TB6612FNG簡介及其與單片機(jī)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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本設(shè)計(jì)中使用的TB6612FNG是一款新型驅(qū)動(dòng)器件，能獨(dú)立雙向控制2個(gè)直流電機(jī)，它具有很高的集成度，同時(shí)能提供足夠的輸出能力，運(yùn)行性能和能耗方面也具有優(yōu)勢，因此在集成化、小型化的電機(jī)控制系統(tǒng)中，它可以作為理想的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件。
1 TB6612FNG簡介
TB6612FNG是東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件，它具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)。
TB6612FNG每通道輸出最高1.2 A的連續(xù)驅(qū)動(dòng)電流，啟動(dòng)峰值電流達(dá)2A/3.2 A(連續(xù)脈沖/單脈沖);4種電機(jī)控制模式：正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/制動(dòng)/停止;PWM支持頻率高達(dá)100 kHz;待機(jī)狀態(tài);片內(nèi)低壓檢測電路與熱停機(jī)保護(hù)電路;工作溫度：-20～85℃;SSOP24小型貼片封裝。
如圖1所示，TB6612FNG的主要引腳功能：AINl/AIN2、BIN1/BIN2、PWMA/PWMB為控制信號輸入端;AO1/A02、B01/B02為2路電機(jī)控制輸出端;STBY為正常工作/待機(jī)狀態(tài)控制引腳;VM(4.5～15 V)和VCC(2.7～5.5 V)分別為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓輸入和邏輯電平輸入端。
TB6612FNG是基于MOSFET的H橋集成電路，其效率高于晶體管H橋驅(qū)動(dòng)器。相比L293D每通道平均600 mA的驅(qū)動(dòng)電流和1.2 A的脈沖峰值電流，它的輸出負(fù)載能力提高了一倍。相比L298N的熱耗性和外圍二極管續(xù)流電路，它無需外加散熱片，外圍電路簡單，只需外接電源濾波電容
就可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利于減小系統(tǒng)尺寸。對于PWM信號，它支持高達(dá)100 kHz的頻率，相對以上2款芯片的5 kHz和40 kHz也具有較大優(yōu)勢。
2 電機(jī)控制單元設(shè)計(jì)
2.1 單元硬件構(gòu)成
圖2所示為TB6612FNG與AVR單片機(jī)組成的電機(jī)控制單元。單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生4路PWM輸出作為AIN1/AIN2和BIN1/BIN2控制信號，如圖2中OCxA、0CxB對電機(jī)M1和M2的控制。采用定時(shí)器輸出硬件PWM脈沖，使得單片機(jī)CPU只在改變PWM占空比時(shí)參與運(yùn)算，大大減輕了系統(tǒng)運(yùn)算負(fù)擔(dān)和PWM軟件編程開銷。輸入引腳PWMA、PWMB和STBY由I/0電平控制電機(jī)運(yùn)行或制動(dòng)狀態(tài)以及器件工作狀態(tài)。電路采用耐壓值25 V的10μF電解電容和0.1μF的電容進(jìn)行電源濾波，使用功率MOSFET對VM和VCC提供電源反接保護(hù)。
2.2 電機(jī)控制的軟件實(shí)現(xiàn)
脈寬調(diào)制方式產(chǎn)生占空比變化的PWM信號，通過對驅(qū)動(dòng)器輸出狀態(tài)的快速切換，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。PWM占空比的大小決定輸出電壓平均值，進(jìn)而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。文中采用單極性、定頻調(diào)寬的PWM調(diào)制方式，保證電機(jī)調(diào)速控制的穩(wěn)定性。TB6612FNG的邏輯真值表如表1所示。該器件工作時(shí)STBY引腳置為高電平;IN1和IN2不變，調(diào)整PWM引腳的輸入信號可進(jìn)行電機(jī)單向速度控制;置PWM引腳為高電平，并調(diào)整IN1和IN2的輸入信號可進(jìn)行電機(jī)雙向速度控制。表中A、B兩通道的控制邏輯相同。
單片機(jī)定時(shí)器PWM輸出設(shè)置如圖3所示。首先需設(shè)置T/C中斷屏蔽寄存器TIMSKx使能定時(shí)器溢出中斷。其次分別設(shè)置T/C控制寄存器TCC-RxA和TCCRxB選擇PWM模式和預(yù)分頻比，最后將控制信號引腳I/0置為輸出。程序運(yùn)行時(shí)，每當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)產(chǎn)生溢出，CPU響應(yīng)中斷，定時(shí)器回零后重新開始計(jì)數(shù)。
以下列出的示例代碼設(shè)置為快速PWM反向輸出模式，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘記為fclk時(shí)，PWM輸出頻率fPWM=fclk/64/256。
TIMSKx |=1<
TCCRxA=OxF3;
TCCRxB=Ox03;
DDRx |=(1<
為獲得更高的PWM波形精度，可以采用相位修正的PWM輸出模式，不過在精度提高的同時(shí)，fPWM也將減半，以下代碼得到fPWM=fclk/64/512。
TCCRxA=0xF1：
TCCRxB=0x03;
PWM占空比大小的改變通過對輸出比較寄存器OCRxx的數(shù)值操作來實(shí)現(xiàn)，例如當(dāng)OCRxx=203時(shí)，占空比為204/256=80%。編程時(shí)將速度變量值寫入OCRxx寄存器，從而達(dá)到改變占空比和對電機(jī)調(diào)速的目的。
文中通過電位器調(diào)速試驗(yàn)來檢測TB6612FNG的PWM控制與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速間的線性關(guān)系。單片機(jī)ADC對精密多圈電位器的電壓值進(jìn)行采樣，用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。程序流程如圖4所示。首先進(jìn)行電機(jī)控制信號的初始化，接著通過設(shè)置ADC控制狀態(tài)寄存器ADCSRA和ADC多路復(fù)用選擇寄存器ADMUX選擇ADC頻率和通道，然后選取合適的樣本數(shù)量，對ADC循環(huán)采樣并計(jì)算樣本均值作為當(dāng)前速度值，代入速度函數(shù)。
試驗(yàn)中，隨著電位器阻值的調(diào)整，TB6612FNG輸出端電壓測量值成比例變化，同時(shí)對電機(jī)實(shí)現(xiàn)啟停和加減速控制，達(dá)到了預(yù)期試驗(yàn)效果，表明其輸出和PWM輸入之間具有良好的線性關(guān)系。
