آموزش راه اندازی ماژول درایور موتور L298 با آردوینو

در این مقاله به آموزش نحوه راه اندازی ماژول درایور موتور L298 با آردوینو خواهیم پرداخت.

اگر در فکر ساخت یک ربات جدید هستید، حتما باید نحوه کنترل موتور‌های DC را یاد بگیرید. یکی از آسان‌ترین و ارزان‌ترین روش های کنترل موتور‌های DC، راه اندازی ماژول درایور موتور L298 با آردوینو است. به عنوان مثال ماژول درایور موتور L298N که یکی از مدل درایورها است، مي‌تواند همزمان سرعت و جهت دوران دو موتور DC را کنترل کند. بعلاوه، با استفاده از آن مي‌توان یک استپ موتور دو قطبی نظیر NEMA 17 را نیز کنترل نمود. پس از یادگیری این آموزش می‌توانید با نحوه راه اندازی دیگر درایور موتورهای DC مانند درایور موتور DRV8833 و درایور موتور L293D آشنا شوید و در ساخت ربات‌های ماشینی خود از این ماژول‌ها استفاده کنید.

کنترل موتور DC

برای کنترل کامل یک موتور DC لازم است هم سرعت و هم جهت دوران موتور را کنترل کرد. این نوع کنترل از ترکیب دو تکنیک زیر قابل دستیابی است:

• تکنیک PWM: برای کنترل سرعت
• تکنیک H-Bridge: برای کنترل جهت چرخش موتور

تکنیک PWM برای کنترل سرعت

کنترل سرعت یک موتور DC از طریق تغییر ولتاژ تغذیه dc موتور امکان پذیر است.

یک تکنیک مرسوم برای این کار استفاده از روش مدولاسیون عرض پالس (PWM) مي‌باشد. در این تکنیک مقدار متوسط ولتاژ ورودی از طریق ارسال یکسری پالس‌ های صفر و یک (ON-OFF) تنظیم مي‌شود. مقدار متوسط ولتاژ، متناسب با عرض پالس که duty cycle ناميده مي‌شود، خواهد بود. با افزایش duty cycle مقدار متوسط ولتاژ تغذیه اعمال شده به موتور DC بیشتر خواهد شد و در نتیجه سرعت دوران شافت موتور افزایش خواهد یافت. اما کم کردن duty cycle، سبب کاهش متوسط ولتاژ تغذیه و در نتیجه کاهش سرعت دور موتور مي‌شود.

در شکل زیر تکنیک PWM و ارتباط مقادير مختلف duty cycle  با مقدار متوسط ولتاژ تغذیه نشان داده شده است:

تکنیک H-Bridge: برای کنترل جهت چرخش موتور

کنترل جهت چرخش شافت یک موتور DC از طریق تغییر پلاریته ولتاژ تغذیه آن امکان پذیر است.

تکنیک مرسوم برای این کار استفاده از H-Bridge یا مدار پل H است. مدار  پل H متشکل از 4 عدد سوئیچ مي‌باشد که موتور در مرکز آن‌ها قرار مي‌گیرد و بدین ترتیب ساختاری شبیه H تشکیل می‌دهد. با بسته شدن همزمان دو سوئیچ خاص مي‌توان پلاریته ولتاژ تغذیه اعمالی به موتور و در نتیجه جهت چرخش شافت موتور را تغییر داد. در تصویر زیر نحوه عملکرد مدار پل H نشان داده شده است:

آی سی درایور موتور L298

L298 بصورت یک چیپ بزرگ مشکی رنگ متصل به یک هیت سینک در مرکز ماژول قرار دارد. این چیپ یک درایور موتور H-bridge دو کاناله است و با استفاده از آن مي‌توان دو عدد موتور DC را بصورت مستقل از یکدیگر کنترل نمود. لذا، برای بکارگیری در ربات‌‌های دوچرخ ایده آل مي‌باشد.

منبع تغذیه

ماژول درایور L298 بوسیله یک ترمينال 3.5 ميلیمتری سه پین تغذیه مي‌شود. یک پین برای تغذیه موتور (Vs)، یک پین به عنوان زمين (GND) و پین سوم تغذیه 5 ولت مدارات منطقی (Vss) مي‌باشد. درایور L298 در حقیقت دارای دو پین تغذیه ورودی “Vss” و “Vs” است. از طریق پین Vs ولتاژ الکتریکی مورد نیاز برای درایو موتور به مدار پل H داده مي‌شود که بین 5 تا 35 ولت مي‌ تواند تغییر کند. Vss برای تغذیه مدارات منطقی استفاده مي‌شود که اندازه آن می تواند بین 5 تا 7 ولت متغیر باشد. GND به عنوان زمين مشترک Vs و Vss  مي‌باشد.

