关于Arduino连接L298N供电问题

news2024/11/23 18:30:52

关于Arduino连接L298N供电问题

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该L298N板声称有一个5V稳压器为Arduino供电,在这种情况下,您可以使用单个电源,并让电机板为Arduino供电。

关于为Arduino和电机提供动力有两种思想流派:

  1. 使用两个独立的电源,一个用于电机,一个用于Arduino。
  2. 为电机和 Arduino 使用一个电源。

总体而言,使用一个电源非常简单。一个问题是电动机会产生大量的电噪声。如果没有充分过滤,它可能会被注入Arduino,并可能导致微控制器重置,或暂时不稳定。单电源倡导者表示,Arduino的电源通常应使用电容器和适当的稳压器进行适当滤波,问题就解决了。

我原则上同意。但是,我见过瞬态故障如此短暂以至于看起来“神秘”的情况。追踪它花费了时间和精力。有时是因为电机电源功率不足。当电机“失速”时,例如在改变方向时,获取最大电流时,电源电压可能会下降到足以导致 Arduino 电源下降并重置芯片。

总结,如果您打算为电机和Arduino使用单个电源,请确保它具有足够的电噪声过滤,并且有应对电机失速的设计。具体来说,它应该能够提供电机失速电流,而不会为Arduino提供太低的电流。“专业”方法是让Arduino监控主电源,并检测电压骤降。但是,这更复杂,我建议您避免这种情况。

如果您担心您可能会遇到奇怪的、难以追踪的问题,使用单个电源,请尝试设计Arduino可以“拔掉插头”并用独立的电源。使用L298N板应该很容易做到这一点,因为连接是螺丝端子。

使用两个独立的电源应该可以减少电机的电噪声进入Arduino的机会。在某些情况下,能够在不关闭 Arduino 电源的情况下更改或关闭电机电源。

当电机电压远高于 arduino 所需的 5V 时,降低电压的简单技术(线性稳压器,如 L298N 板上的部分)将多余的功率转换为热量,这是非常低效的。远高于18V,除非它有一个好的散热器,否则它可以产生足够的热量来达到相当高的温度(即100C)。

在这种情况下,一个简单,便宜的解决方案是为Arduino使用第二个小型电源。Arduino可能使用低于100mA的电流,因此PP3可能可以使用几个小时。长期方法是有效地降低电机电压。

如果使用两个电源,请将两个“接地”(即或大多数负极电池连接)连接在一起,以便它们具有公共的“接地”参考。这样,Arduino信号将可靠地控制电机驱动器。

编辑: PWM 不会降低电压。它给人一种功率较小的错觉,因为全电压只施加每毫秒的一小部分。当它打开时,它提供(非常接近)完整的“电机”电压。如果连接到该 L298N 板的“电机电压”为 12V,则电机将看到 12V。

但是,即使电机的额定电压仅为 3 伏,也不太可能仅仅因为在其上施加 12V 而损坏。3V 电机也有可能因为太热或旋转太快(例如轴承损坏)而发生故障。

在负载下可能会变得太热,或者如果PWM信号打开超过50%的时间,则旋转太快。

如果且仅当您的软件运行PWM不超过50%,那么这些电机可能没问题。如果电机便宜,而且更换容易获得,我可能会准备承担这种风险。

浏览数据手册,L298N 需要一个 2.3V+2.5V = 4.8V 的绝对最小电机电源。
此外,控制电机的输出开关似乎至少“下降”了 1.8 伏。
所以我认为使用 6V 或 7.2V(可能高达 9V)电机电压就可以了。

arduino 在 7.2V 以上(即 6 节镍氢电池)下可以正常工作。更高的电压只是通过板载稳压器转换为热量。我可能会尝试使用L298N板5V输出,除非您看到有关它的投诉。

我假设电机是有刷直流电机(而不是步进器或异国情调的东西)

电机驱动器将处理电机所需电流的切换。但是,每次打开或关闭电流时,电机都会吸收电流或产生电流(请记住它是电机,也是发电机)。这可能导致电源轨下降,甚至将电流馈入电源或接地。电路板上有二极管,以防止这些尖峰对芯片造成任何可怕的影响,但仍有电流流过电线。

此外,电机每转一圈,电刷就会断开一个连接,并与换向器建立不同的连接,通常为6次。(换向器是引导电流在旋转电磁铁的电机中以正确的方式流动的机械系统)。这会产生电噪声。在某些情况下,您可以在老式无线电接收器或模拟电视上听到它。

