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Entwicklung und Bau eines
Roboterarms für die Lehrerbildung
Themensteller: Prof. Dr. Chr. Hein
Verfasser: Tobias Imholt
Datum: 05.12.08
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis**************************.2
1. Einleitung****************************.3
1.1. Zielstellung und Ergebnisform*****************..3
1.2. Gesellschaftliche Bedeutung******************.4
1.3. Methode***************************6
2. Ausgangssituation************************..7
2.1. Ausbildung von Techniklehrern*****************7
2.1.1. Vorlesung***********************...7
2.1.2. Übungen und Praktika******************.8
2.2. Materielle Grundlagen********************...9
2.2.1. Mechanik***********************.10
2.2.2. Elektronik***********************.11
2.2.3. Programmierung********************.12
3. Entwicklung der Greifersteuerung*****************.14
3.1. Mechanik**************************14
3.2. Elektronik**************************16
4. Fazit – Ausblick*************************24
5. Anhang****************************..25
3
1. Einleitung
1.1 Zielstellung & Ergebnisform
Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, die Elektronik für einen Roboterarm zu
entwickeln und herzustellen. Dieser Arm ist ein Teil eines kompletten,
autonomen Roboters, der von mehreren Studenten zwecks Lehrerbildung
gefertigt wird.
Der Roboterarm soll zwei Funktionen erfüllen. Er soll Gegenstände greifen
und danach anheben. Für die Erkennung der Gegenstände werden eine
Kamera und Ultraschallsensoren am Roboter angebracht.
Damit der Roboter autonom Gegenstände findet und greift, benötigt er eine
Programmierplatine. Dazu wird das “C Control Pro – Mega128
Evaluationboard“ in den Roboter eingebaut. Hierauf wird später ein Programm
geschrieben, welches dem Roboter die nötigen Befehle sendet, um sich
selbstständig im Raum zu bewegen, Gegenstände zu suchen, zu greifen und
zu transportieren. Das Board sendet aber nicht nur Informationen, es soll auch
erkennen, wenn z.B. der Greifer einen Gegenstand gefasst hat und der
Greifmotor abgeschaltet werden muss. Dazu dienen analoge Eingänge, die
ebenfalls auf der Platine zu finden sind.
Alle wichtigen Roboterteile werden in doppelter Ausführung hergestellt. Aus
der ersten Fertigung wird der komplette Roboter gebaut. Die zweite Baureihe
dient zur Aus- und Weiterbildung der Studenten bzw. Lehrer.
Die Aktoren und Sensoren werden auf verschiedenen Blechen angebracht.
Das hat den Vorteil, dass mehrere Studenten oder Lehrer unabhängig
voneinander die unterschiedlichen Bereiche des Roboters programmieren
können. Zudem kann man so leichter die Funktionsweise der einzelnen
Roboterelemente einsehen und verstehen.
4
1.2 Gesellschaftliche Bedeutung
In Zeiten der immer schneller werdenden Industrialisierung und
Automatisierung ist es unumgänglich, die heranwachsende Generation an
diese Art der Informationstechnik heranzuführen und für sie zu begeistern.
Das Wort “Automatisierung“ scheint ein Begriff der Moderne zu sein, jedoch
versuchte der Mensch schon immer Arbeitsprozesse zu automatisieren, um
den Arbeitsaufwand zu verringern und das Endergebnis zu verbessern.
Damals nutzte der Mensch die ihm bekannten Energien der Natur: Windkraft,
Wasserkraft oder Arbeitstiere. Erst nachdem Thomas Newcomen 1712 die
erste verwendbare Dampfmaschine erfunden hatte, begann das Zeitalter der
Industrialisierung. Als man dann im 19. Jahrhundert erste Erfahrungen mit der
Elektrizität machte, wurde es möglich, Energie über größere Entfernung zu
nutzen. Diese Art der Energie kann zum Steuern, Messen und Regeln genutzt
werden. Das Zeitalter der Informationstechnik war geboren.
Im 20. Jahrhundert wurde die Elektronik immer ausgereifter, kleiner und
leistungsstärker. Die darauf folgende Computertechnologie brachte eine
Digitalisierung der Arbeitsprozesse. Die ersten Industrieroboter und
vollautomatischen Produktionsstraßen ließen nun nicht mehr lange auf sich
warten.
Heute können wir uns ein Leben ohne diese “künstliche Intelligenz“ kaum noch
vorstellen: Während das Kind mit seinem Roboterhund spielt, erledigt der
Mann seine Bankgeschäfte am Computer und die Frau telefoniert mit ihrem
Handy. Nebenbei spült die Spülmaschine das Geschirr und die
Waschmaschine säubert die dreckige Wäsche.
All dies bietet aber nur einen kleinen Einblick in das, was Informationstechnik
heute in unserer Gesellschaft leistet. So werden in vollautomatischen
Produktionsstraßen in kurzer Zeit große Stückzahlen gefertigt und Material
und Energie eingespart, wodurch die Produktionskosten minimiert werden und
die Qualität des Endprodukts durch die Genauigkeit der Maschinen maximiert
wird. In der Medizin wird den Menschen geholfen, indem sie moderne
Prothesen bekommen, die mit den menschlichen Nervenbahnen verbunden
werden oder indem sie mit einem Laufsimulator rehabilitiert werden. Früher
schwere oder unmögliche Operationen sind heute meist ohne größere
Komplikationen machbar, da die Ärzte über Geräte verfügen, die extrem klein
5
sind und gleichzeitig sehr genau arbeiten.
Weitere Forschungen in der Robotik sollen uns zukünftig das Leben noch
mehr erleichtern. So wird z.B. in nicht allzu ferner Zukunft sicherlich der erste
Pflegeroboter auf den Markt kommen:
Abb. 1
Deshalb ist auch der momentane Arbeitsmarkt im Wandel. Es werden
Arbeitskräfte benötigt, die die vollautomatischen Anlagen installieren,
programmieren und überwachen.
Es ist unumgänglich, dass Fach Technik generell in den Schulen einzuführen.
Zwar geben die Fächer Physik und Informatik einen Einblick in bestimmte
Bereiche der Technik, jedoch können diese Fächer die Technikbildung nur
ergänzen.
Der Technikunterricht bietet die Möglichkeit, Einblicke in unterschiedlichste
technische Berufe zu erhalten. So haben die Schüler schon früh die
Möglichkeit, herauszufinden, welche Berufszweige für sie interessant sind und
lernen gleichzeitig mit neuen Technologien umzugehen.
Sie sollen lernen, Technik respektvoll und vorsichtig zu nutzen und die
Auswirkungen von Technik auf Natur und Gesellschaft zu verstehen.
Ein zweiter wichtiger Lernbereich ist der Problemlösungsprozess. Hier sollen
die Schüler mithilfe von Strategien versuchen, verschiedene Probleme zu
lösen. Dabei kann es sich sowohl um mechanische, als auch um elektronische
Probleme handeln.
