Выбор драйвера двигателей
Управление электродвигателями постоянного тока (DC) – одна из важнейших задач в электронике, робототехнике и автоматизации. Правильный выбор драйвера для двигателя позволяет не только обеспечить требуемую мощность и стабильность, но и достичь высокой энергоэффективности, надёжности и удобства интеграции в систему.
В данном уроке рассмотрены шесть популярных драйверов:
- L298N
- L293D
- ZK-5AD
- TB6612FNG
- BTS7960
- VNH2SP30
Каждый из них имеет свои особенности, технические характеристики, преимущества и недостатки, которые будут подробно разобраны.
2. Общая теория управления двигателями
2.1. Принцип управления DC-моторами
Низковольтная логика и высоковольтная сторона.
Управляющая часть (микроконтроллер, процессор) обычно оперирует низкими напряжениями (3,3–5 В), в то время как двигатели могут требовать значительно более высокое напряжение (6–48 В и более). Драйвер двигателей выступает в роли «преобразователя» между этими двумя уровнями.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, PWM)Основной способ регулировки скорости двигателя – изменение коэффициента заполнения управляющего сигнала (duty cycle). При этом амплитуда напряжения остается постоянной, а среднее значение изменяется за счёт процентного соотношения времени включения и выключения.
Управление направлениемДля реверса вращения используется мостовая схема (H-мост). При смене полярности питания двигателя он меняет направление вращения
2.2. Ключевые параметры при выборе драйвера
- Максимальное рабочее напряжение – должно соответствовать или превышать рабочее напряжение двигателя.
- Максимальный непрерывный и пиковый ток – обеспечивает стабильность работы при нагрузках двигателя.
- Уровни логических сигналов – совместимость с микроконтроллером (5 В, 3,3 В и т. д.).
- Коэффициент потерь (эффективность) – чем выше КПД, тем меньше рассеивается тепло, что важно для экономии энергии и надёжности.
- Наличие защит (короткое замыкание, перегрев, защита от обратного напряжения, защита от перенапряжения и т. д.).
- Простота схемотехнического решения и монтажа – наличие встроенных диодов, регистров, простая разводка и т. п.
3. Обзор драйверов
3.1. Драйвер L298N
3.1.1. Общая информация
L298N – один из наиболее распространённых драйверов для управления DC-двигателями и шаговыми двигателями. Разработан компанией STMicroelectronics. Благодаря своей популярности часто используется в обучающих наборах и простых робототехнических проектах.
3.1.2. Основные характеристики
- Максимальное напряжение питания (Vs): до 46 В
- Максимальный непрерывный ток: до 2 А на канал (4 А суммарно при двухканальном режиме), в реальных условиях (без теплоотвода) обычно ~1,5–1,8 А
- Логический уровень (Vss): 5 В
- Тип транзисторной схемы: биполярная (BJT)
- Встроенные диоды: имеются выводы под внешние защитные диоды (часто уже встроены на модульных платах)
- Частота ШИМ: обычно рекомендуется использовать до 20 кГц (реально некоторые ограничения по рассеянию тепла)
3.1.3. Преимущества L298N
- Популярность и доступность – легко найти в продаже, много документации и примеров.
- Высокое рабочее напряжение – до 46 В.
- Возможность управления двумя двигателями или одним двухфазным шаговым двигателем.
- Простая схема включения – в большинстве готовых модулей уже есть защитные диоды, конденсаторы и стабилизатор логики (5 В).
3.1.4. Недостатки L298N
- Низкий КПД – биполярные транзисторы приводят к значительным потерям на каждом канале (падение напряжения ~2 В).
- Необходимость теплоотвода – при токах, близких к максимальным, корпус сильно греется.
- Ограниченная частота ШИМ – при очень высоких частотах модуляции теряется эффективность и возрастает тепловая нагрузка.
3.2. Драйвер L293D
3.2.1. Общая информация
L293D – ещё один классический драйвер, часто упоминается вместе с L298N как более «лёгкая» альтернатива с меньшими габаритами и более низкими значениями тока. Производится различными компаниями (Texas Instruments, STMicroelectronics и др.).
3.2.2. Основные характеристики
- Максимальное напряжение питания (Vs): до 36 В
- Максимальный непрерывный ток: ~0,6–1 А на канал (в зависимости от версии)
- Логический уровень (Vss): 5 В
- Тип транзисторной схемы: биполярная (BJT)
- Встроенные диоды: защита от выбросов (clamp-diodes) встроена, но иногда применяют внешние для более надёжной защиты
- Частота ШИМ: обычно до 5–10 кГц (часто используется 2–3 кГц)
3.2.3. Преимущества L293D
- Небольшие размеры и простота – корпус DIP или SO, легко интегрировать.
