如何使用Arduino控制直流電機？

課程目標

• 三極管的原理與基本應(yīng)用
• 學(xué)習(xí)L298N驅(qū)動模塊的原理及應(yīng)用
• 學(xué)習(xí)PWM信號的含義
• 編程實現(xiàn)控制直流電機運動

相關(guān)知識

三極管： 是一種控制電流的半導(dǎo)體器件，可以用來放大信號和控制電流的通斷。

三極管的控制原理： 通過小的交流輸入，控制大的靜態(tài)直流。

假設(shè)三極管是個大壩，大壩有兩個閥門，一個大閥門，一個小閥門。小閥門可以用人力手動打開，大閥門只能通過小閥門的水力打開。

每當(dāng)要放水的時候，可以手動（ 輸入信號 ）打開小閥門，小的水流（ UBE ）流出的時候會沖擊大閥門的開關(guān)，大閥門隨之打開，這時候，大的水流（ UCE ）就可以流出來。

如果不停地改變小閥門開啟的大小，那么大閥門也相應(yīng)地不停改變，假若能嚴格地按比例改變，那么，完美的控制就完成了。在這里，如果把水流比為電流的話，會更確切，因為三極管畢竟是一個電流控制元件。

**三極管的三個工作區(qū)：**截止區(qū)，放大區(qū)，飽和區(qū)。

截止區(qū)： 小的閥門開啟的還不夠，不能打開打閥門，這種情況是截止區(qū)。

**放大區(qū)：**就是水流處于可調(diào)節(jié)的狀態(tài)，小閥門和大閥門之間呈線性關(guān)系。

飽和區(qū)： 大閥門里放出的水流已經(jīng)到了它極限的最大流量，這時候再增大小閥門都不會起任何的作用，但是如果減小小閥門的輸入可以讓三極管工作狀態(tài)從飽和區(qū)返回到放大區(qū)。

H橋驅(qū)動： H橋通常會包含四個獨立控制的開關(guān)元器件,它們通常用于驅(qū)動電流較大的負載，比如電機，由于電路長得像大寫字母H，所以稱為叫H橋（H-Bridge）。這里有四個開關(guān)元器件Q1，Q2，Q3，Q4，另外還有一個直流電機M，D1，D2，D3，D4是MOS-FET的續(xù)流二極管；

H橋的開關(guān)狀態(tài)： 下面以控制一個直流電機為例，對H橋的幾種開關(guān)狀態(tài)進行簡單的介紹。

**正轉(zhuǎn)：**通常H橋用來驅(qū)動一個直流電機；打開Q1和Q4；關(guān)閉Q2和Q3；此時假設(shè)電機正轉(zhuǎn)，這電流依次經(jīng)過Q1，M，Q4。

反轉(zhuǎn)： 關(guān)閉Q1和Q4；打開Q2和Q3；此時電機反轉(zhuǎn)，這時電流依次經(jīng)過Q2，M，Q3。

調(diào)速： 關(guān)閉Q2，Q3；打開Q1，Q4上給它輸入50%占空比的PWM波形，這樣就達到了降低轉(zhuǎn)速的效果，如果需要增加轉(zhuǎn)速，則將輸入PWM的占空比設(shè)置為100%。

停止狀態(tài)： 我們以電機從正轉(zhuǎn)切換到停止狀態(tài)為例；正轉(zhuǎn)情況下；Q1和Q4是打開狀態(tài)；這時候如果關(guān)閉Q1和Q4，直流電機內(nèi)部可以等效成電感，也就是感性負載，電流不會突變，那么電流將繼續(xù)保持原來的方向進行流動，這時候我們希望電機里的電流可以快速衰減；

這里有兩種辦法：

第一種： 關(guān)閉Q1和Q4，這時候電流仍然會通過反向續(xù)流二極管進行流動，此時短暫打開Q1和Q3從而達到快速衰減電流的目的；

第二種： 準備停止的時候，關(guān)閉Q1，打開Q2，這時候電流并不會衰減很快，電流循環(huán)在Q2，M，Q4之間流動，通過MOS-FET的內(nèi)阻將電能消耗掉；