Ein Beispiel aus der Robotik wäre: „Ein Roboter soll so programmiert werden,
dass er über eine schwarze Linie fährt.“
Da die Robotik immer wichtiger wird, hat sogar der Spielzeughersteller Lego
ein Robotersystem entwickelt, dass unter dem Namen “Lego Mindstorms“
bekannt ist. Mit Hilfe dieser Roboter kann man solche Aufgaben erfüllen und
auf spielerische Art die Grundlagen des Programmierens kennen lernen.
6
Auf dem folgenden Bild ist ein Roboterbeispiel der neuen
Mindstormsgeneration zu sehen:
Abb. 2
1.3 Methoden
Bevor ich genauere Überlegungen zum elektronischen Aufbau der
Motorsteuerung machen konnte, musste erst festgelegt werden, wie diese
angesteuert werden soll und welche Parameter für das C-Control Board
wichtig sind.
Nach reiflicher Überlegung wurde festgelegt, dass die Motorsteuerung vier
digital angesteuerte Eingänge zur Drehrichtungsbestimmung, zwei
Motorausgänge für die beiden Elektromotoren und zwei Analogausgänge
benötigt. Über die Analogausgänge kann dem C-Control Board später
übermittelt werden, welcher Motor momentan blockiert und abgeschaltet
werden muss. Dies dient als Sicherung der Motoren und der Treiberstufe, die
auf der Motorsteuerung installiert werden.
Nachdem die Art der Ansteuerung festgelegt wurde, müssen jetzt die wichtigen
Parameter der Elektromotoren bestimmt werden. Dieses sind die
Betriebsspannung, Stromaufnahme und Leistung. Alle drei Messungen
müssen sowohl im Leerlaufbetrieb (also minimaler Leistung), als auch bei
maximaler Leistung geschehen, indem man den Motor manuell blockiert.
Jetzt sind alle wichtigen Daten erhoben, um mit der Entwicklung der
Motorsteuerung anzufangen. Anfangs habe ich versucht, eine zu den
Elektromotoren passende Treiberstufe diskret aufzubauen. Es erwies sich
aber als sehr kompliziert und ich hatte sorge, dass es bei einem Selbstbau zu
höheren Leistungsverlusten innerhalb der Stufe kommen könne. Deshalb
entschied ich mich, eine Treiberstufe zu kaufen und die restliche Elektronik
7
nach dieser Stufe auszurichten.
Dank des Informationsmediums “Internet“, habe ich mit dem L298
Dualbrückentreiber schnell eine passende Treiberstufe gefunden.
Durch den internen Aufbau von zwei H-Brücken kann ich mit nur einer
Treiberstufe beide Motoren ansteuern. Jetzt kann ich mithilfe des
entsprechenden Schaltplans den Rest der Schaltung entwickeln, indem ich sie
aufzeichne, anschließend auf das Steckbrett aufbaue und dann evtl.
ausbessere und abgleiche.
Nachdem nun die Funktion der Motorsteuerung gegeben ist, wird die Platine
geätzt und mit den dazu jeweiligen Bauteilen versehen.
2. Ausgangssituation
2.1 Ausbildung von Techniklehrern
Die Informationstechnik ist ein wichtiger Bereich für die Ausbildung von
Techniklehrern. Deshalb wird hierauf sowohl im theoretischen, als auch im
praktischen Teil der Lehrerbildung sehr viel Wert gelegt und entsprechend Zeit
investiert.
2.1.1 Vorlesung
Aufgrund der hohen Gewichtung, wird bereits im zweiten Modul eine
“Einführung in die Informationswandlungssysteme“ gegeben. Diese
Veranstaltung wird von den meisten Studierenden bereits im zweiten Semester
belegt.
In diesem Seminar wird das Fundament der Informationstechnik gelegt, indem
die wichtigen Begriffe des Messens, Steuerns und Regelns definiert und die
Grundlagen der binären Logik erfasst werden.
Die Studenten lernen erstmals logische Verknüpfungen von AND, NAND,
NOR, NEG usw. kennen und müssen mithilfe der boolschen Algebra
verschiedene logische Verknüpfungen berechnen, vereinfachen und
umformen. Außerdem wird das Lesen von Wahrheitstabellen und Logikplänen
behandelt.
Die ersten Programmierversuche dürfen auch nicht fehlen, und das Lesen
und Schreiben leichter Programmablaufpläne wird geübt. Eine Einweisung in
8
das Lego Mindstorms System findet auch statt.
Nachdem im dritten Modul die wichtigen elektronischen Grundlagen in der
Veranstaltung “Einführung in die Elektrotechnik / Elektronik“ gelernt wurden,
wird im vierten Modul in den Veranstaltungen “Informationstechnik I und II“
weiter ins Detail gegangen, wobei die Informationstechnik II im weitesten
Sinne auf die drahtlose Informationsübertragung eingeht.
In der Informationstechnik I wird der interne Aufbau von logischen Schaltungen
betrachtet und so der Transistor als zentrales Bauelement herangezogen.
Elektrische Messgrößen werden von nicht elektrischen unterschieden. Anhand
von Beispielen werden verschiedene Steuerarten wie “analoge Steuerung“,
“binäre Steuerung“, “digitale Steuerung“ und “Programmsteuerung“
unterschieden.
Ein weiterer großer Bereich ist das Speichern von Signalen. Dazu wird das
RS-Flipflop herangezogen, mithilfe von Wahrheitstabelle und Zeitdiagramm
erklärt und mit NAND – Gattern realisiert.
Nachdem die Studenten diese einfachste Realisierung von einem
Speicherbaustein verstanden haben, folgen andere Flipflops wie das “D-
Flipflop“, “JK-Master-Slave-Flipflop“ und “T-Flipflop“.
Jetzt ist es möglich, Schaltungen, wie den “Schmitt-Trigger“, den “Astabilen
Multivibrator“ und den “Binärzähler“ aufzubauen. Zudem werden Steuer-,
Codier- und Rechenschaltungen wie: “Zwei-aus-Drei-Schaltung“,
“Komperator“, “Dezimal-BCD-Codeumsetzer“, “BCD-Dezimal-Codeumsetzer“,
“Dezimal-7-Segment-Umsetzer“, “Halbaddierer“ und “Volladdierer“ behandelt.
Abschließend wird ein kompletter Ultraschall-Abstandsmesser vorgestellt, der
alle wichtigen Schaltungseinheiten enthält.
2.1.2 Übungen und Praktika
Die Übungen und Praktika finden immer zum Ende des jeweiligen Semesters
statt und dienen zur Vertiefung der neuen Kenntnisse und geben dem
Studenten die Kompetenz, mit verschiedenen Laborgeräten, wie Computern,
Netzteilen und Messgeräten arbeiten zu können.
Die Übungen zur Veranstaltung “Einführung in die Informationswandlungs-
systeme“ sind in drei Bereiche aufgeteilt.
Mit der ersten Übung werden die logischen Gatter NAND, NOR usw. in
Funktion gebracht und die entsprechenden Wahrheitstabellen bestimmt.
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Zusätzlich soll man die dazu gehörenden Gleichungen aufstellen und mithilfe
der boolschen Algebra eine XOR-Funktion mit NAND Gattern realisieren.