- Широкая доступность – распространён, особенно в учебной литературе.
- Встроенные защитные диоды – упрощают схему для управления двигателями.
3.2.4. Недостатки L293D
- Низкая выходная мощность – ограничивает применение двигателей большой мощности.
- Высокие потери на выходных транзисторах – как и в L298N, КПД невысок.
- Ограниченная эффективность и тепловыделение при больших токах.
3.3. Драйвер ZK-5AD
3.3.1. Общая информация
ZK-5AD – это сравнительно новое решение (по сравнению с классическими L293D, L298N) и чаще встречается как готовый модуль-регулятор скорости для двигателей постоянного тока. Обычно представляет собой ШИМ-контроллер с выходным каскадом на МОП-транзисторах (MOSFET). Может поставляться в виде модулей c настройкой скорости и защитами.
3.3.2. Основные характеристики
- Диапазон входного напряжения: обычно от 6–14 В
- Максимальный ток: 5 А (непрерывный), кратковременно может выдерживать большие значения до 9А.
- Тип выходных транзисторов: MOSFET (низкие потери)
- Частота ШИМ: может достигать десятков килогерц (обычно 13–20 кГц, иногда выше)
3.3.3. Преимущества ZK-5AD
- Высокая эффективность за счёт MOSFET-ключей.
- Встроенные функции защиты – от перегрева, перегрузки по току, от обратной полярности (в зависимости от модели).
- Удобство использования – ток в режиме ожидания составляет всего 10UA.
3.3.4. Недостатки ZK-5AD
- Менее известен в классических учебных пособиях – меньше теоретической базы.
- Ограниченные возможности реверса в базовых моделях – отсутствие защитных диодов, по заявлению производителей модуля, приводит к необходимости сначала полностью остановить двигатель, затем включить обратных ход.
- Относительно более высокая стоимость по сравнению с L293D, но сравнимо или дешевле, чем качественные мосты на дискретных MOSFET.
3.4. Драйвер TB6612FNG
3.4.1. Общая информация
TB6612FNG – драйвер от Toshiba, широко используемый в современных робототехнических платформах и модулях Arduino-совместимых решений. Построен на полевой (MOSFET) технологии, что даёт ему преимущество в энергоэффективности над биполярными драйверами.
3.4.2. Основные характеристики
- Максимальное напряжение питания (Vm): до 15 В (в зависимости от модификации)
- Максимальный непрерывный ток: ~1–1,2 А на канал (пиковый до 3,2 А кратковременно)
- Логический уровень (Vcc): 2,7–5,5 В (широкий диапазон)
- Тип выходного каскада: MOSFET с малым сопротивлением ключей
- Частота ШИМ: может работать вплоть до 100–200 кГц (чаще практикуют 20–50 кГц для снижения шума)
- Дополнительный функционал: встроенная защита от перегрева, защита от низкого напряжения (UVLO)
3.4.3. Преимущества TB6612FNG
- Высокая энергоэффективность – низкие потери благодаря MOSFET.
- Компактность – доступен в небольшом корпусе (HTSSOP).
- Совместимость с современными логическими уровнями (3,3 В, 5 В).
- Низкий уровень электромагнитных помех при правильном монтаже.
3.4.4. Недостатки TB6612FNG
- Ограниченное напряжение питания (не более 15 В), что недостаточно для некоторых мощных двигателей.
Относительно низкий ток (1,2 А непрерывно), что может оказаться мало для больших нагрузок.
3.5. Драйвер BTS7960
3.5.1. Общая информация
BTS7960 (часто модуль называется «BTS7960B 43A») – это мощный полумост от Infineon (ранее Siemens). В модуле обычно собрано два таких полумоста для формирования полноценного H-моста. Предназначен для управления крупными DC-моторами, требующими больших токов (до десятков ампер).
3.5.2. Основные характеристики
- Максимальное напряжение питания: обычно до 27 В (номинально 24 В)
- Максимальный ток: в зависимости от охлаждения и конкретной реализации – до 43 А (пиковое значение) на канал, но в реальной практике обычно ограничиваются 10–20 А непрерывно при хорошем радиаторе.
- Тип выходных транзисторов: MOSFET (внутренняя структура «High-Side / Low-Side Power Switch»)
- Логический уровень: обычно совместим с 5 В (некоторые модули могут поддерживать 3,3 В при использовании правильного согласования).
- Частота ШИМ: может работать на десятках кГц, ~25 кГц – типичная величина.
3.5.3. Преимущества
- Очень высокая выходная мощность – подходит для мощных моторов.
- Встроенные защиты: от перегрева, от короткого замыкания, от перегрузки по току, защита от обратной полярности.
