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STM32外设系列之L298N电机驱动模块详解

文章目录

  • 一、L298N简介
  • 二、L298N电路图
  • 三、L298N使用方法
  • 四、L298N驱动电机实例
  • 4.1 麦克纳姆轮简介
  • 4.2 定时器PWM配置
  • 4.3 智能车行驶控制
  • 五、拓展应用

    • 一、L298N简介

    L298N是SGS公司生产的一款通用的电机驱动模块。其内部包含4路逻辑驱动电路，有两个H桥的高电压大电流全桥驱动器，接收TTL逻辑电平信号，一个模块可同时驱动两个直流电机工作，具有反馈检测和过热自断功能。利用L298N驱动电机时，主控芯片只需通过I/O口输出控制电平即可实现对电机转向的控制，编程简单，稳定性好。

    L298N

    二、L298N电路图

    L298N的电路图如下

    L298N电路图

    OUT1、OUT2、OUT3和OUT4之间分别接两个电机。IN1、IN2、IN3和IN4引脚接STM32单片机，用来接收单片机发送来的控制电平，控制电机的转动方向，ENA和ENB为使能端。

    三、L298N使用方法

    L298N通常用于电机驱动，控制电机的转向，转速。电机转向通过IN1，IN2，IN3和IN4的逻辑电平控制，转向通过给输入引脚输入的PWM占空比控制。L298N控制电机转动状态的逻辑功能表如下

    L298N控制电机转动状态逻辑功能表

    正如上面所说，电机的调速可以通过单片机给输入引脚发送PWM信号来实现。电机的转速与电机两端PWM信号的占空比成正比，占空比越大，电机转速越快。

    四、L298N驱动电机实例

    一个L298N可以驱动两个电机，博主使用时L298N用12V航模电池供电，L298N输出的5V给单片机供电。这里以利用两个L298N，驱动四个电机，搭配麦克纳姆轮实现车的前进，后退，平移和自转为例，展示一下L298N的配置和使用流程。同时，也对麦克纳姆轮做一个简单介绍。

    4.1 麦克纳姆轮简介

    麦克纳姆轮与传统轮胎相比可以实现全向移动，能够在较为狭小的空间内任意行进，更加灵活。虽然麦克纳姆轮相比于传统轮胎也有许多缺点，比如麦克纳姆轮的能耗高，成本也高，而且还容易受到地形限制，但是对于机器人大赛以及一些工业生产用的智能车来说，麦克纳姆轮的全向移动优势就表现得十分突出，避障时麦克纳姆轮小车可直接平移，无需提前预留转弯角度，也无需其他传感器辅助，编写程序时更加简洁，所以最终我选择使用麦克纳姆轮来实现小车的全向移动。

    麦克纳姆轮

    麦克纳姆轮主要是由轮毂和辊子两部分组成，辊子轴线和轮毂轴线夹角为45°，有互为镜像的A/B轮两种，安装时所有轮子辊子的轴线方向都要指向小车的中心，这是因为麦轮的全向移动是通过力的合成和分解来实现的，如果A/B轮混用或者没有按照上述要求安装会导致小车没法正常行驶。

    4.2 定时器PWM配置

    使用TIM2和TIM3的四个PWM通道（共8路PWM）来控制车速，这里配置了固定的预分频系数和自动重装载值。对于定时器的内容，可见博主STM32速成笔记的定时器介绍部分。TIM2和TIM3初始化程序如下

    /*
 *==============================================================================
 *函数名称：TIM2_PWM_Init
 *函数功能：初始化定时器2的PWM
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：预分频系数和自动重装载值固定
 *==============================================================================
 */
void TIM2_PWM_Init (void)
{
	// 结构体定义
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

	// 开启时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO
                       	| RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);

	// 配置GPIO
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;   // 复用推挽输出
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	// 配置TIM2
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 899;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 0;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = 0;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, & TIM_TimeBaseInitStructure);


	// 配置PWM通道1
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 899;
  TIM_OC1Init(TIM2 , &TIM_OCInitStructure);
  TIM_OC1PreloadConfig(TIM2 , TIM_OCPreload_Enable);
  
  // 配置PWM通道2
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 899;
  TIM_OC2Init(TIM2 , &TIM_OCInitStructure);
  TIM_OC2PreloadConfig(TIM2 , TIM_OCPreload_Enable);
  
  // 配置PWM通道3
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 899;
  TIM_OC3Init(TIM2 , &TIM_OCInitStructure);
  TIM_OC3PreloadConfig(TIM2 , TIM_OCPreload_Enable);
  
  // 配置PWM通道4
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 899;
  TIM_OC4Init(TIM2 , &TIM_OCInitStructure);
  TIM_OC4PreloadConfig(TIM2 , TIM_OCPreload_Enable);
  
	// 使能TIM2
  TIM_Cmd(TIM2 , ENABLE);
}
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：TIM3_PWM_Init
 *函数功能：初始化定时器3的PWM
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：预分频系数和自动重装载值固定
 *==============================================================================
 */
void TIM3_PWM_Init (void)
{
	// 结构体定义
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
  TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; 
	
	// 开启时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO
	                       | RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
	
	// 配置GPIO
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 复用推挽式输出
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   
  
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;	
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);   
  
	// 配置TIM3
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 899;
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
  TIM_TimeBaseInit(TIM3 , &TIM_TimeBaseStructure);
  
  // 配置PWM通道1
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 900;
  TIM_OC1Init(TIM3 , &TIM_OCInitStructure);
  TIM_OC1PreloadConfig(TIM3 , TIM_OCPreload_Enable);
  
