Автоматическая штора: моторизованная система, которая открывает штору утром, когда становится светло, и закрывает вечером.
• Конвейерная лента: маленький конвейер, скорость которого задаётся потенциометром.

Частые ошибки и как их исправить

• Светодиод на плате горит, а мотор не вращается: земли не объединены, перемычка ENA снята, но пин не подключён, или значение PWM слишком маленькое.
• Arduino перезагружается, когда работает мотор: мотор и Arduino делят слабый источник питания; питай их отдельно и припаяй конденсатор 100 nF параллельно выводам мотора.
• Мотор очень медленный и слабый: L298N «съедает» около 2 V; подними напряжение батареи (например, 2 × 18650) или возьми более эффективный драйвер.
• Мотор вращается только в одну сторону: один из пинов IN не подключён, или код записывает одинаковые значения для обоих направлений.
• L298N сильно греется: мотор потребляет слишком большой ток; убедись, что радиатор ничем не закрыт, и при необходимости возьми драйвер помощнее.
• Батарейка-«крона» (PP3) на 9 V: она не может отдать большой ток и быстро садится; используй аккумуляторы 18650 или сборку из AA.

Освоив управление моторами через L298N, ты открываешь дверь в мир роботов. В приложении BlueGrays есть пошаговые проекты со схемами подключения и кодом: машинка на L298N с управлением по Bluetooth и робот, объезжающий препятствия.