所以噪音可能是一个问题。人们通常将一个10nF-100nF,相对较高的电压(例如50V)电容器直接放在电机电源连接上,在电机端。

如果事情变得糟糕,我做了一个快速搜索,这个博客看起来不错,它说明了使用电容器和电感器来降低电机噪声的方法。

我不会太担心。在电机导线上放置10nF-100nF,看看会发生什么。

电机电气降噪简短指南

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这个话题并不是什么新鲜事,网络上已经有很多关于这个的好文章。但我想我会尝试在这个问题上提供更全面的观点,并给出一些具体的例子,说明如何过滤掉电路中电机的电噪声。

直流电机,尤其是有刷电机,往往会产生大量噪声(声学和电气噪声),如果隔离不当,电噪声会干扰射频电路甚至逻辑电路,从而导致不稳定的行为。这种噪声引起的不稳定行为有时很难跟踪和调试。

直流电机产生的电噪声分为两类:电磁干扰(RF干扰)和电源轨上产生的电噪声。

抑制射频干扰

RF干扰会耦合到电路的其他部分,导致电路故障和性能下降。例如,如果您的项目使用RF数据链路,则电机引起的RF噪声会显着降低可用的RF范围。

射频干扰水平取决于几个不同的因素:例如,电机的类型(有刷或无刷)、驱动波形和负载都会影响射频干扰的严重程度。通常,有刷电机比无刷电机产生更多的射频干扰。但电机的设计,无论类型如何,对射频泄漏的影响也很大。一个小型廉价的玩具有刷电机有时会比精心设计的更强大的电机产生更大的射频干扰。

为了降低射频干扰水平,电机应尽可能远离敏感电路。电机的金属外壳通常提供足够的屏蔽能力来减少空中射频干扰,但额外的金属外壳应该提供更好的射频干扰降低能力。重要的是,在任何一种情况下,金属外壳(电机外壳或金属外壳)都应正确接地(例如通过单个点的接地带)。

电机产生的RF信号也可以耦合到电路中,从而形成所谓的共模干扰。这种类型的干扰无法通过屏蔽消除,但可以通过简单的LC低通滤波器有效降低。您可以在下一节中找到几个示例。

减少其他电气噪声

另一个电噪声源来自电源线路。由于电源具有非零内阻,因此每个旋转周期内无恒定的电机电流将转化为电源端子上的电压纹波。以下示波器波形捕获显示了当小型玩具电机通过 4 节 AA 镍氢电池供电且未添加滤波器时电池端子的噪声。

img在电源端子处测量的电机电气噪声

如您所见,噪声水平相当严重,噪声Vpp有时达到3伏以上,这足以导致逻辑门故障。这种噪声也可能影响运算放大器和其他模拟电路的性能。

使用简单的LC低通滤波器(例如100nf电容,10mH扼流圈),波形有所改善,但在0.5V Vpp左右时噪声信号仍然明显:

img在电源端子(LC滤波器)测量的电机电气噪声

请记住,上述捕获是使用新充电的电池拍摄的。由于内阻增加,随着电池放电,噪音水平可能会逐渐恶化。

为了进一步降低电噪声,需要在电源上进行进一步滤波。通常,这是通过在电源端子上添加更大的电容器(例如1000uF及以上)来完成的,以降低电源的有效电阻,从而改善瞬态响应。

以下原理图显示了几个用于滤除电机电噪声的典型电路。

第一种滤波方案适用于单向电机驱动电路。第二个适用于双向电机驱动电路。

img带简单速度控制器的电机

在双向情况下(例如使用H桥),应使用两组LC滤波器,因为电机的电源基本上是中心抽头。

img带H桥的电机

滤波器中使用的电感器和电容器的值可以通过实验改变,以获得最佳结果。但一般来说,电机侧的电容器是几百纳法拉,电感是几毫赫里。高阶LC滤波器可以进一步提高噪声过滤性能,但很少需要。

防止接地回路

在上面显示的原理图中,请特别注意接地位置。重要的是将接地连接到尽可能靠近电源(即电池的负极端子)的公共位置。当项目中存在其他敏感电子元件(例如MCU、模拟电路)时,这种接地做法尤其重要,因为如果处理不当,接地电流在接地环路中引起的噪声可能会很大。

如果无法确保单个接地位置,则至少应将多个子系统(在本例中为电机系统和MCU电路)接地绑在尽可能靠近负电源端子的单个点上。在每个子系统中,确保接地层的阻抗尽可能低。

通过充分的屏蔽、滤波和正确的接地实践,电动机产生的电噪声可以降低到足够低的水平,即使是最敏感的电路。

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