使用 L293D 电机驱动器 IC 和 Arduino 控制直流电机
如果您打算组装新的机器人朋友，您最终会想要学习如何控制直流电机。控制直流电机最简单且经济的方法是将 L293D 电机驱动器 IC 与 Arduino 连接。它可以控制两个直流电机的速度和旋转方向。
此外，它还可以控制单极步进电机（如 28BYJ-48）或双极步进电机（如 NEMA 17）。
控制直流电机
为了完全控制直流电机，我们必须控制它的速度和旋转方向。这可以通过结合这两种技术来实现。
- PWM——控制速度
- H-Bridge – 控制旋转方向
PWM——控制速度
直流电机的速度可以通过改变其输入电压来控制。实现此目的的常用技术是使用 PWM（脉冲宽度调制）。
PWM 是一种通过发送一系列开关脉冲来调整输入电压平均值的技术。
平均电压与称为占空比的脉冲宽度成正比。
占空比越高，施加到直流电机的平均电压越高（导致速度越高），占空比越短，施加到直流电机的平均电压越低（导致速度较低）。
下图显示了具有不同占空比和平均电压的 PWM 技术。
脉宽调制（PWM）技术
H-Bridge – 控制旋转方向
直流电机的旋转方向可以通过改变其输入电压的极性来控制。实现此目的的常用技术是使用 H 桥。
H 桥电路由四个开关组成，电机位于中心，形成类似 H 的布置。
同时闭合两个特定开关会反转施加到电机的电压的极性。这会导致电机旋转方向发生变化。
下面的动画显示了 H 桥电路的工作情况。
H桥的工作
L293D电机驱动IC
L293D 是一款双通道 H 桥电机驱动器，能够驱动一对直流电机或单个步进电机。这意味着它可以单独驱动多达两个电机，这使其成为构建两轮机器人平台的理想选择。
L293D 最常用于驱动电机，但也可用于驱动任何感性负载，例如继电器螺线管或大型开关功率晶体管。
它能够驱动四个螺线管、四个单向直流电机、两个双向直流电机或一个步进电机。
L293D IC 的电源范围为 4.5V 至 36V，每通道能够提供 1.2A 峰值输出电流，因此它与我们的大多数电机配合良好。
该 IC 还包括内置反冲二极管，以防止电机断电时损坏。
技术规格
以下是规格：
| 电机输出电压 | 4.5V – 36V |
| 逻辑输入电压 | 5V |
| 每通道输出电流 | 600毫安 |
| 每个通道的峰值输出电流 | 1.2A |
欲了解更多详细信息，请参阅下面的数据表。
L293D 电机驱动器 IC 引脚排列
L293D IC 共有 16 个引脚，用于将其与外界连接。引脚排列如下：
让我们一一熟悉一下所有的引脚。
电源引脚
L293D 电机驱动器 IC 实际上有两个输入电源引脚 - VS 和 VSS。
VS（Vcc2）引脚为 IC 的内部 H 桥供电以驱动电机。您可以将 4.5 至 36V 之间的任何输入电压连接到该引脚。
VSS（Vcc1）用于驱动内部逻辑电路，电压应为5V。
接地引脚是公共接地引脚。所有 4 个 GND 引脚均在内部连接，用于散发高负载条件下产生的热量。
输出引脚
L293D 电机驱动器的电机 A 和 B 的输出通道引出至引脚输出1、输出2和输出3、输出4分别。您可以将两个 5-36V 直流电机连接到这些引脚。
IC 上的每个通道均可向直流电机提供高达 600mA 的电流。然而，提供给电机的电流量取决于系统的电源。
方向控制引脚
通过方向控制引脚可以控制电机正转还是反转。这些引脚实际上控制 L293D IC 内部 H 桥电路的开关。
该 IC 的每个通道都有两个方向控制引脚。这输入1和输入2引脚控制电机A的旋转方向；尽管IN3和IN4控制电机B的旋转方向。
电机的旋转方向可以通过对这些输入施加逻辑高电平（5V）或逻辑低电平（接地）来控制。下图显示了这是如何完成的。
| 输入1 | 输入2 | 旋转方向 |
| 低(0) | 低(0) | 电机关闭 |
| 高(1) | 低(0) | 向前 |
| 低(0) | 高(1) | 落后 |
| 高(1) | 高(1) | 电机关闭 |
速度控制销
速度控制引脚EMA和ENB用于打开/关闭电机并控制其速度。
将这些引脚拉高将导致电机旋转，而将其拉低将停止电机。但是，通过脉冲宽度调制 (PWM)，您实际上可以控制电机的速度。
将 L293D 电机驱动器 IC 连接到 Arduino
现在我们已经了解了有关 IC 的一切，我们可以开始将它连接到我们的 Arduino 了！
让我们从将电源连接到电机开始。在我们的实验中，我们使用两轮驱动机器人中常见的直流变速箱电机（也称为“TT”电机）。它们的额定电压为 3 至 12V。因此，我们将外部5V电源连接到VS（Vcc2）引脚。
接下来，我们需要向 L293D 的逻辑电路提供 5V 电压。将 VSS (Vcc1) 引脚连接到 Arduino 上的 5V 输出。并确保您的电路和 Arduino 共享一个公共地。
现在将 L293D IC 的输入和使能引脚（ENA、IN1、IN2、IN3、IN4 和 ENB）连接到 6 个 Arduino 数字输出引脚（9、8、7、5、4 和 3）。请注意，Arduino 输出引脚 9 和 3 均启用 PWM。
最后，将一个电机连接到 OUT1 和 OUT2，将另一个电机连接到 OUT3 和 OUT4。您可以互换电机的连接。从技术上讲，没有正确或错误的方法。
完成后，您应该看到类似于下图的内容。
Arduino 示例代码
下面的草图将让您全面了解如何使用L293D电机驱动IC来控制直流电机的速度和旋转方向，并将作为更多实际实验和项目的基础。
// 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);
}代码说明：
Arduino 代码非常简单。它不需要任何库即可工作。该草图首先声明 L293D 控制引脚所连接的 Arduino 引脚。
// Motor A connections
int enA = 9;
int in1 = 8;
int in2 = 7;
// Motor B connections
int enB = 3;
int in3 = 5;
int in4 = 4;在代码的设置部分，所有电机控制引脚（方向和速度控制引脚）都配置为数字输出，方向控制引脚被拉低以关闭两个电机。
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);
}在代码的循环部分，我们以一秒的间隔调用两个用户定义的函数。
void loop() {
directionControl();
delay(1000);
speedControl();
delay(1000);
}这些功能是：
-
DirectionControl() – 此函数使两个电机以最大速度向前旋转两秒。然后它反转电机的旋转方向并旋转两秒钟。最后它关闭电机。
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() – 该函数通过使用AnalogWrite()函数生成 PWM 信号将两个电机从零加速到最大速度，然后将它们减速回零。最后它关闭电机。
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); }