In der zweiten Übung wird das Programmieren mit CC-Basic am C Control
Board geübt. Die Studenten sollen ein Blinklicht, Lauflicht und Schrittmotor
programmieren. Zuvor müssen sie jedoch ein Ablaufdiagramm zu den
einzelnen Programmen erstellen.
Die dritte Übung ist die Programmierung einer Ampelanlage mit Hilfe eines
Einchip – Mikrorechners. Die Vorgehensweise entspricht der, aus der zweiten
Übung.
Ebenso, wie in der Einführungsveranstaltung, sind auch die Übungen zur
Informationstechnik I in drei Bereiche aufgeteilt.
Die erste Übung befasst sich mit der Steuerung einer Fertigungsstrecke, die
mit Hilfe eines C Control Board programmiert werden soll.
In der zweiten Übung werden Schmitt-Trigger, Astabiler Multivibrator, RS-
Flipflop und ein asynchroner Binärzähler mit TTL-Schaltkreisen aufgebaut.
Ziel der dritten Übung ist der Aufbau einer Steuer- und Rechenschaltung aus
den TTL-Schaltkreisen. Dazu sollen die Studenten die Zwei-aus-drei-
Schaltung und den Halbaddierer entwickeln, aufbauen und testen.
2.2 Materielle Grundlagen
Damit der Roboterarm einwandfrei funktioniert, ist es erforderlich, sowohl bei
der Mechanik, als auch bei der Elektronik genau zu arbeiten. So müssen alle
Störeinflüsse, wie die entstehenden Reibungskräfte bei der Mechanik oder die
ungewollten Spannungsimpulse bei der Elektronik minimiert werden.
Bevor ich jedoch zur genaueren Funktion des Robotergreifers komme, werden
die benötigten Bauteile anhand der folgenden Bilder vorgestellt. Hierbei teile
ich diese materiellen Grundlagen in die Bereiche der Mechanik, Elektronik und
Programmierung auf.
10
2.2.1 Mechanik
1 Riemenübersetzung (Hubmotor)
2 Elektromotor (Hub)
3 Spindel (Hub)
4 Kugellager
5 Führungsschiene
6 Elektromotor (Greifer)
7 Riemenübersetzung (Greifmotor)
8 Lagerbock
9 Spindel (Greifbacke links)
10 Spindel (Greifbacke rechts)
11 Greifbacken
1
2
3
4
5
6
7
9 11
8
10
11
2.2.2 Elektronik
Bauteile Wertigkeit
Kondensatoren
C1, C2 100 nF
C3, C4, C7, C8 470 nF
C5, C6 470 µF
Elektromotoren
M1, M2
Widerstände
R1, R2 27 KΩ
R3, R4 4,7 Ω
Transistoren
T1, T2 BD160
C5 C6 C7 C8 R1 R2 R3 R4
T1 T2
Ao1 Ao2
M1 M2
C1
C2
C3 C4
+VS
+VS
+VS
+VSS +VSS
+VSS
In1
In2 In3
In4
Out1 Out2 Out3 Out4 L298
12
Ansteuerung Funktion
Eingänge
In1 M1 – Rechtslauf
In2 M1 – Linkslauf
In3 M2 – Rechtslauf
In4 M2 – Linkslauf
Ausgänge
Out1, Out2 Ansteuerung M1
Out3, Out4 Ansteuerung M2
Ao1 Analogausgang für M1
Ao2 Analogausgang für M2
Betriebsparameter
+VS 12 Volt Betriebsspannung
+VSS 5 Volt Steuerspannung
2.2.3 Programmierung
Auf dem unteren Bild ist das C Control Pro – Mega128 Evaluationboard zu
sehen. Die für den Greifer wichtigen Anschlüsse, sowie andere
Betriebsparameter werden im Folgenden aufgelistet.
Abb. 3
13
Digitalports: Die Digitalports sind Port A bis Port G. Dabei können alle
Digitalports als Ein- und Ausgänge genutzt werden. Port A bis F besitzt 8 Pins
und der Port G hat 5 Pins.
Beim Greifer werden lediglich vier Pins benötigt. Die Eingänge In1 bis In4 der
Motorsteuerung brauchen jeweils ein Pin als digitalen Ausgang.
Diese digitalen Signale geben den Motoren die jeweiligen Drehrichtungen vor.
Führen alle der vier digitalen Ausgänge ein Low Pegel, so stehen beide
Elektromotoren still. Ein gleichzeitiger High Pegel an In1 und In2 bzw. an In3
und In4 ist nicht erlaubt und gilt als verbotener Zustand.
Analogeingänge: Als Analogeingänge werden die Eingänge ADC0 bis ADC7
bezeichnet, Diese Eingänge sind Pin 9 bis Pin 16 von X3.
Zwei dieser Analogeingänge werden mit den Analogausgängen Ao1 und Ao2
der Motorsteuerung verbunden. Solange die Elektromotoren im Rechts bzw.
Linkslauf sind und nicht blockieren, führen die Ausgänge Ao1 und Ao2 eine
Spannung von ca.: 12 Volt. Sobald die Motoren blockieren, sinkt die
Ausgangsspannung auf ca.: 0 Volt herab. Diese Spannungsänderung an den
Analogeingängen führt zu einer Pegeländerung von High auf Low an dem
entsprechenden Digitalausgang für die Motorsteuerung. Dadurch wird der
blockierte Motor abgeschaltet.
Programmierung: Um das fertig geschriebene Programm auf das Board
übertragen zu können, dient die darauf versehene USB Schnittstelle. Der
Vorteil einer USB Schnittstelle gegenüber einer seriellen Schnittstelle ist der
schnellere Datentransfer. Beim Datenaustausch wird der momentane Status
von zwei Leuchtdioden angezeigt. Leuchtet LD5, so ist die USB Schnittstelle
für den Datentransfer bereit. Erfolgt eine Datenübertragung, so leuchten LD4
und LD5. Ein blinken von LD4 zeigt einen Fehlerzustand an.
Versorgungsspannung: 4,5 – 5,5 Volt
Stromaufnahme: ca.: 20 mA
14
3. Entwicklung der Greifersteuerung
Die Entwicklung der Greifersteuerung werde ich in Mechanik und Elektronik
unterteilen, da diese beiden Bereiche voneinander abhängig sind. Die
Elektronik baut auf die Mechanik auf, genau so, wie die letztendliche
Programmierung des gesamten Roboters auf die Elektronik aufbaut. Bevor die
ersten Gedanken zur elektronischen Motorsteuerung gemacht werden können,
muss die Mechanik voll funktionstüchtig sein. Nur so können die elektronisch
passenden Bauteile gewählt werden, die den benötigten Leistungsansprüchen
der Mechanik gerecht werden.
Sobald dann die Motorsteuerung entwickelt wurde, kann die Programmierung
beginnen. Eine vorherige Programmerstellung ist nicht möglich, weil man erst
wissen muss, wie viele Ein- und Ausgänge die Motorsteuerung hat und wie die
einzelnen elektronischen Parameter dieser Steuerung sind.
