大總結L298N的詳細資料驅動直流電機和步進電機.doc

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大總結 L298N的詳細資料驅動直流電機和步進電機(平均5元) 電機驅動電路；電機轉速控制電路（PWM信號） 主要采用L298N，通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉，停止的操作，輸入引腳與輸出引腳的邏輯關系圖為 驅動原理圖 L298N電機驅動模塊圖????????????????????????????????????????????????????????? 1.1 實物圖??? 1.2 原理圖????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1.3 各種電機實物接線圖???????????????????????????????????????????????????????????????? 1.4 各種電機原理圖????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1.5 模塊接口說明??????????????????????????????????????????????????????????????????????? L298N電機驅動模塊圖 1.1 實物圖 正面 背面 1.2 原理圖 1.3 各種電機實物接線圖 直流電機實物接線圖 4相步進電機實物接線圖 3相步進電機實物接線圖 1.4 各種電機原理圖 直流電機原理圖 步進電機原理圖 1.5 模塊接口說明 +5V：芯片電壓5V。 VCC：電機電壓，最大可接50V。 GND：共地接法。 A-~D-：輸出端，接電機。 A~D+ ：為步進電機公共端，模塊上接了VCC。 EN1、EN2：高電平有效，EN1、EN2分別為 IN1和IN2、IN3和IN4的使能端。 IN1~ IN4：輸入端，輸入端電平和輸出端電平是對應的。 我正在用L298N驅動我的小車的兩個直流減速電機，其實它很好用， 1和15和8引腳直接接地， 4管腳VS接2.5到46的電壓，它是用來驅動電機的， 9引腳是用來接4.5到7V的電壓的，它是用來驅動L298芯片的， 記住，L298需要從外部接兩個電壓，一個是給電機的，另一個給L298芯片的 6和11引腳是它的使能端，一個使能端控制一個電機，至于那個控制那個你自己焊接，你可以把它理解為總開關，只有當它們都是高電平的時候兩個電機才有可能工作， 5,7,10,12是298的信號輸入端和單片機的IO口相連， 2,3,13,14是輸出端， 輸入5和7控制輸出2和3, 輸入的10,12控制輸出的13,14 L298N型驅動器的原理及應用 L298N是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。其引腳排列如圖1中U4所示，1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信 L298N的恒壓恒流橋式2A驅動芯片L298N說明及應用 L298是SGS公司的產品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部同樣包含4通道邏輯驅動電路?？梢苑奖愕尿寗觾蓚€直流電機，或一個兩相步進電機。L298N芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4．5～7 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2．5～46 V。輸出電流可達2．5 A，可驅動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅動一臺電動機。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉。表1是L298N功能邏輯圖。 In3，In4的邏輯圖與表1相同。由表1可知EnA為低電平時，輸入電平對電機控制起作用，當EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機正或反轉。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停。 L298N控制器原理如下：圖3是控制器原理圖，由3個虛線框圖組成。 下面是3個虛線框圖功能： （1）虛線框圖1控制電機正反轉，U1A，U2A是比較器，VI來自爐體壓強傳感器的電壓。當VI＞VRBF1時，U1A輸出高電平，U2A輸出高電平經反相器變?yōu)榈碗娖?，電機正轉。同理VI＜VRBF1時，電機反轉。電機正反轉可控制抽氣機抽出氣體的流量，從而改變爐體壓強。 （2）虛線框圖2中，U3A，U4A兩個比較器組成雙限比較器，當VB＜VI＜VA時輸出低電平，當VI＞VA，VI＜VB時輸出高電平。VA，VB是由爐體壓強轉感器轉換電壓的上下限，即反應爐體壓強控制范圍。根據工藝要求，我們可自行規(guī)定VA，VB的值，只要爐體壓強在VA，VB所確定范圍之間電機停轉（注意VB＜VRBF1＜VA，如果不在這個范圍內，系統(tǒng)不穩(wěn)定）。 （3）虛線框圖3是一個長延時電路。U5A是一個比較器，Rs1是采樣電阻，VRBF2是電機過流電壓。Rs1上電壓大于VREF2，電機過流，U5A輸出低電平。由上面可知，框圖1控制電機正反轉，框圖2控制爐體壓強的紋波大小。當爐體壓強太小或太大時，電動機轉到兩端固定位置停止，根據直流電機穩(wěn)態(tài)運行方程[3]：　　 U＝CeФN＋RaIa 其中:Ф為電機每極磁通量；　　Ce為電動勢常數； N為電機轉數； Ia為電樞電流； 　　Ra電樞回路電阻。 電機轉數N為0，電機的電流急劇增加，時間過長將會使電機燒壞。但電機起動時，電機中線圈中的電流也急劇變大，因此我們必須把這兩種狀態(tài)分開。長延時電路可把這兩種狀態(tài)區(qū)分出來。長延時電路工作原理：當Rs1過流U5A產生一個負脈沖經過微分后，脈沖觸發(fā)555的2腳，電路置位，3腳輸出高電平，由于放電端7腳開路，C1，R5及U6A組成積分器開始積分，電容C1上的充電電壓線性上升，延時運放積分常數為100R5C1。當C1上充電電壓，即6腳電壓超過2／3 VCC，555電路復位，輸出低電平。電機啟動時間一般小于0．8 s，C1充電時間一般為0．8～1 s。U5A輸出電平與555的3腳輸出電平經U7相或，如果U5A輸出低電平大于C1充電時間，U7在C1充電后輸出低電平由與門U8輸入到L298N的6腳ENA端使電機停止。