3 TB6612FNG在輪式移動(dòng)機(jī)器人平臺的應(yīng)用
為研究差速驅(qū)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和機(jī)器人路徑規(guī)劃算法，開發(fā)了一個(gè)輪式移動(dòng)機(jī)器人試驗(yàn)平臺，在其中應(yīng)用TB6612FNG對機(jī)器人的2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。平臺以單片機(jī)為控制核心，能實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向、軌跡跟蹤、路徑搜索等功能，并通過按鍵開關(guān)、液晶顯示等單元進(jìn)行操作和指示，是一個(gè)較為完整的小型機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
如圖5所示，系統(tǒng)硬件電路主要由電源、控制、傳感、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、操作與指示等單元組成。系統(tǒng)采用電池組供電，通過穩(wěn)壓電路輸出VM和VCC2路電壓。穩(wěn)壓電路主要由開關(guān)型穩(wěn)壓器LM2576和三端穩(wěn)壓器7805構(gòu)成，前者能提供輸出電流最高3 A的VM，對電機(jī)驅(qū)動(dòng)等單元供電，后者將電源穩(wěn)壓至VCC(+5 V)，對單片機(jī)及其外嗣電路供電。
選用高性能低功耗的ATmega系列單片機(jī)作為控制核心，其運(yùn)算速度高達(dá)1 MIPS/MHz，具有多路PWM和ADC，適用于小型機(jī)器人和電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)。單片機(jī)通過ADC或I/O連接傳感器，同時(shí)定時(shí)器產(chǎn)生硬件PWM作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制信號。傳感單元由光電和測距傳感器等構(gòu)成。移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)由按鍵開關(guān)和傳感信號等組成前向通道，由PWM控制、TB6612FNG、電機(jī)及液晶等組成后向通道。
控制系統(tǒng)通過傳感器獲取機(jī)器人運(yùn)行位置信息，利用單片機(jī)對其進(jìn)行讀取和計(jì)算，由數(shù)字PID方式得到控制信號并輸出至驅(qū)動(dòng)器件，實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。PID控制基本流程如圖6所示，其中比例項(xiàng)P為讀取位置與給定位置的偏差;積分項(xiàng)I為P值的累加;微分項(xiàng)D為相鄰P值之差;Kp、Ki、Kd為PID參數(shù)。C為PID計(jì)算得到的調(diào)節(jié)控制量，B為設(shè)定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本轉(zhuǎn)速，speedL和speedR分別為左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號。系統(tǒng)啟動(dòng)后，循環(huán)執(zhí)行流程，當(dāng)運(yùn)行位置發(fā)生偏離時(shí)，速度調(diào)節(jié)的計(jì)算結(jié)果由單片機(jī)輸出，經(jīng)AIN1/AIN2和BIN1/BIN2輸入至TB6612FNG，對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行快速調(diào)整，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位姿的校正和位置偏差的糾正，直到終點(diǎn)標(biāo)志或接收停止指令。
試驗(yàn)表明，在系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí)，TB6612FNG對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速能夠保持較好的連續(xù)性和平穩(wěn)性。PID參數(shù)的設(shè)定對系統(tǒng)運(yùn)行有很大影響，應(yīng)根據(jù)運(yùn)行控制要求，通過反復(fù)試驗(yàn)調(diào)整確定PID參數(shù)，選取Kp、Ki、Kd的最優(yōu)組合以取得良好的控制效果。系統(tǒng)取消積分環(huán)節(jié)，采用PD控制時(shí)，也能夠得到較好的運(yùn)行結(jié)果。
4 運(yùn)行性能和建議
1)器件輸出狀態(tài)在驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)之間切換時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和PWM占空比之間能保持較好的線性關(guān)系，其運(yùn)行控制效果好于器件在驅(qū)動(dòng)/停止?fàn)顟B(tài)之間切換，所以表1中的INl/IN2一般不采用L/L控制組合。
2)fPWM較高時(shí)，電機(jī)運(yùn)行連續(xù)平穩(wěn)、噪音小，但器件功耗會隨頻率升高而增大;fPWM較低時(shí)，利于降低功耗，并能提高調(diào)速線性度，但過低的頻率可能導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)連貫性的降低。通常fPWM>1 kHz時(shí)，器件能夠穩(wěn)定的控制電機(jī)。
3)過大的PWM占空比會影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定性和器件的輸出負(fù)載能力，應(yīng)根據(jù)不同的速度要求合理設(shè)定占空比范圍。
4)器件工作溫度過高會導(dǎo)致其輸出功率的下降，電路PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)保證足夠面積的覆銅，這樣有助于散熱，利于器件長時(shí)間穩(wěn)定工作。
5 結(jié)束語
利用TB6612FNG和單片機(jī)構(gòu)成直流電機(jī)控制單元，并將其應(yīng)用在差速驅(qū)動(dòng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中。試驗(yàn)運(yùn)行表明，這款器件與單片機(jī)結(jié)合應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)靈活穩(wěn)定的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。TB6612FNG在集成性、運(yùn)行性能和輸出能力等方面達(dá)到了較好的平衡，適用于單、雙直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。
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