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STM32之L298N电机驱动模块

news 2025/7/19 5:18:51

一、模块概述

二、模块简介

2.1 模块特点

2.1.1 核心性能特点

2.1.2 功能特点

2.2 结构与工作原理

2.3 电气特性

2.4 模块接口说明

2.5 原理图设计

2.6 实际应用注意事项

三、硬件设计

3.1 硬件组成

3.2 硬件连接

四、软件设计

4.1 开发环境配置

4.2 关键代码实现

4.2.1 GPIO初始化

4.2.2 PWM初始化

4.2.3 电机速度和反向控制

4.2.4 主程序流程

五、功能实现与优化

5.1 基本功能实现

5.2 功能优化

六、常见问题解决

七、总结

一、模块概述

L298N是一种双H桥电机驱动模块，能够驱动两个直流电机或一个步进电机，广泛应用于机器人、智能小车等嵌入式控制项目中。本文详细介绍如何使用STM32F103C8T6最小系统板通过标准库来控制L298N电机驱动模块，实现电机的正转、反转、调速等基本功能。

二、模块简介

模块实物图：

2.1 模块特点

L298N电机驱动模块是经典的直流电机/步进电机驱动解决方案，其特点包括以下方面：

2.1.1 核心性能特点

双H桥设计：

可同时驱动 2个直流电机 或 1个两相四线步进电机
每个H桥提供 2A持续电流（峰值3A），满足中小功率电机需求
内置 续流二极管，防止电机反电动势损坏电路

宽电压支持：

驱动电压范围：+5V~+35V（建议6V-12V常用）
逻辑电压范围：+5V~+7V（兼容3.3V/5V单片机直接控制）

功率特性：

最大功耗：25W（需配合散热片使用）
低静态电流：<36mA（待机时功耗低）

2.1.2 功能特点

灵活的控制方式：

支持 PWM调速（通过ENA/ENB引脚）
支持 方向控制（IN1/IN2和IN3/IN4组合）

保护机制：

过热自动关断（芯片温度>150℃时触发）
逻辑电源与驱动电源隔离（避免电机干扰控制电路）

扩展功能：

提供5V输出接口（可为外部电路供电，最大500mA）
可通过并联H桥提高电流驱动能力（需同步控制信号）

2.2 结构与工作原理

L298N内部包含两个H桥电路，每个H桥可控制一个电机的方向。通过控制输入端的逻辑电平组合，可以实现电机的正转、反转和制动：

IN1	IN2	电机状态
0	0	停止/制动
0	1	反转
1	0	正转
1	1	停止/制动

①非PWM调速
不用PWM调速，就单纯想让电机转动，就给使能脚一个高电平即可（通道使能引脚是5V使能下面那个引脚，上面的引脚就是固定的高电平引脚），可以通过跳线帽将其与高电平输出脚相连，如果给使能脚低电平的话，电机将无法转动。

②PWM调速
如果用PWM调速，那就把跳线帽拔掉，将通道使能脚接入单片机的PWM波输出脚，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。 ENA控制输出A，ENB控制输出B。

2.3 电气特性

- 输入电压范围：5V-35V（电机驱动电源）
- 逻辑电压：5V（可与STM32F103C8T6的3.3V逻辑电平兼容）
- 每个通道持续输出电流：2A
- 峰值输出电流：3A
- 逻辑部分工作电流：≤36mA

2.4 模块接口说明

L298N模块通常具有以下接口：
- 12V/5V电源输入接口
- 电机1输出接口（OUT1, OUT2）
- 电机2输出接口（OUT3, OUT4）
- 控制信号输入（ENA, IN1, IN2, ENB, IN3, IN4）
- 5V输出接口（可为外部电路供电）

2.5 原理图设计

电源部分：

Power 5V：为逻辑电路提供5V电源，通常由外部电源或单片机系统提供。
Power 12V：为电机驱动提供12V电源，根据所驱动电机的电压需求选择合适的电源。
电容（C1, C2, C3, C4）：用于电源滤波，减少电源噪声对电路的影响。C1和C3是100μF的电解电容，用于滤除低频噪声；C2和C4是0.1μF的陶瓷电容，用于滤除高频噪声。

逻辑输入部分：

IN1 - IN4：逻辑输入引脚，用于接收来自微控制器（如单片机）的控制信号。通过控制这些引脚的电平状态，可以控制电机的转向和速度。
TLP521系列光耦：用于电气隔离，防止电机驱动电路的高电压和大电流对微控制器造成干扰。光耦将微控制器的低电平控制信号转换为适合L298N芯片的信号。
LED指示灯（LED1 - LED4）：用于显示逻辑输入的状态，当对应的输入引脚为高电平时，LED点亮。

