最全H桥电机驱动模块L298N原理及应用

H 桥 - 基础知识

通常，H 桥是一个相当简单的电路，包含四个开关元件，负载位于中心，采用类似 H 的配置。

开关元件 (Q1…Q4) 通常是双极或 FET 晶体管，在某些高压应用中为 IGBT。也存在集成解决方案，但开关元件是否与其控制电路集成与本讨论的大部分内容无关。二极管 (D1…D4) 称为钳位二极管，通常为肖特基类型。

桥的顶端连接到电源（例如电池），底端接地。

一般来说，所有四个开关元件都可以独立打开和关闭，尽管有一些明显的限制。

尽管理论上负载可以是您想要的任何东西，但到目前为止，如果 H 桥带有有刷直流或双极步进电机（步进电机每个电机需要两个 H 桥）负载，则最普遍的应用。在下文中，我将专注于作为有刷直流电机驱动器的应用。

H 桥的静态操作

H 桥的基本工作模式相当简单：如果 Q1 和 Q4 导通，电机的左引线将连接到电源，而右引线连接到地。电流开始流过电机，电机正向（比方说）通电，电机轴开始旋转。

如果 Q2 和 Q3 接通，则会发生反转，电机反向通电，轴将开始反向旋转。

在桥梁中，您永远不应该同时关闭 Q1 和 Q2（或 Q3 和 Q4）。如果你这样做了，你只是在电源和 GND 之间创建了一个非常低电阻的路径，有效地短路了你的电源。这种情况称为“击穿”，几乎可以保证快速破坏您的电桥或电路中的其他东西。

由于对四种可能状态的限制，A 侧开关可能只有三种有意义：

同样对于 B 面：

故全桥可以有 9 种不同的状态：

也有一些组合模式，是不向电机供电。比如当四个晶体开关都断开，此时电机负载相当于两端悬空。如果电机此时在运动，其转子的动能就会在摩擦力的作用下逐步消耗，电机慢慢停止。

下图所示的两种情况：H桥电路的上半部（或者下半部）的两个晶体管闭合，对应的另外两个晶体管断开。此时电机两端被桥电路实际上是短接在一起。电机两端电压为0。如果此时电机在运动，那么它转子的动能会通过所产生的反向电动势（EMF）在外部短路桥电路回路中形成制动电流，电机会快速制动。

同边桥臂短路情况有时是控制信号不好（没有给足死区时间），有时是功率器件不够坚强（耐压不够被击穿）。但由于关系到H桥电路的生死，所以需要精细避免。

H-桥控制电机

下面以控制一个直流电机为例，对H桥的几种开关状态进行简单的介绍，其中正转和反转是人为规定的方向，实际工程中按照实际情况进行划分即可。

电机正转控制

通常H桥用来驱动感性负载，这里我们来驱动一个直流电机；

此时假设电机正转，这电流依次经过 Q1 ， M ， Q4 ，在图中使用黄色线段进行标注，具体如下图所示：

电机反转控制

另外一种状态则是电机反转；此时四个开关元器件的状态如下；

此时电机反转（与前面介绍的情况相反），这电流依次经过 Q2 ， M ， Q3 ，在图中使用黄色线段进行标注，具体如下图所示：

电机调速

如果要对直流电机调速，其中的一种方案就是；

关闭 Q2 ， Q3 ；

打开 Q1 ， Q4 上给它输入 50% 占空比的PWM波形；

这样就达到了降低转速的效果，如果需要增加转速，则将输入PWM的占空比设置为100%；具体如下所示

电机停止

这里以电机从正转切换到停止状态为例，正转情况下； Q1 和 Q4 是打开状态；

这时候如果关闭 Q1 和 Q4 ，直流电机内部可以产生等效成电感，也就是感性负载，电流不会突变，那么电流将继续保持原来的方向进行流动，这时候我们希望电机里的电流可以快速衰减，这里有两种办法：

