Hola gera:
La tensión de voltage inversa de un diodo normalito cono el 1n4001 es de 50V con lo que dudo mucho que si tu integrado lleva un puente de diodos para los motores hayan sido estos el problema.
Por otro lado con todos los integrados que he probado para controlar motores (Freescale, ST, TI, etc...), envio la señal del PWM por el pin enable y nunca he tenido problemas ninguno, incluso con motores de 24V a 5A y con estos diodos que te comento.
Por otro lado estaré atento a tus progresos en el robot equilibrista ya que me parece muy interesante e intentaré ayudarte en lo posible.
Un saludete.