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<

tccrxa=oxf3;

tccrxb=ox03;

ddrx |=(1<

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。

试验中，随着电位器阻值的调整，tb6612fng输出端电压测量值成比例变化，同时对电机实现启停和加减速控制，达到了预期试验效果，表明其输出和pwm输入之间具有良好的线性关系。

3 tb6612fng在轮式移动机器人平台的应用

为研究差速驱动方式的运动学特性和机器人路径规划算法，开发了一个轮式移动机器人试验平台，在其中应用tb6612fng对机器人的2个驱动电机进行控制。平台以单片机为控制核心，能实现零半径转向、轨迹跟踪、路径搜索等功能，并通过按键开关、液晶显示等单元进行操作和指示，是一个较为完整的小型机电运动控制系统。

如图5所示，系统硬件电路主要由电源、控制、传感、电机驱动、操作与指示等单元组成。系统采用电池组供电，通过稳压电路输出vm和vcc2路电压。稳压电路主要由开关型稳压器lm2576和三端稳压器7805构成，前者能提供输出电流最高3 a的vm，对电机驱动等单元供电，后者将电源稳压至vcc(+5 v)，对单片机及其外嗣电路供电。

选用高性能低功耗的atmega系列单片机作为控制核心，其运算速度高达1 mips/mhz，具有多路pwm和adc，适用于小型机器人和电机控制系统的开发。单片机通过adc或i/o连接传感器，同时定时器产生硬件pwm作为电机驱动控制信号。传感单元由光电和测距传感器等构成。移动机器人系统由按键开关和传感信号等组成前向通道，由pwm控制、tb6612fng、电机及液晶等组成后向通道。

控制系统通过传感器获取机器人运行位置信息，利用单片机对其进行读取和计算，由数字pid方式得到控制信号并输出至驱动器件，实时调整电机转速。pid控制基本流程如图6所示，其中比例项p为读取位置与给定位置的偏差;积分项i为p值的累加;微分项d为相邻p值之差;kp、ki、kd为pid参数。c为pid计算得到的调节控制量，b为设定的驱动电机基本转速，speedl和speedr分别为左右驱动电机的转速信号。系统启动后，循环执行流程，当运行位置发生偏离时，速度调节的计算结果由单片机输出，经ain1/ain2和bin1/bin2输入至tb6612fng，对电机转速进行快速调整，实现机器人位姿的校正和位置偏差的纠正，直到终点标志或接收停止指令。

试验表明，在系统高速运行时，tb6612fng对驱动电机的调速能够保持较好的连续性和平稳性。pid参数的设定对系统运行有很大影响，应根据运行控制要求，通过反复试验调整确定pid参数，选取kp、ki、kd的最优组合以取得良好的控制效果。系统取消积分环节，采用pd控制时，也能够得到较好的运行结果。

4 运行性能和建议

1)器件输出状态在驱动/制动之间切换时，电机转速和pwm占空比之间能保持较好的线性关系，其运行控制效果好于器件在驱动/停止状态之间切换，所以表1中的inl/in2一般不采用l/l控制组合。

2)fpwm较高时，电机运行连续平稳、噪音小，但器件功耗会随频率升高而增大;fpwm较低时，利于降低功耗，并能提高调速线性度，但过低的频率可能导致电机转动连贯性的降低。通常fpwm>;1 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。

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