  // 配置PWM通道2
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 900;
  TIM_OC2Init(TIM3 , &TIM_OCInitStructure);
  TIM_OC2PreloadConfig(TIM3 , TIM_OCPreload_Enable);
  
  // 配置PWM通道3
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 900;
  TIM_OC3Init(TIM3 , &TIM_OCInitStructure);
  TIM_OC3PreloadConfig(TIM3 , TIM_OCPreload_Enable);
  
  // 配置PWM通道3
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 900;
  TIM_OC4Init(TIM3 , &TIM_OCInitStructure);
  TIM_OC4PreloadConfig(TIM3 , TIM_OCPreload_Enable);
  
	// 使能TIM3
  TIM_Cmd(TIM3 , ENABLE);
}

    4.3 智能车行驶控制

    这里简单阐述一下麦克纳姆轮的全向移动原理。

    麦克纳姆轮受力分析

    图中实线为车轮转动产生的摩擦力，虚线是分力，合成后可知左侧智能车向前移动，右侧智能车向右移动。其他的移动操作，如自转、平移等原理与之相同，就不再赘述。下面列一下不同行驶状态下，各个电机的旋转状态

    运动状态与电机转向对应表

    下面是控制程序

    // 差值决定快慢，差值越大越快
// 1、2差值代表左后轮和右前轮的速度；3、4差值代表左前轮和右后轮的速度
// 1-2为正代表正转，为负代表反转，差值代表速度
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Motor_CarGo
 *函数功能：智能车前进
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void Med_Motor_CarGo (void)
{
	TIM_SetCompare1(TIM2 , 899); 
  TIM_SetCompare2(TIM2 , 300);
  TIM_SetCompare3(TIM2 , 899);  
  TIM_SetCompare4(TIM2 , 300);
	
  TIM_SetCompare1(TIM3 , 899); 
  TIM_SetCompare2(TIM3 , 300);
  TIM_SetCompare3(TIM3 , 899);  
  TIM_SetCompare4(TIM3 , 300);	
}
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Motor_CarStop
 *函数功能：智能车停止
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void Med_Motor_CarStop (void)
{
	TIM_SetCompare1(TIM2 , 0); 
  TIM_SetCompare2(TIM2 , 0);
  TIM_SetCompare3(TIM2 , 0);  
  TIM_SetCompare4(TIM2 , 0);
	
  TIM_SetCompare1(TIM3 , 0);
  TIM_SetCompare2(TIM3 , 0);
  TIM_SetCompare3(TIM3 , 0);	
  TIM_SetCompare4(TIM3 , 0);
}
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Motor_CarBack
 *函数功能：智能车后退
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void Med_Motor_CarBack (void)
{
	TIM_SetCompare1(TIM2 , 300);
  TIM_SetCompare2(TIM2 , 899);
  TIM_SetCompare3(TIM2 , 300);	
  TIM_SetCompare4(TIM2 , 899);
	
  TIM_SetCompare1(TIM3 , 300);
  TIM_SetCompare2(TIM3 , 899);
  TIM_SetCompare3(TIM3 , 300);	
  TIM_SetCompare4(TIM3 , 899);
}
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Motor_CarLe
 *函数功能：智能车向左平移
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void Med_Motor_CarLeft (void)
{
	TIM_SetCompare1(TIM2 , 899);
  TIM_SetCompare2(TIM2 , 300);
  TIM_SetCompare3(TIM2 , 899);	
  TIM_SetCompare4(TIM2 , 300);
	
  TIM_SetCompare1(TIM3 , 300);
  TIM_SetCompare2(TIM3 , 899);
  TIM_SetCompare3(TIM3 , 300);
  TIM_SetCompare4(TIM3 , 899);
}
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Motor_CarRight
 *函数功能：智能车向右平移
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void Med_Motor_CarRight (void)
{
	TIM_SetCompare1(TIM2 , 300);
  TIM_SetCompare2(TIM2 , 899);
  TIM_SetCompare3(TIM2 , 300);	
  TIM_SetCompare4(TIM2 , 899);
	
  TIM_SetCompare1(TIM3 , 899);
  TIM_SetCompare2(TIM3 , 300);
  TIM_SetCompare3(TIM3 , 899);
  TIM_SetCompare4(TIM3 , 300);
}
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Motor_ClockwiseRotate
 *函数功能：智能车顺时针自转
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void Med_Motor_ClockwiseRotate (void)
{
	TIM_SetCompare1(TIM2 , 300);
  TIM_SetCompare2(TIM2 , 899);
  TIM_SetCompare3(TIM2 , 899);	
  TIM_SetCompare4(TIM2 , 300);
	
  TIM_SetCompare1(TIM3 , 300);
  TIM_SetCompare2(TIM3 , 899);
  TIM_SetCompare3(TIM3 , 899);
  TIM_SetCompare4(TIM3 , 300);
}
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Motor_CounterClockwiseRotate
 *函数功能：智能车逆时针自转
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void Med_Motor_CounterClockwiseRotate (void)
{
	TIM_SetCompare1(TIM2 , 899);
  TIM_SetCompare2(TIM2 , 300);
  TIM_SetCompare3(TIM2 , 300);	
  TIM_SetCompare4(TIM2 , 899);
	
  TIM_SetCompare1(TIM3 , 899);
  TIM_SetCompare2(TIM3 , 300);
  TIM_SetCompare3(TIM3 , 300);
  TIM_SetCompare4(TIM3 , 899);
}

    五、拓展应用

    知道了L298N的控制和调速方法，我们就能做许多事情。比如利用蓝牙来调整智能车行驶速度。实际原理就是通过蓝牙给配置占空比的函数传入数值，改变占空比，从而达到遥控调节车速的目的。这个在后续的实战项目系列中会有相关介绍。

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