如果U5A的輸出電平小于C1充電時間，6腳不動作電機的正常啟動。長延時電路吸收電機啟動過流電壓波形，從而使電機正常啟動。 下圖是其引腳圖： 1、15腳是輸出電流反饋引腳，其它與L293相同。 在通常使用中這兩個引腳也可以直接接地。上圖是其與51單片機連接的電路圖。 L298應用實例 實例一：用L298驅動兩臺直流減速電機的電路。引腳6，9可用于PWM控制。如果機器人項目只要求直行前進，則可將5，10和7，12兩對引腳分別接高電平和低電平，僅用單片機的兩個端口給出PWM信號控制6，11即可實現直行、轉彎、加減速等動作。 實例二：用L298實現二相步進電機控制。 步進電機原理及其使用說明 一、前言 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 目前,生產步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。 二、感應子式步進電機工作原理 （一）反應式步進電機原理 由于反應式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應式步進電機原理。 1、結構： 電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A與齒5相對齊，（A就是A，齒5就是齒1）下面是定轉子的展開圖： 2、旋轉： 如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3て。 這樣經過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉。 由此可見：電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機細分驅動的基本理論依據。 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制——這是步進電機旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。 3、力矩： 電機一旦通電，在定轉子間將產生磁場（磁通量Ф）當轉子與定子錯開一定角度產生力 F與（dФ/dθ）成正比 其磁通量Ф=Br*S ；Br為磁密；S為導磁面積 ； F與L*D*Br成正比；L為鐵芯有效長度；D為轉子直徑；Br=NI/RNI為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）R為磁阻。 力矩=力*半徑力矩與電機有效體積*安匝數*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)） 因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。 （二）感應子式步進電機 1、特點： 感應子式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。（必須采用雙極電壓驅動），而反應式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現其條件為C=,D=。 一個二相電機的內部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。 2、分類 感應子式步進電機以相數可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG為感應子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標準），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內標準。 3、步進電機的靜態(tài)指標術語 相數：產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數，常用m表示。 拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度（轉子齒數J*運行拍數），以常規(guī)二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。 定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的） 靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。 4、步進電機動態(tài)指標及術語 1、步距角精度： 步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。 2、失步： 電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步。 3、失調角： 轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。 4、最大空載起動頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 5、最大空載的運行頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。 6、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。如下圖所示： 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性。 電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。 如下圖所示： 其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。 要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。 7、電機的共振點： 步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。 8、電機正反轉控制： 當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉，通電時序為DA-CA-BC-AB或()時為反轉。 三、驅動控制系統(tǒng)組成 使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下： 1、脈沖信號的產生 脈沖信號一般由單片機或CPU產生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉速越高，占空比則越大. 