L298N芯片：

U1（L298N）：核心驱动芯片，内部包含两个H桥电路，可以独立驱动两个直流电机或一个步进电机。

IN1 - IN4：逻辑输入引脚，与外部控制信号连接。
ENA, ENB：使能引脚，用于控制对应H桥的使能状态。当使能引脚为高电平时，H桥工作；为低电平时，H桥不工作。图中PWMA和PWMB可以用于PWM调速。
OUT1 - OUT4：输出引脚，连接到电机的两端，用于驱动电机。
VSS：逻辑电源引脚，接5V电源。
VS：电机驱动电源引脚，接12V电源。
ISEN A, ISEN B：电流检测引脚，可用于监测电机的电流，实现过流保护等功能。

电机输出部分：

M1, M2：电机连接端口，分别连接到两个电机的两端。通过控制L298N的输出引脚，可以实现电机的正转、反转和调速。
二极管（D1 - D8）：1N4007二极管，用于续流保护。当电机突然停止或改变方向时，电机会产生反向电动势，这些二极管为反向电动势提供泄放回路，保护L298N芯片免受电压尖峰的损害。

工作原理：

控制信号输入：微控制器通过IN1 - IN4引脚发送控制信号，经过光耦隔离后输入到L298N芯片。
使能控制：通过PWMA和PWMB引脚控制H桥的使能状态，实现电机的启动和停止。
电机驱动：L298N芯片根据输入的控制信号和使能状态，通过OUT1 - OUT4引脚输出相应的电压和电流，驱动电机按照预定的方向和速度运行。
保护机制：续流二极管保护芯片免受电机反向电动势的影响，确保电路的稳定性和可靠性。

2.6 实际应用注意事项

1. 电机电源与控制电源应分开供电
2. 大功率电机使用时需加散热片
3. 电机两端应并联续流二极管（多数L298N模块已内置）
4. 长距离连接时注意信号干扰问题
5. 确保良好接地以减少噪声

三、硬件设计

3.1 硬件组成

所需硬件组件：
1. STM32F103C8T6最小系统板
2. L298N电机驱动模块
3. 直流电机（12V）两个
4. 12V电源（用于电机供电）
5. 5V电源（或使用L298N模块的5V输出）

3.2 硬件连接

STM32F103C8T6与L298N连接方式：

STM32引脚	L298N引脚	说明
PA0	ENA	电机A使能(PWM调速)
PA1	IN1	电机A方向控制1
PA2	IN2	电机A方向控制2
PA3	ENB	电机B使能(PWM调速)
PA4	IN3	电机B方向控制1
PA5	IN4	电机B方向控制2
GND	GND	共地

电机连接：
- 电机A连接到OUT1和OUT2
- 电机B连接到OUT3和OUT4

电源连接：
- 12V电源正极接L298N的12V输入
- 12V电源负极接L298N的GND

四、软件设计

4.1 开发环境配置

1. 安装Keil MDK-ARM开发环境
2. 安装STM32标准外设库
3. 创建新工程，选择STM32F103C8T6器件
4. 配置系统时钟为72MHz
5. 启用GPIO和TIM2外设

4.2 关键代码实现

4.2.1 GPIO初始化

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "stm32f10x_tim.h"// 引脚定义
#define MOTOR_A_ENA_PIN GPIO_Pin_0
#define MOTOR_A_IN1_PIN GPIO_Pin_1
#define MOTOR_A_IN2_PIN GPIO_Pin_2
#define MOTOR_B_ENB_PIN GPIO_Pin_3
#define MOTOR_B_IN3_PIN GPIO_Pin_4
#define MOTOR_B_IN4_PIN GPIO_Pin_5
#define MOTOR_GPIO_PORT GPIOA// 初始化GPIO
void GPIO_Configuration(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);// 配置方向控制引脚为推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MOTOR_A_IN1_PIN | MOTOR_A_IN2_PIN | MOTOR_B_IN3_PIN | MOTOR_B_IN4_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(MOTOR_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);// 配置使能引脚为复用推挽输出(PWM)GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MOTOR_A_ENA_PIN | MOTOR_B_ENB_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_Init(MOTOR_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

宏定义L298N模块与STM32连接的引脚，方便后续修改和维护。
方向控制引脚（IN1-IN4）配置为普通推挽输出，直接控制电机转向。
使能引脚（ENA/ENB）配置为复用推挽输出，用于连接定时器的PWM信号。
必须使能GPIOA的时钟（RCC_APB2PeriphClockCmd）。