第一种：关闭 Q1 和 Q4 ，这时候电流仍然会通过反向续流二极管进行流动，此时短暂打开 Q1 和 Q3 从而达到快速衰减电流的目的。

第二种：准备停止的时候，关闭 Q1 ，打开 Q2，这时候电流并不会衰减地很快，电流循环在Q2，M，Q4之间流动，通过MOS-FET的内阻将电能消耗掉。

H-桥应用

实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，市面上已经有很多比较常用的IC方案，比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。接上电源、电机，通过输入控制信号就可以驱动电机了。

下面是某宝上的L298N模块，比较常见，对于新手玩家非常友好，接线也十分简单。

L298N模块这个模块有一个板载5V稳压器，该稳压器可使用跳线的方式进行使能。

如果电机电源电压高达12V，我们可以启用5V稳压器，并且5V引脚可以用作输出，例如给Arduino板供电。

但是，如果电动机电压大于12V，则必须断开跳线，因为这些电压会损坏板载5V稳压器。

在这种情况下，5V引脚将用作输入，因为我们需要将其连接到5V电源，以使IC正常工作。

我们在这里可以注意到，该IC的电压降约为2V。因此，如果使用12V电源，则电动机端子上的电压约为10V，这意味着我们将无法从12V直流电动机中获得最大速度。

这里使用Arduino为例，这是网上找的一个Demo整体的框架如下图所示：

主要代码

#define enA 9
#define in1 6
#define in2 7
#define button 4
 
int rotDirection = 0;
int pressed = false;
 
void setup() {
  pinMode(enA, OUTPUT);
  pinMode(in1, OUTPUT);
  pinMode(in2, OUTPUT);
  pinMode(button, INPUT);
  // Set initial rotation direction
  digitalWrite(in1, LOW);
  digitalWrite(in2, HIGH);
}
 
void loop() {
  // Read potentiometer value
  int potValue = analogRead(A0); 
  // Map the potentiometer value from 0 to 255
  int pwmOutput = map(potValue, 0, 1023, 0 , 255); 
  // Send PWM signal to L298N Enable pin
  analogWrite(enA, pwmOutput); 
 
  // Read button - Debounce
  if (digitalRead(button) == true) {
  pressed = !pressed;
  }
  while (digitalRead(button) == true);
  delay(20);
 
  // If button is pressed - change rotation direction
  if (pressed == true  & rotDirection == 0) {
    digitalWrite(in1, HIGH);
    digitalWrite(in2, LOW);
    rotDirection = 1;
    delay(20);
  }
  // If button is pressed - change rotation direction
  if (pressed == false & rotDirection == 1) {
    digitalWrite(in1, LOW);
    digitalWrite(in2, HIGH);
    rotDirection = 0;
    delay(20);
  }
}

代码讲解

简单描述一下：首先我们需要定义程序所需的引脚和变量。

在setup()中，我们需要设置引脚模式和电机的初始旋转方向。

在loop()中，我们先读取电位器值，然后将从中获得的值从0到1023变化，线性映射到PWM信号的0到255的值，将其从0到100％的占空比。

然后使用analogWrite()函数将PWM信号发送到L298N板的Enable引脚，该引脚实际上驱动电动机。

接下来，我们检查是否按下了按钮，如果是的话，我们将输入1和输入2的状态反置，从而改变电动机的旋转方向。该按钮将用作切换按钮，每次按下该按钮都会改变电动机的旋转方向。

某宝上这种小车很多，如下图所示；主控可以换成51单片机或者STM32，当然Arduino也没问题，使用L298N就可以快速搭建一个小车了；

总结

虽然我们不能够确认原文作者所有的结论、公式都是正确的。但看到他清晰的话语、生动的插图、详尽的公式分析反映了他从一个需要设计小型电机H桥电路驱动工程出发 ，不停的在思索桥电路工作的各环节的原理和一些控制细节，并最终后总结成博文。可以体会到他内心在整个知识增长过程中的喜悦。

参考资料

• H-Bridges – the Basics | Modular Circuits
• https://blog.csdn.net/tiandiren111/article/details/112130898

最后

以上就是雪白硬币为你收集整理的最全H桥电机驱动模块L298N原理及应用的全部内容，希望文章能够帮你解决最全H桥电机驱动模块L298N原理及应用所遇到的程序开发问题。

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