ماژول L298 دارای یک رگولاتور 78M05 پنج ولتی  STMicroelectronics است که از طریق یک جامپر مي‌توان آن را فعال یا غیر فعال کرد. وقتی جامپر در محل خود قرار داشته باشد، رگولاتور پنج ولتی فعال خواهد بود و ولتاژ تغذیه Vss را از ولتاژ تغذیه موتور یعنی Vs تامين مي‌کند. در چنین حالتی، پین 5 ولت ترمينال ورودی به عنوان یک خروجی 5 ولتی نیم آمپر عمل خواهد نمود که از آن مي‌توان برای تغذیه آردوینو و یا هر مدار دیگری که تغذیه 5 ولتی نیاز دارد، استفاده نمود. برداشتن جامپر سبب غیر فعال شدن رگولاتور 5 ولتی مي‌شود و مجبور خواهیم بود ولتاژ 5 ولتی جداگانه‌ای از طریق ترمینال ورودی تامين کنیم.

هشدار: فقط در حالتی که ولتاژ تغذیه موتور کمتر از 12 ولت باشد مي‌توان جامپر فعال سازی رگولاتور را در محل خود قرار داد. چنانچه ولتاژ تغذیه موتور بیش از 12 ولت باشد، برای جلوگیری از خراب شدن رگولاتور لازم است جامپر برداشته شود. همچنین، چنانچه جامپر در محل خود قرار داده شده است، از اعمال ولتاژ تغذیه به هر دو پین تغذیه ترمينال ورودی یعنی پین تغذیه موتور (Vs) و پین 5 ولت (Vss)  اجتناب کنید.

افت ولتاژ L298

افت ولتاژ درایور L298  در حدود 2 ولت است که بخاطر افت ولتاژ داخلی ترانزیستور‌های سوئیچینگ مدار پل H مي‌باشد. بنابراین اگر تغذیه 12 ولتی به ترمينال ورودی ماژول اعمال شود، موتور DC ولتاژی در حدود 10 ولت دریافت مي‌کند. لذا، یک موتور DC دوازده ولتی نمي‌ تواند با حداکثر سرعت نامي‌ خود کار کند. به همین دلیل برای دستیابی به حداکثر سرعت نامي‌ موتور، لازم است ولتاژ تغذیه موتور که به ترمينال ورودی ماژول داده مي‌شود، حدود 2 ولت بیشتر از حداکثر ولتاژ نامي‌ موتور در نظر گرفته شود.

بنابراین با در نظر گرفتن افت ولتاژ 2 ولت، برای یک موتور DC  پنج ولتی باید ولتاژ تغذیه 7 ولت به ترمينال ورودی ماژول درایور داده شود. به همین ترتیب برای یک موتور 12 ولتی باید تغذیه ترمينال ورودی 14 ولت در نظر گرفته شود.

ترمينال‌‌های خروجی

کانال‌‌های خروجی درایور برای دو موتور A و B به دو ترمينال 3.5 ميليمتری در طرفین ماژول L298  متصل شده‌اند. به این دو ترمينال مي‌توان دو موتور الکتریکی مستقل با ولتاژ کاری 5 تا 35 ولت وصل نمود. هر ترمينال خروجی مي‌تواند تا 2 آمپر جریان برای موتور الکتریکی تامين نماید. هرچند مقدار جریان اعمالی، به منبع تغذیه سیستم بستگی دارد.

پین‌‌های کنترلی در ماژول درایور موتور L298

برای هر یک از کانال‌‌های ماژول L298  دو نوع پین کنترلی وجود دارد که با استفاده از آن مي‌توان بصورت همزمان سرعت و جهت دوران موتور را کنترل نمود:

• پین‌‌های کنترل جهت دوران موتور‌‌ها
• پین‌‌های کتترل سرعت موتور‌ها

پین‌‌های کنترل جهت دوران

با استفاده از پین‌‌های کنترل جهت مي‌توان نحوه دوران شافت موتور DC  را در دو جهت مستقیم یا عقبگرد کنترل نمود. این پین‌‌ها در حقیقت سوئیچ‌‌های مدار پل H آی سی L298 را کنترل مي‌کنند.  برای هر کانال خروجی دو پین کنترل جهت وجود دارد. پین‌‌های IN1 و IN2 جهت دوران موتور A  و پین‌‌های IN3 و IN4 جهت دوران موتور B را کنترل مي‌کنند.

کنترل جهت دوران از طریق اعمال منطق High (5 ولت) و یا منطق Low (صفر ولت) طبق چارت زیر مي‌باشد.

