TB6612電機驅動原理圖詳解

一、TB6612芯片概述

TB6612FNG是東芝半導體公司生產的一款高性能雙路H橋型直流電機驅動芯片，專為中小功率電機控制設計。其核心優勢在于：

1. 雙通道驅動：可同時獨立控制兩個直流電機，或一個兩相步進電機，滿足多電機協同工作需求。

2. 高效率設計：采用集成MOSFET的H橋結構，無需外接散熱片，發熱量顯著低于傳統驅動芯片（如L298N），適用于緊湊型設備。

3. 靈活控制模式：支持正轉、反轉、制動、停止四種狀態，通過邏輯電平與PWM信號組合實現精確控制。

4. 寬電壓范圍：

• 電機供電電壓（VM）：2.5V至13.5V（典型值5V至12V），適配不同額定電壓的電機。

• 邏輯電壓（VCC）：2.7V至5.5V，兼容3.3V與5V單片機系統。

5. 高電流輸出：每通道持續輸出電流1.2A，峰值電流3.2A，滿足中小功率電機需求。

6. 高頻PWM支持：PWM輸入頻率最高可達100kHz，支持高精度調速，減少電機噪聲。

7. 保護機制：內置熱停機保護、低壓檢測電路，提升系統可靠性。

二、TB6612引腳功能與電路連接

TB6612FNG采用SSOP24封裝，引腳功能如下：

1. 電源與接地引腳

• VM（引腳13、14、24）：電機供電輸入端，連接外部電源（如電池或適配器）。

• VCC（引腳20）：邏輯電路供電輸入端，通常接3.3V或5V。

• GND（引腳3、4、9、10）：接地端，需與電源負極共地。

2. 電機控制引腳

• AIN1/AIN2（引腳21、22）：控制電機A的正反轉與停止。

• BIN1/BIN2（引腳17、16）：控制電機B的正反轉與停止。

• PWMA/PWMB（引腳23、15）：PWM信號輸入端，通過調節占空比控制電機轉速。

3. 電機輸出引腳

• AO1/AO2（引腳1、2、5、6）：電機A的輸出端，連接電機A的正負極。

• BO1/BO2（引腳11、12、7、8）：電機B的輸出端，連接電機B的正負極。

4. 使能與待機引腳

• STBY（引腳19）：待機控制引腳，高電平（VCC）時芯片正常工作，低電平（GND）時進入低功耗待機模式。

典型連接示例

以STM32F103C8T6單片機為例，連接方式如下：

1. 電源連接：

• VM接12V電池或適配器，VCC接3.3V/5V。

• GND與單片機GND共地。

2. 控制信號連接：

• AIN1/AIN2接STM32的GPIO（如PB0、PB1），BIN1/BIN2接GPIO（如PB2、PB3）。

• PWMA/PWMB接STM32的PWM輸出引腳（如PA8、PA9）。

3. 電機連接：

• 電機A的正負極接AO1/AO2，電機B的正負極接BO1/BO2。

4. 使能連接：

• STBY接VCC（高電平）或STM32的GPIO（可動態控制）。

三、H橋驅動電路原理

TB6612內部集成了兩個H橋電路，每個H橋由四個MOSFET組成（兩個PMOS與兩個NMOS），通過開關組合實現電流方向控制。

1. H橋工作模式

H橋的四種工作模式如下：

（1）正轉模式

• 邏輯輸入：AIN1=0（低電平），AIN2=1（高電平）。

• MOSFET狀態：

• 左側PMOS導通，左側NMOS截止。

• 右側PMOS截止，右側NMOS導通。

• 電流路徑：

• VM → 左側PMOS → 電機正極 → 電機負極 → 右側NMOS → GND。

• 電機狀態：正向旋轉。

（2）反轉模式

• 邏輯輸入：AIN1=1，AIN2=0。

• MOSFET狀態：

• 左側PMOS截止，左側NMOS導通。

• 右側PMOS導通，右側NMOS截止。

• 電流路徑：

• VM → 右側PMOS → 電機負極 → 電機正極 → 左側NMOS → GND。

• 電機狀態：反向旋轉。

（3）制動模式

• 邏輯輸入：AIN1=1，AIN2=1。

• MOSFET狀態：

• 左側PMOS與NMOS均導通，右側PMOS與NMOS均導通。

• 電流路徑：

• 電機兩端短接，產生反向電動勢，實現快速制動。

• 電機狀態：停止并制動。

（4）停止模式

• 邏輯輸入：AIN1=0，AIN2=0。

• MOSFET狀態：

• 左側PMOS導通，左側NMOS截止。

• 右側PMOS導通，右側NMOS截止。

• 電流路徑：

• 電機兩端均接VM，無電流通過。

• 電機狀態：慣性停止。

2. 自舉電路原理

TB6612采用自舉電路驅動高端PMOS，解決高端MOSFET柵極電壓不足的問題：

1. 自舉電容充電：當低端NMOS導通時，電流通過自舉二極管對自舉電容充電，電容兩端電壓接近VM。

2. 高端PMOS驅動：當高端PMOS需要導通時，自舉電容提供高于VM的柵極電壓，確保PMOS完全導通。

3. 優勢：無需額外升壓電路，簡化設計并降低成本。

四、PWM調速原理

PWM（脈沖寬度調制）通過調節占空比控制電機轉速：

1. 占空比與轉速關系：

• 占空比=0%：電機停止。

• 占空比=50%：電機半速旋轉。

• 占空比=100%：電機全速旋轉。

2. PWM頻率選擇：

• 典型頻率：10kHz至20kHz，避免可聽噪聲。

• 過高頻率可能導致芯片響應延遲，過低頻率可能引起電機抖動。

3. STM32實現示例：

