Мотор и драйвер L298N: ШИМ со скоростью и реверсом

Машинку-подводку для съёмки таймлапсов я собрал на транзисторном ключе из урока про NPN-транзистор: пин открывает ключ, мотор ест ток от своего блока питания, все довольны — пока не понадобился задний ход. Камера уехала к правому краю стола, и вернуть её я не смог: коллекторный мотор крутится в одну сторону, пока ток течёт в одну сторону. Смена направления — это смена полярности на щётках, а транзистор так не умеет физически: он ключ с одним полюсом. Первая мысль — переключать провода питания руками — продержалась ровно до третьего дубля, который я отснял с неподвижной камерой, потому что забыл перекинуть крокодилы.

Решение старое, как сами приводы: H-мост — четыре ключа, собранные буквой H, мотор — перекладина посередине. Открываем диагональ верхний-левый и нижний-правый — ток идёт через обмотку слева направо. Открываем другую пару — полярность меняется, и вал крутится обратно. Закрыты все четыре — мотор свободно выбегает; открыты два соседних с одной стороны — обмотка закорочена, и вращающийся вал тормозит резко. Ни одной новой детали ради заднего хода, вся магия — в раскладке ключей.

Руками мост не собирают: держать в голове, что верхний и нижний ключ одной стороны открываться одновременно не должны (сквозной ток через пару — прямой путь к сгоревшему кристаллу), — лишняя работа, которую уже сделали за нас. Микросхема L298N содержит два таких моста, до 2 А на канал при питании моторов 6-12 В, и стоит дешевле светодиодной ленты. Три ноги ведут одним каналом: ENA принимает ШИМ и режет скорость, пара IN1 и IN2 задаёт направление и способ остановки. Дальше — как я развожу типовой модуль L298N, куда теряются два его вольта и почему разгон я всегда растягиваю по millis, а не даю рывком.

Таблица входов канала A помещается в четыре строки. IN1 в HIGH, IN2 в LOW — ток идёт в одну сторону, вращение вперёд. IN1 в LOW, IN2 в HIGH — полярность обратная, назад. Оба в LOW — все ключи закрыты, вал выбегает по инерции. Оба в HIGH — обмотка закорочена через открытые ключи, и вал останавливается резко: энергия вращения сгорает в обмотке. Скорость при любом направлении задаёт ENA: ШИМ с analogWrite от 0 до 255 режет не направление, а долю времени, когда мост вообще подключён к обмотке.

Теперь числа, на которых я обжигался. На биполярных ключах L298N под нагрузкой оседает около двух вольт: при питании моторов 7,4 В от двух банок Li-ion вал видит примерно 5,4 В, и мотор, купленный как шестивольтовый, крутится вполсилы — это не брак, а расплата за простоту микросхемы. Дальше джамперы стандартного модуля с синей гребёнкой. Джампер ENA замыкает вход скорости на 5 В: пока он стоит, скетч может писать в ENA что угодно — вход оторван от гребёнки, мотор всегда на полной. Джампер снимаю первым делом, ещё до проводов. Второй джампер включает бортовой 5-вольтовый регулятор для логики: при питании до 12 В он удобен, при более высоком вынимается, и пятёрку подают отдельно.

Земли складываются в одну точку: GND платы, GND драйвера и минус моторного питания. Без общего провода IN-входы висят в воздухе и мост щёлкает от наводок — я два вечера лечил «бешеную» машинку, пока не сообразил, что у неё три разных минуса. Про ток тоже честно: канал держит 2 А, но без радиатора модуль греется заметно уже на 1-1,5 А; моторчикам-вантузам хватает этого с тройным запасом, а колёсные редукторные на старте легко просят больше — радиатор или запас по драйверу закладывайте до сборки, не после.

analogWrite(9, 255) сразу после нуля — удар по всей системе. Пусковой ток коллекторного мотора в 5-10 раз выше рабочего: обмотка холодная, противоЭДС нулевая, мост отдаёт всё, что может. На мелком моторчике это выглядит как рывок, сдёргивающий платформу с места; в моём таймлапс-слайдере та же просадка в момент пуска перезагружала плату — контроллер ловил провал питания раньше, чем мотор успевал набрать обороты. Резкий старт бьёт не только по мотору: по редуктору, по винтовке каретки, по соседям по питанию.

Лекарство — рампа: цель приходит с ручки или из логики, а текущая скорость догоняет её мелкими шагами. Мой рабочий темп — 3 единицы ШИМ каждые 15 мс: подъём с нуля до 255 занимает около 1,3 секунды, и за это время противоЭДС успевает вырасти, ток — осесть, питание — пережить пуск. Для вентилятора, которому рывок безразличен, я ставлю 10 единиц каждые 30 мс; для платформы с датчиками на том же питании — 2-3 единицы, и не потому, что мотор слабый, а потому, что каждый скачок тока бьёт по соседям по шине. Временной шаблон — тот же millis-гейт из одноимённого урока, без единого delay: между шагами рампы loop() продолжает опрашивать ручку и кнопки — так из этого же приёма вырастает кооперативный цикл, где разгон можно прервать в любой момент.

Реверс в моём скетче всегда идёт через остановку: сначала рампа съедает текущее значение ШИМ до нуля, потом пауза 50-100 мс, и только затем пара IN меняется местами. Менять полярность под полным ходом — значит заставить мост гасить противоЭДС вращающегося вала и тут же разгонять его в обратную сторону: пик тока при таком развороте бьёт выше пускового. На L298N я дважды собирал запах подгоревшей изоляции, прежде чем вбил это правило в скелет каждого моторного скетча. Активное торможение (оба IN в HIGH) оставил для аварийного стопа: оно резко, зато вал замирает на месте вместо метрового выбега.

В симуляторе ниже тот же принцип, только макетка умеет то, что умеет движок: крыльчатка сидит прямо на ШИМ-пине, и автоподбор отдал ей пин 11 — на плате я ставлю ENA на 9, в скетче это одна константа. H-мост, питание и общий GND симулятор не рисует: раскладку смотрите в подписи над code-блоком, а логика рампы в обеих средах совпадает до последнего знака. Транзисторный ключ из урока про мотор и реверс драйвер заменяет целиком: все четыре ключа уже внутри микросхемы.

Вторая оговорка честная: модель мотора однонаправленная. Реверс — это полярность на обмотке, а не скважность ШИМ, поэтому задний ход в симуляторе не показать; направление всегда «вперёд», рулит только скорость. Зато рампу видно отлично: выкрутите ручку резко — крыльчатка поедет за ней с привычным запаздыванием, а по парам zad= и tek= в мониторе видно, как скорость догоняет задание.