Ist die Programmierung abgeschlossen, können erste komplette
Funktionstests erfolgen und gegebenenfalls Ausbesserungen vorgenommen
werden.
3.1 Mechanik
Um die Mechanik zu entwickeln, müssen vorerst Überlegungen zum Aussehen
und zur Funktion des Greifers gemacht werden. Der Blick auf andere
Robotermodelle und Tests von gefertigten Greifern des Lego
Mindstormssystems halfen dabei, den hier beschriebenen Robotergreifer zu
entwickeln.
Er soll Gegenstände greifen und heben können. Um den Greifer richtig zu
dimensionieren, muss zunächst über die Form und das Gewicht des zu
greifenden Gegenstandes entschieden werden.
Festgelegt wurde ein ca. 100 Gramm schweres zylinderförmiges Objekt mit
einem Durchmesser von ca. 5 cm und einer Höhe von ca. 10 cm.
Nun können die ersten maßstabsgerechten Zeichnungen folgen. Diese
Zeichnungen sind notwendig, um das Risiko von Fehlern bei der Konstruktion
zu minimieren und passende Bauteile bestellen bzw. fertigen zu können.
Die nachstehende Zeichnung zeigt den kompletten Greifer in der Draufsicht,
Seitenansicht, Vorderansicht und 3D-Ansicht.
15
Um die genaue Funktion der Greifermechanik erklären zu können, ziehe ich
das folgende Bild als Hilfe hinzu.
16
Wie auf dem Bild zu sehen ist, sitzen die Greifbacken (11) auf den Spindeln (9)
und (10). Auf den ersten Blick meint man, es würde sich um nur eine Spindel
handeln. Dies würde mechanisch aber nicht funktionieren, da die Greifbacken
sich entweder aufeinander zu bewegen oder voneinander entfernen sollen.
Verwendet man nur eine Spindel, würden beide Backen gleichzeitig nach links
oder rechts laufen. Damit das Greifen und Loslassen möglichst reibungsfrei
geschieht, sitzen beide Spindeln gelagert (4) auf Lagerböcken (8). Diese
Lagerböcke sind wiederum auf einer Plattform befestigt, auf der auch der
Elektromotor (6) sitzt, der die Spindeln (9) und (10) antreibt.
Die Kraftübertragung erfolgt über eine 1:1 Riemenübersetzung. Von hier wird
die Kraft gleichermaßen auf die beiden Spindeln (9) und (10) gegeben.
Die Übersetzung ist hier so gewählt, dass ein möglichst großes Drehmoment
entsteht.
Nachdem die Funktion des Greifens gegeben ist, erfolgt der Hub. Dazu wird
eine dritte Spindel (3) so an die Greiferkonstruktion angebracht, dass sie
komplett hoch- und runterfahren kann. Am Plexiglasdeckel des Roboters wird
der zweite Elektromotor (2) befestigt, der seine Kraft genau wie bei dem
Greifer mittels 1:1 Riemenübersetzung (1) auf die Spindel (3) überträgt. Auch
hier ist die Übersetzung von Riemenscheibe auf Spindel so gewählt, dass ein
möglichst hohes Drehmoment entsteht.
Um den Greifer zu stabilisieren, sind links und rechts jeweils eine
Führungsschiene (5) angebracht. Zusätzlich verhindern sie während des
Betriebs ein Verkanten der Greiferkonstruktion.
3.2 Elektronik
Nachdem die Mechanik in Funktion gebracht wurde, kann die Elektronik
entwickelt werden. Dazu ist es erst einmal wichtig, die für die zu entwickelnde
Elektronik wichtigen Parameter zu bestimmen. Dies sind: Spannung,
Stromaufnahme und die dazu gehörende Leistung der Elektromotoren.
Die Betriebsspannung der beiden Elektromotoren liegt bei 12 Volt
Gleichspannung. Dieser Spannungswert bleibt bei allen Betriebsarten erhalten
und wird später von einem im Roboter verbauten 12 Volt Akku erreicht.
Zuvor wird jedoch anstelle des Akkus ein Netzteil verwendet und der Strom im
Leerlauf und bei voller Last von beiden Motoren gemessen.
Leerlauf bedeutet, dass dem Motor kein mechanischer Widerstand ausgesetzt
17
wird und der Strom so minimal gehalten wird. Dieser Strom wird als Imin
bezeichnet. Bei voller Last wird der Maximalstrom Imax bestimmt. Dies erreicht
man, indem man den Motor kurzzeitig blockiert und im selben Moment den
Strom misst.
Die daraus entstandenen Leistungen Pmin und Pmax lassen sich mit Hilfe der
Formel P=U*I berechnen. U ist hierbei der Spannungswert von 12 Volt und I
der entsprechende Strom.
Das folgende Bild dient zur Veranschaulichung der Messanordnung.
Hier die von mir ermittelten Motorkennwerte:
U ~12 V
Imin ~0,09 A
Imax ~1 A
Pmin ~1,08 W
Pmax ~12 W
Die Messergebnisse waren bei beiden Motoren fast identisch. Um eine sichere
Funktion der Motorsteuerung zu gewährleisten, habe ich bei den
Maximalwerten den größeren und bei den Minimalwerten den niedrigeren
Messwert gewählt.
Jetzt kann ich eine zu den Messwerten passende Motortreiberstufe suchen.
Mein Primärziel war es, für jeden Motor eine separate Treiberstufe zu finden,
die für die Maximalanforderungen von 12 Watt ausgelegt ist. Um sicher zu
stellen, dass die Treiberstufe nicht unterdimensioniert ist, suchte ich eine Stufe
mit ungefähr 20 Watt Maximalleistung. Nach längerer Recherche im Internet,
habe ich den “L298 Dualbridge Driver“ gefunden. Dieser Treiber wird meinen
Anforderungen mehr als gerecht. Mit seinen 25 Watt Maximalleistung
gewährleistet der Treiber eine sichere Funktion. Ein weiterer Vorteil ist, dass
V M U
A = Strommessung
V = Spannungsmessung
M = Elektromotor
A I
18
nur ein L298 Treiber für die Motorsteuerung ausreicht. Durch den internen
Aufbau ist es möglich, zwei Elektromotoren separat anzusteuern. Bevor ich
jedoch zur genaueren Funktion des L298 komme, werde ich hier die wichtigen
Kenndaten dieser Stufe auflisten.
Betriebsspannung Vs ≤ 50 Volt
Logikspannung Vss 5 – 7 Volt
Maximalleistung Ptot = 25 Watt
Das folgende Bild zeigt das Blockdiagramm des L298 Treibers. Wie man
erkennen kann, ist der linke, von mir rot markierte Teil des Blockdiagramms,
funktionsgleich zum rechten, unmarkierten Bereich.
Die linke und rechte Hälfte dient jeweils zur Ansteuerung eines Elektromotors.
Daher reicht es, die linke Seite zu erklären, um die Funktion für beide
Motoransteuerungen zu verstehen.
