基于TB6612FNG和单片机的直流电机控制系统设计

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本设计中使用的TB6612FNG是一款新型驱动器件，能独立双向控制2个直流电机，它具有很高的集成度，同时能提供足够的输出能力，运行性能和能耗方面也具有优势，因此在集成化、小型化的电机控制系统中，它可以作为理想的电机驱动器件。
　　1 TB6612FNG简介
　　TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，它具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动2个电机。
　　TB6612FNG每通道输出最高1.2 A的连续驱动电流，启动峰值电流达2A/3.2 A(连续脉冲/单脉冲);4种电机控制模式：正转/反转/制动/停止WM支持频率高达100 kHz;待机状态;片内低压检测电路与热停机保护电路;工作温度：-20～85℃;SSOP24小型贴片封装。
　　




　　如图1所示，TB6612FNG的主要引脚功能：AINl/AIN2、BIN1/BIN2、PWMA/PWMB为控制信号输入端;AO1/A02、B01/B02为2路电机控制输出端;STBY为正常工作/待机状态控制引脚;VM(4.5～15 V)和VCC(2.7～5.5 V)分别为电机驱动电压输入和逻辑电平输入端。
　　TB6612FNG是基于MOSFET的H桥集成电路，其效率高于晶体管H桥驱动器。相比L293D每通道平均600 mA的驱动电流和1.2 A的脉冲峰值电流，它的输出负载能力提高了一倍。相比L298N的热耗性和外围二极管续流电路，它无需外加散热片，外围电路简单，只需外接电源滤波电容
　　就可以直接驱动电机，利于减小系统尺寸。对于PWM信号，它支持高达100 kHz的频率，相对以上2款芯片的5 kHz和40 kHz也具有较大优势。
　　2 电机控制单元设计
　　2.1 单元硬件构成
　　图2所示为TB6612FNG与AVR单片机组成的电机控制单元。单片机定时器产生4路PWM输出作为AIN1/AIN2和BIN1/BIN2控制信号，如图2中OCxA、0CxB对电机M1和M2的控制。采用定时器输出硬件PWM脉冲，使得单片机CPU只在改变PWM占空比时参与运算，大大减轻了系统运算负担和PWM软件编程开销。输入引脚PWMA、PWMB和STBY由I/0电平控制电机运行或制动状态以及器件工作状态。电路采用耐压值25 V的10μF电解电容和0.1μF的电容进行电源滤波，使用功率MOSFET对VM和VCC提供电源反接保护。
　　




　　2.2 电机控制的软件实现
　　脉宽调制方式产生占空比变化的PWM信号，通过对驱动器输出状态的快速切换，实现电机的速度控制。PWM占空比的大小决定输出电压平均值，进而决定电机的转速。文中采用单极性、定频调宽的PWM调制方式，保证电机调速控制的稳定性。TB6612FNG的逻辑真值表如表1所示。该器件工作时STBY引脚置为高电平;IN1和IN2不变，调整PWM引脚的输入信号可进行电机单向速度控制;置PWM引脚为高电平，并调整IN1和IN2的输入信号可进行电机双向速度控制。表中A、B两通道的控制逻辑相同。
　　




　　单片机定时器PWM输出设置如图3所示。首先需设置T/C中断屏蔽寄存器TIMSKx使能定时器溢出中断。其次分别设置T/C控制寄存器TCC-RxA和TCCRxB选择PWM模式和预分频比，最后将控制信号引脚I/0置为输出。程序运行时，每当定时器计数产生溢出，CPU响应中断，定时器回零后重新开始计数。
　　




　　以下列出的示例代码设置为快速PWM反向输出模式，当系统时钟记为fclk时，PWM输出频率fPWM=fclk/64/256。
　　TIMSKx |=1
　　TCCRxA=OxF3;
　　TCCRxB=Ox03;
　　DDRx |=(11 kHz时，器件能够稳定的控制电机。
　　3)过大的PWM占空比会影响电机驱动电流的稳定性和器件的输出负载能力，应根据不同的速度要求合理设定占空比范围。
　　4)器件工作温度过高会导致其输出功率的下降，电路PCB设计中应保证足够面积的覆铜，这样有助于散热，利于器件长时间稳定工作。
　　5 结束语
　　利用TB6612FNG和单片机构成直流电机控制单元，并将其应用在差速驱动的轮式移动机器人系统中。试验运行表明，这款器件与单片机结合应用能够实现灵活稳定的电机驱动控制。TB6612FNG在集成性、运行性能和输出能力等方面达到了较好的平衡，适用于单、双直流电机数字控制系统的设计开发。