**L298N模塊：**L298N 是一種雙H橋電機驅(qū)動芯片，其中每個H橋可以提供2A的電流，可以驅(qū)動2個直流電機，可分別實現(xiàn)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)功能。

**控制方式表：**邏輯通道IN1，IN2接收信號，控制out1和out2；IN3,IN4控制out3,out4。
利用電位差可以使得直流電機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB為使能端，即PWM口，默認是通過跳線連接到+5V，如果要進行電機速度控制，那么可以連接Arduino的PWM引腳，從中輸入PWM信號，這樣可以起到控速作用，但是電機轉(zhuǎn)動方向還是得靠IN口控制。

**PWM：**脈沖寬度調(diào)制，可以理解為是使用數(shù)字信號達到一個模擬信號的效果。

PWM本質(zhì)： 就是改變脈沖寬度來實現(xiàn)不同的效果，這是一個周期是 10ms，即頻率是 100Hz 的波形，但是每個周期內(nèi)，高低電平脈沖寬度各不相同。

占空比： 高電平的時間占整個周期的比例。比如第一部分波形的占空比是 40%，第二部分波形占空比是 60%，第三部分波形占空比是 80%，這就是 PWM 的解釋。

**模擬電路控制：**我們以控制LED亮滅來舉例，數(shù)字電路中，LED=1時為亮，LED=0時為滅，亮滅間隔運行的時候，LED開始閃爍。

如果我們把這個間隔不斷的減小，減小到我們的肉眼分辨不出來，也就是 100Hz 以上的頻率，這個時候小燈表現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是既保持亮的狀態(tài)，但亮度又沒有 LED = 1時的亮度高。

我們不斷改變時間參數(shù)，讓 LED = 0的時間大于或者小于 LED = 1的時間，會發(fā)現(xiàn)亮度都不一樣，這就是模擬電路的感覺了，不再是純粹的 0 和 1，還有亮度不斷變化。

• 如果我們用 100Hz 的信號，假如高電平點亮小燈，低電平熄滅小燈的話，第一部分波形點亮4ms，熄滅6ms，亮度最低，第二部分點亮 6ms，熄滅 4ms，亮度次之，第三部分點亮8ms，熄滅2ms，亮度最高。

電路搭建

所需材料

ArduinoUNO * 1
L298N驅(qū)動模塊 * 1
直流電機 * 2
7~12V外接電源 * 1
杜邦線若干

電路連接

這里要注意，如果不外接電源的話，會導(dǎo)致供電不足，電機不會工作的。外接的電源正極接入到UNO 的VIN。

程序編寫：

課堂練習(xí)：控制電機正反轉(zhuǎn)

通過程序編寫，控制電機實現(xiàn)全速轉(zhuǎn)動。由于圖形化的方式只需要直接拖出模塊調(diào)用即可，所以這里不做贅述。主要以代碼的形式進行分析。

代碼方式：

/* 項目名稱:控制直流電機
 * 項目時間:2022.03.25
 * 項目作者:MRX
 */
int IN1 = 4;   // IN1 connected to pin 4
int IN2 = 5;   
int ENA = 9; 
int IN3 = 6;   // IN3 connected to pin 6
int IN4 = 7;   
int ENB = 10; 

unsigned long delaytime = 1000;  //delay time
int value = 255;   // the duty cycle

void setup(){
    for (int i = 4;i <= 10;i++){
      pinMode(i, OUTPUT);
    }
    //set direction；
    digitalWrite(IN1, HIGH);
    digitalWrite(IN2, LOW);
    digitalWrite(IN3, HIGH);
    digitalWrite(IN4, LOW);
}

void loop(){
    analogWrite(ENA, value);
    analogWrite(ENB, value);
    delay(delaytime);
}