基于L298N电机驱动模块的设计与实现

万方科技学院万方科技学院 模拟电子技术课程设计 基于基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现电机驱动模块的设计与实现 系系 部部 电气工程与自动化工程电气工程与自动化工程 专专 业业 名名 称称 电气自动化电气自动化 班班 级级 电电气气（ 9 9）班班 姓姓 名名 乔乔梁梁 学学 号号 指指 导导 教教 师师 王王允允建建 第 0 页 基于基于 L298N 电机驱动模块设计与实现电机驱动模块设计与实现 目目 录录 一、一、摘要摘要.2.2 二、二、 步进驱动模块方案步进驱动模块方案 1 1、方案一、方案一.2.2 2 2、方案二、方案二.2.2 三、硬件电路设计三、硬件电路设计 3.13.1 L298NL298N 驱动模块驱动模块.2.2 3.23.2 电机控制过程电机控制过程.4.4 3.33.3 步进电机模块步进电机模块.6.6 3.43.4 PCBPCB 设计设计.7.7 3.53.5 转速控制设计转速控制设计.7.7 3.63.6 基于基于 L298NL298N 电机驱动模块的设计实物电机驱动模块的设计实物.8.8 四、实验仿真及调试四、实验仿真及调试 4.14.1 实验仿真结果实验仿真结果.8.8 4.24.2 系统联调系统联调.9.9 五、总五、总 结结.9 9 六、仪器清单六、仪器清单.1010 七、参考文献七、参考文献.1111 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 1 页 第 1 页 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 1 页 第 0 页 基于基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现电机驱动模块的设计与实现 一、摘一、摘 要要 该设计实现了步进电机正传、反转、加速快转、减速慢转的功能，启动系 统后，通过控制脉冲来控制系统，经过 L298N 驱动电路对脉冲进行处理，输出 能直接控制步进电机的脉冲信号，在此基础上，重新分配 I/O 资源，同时可增 加驱动芯片 L298N 的个数，在负载能力范围允许内，还能实现多台步进电机独 立正传、反转、加速快转、减速慢转的控制。 二、二、 步进驱动模块方案步进驱动模块方案 1、方案一： A3972 驱动模块是自动收发卡机的设计，是基于双工位(工作通道)的，所 以本驱动模块内部自带电机切换电路，可以驱动分时工作的两路电机，价格 昂贵。 2、方案二： L298N 是 ST 公司生产的芯片。主要特点是：工作电压高，最高工作电压 可达 46V，并且可以驱动两个二相电机，可以直接通过电源来调节输出电压； 可以直接用单片机的 I/O 口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。 经实验比较，L298N 驱动模块运行可靠，取得效果较好，而且电路的电气 性能和散热性能较好，此设计选用 L298N 驱动模块。 三、硬件电路设计三、硬件电路设计 3.13.1 L298NL298N 驱动模块驱动模块 L298N（实物图如图一）是 ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯 片。该芯片采用 15 脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达 46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A；内含两个 H 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 1 页 第 1 页 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继 电器线圈 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 3 页 等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受 输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻 辑电路部分在低电压下工作；并且可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电 路。使用 L298N 驱动电机，该芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四 相电机，可以直接通过电源来调节输出电压； L298N 的主要引脚功能如下： +5V：芯片电压 5V； VCC：电机电压，最大可接 50V； GND：共地接法； Output1Output2：输出端，接电机 1； Output3Output4：输出端，接电机 2； EN1、EN2：高电平有效，EN1、EN2 分别为 IN1 和 IN2、IN3 和 IN4 的使 能端； Input1 Input4：输入端，输入端电平和输出端电平是对应的； 图一 L298n 实物图 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 4 页第 0 页 L298n 内部原理图 L298n 管脚名称命名 3.23.2 电机控制过程电机控制过程 IN1，IN2，IN3，IN4 接收脉冲信号 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 5 页第 0 页 L298N 的 1 脚和 15 脚发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传 感信号。OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之间可分别接电动机的一相。 5，7，10，12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转。ENA，ENB 控制使能端， 控制电机的停转，如图三 控制步进电机的运行速度只要控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期， 即在升速过程中，使脉冲的输出频率逐渐增加；在减速过程中，使脉冲的输出 频率逐渐减少，L298N 驱动原理图如图二 图二 L298n 电机驱动模块原理图 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 6 页 图三 电机控制逻辑功能 3.33.3 步进电机模块步进电机模块 本设计用的是两线四相步进电机实现正传、反转、加速快转、减速慢转。 步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向，以 免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个 CP 脉 冲结束后以及下一个方向的第一个 CP 脉冲前发出（如图四）。