Abb. 4
Dem Punkt 2.2.2 kann man entnehmen, dass der Elektromotor an die
Ausgänge Out1 (Pin2) und Out2 (Pin3) angeschlossen wird. An Pin 4 wird die
Betriebsspannung +Vs angeschlossen, die später im Betrieb +12 Volt beträgt.
Die Logikspannung von +5 Volt wird hier Vss genannt und fest an Pin9
angeschlossen. Diese Spannung dient als Betriebsspannung der Logikglieder.
T1 T2
T3 T4
&
&
&
&
19
Der Eingang EnA (Pin6) kann als Takteingang dienen. Dies ist aber für die
spätere Funktion nicht notwendig. Deshalb wird dieser Eingang, genau wie
Pin9 an +5 Volt angeschlossen, was einen dauerhaften High Pegel darstellt.
Somit liegt an jedem UND – Glied jeweils an einem Eingang ein High Pegel
an. Das nächste Bild zeigt die Pegelzustände an den einzelnen Logikgliedern
und Transistoren. Dabei werden die Eingänge In1 auf High und In2 auf Low
gelegt. Auf den folgenden Bildern wird der High Pegel als “1“ und der Low
Pegel als “0“ angezeigt.
Die linken UND Glieder führen alle ein High Pegel an den Eingängen. Das
obere UND Glied gibt den High Pegel an den Ausgang und somit an die Basis
des Transistors T1 weiter. Das untere UND Glied führt aufgrund eines
invertierenden Eingangs ein Low Pegel am Ausgang und an der Basis des
Transistors T3.
Die rechten UND Glieder haben jeweils ein Low und High Pegel am Eingang.
Jedoch ist der Low Pegel am unteren UND Glied an einem invertierenden
Eingang. Deshalb führt das untere UND Glied einen High Pegel am Ausgang
und somit an der Basis des Transistors T4. Die Basis des Transistors T2 hat
einen Low Pegel, da das vor geschaltete UND Glied keinen invertierenden
Eingang am Low Pegel besitzt.
Alle Transistoren, dessen Basis einen High Pegel haben, sind nun
durchgesteuert und somit niederohmig. Die Transistoren, an denen die Basis
auf Low Pegel geschaltet ist, sind gesperrt und wirken wie ein geöffneter
Schalter.
Somit fließt der Strom von +Vs, durch den Transistor T1 zum Ausgang Out1.
1 1
1
1
1
1 1
0
1
0
0 1
1
0
0
M
20
Von hier aus fließt der Strom durch den Motor in Out2. Von Out2 fließt er durch
den Transistor T4 über den Widerstand RSA nach Masse hin ab.
Nun wird die Drehrichtung des Elektromotors geändert, indem In1 auf Low
Pegel und In2 auf High Pegel gelegt wird. Dies wird am nächsten Bild
verdeutlicht.
Die rechten UND Glieder führen alle ein High Pegel an den Eingängen. Das
obere UND Glied gibt den High Pegel an den Ausgang und somit an die Basis
des Transistors T2 weiter. Das untere UND Glied führt aufgrund eines
invertierenden Eingangs ein Low Pegel am Ausgang und an der Basis des
Transistors T4.
Die linken UND Glieder haben jeweils ein Low und High Pegel am Eingang.
Jedoch ist der Low Pegel am unteren UND Glied an einem invertierenden
Eingang. Deshalb führt das untere UND Glied einen High Pegel am Ausgang
und somit an der Basis des Transistors T3. Die Basis des Transistors T1 hat
einen Low Pegel, da das vorgeschaltete UND Glied keinen invertierenden
Eingang am Low Pegel besitzt.
Nun sind wieder alle Transistoren mit einem Low Pegel an der Basis im
gesperrten Zustand und mit einem High Pegel durchgesteuert.
Der Strom fließt von +Vs, durch den Transistor T2, zum Ausgang Out2. Von
hier aus fließt er durch den Motor in Out1, und von dort durch den Transistor
T3 über den Widerstand RSA nach Masse hin ab.
Eine solche Zusammenschaltung von Transistoren nennt man H-Brücke.
Nach Klärung der internen Funktion des L298, folgt nun die komplette
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
M
21
Funktionsbeschreibung anhand des nächsten Schaubildes.
Die Stückliste inkl. Schaltplan ist unter Punkt 2.2.2 zu finden.
Ebenso, wie beim internen Aufbau des L298 Treibers, ist in dieser Schaltung
wieder eine gewisse Symmetrie zu erkennen. Lediglich die Kondensatoren C1
und C2 fallen hier aus dem Rahmen. Sie haben hier die Aufgabe, eventuelle
Spannungsschwankungen von Vss und Vs zu stabilisieren. Die von mir rot
markierte linke Seite ist von der Funktion her wieder identisch zur rechten
Seite. Daher werde ich mich hier wieder auf nur eine Seite beziehen und dabei
drei Fälle unterscheiden.
Fall 1: In1 und In2 führen einen Low Pegel und der Motor steht.
Fall 2: In1 hat einen High Pegel, In2 hat einen Low Pegel und
der Motor ist im Linkslauf.
Fall 3: Der Motor blockiert und wird daraufhin abgeschaltet.
22
Fall 1:
In diesem Fall liegen an den Basen der zwei Transistoren T1 und T2 ein Low
Pegel. An T3 und T4 liegt ein High Pegel. Dadurch sind die oberen beiden
Transistoren gesperrt und es kann kein Strom von Vs über den Motor nach
Masse abfließen.
Der Widerstand R3 liegt parallel zur Basis- Emitterstrecke vom Transistor T1.
Das bedeutet, dass die Spannung UR3 gleich der Spannung UBE ist. Da kein
Strom fließt, fällt an dem Widerstand R3 keine Spannung ab. Somit fällt an der
Basis vom Transistor T1 auch keine Spannung ab, und er ist im gesperrten
Zustand.
Aufgrund der Hochohmigkeit von T1 kann praktisch kein Strom IC fließen. Im
Gegensatz zum Widerstand R1 ist der Ausgangswiderstand RCE vom
Transistor extrem hoch, so dass die Spannung UCE gleich der Spannung Vs ist.
Diese Spannung Vs liegt nun am Analogausgang Ao1 an.
Wie unter Punkt 2.2.3 beschrieben, kann und darf die Motorsteuerung nur
betrieben werden, wenn der Motor nicht blockiert. Dies ist hier der Fall. Der
Motor ist im abgeschalteten Zustand und dürfte mit einem High Pegel an In1
bzw. In2 gestartet werden. Dies geschieht nun im zweiten Fall.
0
0
0
0 1
1
0
0
1
1 0
1
0
1
UR3
UBE UCE
IC
T1 T2
T3 T4
23
Fall 2:
Hier liegen an den Basen der Transistoren T1 und T4 ein High Pegel. An T2
und T3 liegt ein Low Pegel. Jetzt ist ein Stromfluss gegeben.
