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基于TB6612FNG和單片機(jī)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)

作者: 時(shí)間:2010-09-12 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本設(shè)計(jì)中使用的是一款新型驅(qū)動(dòng)器件,能獨(dú)立雙向控制2個(gè),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(shì),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 簡(jiǎn)介

是東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款驅(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(cè)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(hào)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(wú)需外加散熱片,外圍電路簡(jiǎn)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(duì)于PWM信號(hào),它支持高達(dá)100 kHz的頻率,相對(duì)以上2款芯片的5 kHz和40 kHz也具有較大優(yōu)勢(shì)。

2 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。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(hào),如圖2中OCxA、0CxB對(duì)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(kāi)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(duì)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(hào),通過(guò)對(duì)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(hào)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(hào)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(hào)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(kāi)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(guò)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(guò)對(duì)輸出比較寄存器OCRxx的數(shù)值操作來(lái)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(duì)電機(jī)調(diào)速的目的。

文中通過(guò)電位器調(diào)速試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)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(duì)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(hào)的初始化,接著通過(guò)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(duì)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(cè)量值成比例變化,同時(shí)對(duì)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(tái)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(kāi)發(fā)了一個(gè)輪式移動(dòng)機(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái),在其中應(yīng)用TB6612FNG對(duì)機(jī)器人的2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。平臺(tái)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(guò)按鍵開(kāi)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(guò)穩(wěn)壓電路輸出VM和VCC2路電壓。穩(wěn)壓電路主要由開(kāi)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(duì)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(duì)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(kāi)發(fā)。單片機(jī)通過(guò)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(hào)。傳感單元由光電和測(cè)距傳感器等構(gòu)成。移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)由按鍵開(kāi)關(guān)和傳感信號(hào)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(guò)傳感器獲取機(jī)器人運(yùn)行位置信息,利用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行讀取和計(jì)算,由數(shù)字PID方式得到控制信號(hào)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(hào)。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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(huì)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(guò)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(guò)大的PWM占空比會(huì)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(guò)高會(huì)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(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用TB6612FNG和單片機(jī)構(gòu)成控制單元,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(kāi)發(fā)。



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