- Низкое тепловыделение благодаря современной MOSFET-структуре с низким R_DS(on).
3.5.4. Недостатки
- Большее физическое исполнение модуля (радиаторы, большие силовые клеммы).
- Стоимость выше, чем у L298N и TB6612FNG, но она оправдана мощностью.
- Сложность использования: требуется надлежащий источник питания, кабели достаточного сечения, хороший радиатор.
3.6. Драйвер VNH2SP30
3.6.1. Общая информация
VNH2SP30 (и его более новые варианты, вроде VNH5019) – интегрированный full-bridge (H-мост), разработанный компанией STMicroelectronics. Часто встречается в готовых модулях (например, «Monster Moto Shield» и похожих), предназначенных для управления мощными DC-моторами.
3.6.2. Основные характеристики
- Напряжение питания (Vm): до 16 В (по даташиту ST – максимум 16 В)
- Максимальный непрерывный ток: 30 А (с надлежащим охлаждением), пик может доходить до ~60 А
- Логический уровень: 5 В (некоторые версии выдерживают сигналы ~3,3 В, но чаще рекомендовано 5 В)
- Частота ШИМ: может достигать 20–25 кГц
- Дополнительно: встроенные защитные функции (overcurrent, thermal shutdown)
3.6.3. Преимущества
- Достаточно высокий ток (до 30 А), при этом всё собрано в одном корпусе.
- Полный H-мост в одной микросхеме: проще, чем дискретная сборка из MOSFET и драйверов.
- Встроенные защиты – перегрузка, перегрев, и т. д.
3.6.4. Недостатки
- Ограничение напряжения 16 В – не подходит для более высоковольтных систем.
- При длительной работе на больших токах требуется внушительный радиатор.
- Очень высокая цена.
Ниже обобщена таблица (значения приведены усреднённо, в реальности могут быть нюансы в зависимости от конкретных модулей и условий охлаждения).
5. Подробный разбор преимуществ и недостатков
1. L298N
- Преимущества: доступность, питает до 46 В, управляет 2 моторами или шаговым.
Недостатки: низкий КПД, сильный нагрев, нужно ставить радиатор.
2. L293D
- Преимущества: простая схемотехника, встроенные диоды, крайне дешёв.
Недостатки: низкий ток (около 1 А), КПД невысокий, греется.
3. ZK-5AD
- Преимущества: удобный модуль-регулятор скорости с MOSFET (высокий КПД), защищённые варианты, малый ток покоя.
Недостатки: бывает сложно найти документацию, цена выше, чем у L293D.
4. TB6612FNG
- Преимущества: MOSFET внутри, компактность, низкое напряжение логики (2,7–5,5 В).
Недостатки: ограничение по напряжению (15 В макс.) и току (~1,2 А).
5. BTS7960
- Преимущества: большой допустимый ток (10–20 А непр.), высокое качество MOSFET, встроенные защиты.
Недостатки: относительно высокий ценник, достаточно крупные габариты, нужны соответствующие провода и радиаторы.
6. VNH2SP30
- Преимущества: мощный интегрированный H-мост (до 30 А непрерывно с охлаждением), защита от перегрева и перенапряжения, сравнительно удобная разводка.
Недостатки: ограничение по питанию до 16 В, при больших токах нужен радиатор, цена выше, чем у простых драйверов (L298N, L293D).
6. Рекомендации по применению
1. Небольшие и средние проекты (до 1 А, 5–12 В)
- L293D или TB6612FNG:L293D – дешёвый, простой, но не самый эффективный.TB6612FNG – современное MOSFET-решение, совместимо с 3,3 В логикой.
2. Учебные проекты со средними токами (1–2 А) и напряжением до 24–30 В
- L298N: классика, широко доступна, но требует радиатора.
3. Регулировка скорости до 5 А
- ZK-5AD: удобен для управления вентиляторами, насосами, двигателями с током выше среднего
4. Высокотоковые приложения (5–20 А и выше)
- BTS7960 или VNH2SP30:BTS7960 (часто «43A Driver») – выдерживает большие токи, надёжная защита, часто используется в мощных роботах или электроприводах.VNH2SP30 – тоже отличный вариант, но слегка уступает BTS7960 по максимальному напряжению (16 В против ~27 В), зато проще в готовых Arduino-совместимых «Monster Moto Shield».
5. Системы до 15–16 В, важна высокая эффективность и небольшой ток (до ~3 А пиков)
- TB6612FNG или VNH2SP30 (если нужно больше тока).
Понимание особенностей каждой микросхемы (или готового модуля) позволяет инженеру эффективно решать задачи управления DC-моторами в робототехнике, автоматизации и других областях, не тратя лишние ресурсы и время на несоответствующие решения.