Der Strom fließt von Vs über den Transistor T1 zum Ausgang Out1. Von hier
fließt der Strom durch den Elektromotor M1 über Out2 durch den Transistor
T4. Er fließt weiter über den Widerstand R3 nach Masse ab. Nun fällt über R3
eine geringe Spannung ab, die wie folgt nach dem Ohmschen Gesetz
berechnet werden kann: U R I= ⋅ . Dabei ist “U“ die Spannung, “R“ der
Widerstand und “I“ der Strom. Unter Punkt 2.2.2 ist ersichtlich, dass der von
mir gewählte Widerstand einen Wert von 4,7 Ω hat. Meine Messdaten von
Punkt 3.2 ergaben einen Minimalstrom von ca.: Imin=0,15 Ampere. Wenn man
mit diesen beiden Werten die Spannung UR3 berechnet, erhält man
4,7 0,09U A= Ω⋅ 0,423U V= . Diese 0,4 Volt liegen nun auch an der Basis des
Transistors T1. Jedoch reicht diese geringe Spannung nicht aus, um den
Transistor durchzusteuern. Der Transistor T1 bleibt hochohmig. Somit bleiben
auch die Spannung UCE und der Analogausgang Ao1 auf 12 Volt.
Sobald aber der Greifer zugegriffen hat oder auf die höchste Stelle gefahren
0
0
0
1
1 1
1 1 1
1
1
1
0
0
UR3
UBE UCE
T1 T2
T3 T4
IC
24
ist, blockiert der entsprechende Motor und Fall 3 tritt in Kraft.
Der Strom steigt auf das Maximum von ca.: 1,4 Ampere. Wenn man nun mit
dem geänderten Stromwert das Ohmsche Gesetz am Widerstand R3
anwendet, kommt man auf folgendes Ergebnis: 4,7 1,4U A= Ω⋅ 4,7U V= .
Diese Spannung reicht allemal aus, um den Transistor zum Durchsteuern zu
bringen. Die Spannung UCE und somit Ao1 bricht schlagartig zusammen und
der Elektromotor wird abgeschaltet, indem der Eingang In1 von High auf Low
Pegel springt.
Die Kondensatoren C3, C4, C5, C6, C7 und C8 dienen als
Entstörkondensatoren, indem sie entstehende Spannungsimpulse am Motor
kurzschließen. Parallel zum Widerstand R3 wurde ein großer Kondensator mit
470µF und ein kleiner mit 470nF eingebaut. Der große Kondensator schließt
Störimpulse mit niedriger Frequenz kurz und der kleine Kondensator ist für den
Kurzschluss der hochfrequenten Schwingungen zuständig. Ohne diese
Kondensatoren würde der Analogausgang nicht fehlerfrei funktionieren.
4 Fazit und Ausblick
Meines Erachtens ist das Ziel, einen Roboter im Raum autonom Gegenstände
greifen und sie transportieren zu lassen, gut umgesetzt worden. Dies war aber
nur ein Teil der geforderten und erreichten Ziele. Durch die offene Bauform,
dem transparenten Plexiglasdeckel und dem modularisierten Aufbau, ist es
jedem möglich, in alle technischen Raffinessen des Roboters einzusehen, um
sie zu verstehen. Dadurch bieten sich dem Betrachter Möglichkeiten, eigene
Ideen zu äußern und eventuelle Verbesserungsvorschläge einzubringen.
Zukünftig sollen alle Bereiche des Roboters von jedem Technikstudenten
durchdrungen und programmiert werden. Dadurch wird auf interessante Art
eine große Bandbreite von Technik vermittelt. Dies beginnt beim Aufbau des
Roboters, führt dann zur Funktion der Mechanik, geht weiter über die
Wirkungsweise der im Roboter verbauten Aktoren und Sensoren, was
abschließend zur elektronischen Funktion führt und mit der Programmierung
der einzelnen Robotermodule endet.
Ich hoffe, dass die Studenten zukünftig viel an dem Roboter lernen werden,
eigene Ideen einbringen, Verbesserungsvorschläge machen, um ihn dann
gegebenenfalls weiter zu entwickeln.
25
5 Anhang
Abbildungen
Abb.1 http://www.welt.de/multimedia/archive/00155/Pflegeroboter_DW_Wi_155984g.jpg
[30.12.08 ; 17:17 Uhr]
Abb.2 http://www.lfb.rwth-aachen.de/images/mindstorms/mindstorms_lfb.png
[30.12.08 ; 17:18 Uhr]
Abb.3 http://www2.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/175000-199999/198258-an-
01-de-C-CONTROL-PRO_APPLICATION_BOARD_MEGA_128.pdf (S. 39)
[30.12.08 ; 17:22 Uhr]
Abb.4 http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/1773.pdf (S. 1)
[30.12.08 ; 17:24 Uhr]
26
Platinenlayout Motorsteuerung
Bestückungsseite
Leiterzüge
Out 4 Out 3 In 4 In 3
+VS
Out 1 Out 2 In 2 In 1
AO 2 AO 1
4R7
4R7
BD160
BD160
C1 C2
R1
R2
+VSS
27
Datenblätter
• C Control Pro – Mega128 Evaluationboard S. 1, 29 – 46
• L298 DUAL FULL-BRIDGE DRIVER
L298
Jenuary 2000
DUAL FULL-BRIDGE DRIVER
Multiwatt15
ORDERING NUMBERS : L298N (Multiwatt Vert.) L298HN (Multiwatt Horiz.)
L298P (PowerSO20)
BLOCK DIAGRAM
.OPERATING SUPPLY VOLTAGE UP TO 46 V.TOTAL DC CURRENT UP TO 4 A . LOW SATURATION VOLTAGE.OVERTEMPERATURE PROTECTION.LOGICAL "0" INPUT VOLTAGE UP TO 1.5 V(HIGH NOISE IMMUNITY)
DESCRIPTION
The L298 is an integrated monolithic circuit in a 15-lead Multiwatt and PowerSO20 packages. It is ahigh voltage, high current dual full-bridge driver de-signed to accept standard TTL logic levels and driveinductive loads such as relays, solenoids, DC andstepping motors. Two enable inputs are provided toenable or disable the device independently of the in-put signals. The emitters of the lower transistors ofeach bridge are connected together and the corre-sponding external terminal can be used for the con-
nection of an external sensing resistor. An additionalsupply input is provided so that the logic works at alower voltage.
PowerSO20
®
1/13
PIN CONNECTIONS (top view)
GND
Input 2 VSS
N.C.
Out 1
VS
Out 2
Input 1
Enable A
Sense A
GND 10
8
9
7
6
5
4
3
2
13
14
15
16
17
19
18
20
12
1
11 GND
D95IN239
Input 3
Enable B
Out 3
Input 4
Out 4
N.C.