对于 CP 脉冲的 设计主要要求其有一定的脉冲宽度（一般不小于 5s）、脉冲序列的均匀度及 高低电平方式。控制步进电机的转相，如果给定工作方式正序换向通电，步进 电机正转，如果按反序通电通电换相则电机反转，这些都由脉冲信号控制 图四 转向信号起作用的时刻 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 0 页 速度控制中加/减控制是最基本的控制。电机由静止到达设定的最大的速度 所需的时间是由调试决定的。加速度太大，电机甚至不能克服惯性而失步，加 速度太少，则完成指定的运动耗费时间太多。 加速度有两中方案：线性加/减速度控制和等步距加/减速度控制。前者规定 从加速度开始，每一加速度周期指令电机速度递增相同的增量f；后者则是要 求每一加速度周期电机走过相同的步数。等步距加/减速度控制的优点，在于加/ 减过程中电机走的步数可以非常精确的计算，这一点对于加/减的位置控制非常 重要，但从电机要克服惯性力来看，线性加速好些。 3.43.4 PCBPCB 设计设计 PROTEL 是 Altium 公司在 80 年代末推出的 EDA 软件，在电子行业的 CAD 软件中， 它当之无愧地排在众多 EDA 软件的前面，是电子设计者的首选软件 PCB 电路板印刷图 3.53.5 转速控制转速控制设计设计 步进电机在工作时需由专用的驱动电源将脉冲信号电压按一定的顺序轮流 加到定子的各相绕组上。驱动电源主要由脉冲分配器和脉冲功率放大器两部分 组成。步进电机的定子绕组从一次通电到下一次通电称为一拍。每一拍转子转 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 1 页 过的 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 0 页 角度称为步距角。 本课题对此四相步进电机采用的是 4 相 4 拍运行方式，即四相通电顺序为 A -B-C-D-A。经过 4 拍才完成一个通电循环，又不不论采用何种运行方式，步 距角 与转子极数 z 和拍数 N 之间的关系满足式 1-1： 式1-1 360 ZN 所以本系统中电机的步距角，若通过定时器中断设定脉冲 360 22.5 4 4 频率为f ，则转子每秒钟转过的圈数为式2-2： 式2-2 1 f N ZN 也即步进电机每分钟的转速为，一分钟转了 圈。 1 N ZN4 4 ff f 5 . 22 所以只要改变定时器的定时时间，并在定时中断产生时反转脉冲信号的状 态，就能设置出合适的步进电机转速，本设计采用步距角。 3.6 基于基于L298N电机驱动模块的设计实物电机驱动模块的设计实物 四、实验仿真及调试四、实验仿真及调试 4.14.1 实验仿真结果实验仿真结果 Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件。它不 仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 1 页 最 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 0 页 好的仿真单片机及外围器件的工具，是目前世界上唯一将电路仿真软件、 PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、HC11、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等。 4.24.2 系统联调系统联调 硬件调试和软件调试并不能完全分开，许多硬件错误就是在软件调试过程 中被发现和纠正的。一般方法是先排除明显的硬件故障和软件错误，然后进行 软硬件联合调试。 在进行联机仿真调试之前，应作好下述工作： (1) 元器件在焊接过程中要逐一检查，例如二极管、电容的极性，电容的 容量及耐压，元件的数值是否正确等。 (2) 管座、元件焊接完毕，还要仔细检查各元件之间裸露部分有无相互接 触现象，焊接面的各焊点间、焊点与邻近线有无连接。特别注意电源是否短路， 否则，在联电的时候很容易造成电路电流过大，烧坏片子。 (3) 完成上述检查后，先空载上电（未插芯片） ，检查电路板各引脚及插 件上的电位是否正常，特别是单片机引脚上的各点电位。若一切正常，将芯片 插入各管座，再通电检查各点电压是否达到要求，逻辑电平是否符合电路或器 件的逻辑关系。若有问题，掉电后再认真检查故障原因。 仿真调试的方案：把整个应用系统按其功能分成若干模块，如系统扩展模 块、键盘输入模块、驱动电路模块等。针对不同的功能模块，并借助于仪器来 检查硬件电路的正确性。 五、总五、总 结结 本学期我们开设了模拟电子技术基础课，这门学科属于电子电路范畴， 与我们的专业有着密切的联系，且是理论方面的指示。正所谓“纸上谈兵终觉 浅，觉知此事要躬行。 ”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索 是不够的，所以在本学期暨电路刚学完之际，紧接着来一次模拟电子课程设计 是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对电子电路的认识，而且还及时、 真正的做到了学以致用。 生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 1 页 不 万方科技学院电气系 基于 L298N 电机驱动模块的设计与实现 第 0 页 变的话题。通过这次课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真 正含义，才真正意识到我们只有通过勤奋的努力，才能够真正体会到科技带给 人类的幸福。 在整个电路课程设计过程中，我不断地在遇到问题和解决问题之中盘旋。 例如在硬件制作，电路板的焊接上慢慢元件连接起来的时候，手里握着电焊铁， 直冒青烟，心理还是很紧张的。此次设计经过测试可以实现步进电机转速和方 向的控制和调整。在设计过程中，力求硬件电路简单，充分发挥软件设计的优 势，编程灵活方便等优点，后来看着自己的元件一个个连接了起来，自己的心 里面像吃了蜜一样的甜。终于就这样，像爱迪生发明电灯泡的时候一样，历经 千万次的猜想与实验，终于使得这个问题得到了圆满的解决。在这次毕业设计 的过程中我受益匪浅。从一开始的确定课题，到后来的资料查找、理论学习， 到最后的的调试和测试过程，将所学过的理论知识和实践结合起来，动手能力 得到了进一步的加强。在画原理图、安装和调试软件、硬件过程中不可避免地 遇到各种问题，这要求保持沉着冷静，联系书本理论知识积极地思考，实在解 决不了可以请教同学或指导老师。虽然在制作过程中不可避免地遇到很多问题， 但是最后还是在老师以及同学的帮助下圆满解决了这些问题，实现了整个系统 设计与最后调试，相关指标达到期望的要求，很好地完成了本次设计任务。 六、仪器清单六、仪器清单 元器件元器件数量数量 L298N 一个 1N400