4.2.2 PWM初始化

// 初始化定时器用于PWM输出
void TIM_Configuration(void)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;// 定时器2时钟使能RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);// 定时器基础配置TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999; // PWM频率=72MHz/(999+1)=72kHzTIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);// PWM模式配置TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比为0TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;// 通道1配置(PA0-ENA)TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);// 通道2配置(PA3-ENB)TIM_OC4Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);TIM_OC4PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);// 使能定时器TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);TIM_CtrlPWMOutputs(TIM2, ENABLE);
}

关键参数：

PWM频率：72MHz / (999 + 1) = 72kHz（适合电机驱动，避免可闻噪声）。
占空比：通过TIM_SetCompareX()设置，范围0-999（对应0%-100%）。

通道选择：

TIM2_CH1（PA0）控制电机A的ENA。
TIM2_CH4（PA3）控制电机B的ENB。

4.2.3 电机速度和反向控制

// 设置电机A速度和方向
void MotorA_Set(int speed, uint8_t direction)
{// 限制速度范围if(speed > 999) speed = 999;if(speed < 0) speed = 0;// 设置方向if(direction == 1) { // 正转GPIO_SetBits(MOTOR_GPIO_PORT, MOTOR_A_IN1_PIN);GPIO_ResetBits(MOTOR_GPIO_PORT, MOTOR_A_IN2_PIN);} else if(direction == 2) { // 反转GPIO_ResetBits(MOTOR_GPIO_PORT, MOTOR_A_IN1_PIN);GPIO_SetBits(MOTOR_GPIO_PORT, MOTOR_A_IN2_PIN);} else { // 停止GPIO_ResetBits(MOTOR_GPIO_PORT, MOTOR_A_IN1_PIN);GPIO_ResetBits(MOTOR_GPIO_PORT, MOTOR_A_IN2_PIN);}// 设置PWM占空比TIM_SetCompare1(TIM2, speed);
}// 设置电机B速度和方向
void MotorB_Set(int speed, uint8_t direction)
{// 限制速度范围if(speed > 999) speed = 999;if(speed < 0) speed = 0;// 设置方向if(direction == 1) { // 正转GPIO_SetBits(MOTOR_GPIO_PORT, MOTOR_B_IN3_PIN);GPIO_ResetBits(MOTOR_GPIO_PORT, MOTOR_B_IN4_PIN);} else if(direction == 2) { // 反转GPIO_ResetBits(MOTOR_GPIO_PORT, MOTOR_B_IN3_PIN);GPIO_SetBits(MOTOR_GPIO_PORT, MOTOR_B_IN4_PIN);} else { // 停止GPIO_ResetBits(MOTOR_GPIO_PORT, MOTOR_B_IN3_PIN);GPIO_ResetBits(MOTOR_GPIO_PORT, MOTOR_B_IN4_PIN);}// 设置PWM占空比TIM_SetCompare4(TIM2, speed);
}

参数说明：

speed：PWM占空比（0-999）。
direction：1=正转，2=反转，其他值=停止。

4.2.4 主程序流程

int main(void)
{// 初始化硬件GPIO_Configuration();TIM_Configuration();while(1){// 电机A正转，速度50%MotorA_Set(500, 1);// 电机B反转，速度30%MotorB_Set(300, 2);Delay_ms(2000);// 电机A停止MotorA_Set(0, 0);// 电机B停止MotorB_Set(0, 0);Delay_ms(1000);// 电机A反转，速度70%MotorA_Set(700, 2);// 电机B正转，速度100%MotorB_Set(999, 1);Delay_ms(2000);}
}

功能：循环演示电机正转、反转、停止和调速。

五、功能实现与优化

5.1 基本功能实现

1. 电机正反转控制
2. PWM调速功能
3. 电机启停控制

5.2 功能优化

1. 速度平滑控制：实现加速度控制，避免电机突然启动/停止

void Motor_Smooth_Set(int target_speed, int current_speed, uint8_t motor, uint8_t direction)
{int step = (target_speed > current_speed) ? 10 : -10;while(current_speed != target_speed) {current_speed += step;if(motor == 1) {MotorA_Set(current_speed, direction);} else {MotorB_Set(current_speed, direction);}Delay_ms(10);}
}

2. PID速度控制：通过编码器反馈实现闭环控制
3. 电流检测：通过ADC检测电机电流，实现过流保护
4. 故障检测：监测L298N的故障输出引脚