Sense B
GND
ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS
Symbol Parameter Value Unit
VS Power Supply 50 V
VSS Logic Supply Voltage 7 V
VI,Ven Input and Enable Voltage –0.3 to 7 V
IO Peak Output Current (each Channel)– Non Repetitive (t = 100µs)–Repetitive (80% on –20% off; ton = 10ms)–DC Operation
32.52
AAA
Vsens Sensing Voltage –1 to 2.3 V
Ptot Total Power Dissipation (Tcase = 75°C) 25 W
Top Junction Operating Temperature –25 to 130 °CTstg, Tj Storage and Junction Temperature –40 to 150 °C
THERMAL DATA
Symbol Parameter PowerSO20 Multiwatt15 Unit
Rth j-case Thermal Resistance Junction-case Max. – 3 °C/W
Rth j-amb Thermal Resistance Junction-ambient Max. 13 (*) 35 °C/W
(*) Mounted on aluminum substrate
1
2
3
4
5
6
7
9
10
11
8
ENABLE B
INPUT 3
LOGIC SUPPLY VOLTAGE VSS
GND
INPUT 2
ENABLE A
INPUT 1
SUPPLY VOLTAGE VS
OUTPUT 2
OUTPUT 1
CURRENT SENSING A
TAB CONNECTED TO PIN 8
13
14
15
12
CURRENT SENSING B
OUTPUT 4
OUTPUT 3
INPUT 4
D95IN240A
Multiwatt15
PowerSO20
L298
2/13
PIN FUNCTIONS (refer to the block diagram)
MW.15 PowerSO Name Function
1;15 2;19 Sense A; Sense B Between this pin and ground is connected the sense resistor tocontrol the current of the load.
2;3 4;5 Out 1; Out 2 Outputs of the Bridge A; the current that flows through the loadconnected between these two pins is monitored at pin 1.
4 6 VS Supply Voltage for the Power Output Stages.A non-inductive 100nF capacitor must be connected between thispin and ground.
5;7 7;9 Input 1; Input 2 TTL Compatible Inputs of the Bridge A.
6;11 8;14 Enable A; Enable B TTL Compatible Enable Input: the L state disables the bridge A(enable A) and/or the bridge B (enable B).
8 1,10,11,20 GND Ground.
9 12 VSS Supply Voltage for the Logic Blocks. A100nF capacitor must beconnected between this pin and ground.
10; 12 13;15 Input 3; Input 4 TTL Compatible Inputs of the Bridge B.
13; 14 16;17 Out 3; Out 4 Outputs of the Bridge B. The current that flows through the loadconnected between these two pins is monitored at pin 15.
– 3;18 N.C. Not Connected
ELECTRICAL CHARACTERISTICS (VS = 42V; VSS = 5V, Tj = 25°C; unless otherwise specified)
Symbol Parameter Test Conditions Min. Typ. Max. Unit
VS Supply Voltage (pin 4) Operative Condition VIH +2.5 46 V
VSS Logic Supply Voltage (pin 9) 4.5 5 7 V
IS Quiescent Supply Current (pin 4) Ven = H; IL = 0 Vi = L Vi = H
1350
2270
mAmA
Ven = L Vi = X 4 mA
ISS Quiescent Current from VSS (pin 9) Ven = H; IL = 0 Vi = L Vi = H
247
3612
mAmA
Ven = L Vi = X 6 mA
ViL Input Low Voltage(pins 5, 7, 10, 12)
–0.3 1.5 V
ViH Input High Voltage(pins 5, 7, 10, 12)
2.3 VSS V
IiL Low Voltage Input Current(pins 5, 7, 10, 12)
Vi = L –10 µA
IiH High Voltage Input Current(pins 5, 7, 10, 12)
Vi = H ≤ VSS –0.6V 30 100 µA
Ven = L Enable Low Voltage (pins 6, 11) –0.3 1.5 V
Ven = H Enable High Voltage (pins 6, 11) 2.3 VSS V
Ien = L Low Voltage Enable Current(pins 6, 11)
Ven = L –10 µA
Ien = H High Voltage Enable Current(pins 6, 11)
Ven = H ≤ VSS –0.6V 30 100 µA
VCEsat (H) Source Saturation Voltage IL = 1AIL = 2A
0.95 1.352
1.72.7
VV
VCEsat (L) Sink Saturation Voltage IL = 1A (5)IL = 2A (5)
0.85 1.21.7
1.62.3
VV
VCEsat Total Drop IL = 1A (5)IL = 2A (5)
1.80 3.24.9
VV
Vsens Sensing Voltage (pins 1, 15) –1 (1) 2 V
L298
3/13
Figure 1 : Typical Saturation Voltage vs. Output Current.
Figure 2 : Switching Times Test Circuits.
Note : For INPUT Switching, set EN = HFor ENABLE Switching, set IN = H
1) 1)Sensing voltage can be –1 V for t ≤ 50 µsec; in steady state Vsens min ≥ – 0.5 V.2) See fig. 2.3) See fig. 4.4) The load must be a pure resistor.
ELECTRICAL CHARACTERISTICS (continued)
Symbol Parameter Test Conditions Min. Typ. Max. Unit
T1 (Vi) Source Current Turn-off Delay 0.5 Vi to 0.9 IL (2); (4) 1.5 µs
T2 (Vi) Source Current Fall Time 0.9 IL to 0.1 IL (2); (4) 0.2 µs
T3 (Vi) Source Current Turn-on Delay 0.5 Vi to 0.1 IL (2); (4) 2 µs
T4 (Vi) Source Current Rise Time 0.1 IL to 0.9 IL (2); (4) 0.7 µs
T5 (Vi) Sink Current Turn-off Delay 0.5 Vi to 0.9 IL (3); (4) 0.7 µs
T6 (Vi) Sink Current Fall Time 0.9 IL to 0.1 IL (3); (4) 0.25 µs
T7 (Vi) Sink Current Turn-on Delay 0.5 Vi to 0.9 IL (3); (4) 1.6 µs
T8 (Vi) Sink Current Rise Time 0.1 IL to 0.9 IL (3); (4) 0.2 µs
fc (Vi) Commutation Frequency IL = 2A 25 40 KHz
T1 (Ven) Source Current Turn-off Delay 0.5 Ven to 0.9 IL (2); (4) 3 µs
T2 (Ven) Source Current Fall Time 0.9 IL to 0.1 IL (2); (4) 1 µs
T3 (Ven) Source Current Turn-on Delay 0.5 Ven to 0.1 IL (2); (4) 0.3 µs
T4 (Ven) Source Current Rise Time 0.1 IL to 0.9 IL (2); (4) 0.4 µs
T5 (Ven) Sink Current Turn-off Delay 0.5 Ven to 0.9 IL (3); (4) 2.2 µs
T6 (Ven) Sink Current Fall Time 0.9 IL to 0.1 IL (3); (4) 0.35 µs
T7 (Ven) Sink Current Turn-on Delay 0.5 Ven to 0.9 IL (3); (4) 0.25 µs
T8 (Ven) Sink Current Rise Time 0.1 IL to 0.9 IL (3); (4) 0.1 µs
L298
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Figure 3 : Source Current Delay Times vs. Input or Enable Switching.
Figure 4 : Switching Times Test Circuits.
Note : For INPUT Switching, set EN = HFor ENABLE Switching, set IN = L
L298
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Figure 5 : Sink Current Delay Times vs. Input 0 V Enable Switching.
Figure 6 : Bidirectional DC Motor Control.
L = Low H = High X = Don’t care
Inputs Function
Ven = H C = H ; D = L Forward
C = L ; D = H Reverse
C = D Fast Motor Stop
Ven = L C = X ; D = X Free RunningMotor Stop
L298
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Figure 7 : For higher currents, outputs can be paralleled. Take care to parallel channel 1 with channel 4 and channel 2 with channel 3.