五、硬件設計注意事項

1. 電源濾波：

• 在VM與GND之間并聯100μF電解電容與0.1μF陶瓷電容，濾除高頻噪聲。

• 在VCC與GND之間并聯10μF電解電容與0.1μF陶瓷電容，穩定邏輯電壓。

2. 散熱設計：

• 高電流工作時，芯片可能發熱，建議加裝散熱片或PCB鋪銅。

3. 電平匹配：

• 確保STM32的GPIO電平與TB6612的邏輯電平兼容（3.3V/5V）。

4. 電機選擇：

• 電機額定電壓需與VM匹配，電流不超過芯片持續輸出電流（1.2A）。

六、軟件控制實現

以下為STM32控制TB6612的完整代碼示例：

1. 初始化代碼

#include "stm32f10x.h"

// 定義引腳
#define MOTOR_AIN1_PIN GPIO_Pin_0
#define MOTOR_AIN2_PIN GPIO_Pin_1
#define MOTOR_PWMA_PIN GPIO_Pin_8
#define MOTOR_PORT GPIOA

void Motor_Init(void) {
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

// 使能時鐘
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

// 配置AIN1/AIN2為推挽輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MOTOR_AIN1_PIN | MOTOR_AIN2_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(MOTOR_PORT, &GPIO_InitStructure);

// 配置PWM引腳為復用推挽輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MOTOR_PWMA_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(MOTOR_PORT, &GPIO_InitStructure);

// 初始化TIM3
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 7200 - 1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

// 初始化PWM通道
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比0%
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

2. 電機控制函數

// 設置電機轉速與方向
void Motor_SetSpeed(int8_t speed) {
if (speed >= 0) {
// 正轉
GPIO_SetBits(MOTOR_PORT, MOTOR_AIN1_PIN);
GPIO_ResetBits(MOTOR_PORT, MOTOR_AIN2_PIN);
TIM_SetCompare1(TIM3, speed * 72); // 占空比=speed%
} else {
// 反轉
GPIO_ResetBits(MOTOR_PORT, MOTOR_AIN1_PIN);
GPIO_SetBits(MOTOR_PORT, MOTOR_AIN2_PIN);
TIM_SetCompare1(TIM3, -speed * 72); // 占空比=|speed|%
}
}

// 停止電機
void Motor_Stop(void) {
GPIO_ResetBits(MOTOR_PORT, MOTOR_AIN1_PIN);
GPIO_ResetBits(MOTOR_PORT, MOTOR_AIN2_PIN);
TIM_SetCompare1(TIM3, 0);
}

3. 主函數示例

int main(void) {
Motor_Init();

while (1) {
Motor_SetSpeed(50); // 正轉，50%占空比
Delay_ms(1000);
Motor_SetSpeed(-50); // 反轉，50%占空比
Delay_ms(1000);
Motor_Stop(); // 停止
Delay_ms(1000);
}
}

七、應用場景與擴展

TB6612廣泛應用于以下領域：

1. 機器人開發：作為移動底盤的動力源，控制電機正反轉與調速。

2. 自動化設備：驅動執行機構，如物料搬運、分揀系統。

3. 教育實驗套件：幫助學生理解電機控制原理與編程實踐。

4. 智能小車：實現前進、后退、轉向等動作。

擴展功能

1. 多電機協同控制：通過多個TB6612芯片實現四輪驅動或機械臂控制。

2. 閉環控制：結合編碼器反饋，實現速度或位置閉環控制。

3. 無線遙控：通過藍牙或WiFi模塊，實現遠程電機控制。

八、總結

TB6612FNG是一款高性能、低成本的電機驅動芯片，適用于中小功率電機控制。通過H橋電路與PWM調速，可實現精確的電機控制。硬件設計需注意電源濾波與散熱，軟件控制需合理配置GPIO與PWM。其廣泛應用于機器人、自動化設備等領域，是電機控制領域的理想選擇。