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;PWM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<<TOIEX;< p=""> </TOIEX;<>

TCCRxA=OxF3;

TCCRxB=Ox03;

DDRx |=(1<<PXX);< p=""> </PXX);<>

为获得更高的PWM波形精度,可以采用相位修正的PWM输出模式,不过在精度提高的同时,fPWM也将减半,以下代码得到fPWM=fclk/64/512。

TCCRxA=0xF1:

TCCRxB=0x03;

PWM占空比大小的改变通过对输出比较寄存器OCRxx的数值操作来实现,例如当OCRxx=203时,占空比为204/256=80%。编程时将速度变量值写入OCRxx寄存器,从而达到改变占空比和对电机调速的目的。

文中通过电位器调速试验来检测TB6612FNG的PWM控制与电机输出转速间的线性关系。单片机ADC对精密多圈电位器的电压值进行采样,用于控制电机转速。程序流程如图4所示。首先进行电机控制信号的初始化,接着通过设置ADC控制状态寄存器ADCSRA和ADC多路复用选择寄存器ADMUX选择ADC频率和通道,然后选取合适的样本数量,对ADC循环采样并计算样本均值作为当前速度值,代入速度函数。

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