APPLICATION INFORMATION (Refer to the block diagram)1.1. POWER OUTPUT STAGE
The L298 integrates two power output stages (A ; B).The power output stage is a bridge configurationand its outputs can drive an inductive load in com-mon or differenzial mode, depending on the state ofthe inputs. The current that flows through the loadcomes out from the bridge at the sense output : anexternal resistor (RSA ; RSB.) allows to detect the in-tensity of this current.
1.2. INPUT STAGE
Each bridge is driven by means of four gates the in-put of which are In1 ; In2 ; EnA and In3 ; In4 ; EnB.The In inputs set the bridge state when The En inputis high ; a low state of the En input inhibits the bridge.All the inputs are TTL compatible.
2. SUGGESTIONS
A non inductive capacitor, usually of 100 nF, mustbe foreseen between both Vs and Vss, to ground,as near as possible to GND pin. When the large ca-pacitor of the power supply is too far from the IC, asecond smaller one must be foreseen near theL298.
The sense resistor, not of a wire wound type, mustbe grounded near the negative pole of Vs that mustbe near the GND pin of the I.C.
Each input must be connected to the source of thedriving signals by means of a very short path.
Turn-On and Turn-Off : Before to Turn-ON the Sup-ply Voltage and before to Turn it OFF, the Enable in-put must be driven to the Low state.
3. APPLICATIONS
Fig 6 shows a bidirectional DC motor control Sche-matic Diagram for which only one bridge is needed.The external bridge of diodes D1 to D4 is made byfour fast recovery elements (trr ≤ 200 nsec) thatmust be chosen of a VF as low as possible at theworst case of the load current.
The sense output voltage can be used to control thecurrent amplitude by chopping the inputs, or to pro-vide overcurrent protection by switching low the en-able input.
The brake function (Fast motor stop) requires thatthe Absolute Maximum Rating of 2 Amps mustnever be overcome.
When the repetitive peak current needed from theload is higher than 2 Amps, a paralleled configura-tion can be chosen (See Fig.7).
An external bridge of diodes are required when in-ductive loads are driven and when the inputs of theIC are chopped ; Shottky diodes would be preferred.
L298
7/13
This solution can drive until 3 Amps In DC operationand until 3.5 Amps of a repetitive peak current.
On Fig 8 it is shown the driving of a two phase bipolarstepper motor ; the needed signals to drive the in-puts of the L298 are generated, in this example,from the IC L297.
Fig 9 shows an example of P.C.B. designed for theapplication of Fig 8.
Fig 10 shows a second two phase bipolar steppermotor control circuit where the current is controlledby the I.C. L6506.
Figure 8 : Two Phase Bipolar Stepper Motor Circuit.
This circuit drives bipolar stepper motors with winding currents up to 2 A. The diodes are fast 2 A types.
RS1 = RS2 = 0.5 Ω
D1 to D8 = 2 A Fast diodes VF ≤ 1.2 V @ I = 2 Atrr ≤ 200 ns
L298
8/13
Figure 9 : Suggested Printed Circuit Board Layout for the Circuit of fig. 8 (1:1 scale).
Figure 10 : Two Phase Bipolar Stepper Motor Control Circuit by Using the Current Controller L6506.
RR and Rsense depend from the load current
L298
9/13
Multiwatt15 V
DIM.mm inch
MIN. TYP. MAX. MIN. TYP. MAX.
A 5 0.197
B 2.65 0.104
C 1.6 0.063
D 1 0.039
E 0.49 0.55 0.019 0.022
F 0.66 0.75 0.026 0.030
G 1.02 1.27 1.52 0.040 0.050 0.060
G1 17.53 17.78 18.03 0.690 0.700 0.710
H1 19.6 0.772
H2 20.2 0.795
L 21.9 22.2 22.5 0.862 0.874 0.886
L1 21.7 22.1 22.5 0.854 0.870 0.886
L2 17.65 18.1 0.695 0.713
L3 17.25 17.5 17.75 0.679 0.689 0.699
L4 10.3 10.7 10.9 0.406 0.421 0.429
L7 2.65 2.9 0.104 0.114
M 4.25 4.55 4.85 0.167 0.179 0.191
M1 4.63 5.08 5.53 0.182 0.200 0.218
S 1.9 2.6 0.075 0.102
S1 1.9 2.6 0.075 0.102
Dia1 3.65 3.85 0.144 0.152
OUTLINE ANDMECHANICAL DATA
L298
10/13
DIM.mm inch
MIN. TYP. MAX. MIN. TYP. MAX.
A 5 0.197
B 2.65 0.104
C 1.6 0.063
E 0.49 0.55 0.019 0.022
F 0.66 0.75 0.026 0.030
G 1.14 1.27 1.4 0.045 0.050 0.055
G1 17.57 17.78 17.91 0.692 0.700 0.705
H1 19.6 0.772
H2 20.2 0.795
L 20.57 0.810
L1 18.03 0.710
L2 2.54 0.100
L3 17.25 17.5 17.75 0.679 0.689 0.699
L4 10.3 10.7 10.9 0.406 0.421 0.429
L5 5.28 0.208
L6 2.38 0.094
L7 2.65 2.9 0.104 0.114
S 1.9 2.6 0.075 0.102
S1 1.9 2.6 0.075 0.102
Dia1 3.65 3.85 0.144 0.152
Multiwatt15 H
OUTLINE ANDMECHANICAL DATA
L298
11/13
JEDEC MO-166
PowerSO20
e
a2 A
E
a1
PSO20MEC
DETAIL A
T
D
1
1120
E1E2
h x 45
DETAIL Alead
sluga3
S
Gage Plane0.35
L
DETAIL B
R
DETAIL B
(COPLANARITY)
G C
- C -
SEATING PLANE
e3
b
c
NN
H
BOTTOM VIEW
E3
D1
DIM.mm inch
MIN. TYP. MAX. MIN. TYP. MAX.
A 3.6 0.142
a1 0.1 0.3 0.004 0.012
a2 3.3 0.130
a3 0 0.1 0.000 0.004
b 0.4 0.53 0.016 0.021
c 0.23 0.32 0.009 0.013
D (1) 15.8 16 0.622 0.630
D1 9.4 9.8 0.370 0.386
E 13.9 14.5 0.547 0.570
e 1.27 0.050
e3 11.43 0.450
E1 (1) 10.9 11.1 0.429 0.437
E2 2.9 0.114
E3 5.8 6.2 0.228 0.244
G 0 0.1 0.000 0.004
H 15.5 15.9 0.610 0.626
h 1.1 0.043
L 0.8 1.1 0.031 0.043
N 10 (max.)
S
T 10 0.394(1) "D and F" do not include mold flash or protrusions.- Mold flash or protrusions shall not exceed 0.15 mm (0.006").- Critical dimensions: "E", "G" and "a3"
OUTLINE ANDMECHANICAL DATA
8 (max.)
10
L298
12/13
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