پین‌‌های کنترل سرعت

دو پین کنترل سرعت ENA و ENB برای روشن و خاموش کردن موتور و همچنین کنترل سرعت دوران موتور‌های A و B  بکار گرفته مي‌شوند. اعمال منطق High (5 ولت) سبب روشن شدن موتور و اعمال منطق Low باعث متوقف شدن دوران موتور مي‌شود. کنترل تعداد دور از طریق اعمال پالس PWM انجام پذیر مي‌باشد.

ماژول درایور L298 معمولا دارای جامپر بر روی پین‌‌های کنترل سرعت است. هنگامي‌ که جامپر در محل خود قرار دارد، موتور فعال و با حداکثر سرعت دورانی خود کار مي‌کند. چنانچه قصد داشته باشید با استفاده از يك برنامه  سرعت موتور را کنترل کنید لازم است جامپر از روی پین کنترل سرعت برداشته شود و به پین‌‌های PWM مربوطه آردوینو متصل شود.

پین‌‌های ماژول درایور موتور L298  

پیش از ارائه کد برنامه نویسی برای راه اندازی ماژول درایور موتور L298 با آردوینو ، لازم است نگاهی به پین‌‌های مختلف این ماژول داشته باشیم.

پین VCC : تغذیه موتور را تامين مي‌ کند که مقدار ولتاژ آن مي‌تواند بین 5 تا 35 ولت باشد. یادآوری مي‌شود که اگر جامپر 5V در محل خود قرار داشته باشد، برای دستیابی به حداکثر سرعت موتور لازم است مقدار ولتاژ تغذیه به اندازه 2 ولت بیشتر از ولتاژ نامي‌ موتور اعمال شود.

پین GND : پین زمين مشترک است.

پین 5V : ولتاژ مورد نیاز مدارات منطقی سوئیچینگ داخلی آی سی L298 را تامين مي‌کند. اگر جامپر 5V در محل خود قرار داشته باشد، این پین به عنوان یک پین خروجی عمل مي‌کند و از آن مي‌توان برای تغذیه آردوینو استفاده نمود. اگر این جامپر برداشته شود، نیاز است که این پین به پین 5V آردوینو متصل شود.

پین ENA : برای کنترل سرعت موتور A استفاده مي‌شود. اعمال منطق High به این پین (یا بطور معادل نگه داشتن جامپر در سر جای خود) سبب شروع به کار کردن موتور A و برداشتن جامپر سبب متوقف شدن موتور خواهد شد. برداشتن جامپر و اتصال پین به ورودی PWM امکان کنترل سرعت موتور A را فراهم خواهد کرد.

پین‌‌هایIN1 و IN2 : برای کنترل جهت دوران موتور A استفاده مي‌ شوند. وقتی به یکی از این پین‌‌ها منطق High (5 ولت) و به دیگری منطق Low (صفر ولت) اعمال شود، شافت موتور در یک جهت شروع به چرخش مي‌کند. اگر به هر دوی این پین‌‌ها منطق High و یا به هر دو منطق Low اعمال شود، موتور A متوقف خواهد شد.

پین‌‌هایIN3 و IN4 : برای کنترل جهت دوران موتور B استفاده مي‌ شوند. وقتی به یکی از این پین‌‌ها منطقHigh (5 ولت) و به دیگری منطق Low (صفر ولت) اعمال شود، شافت موتور B در یک جهت شروع به چرخش مي‌کند. اگر به هر دوی این پین‌‌ها منطق High و یا به هر دو منطق Low اعمال شود، موتور متوقف خواهد شد.

پین ENB : برای کنترل سرعت موتورB استفاده مي‌شود. اعمال منطق High به این پین (یا بطور معادل نگه داشتن جامپر در سر جای خود) سبب شروع به کار کردن موتور B و برداشتن جامپر سبب متوقف شدن موتور خواهد شد. برداشتن جامپر و اتصال پین به ورودی PWM امکان کنترل سرعت موتور B را فراهم خواهد کرد.

پین‌‌های خروجی OUT1 و OUT2 به موتورA متصل مي‌ شوند.

پین‌‌های خروجی OUT3 و OUT4 به موتور B متصل مي‌ شوند.