2、信號分配 我廠生產的感應子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為,步距角為1.8度；二相八拍為,步距角為0.9度。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為0.9度）。 3、功率放大 功率放大是驅動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅動方式，到目前為止，驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數等。 為盡量提高電機的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅動電源。我廠生產的SH系列二相恒流斬波驅動電源與單片機及電機接線圖如下： 說明： CP 接CPU脈沖信號（負信號，低電平有效） OPTO 接CPU+5V FREE 脫機，與CPU地線相接，驅動電源不工作 DIR 方向控制，與CPU地線相接，電機反轉 VCC 直流電源正端 GND 直流電源負端 A 接電機引出線紅線 接電機引出線綠線 B 接電機引出線黃線 接電機引出線藍線 步進電機一經定型，其性能取決于電機的驅動電源。步進電機轉速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下： 4、細分驅動器 在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細分驅動器來驅動步進電機，細分驅動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉的。 四、步進電機的應用 （一）步進電機的選擇 步進電機有步距角（涉及到相數）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。 1、步距角的選擇 電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。 2、靜力矩的選擇 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸） 3、電流的選擇 靜力矩一樣的電機，由于電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓） 綜上所述選擇電機一般應遵循以下步驟： 4、力矩與功率換算 步進電機一般在較大范圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： P= ΩM Ω=2πn/60 P=2πnM/60 其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉速，M為力矩單位為牛頓米 P=2πfM/400(半步工作） 其中f為每秒脈沖數（簡稱PPS) (二）、應用中的注意點 1、步進電機應用于低速場合---每分鐘轉速不超過1000轉，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。 2、步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 3、由于歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值 ，可根據驅動器選擇驅動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當然12伏的電壓除12V恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源， 不過要考慮溫升。 4、轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。 5、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。 6、高精度時，應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數的驅動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產廠家少，其被淘汰的說法是外行話。 延時電路工作原理：當Rs1過流U5A產生一個負脈沖經過微分后，脈沖觸發(fā)555的2腳，電路置位，3腳輸出高電平，由于放電 步進電機控制原理 步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應式步進電機（簡稱VR）、永磁式步進電機（簡稱PM）和混合式步進電機（簡稱HB）。 步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。 步進電機的驅動電路根據控制信號工作，控制信號由單片機產生。其基本原理作用如下： (1)控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C－D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。 (2)控制步進電機的轉向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。 (3)控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。 L298N直流電機\步進電機兩用驅動器 驅動器尺寸：寬42mm、長78mm、最大高度23mm 主要元件：恒壓恒流橋式2A驅動芯片L298N、光電耦合器TLP521-4 工作電壓方式：直流 工作電壓：信號端 4~6V、控制端 5~36V 調速方式：直流電動機采用PWM信號平滑調速。 特點： 1、可實現電機正反轉及調速。 2、啟動性能好，啟動轉矩大。 3、工作電壓可達到36V，4A。 4、可同時驅動兩臺直流電機。 5、適合應用于機器人設計及智能小車的設計中。 實例一：用L298驅動兩臺直流減速電機的電路。引腳A，B可用于PWM控制。如果機器人項目只要求直行前進，則可將IN1，IN2和IN3，IN4兩對引腳分別接高電平和低電平，僅用單片機的兩個端口給出PWM信號控制A，B即可實現直行、轉彎、加減速等動作。 實例二：用L298實現二相步進電機控制。將IN1，IN2和IN3，IN4兩對引腳分別接入單片機的某個端口，輸出連續(xù)的脈沖信號。信號的快慢決定了電機的轉速。改變繞組脈沖信號的順序即可實現正反轉。