基于TB6612FNG和单片机的直流电机控制系统设计

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。