راه اندازی ماژول درایور موتور L298 با آردوینو UNO

اکنون که با این ماژول آشنا شده ایم، می توانیم در مورد نحوه راه اندازی ماژول درایور موتور L298 با آردوینو برای کنترل موتور DC صحبت کنیم. برای آغاز این فرایند به وسایل زیر نیاز خواهید داشت:

• ماژول درایور موتور L298N
• موتور گیربکس 12 ولت 200 دور مدل 25GA-370
• برد آردوینو UNO
• سم جامپر نری به مادگی 20 سانتی متری
• آداپتور دیواری 12 ولت

برای این کار در ابتدا منبع تغذیه موتور‌های DC را وصل مي‌کنیم. در اینجا ما از موتور‌های DC گیربکسی (موتور‌های TT) که بطور معمول در ربات‌‌های دوچرخ بکارگرفته مي‌شوند، استفاده مي‌ کنیم. ولتاژ این موتور‌ها بین 3 تا 12 ولت است. بنابراین یک منبع تغذیه خارجی 12 ولت به ترمينال VCC متصل مي‌کنیم. با توجه به افت ولتاژ داخلی ماژول، موتور‌ها حداکثر 10 ولت دریافت خواهند نمود و حداکثر سرعت دور موتور‌ها کمتر خواهد بود، ولی در این مثال مورد قبول است.

در گام بعد لازم است تغذیه 5 ولتی مدارت منطقی L298 را تامين کنیم. به همین دلیل از رگولاتور داخلی 5ولت ماژول درایور استفاده مي‌کنیم و لذا جامپر رگولاتور را در سر جای خود قرار مي‌ دهیم. اکنون پین‌‌های ورودی و فعال‌ساز ماژول درایور L298 (یعنی پین‌‌های ENA، IN1، IN2، IN3، IN4 و ENB) را به 6 پین خروجی دیجیتال آردوینو (خروجی‌‌های 9، 8، 7، 5، 4 و 3) متصل مي‌كنيم. به یاد داشته باشید که پین‌‌های شماره 9 و شماره 3 آردوینو مربوط بهPWM  هستند.

در مرحله آخر یک موتور به ترمينال A  (Out1  و Out2) و موتور دیگر به ترمينال B  (Out3 و Out4) وصل مي‌ شوند.

با انجام مراحل فوق، چیزی شبیه به شکل زیر خواهیم داشت:

کد نویسی آردوینو (کنترل موتور DC )

در ادامه مثالي از نحوه کنترل سرعت و جهت دوران موتور DC  با استفاده از ماژول درایور موتور L298  ارائه خواهیم کرد که مي‌تواند به عنوان منبع اطلاعاتی برای پروژه هایی که جنبه عملی بیشتری دارند، مورد استفاده قرار بگیرد.

// 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);
}

چگونه برای راه اندازی ماژول درایور موتور L298 با آردوینو کد نویسی کنیم؟

برای راه اندازی ماژول درایور موتور L298 با آردوینو ، به کد آردوینو نیازمندید. نوشتن کد آردوینو بسیار ساده است و نیاز به هیج کتابخانه ای ندارد. در ابتدای کد مشخص مي‌ کنیم که پین‌‌های آردوینو به کدام یک از پین‌‌های ماژول درایور L298  متصل هستند.

// Motor A connections
int enA = 9;
int in1 = 8;
int in2 = 7;
// Motor B connections
int enB = 3;
int in3 = 5;
int in4 = 4;

همه پین‌‌های کنترلی موتور به عنوان خروجی‌‌های دیجیتال تعریف مي‌ شوند و مقدار اولیه آن‌‌ها بصورت Low ست مي‌شود تا هر دو موتور خاموش شوند.

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);
}

در ادامه، دو تابعی که قبلا توسط کاربر تعریف شده اند، درون یک حلقه نرم افزاری با فاصله زمان یک ثانیه (هزار ميلي ثانیه) فراخوانی مي‌ شوند.

void loop() {
	directionControl();
	delay(1000);
	speedControl();
	delay(1000);
}

این توابع عبارتند از:

• ()directionControl : این تابع هر دو موتور را به مدت 2 ثانیه با حداکثر سرعت دوران در جهت مستقیم روشن مي‌ کند. سپس، به مدت دو ثانیه نیز در جهت معکوس موتور‌ها را مي‌ چرخاند و در نهایت دو موتور را متوقف مي‌ کند.

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 : این تابع سرعت دوران هر دو موتور را از مقدار صفر تا حداکثر سرعت افزایش مي‌دهد که این کار از طریق تولید سیگنال‌‌های PWM توسط تابع ()analogWrite انجام مي‌شود. پس از آن، مجددا سرعت دوران موتور‌‌ها از مقدار حداکثر تا رسیدن به صفر کاهش می یابد و در نهایت دو موتور خاموش مي‌ شوند.

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);
}

با اطلاعاتی که در این مقاله کسب کرده اید، می توانید این ماژول را به راحتی راه اندازی کنید. اگر در حین راه اندازی، به راهنمایی بیشتری نیاز داشتید، سوالات خود را در بخش دیدگاه مطرح کنید.