基于TB6612FNG和單片機的直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計

　　以下列出的示例代碼設(shè)置為快速PWM反向輸出模式，當系統(tǒng)時鐘記為fclk時，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，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)值操作來實現(xiàn)，例如當OCRxx=203時，占空比為204/256=80%。編程時將速度變量值寫入OCRxx寄存器，從而達到改變占空比和對電機調(diào)速的目的。

　　文中通過電位器調(diào)速試驗來檢測TB6612FNG的PWM控制與電機輸出轉(zhuǎn)速間的線性關(guān)系。單片機ADC對精密多圈電位器的電壓值進行采樣，用于控制電機轉(zhuǎn)速。程序流程如圖4所示。首先進行電機控制信號的初始化，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)采樣并計算樣本均值作為當前速度值，代入速度函數(shù)。

　　試驗中，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，同時對電機實現(xiàn)啟停和加減速控制，達到了預期試驗效果，表明其輸出和PWM輸入之間具有良好的線性關(guān)系。

　　3 TB6612FNG在輪式移動機器人平臺的應(yīng)用

　　為研究差速驅(qū)動方式的運動學特性和機器人路徑規(guī)劃算法，開發(fā)了一個輪式移動機器人試驗平臺，在其中應(yīng)用TB6612FNG對機器人的2個驅(qū)動電機進行控制。平臺以單片機為控制核心，能實現(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)、液晶顯示等單元進行操作和指示，是一個較為完整的小型機電運動控制系統(tǒng)。

　　如圖5所示，系統(tǒng)硬件電路主要由電源、控制、傳感、電機驅(qū)動、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，對電機驅(qū)動等單元供電，后者將電源穩(wěn)壓至VCC(+5 V)，對單片機及其外嗣電路供電。

　　選用高性能低功耗的ATmega系列單片機作為控制核心，其運算速度高達1 MIPS/MHz，具有多路PWM和ADC，適用于小型機器人和電機控制系統(tǒng)的開發(fā)。單片機通過ADC或I/O連接傳感器，同時定時器產(chǎn)生硬件PWM作為電機驅(qū)動控制信號。傳感單元由光電和測距傳感器等構(gòu)成。移動機器人系統(tǒng)由按鍵開關(guān)和傳感信號等組成前向通道，由PWM控制、TB6612FNG、電機及液晶等組成后向通道。

　　控制系統(tǒng)通過傳感器獲取機器人運行位置信息，利用單片機對其進行讀取和計算，由數(shù)字PID方式得到控制信號并輸出至驅(qū)動器件，實時調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。PID控制基本流程如圖6所示，其中比例項P為讀取位置與給定位置的偏差;積分項I為P值的累加;微分項D為相鄰P值之差;Kp、Ki、Kd為PID參數(shù)。C為PID計算得到的調(diào)節(jié)控制量，B為設(shè)定的驅(qū)動電機基本轉(zhuǎn)速，speedL和speedR分別為左右驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速信號。系統(tǒng)啟動后，循環(huán)執(zhí)行流程，當運行位置發(fā)生偏離時，速度調(diào)節(jié)的計算結(jié)果由單片機輸出，經(jīng)AIN1/AIN2和BIN1/BIN2輸入至TB6612FNG，對電機轉(zhuǎn)速進行快速調(diào)整，實現(xiàn)機器人位姿的校正和位置偏差的糾正，直到終點標志或接收停止指令。

　　試驗表明，在系統(tǒng)高速運行時，TB6612FNG對驅(qū)動電機的調(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)運行有很大影響，應(yīng)根據(jù)運行控制要求，通過反復試驗調(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，也能夠得到較好的運行結(jié)果。

　　4 運行性能和建議

　　1)器件輸出狀態(tài)在驅(qū)動/制動之間切換時，電機轉(zhuǎn)速和PWM占空比之間能保持較好的線性關(guān)系，其運行控制效果好于器件在驅(qū)動/停止狀態(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，電機運行連續(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，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致電機轉(zhuǎn)動連貫性的降低。通常fPWM>1 kHz時，器件能夠穩(wěn)定的控制電機。

　　3)過大的PWM占空比會影響電機驅(qū)動電流的穩(wěn)定性和器件的輸出負載能力，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致其輸出功率的下降，電路PCB設(shè)計中應(yīng)保證足夠面積的覆銅，這樣有助于散熱，利于器件長時間穩(wěn)定工作。

　　5 結(jié)束語

　　利用TB6612FNG和單片機構(gòu)成直流電機控制單元，并將其應(yīng)用在差速驅(qū)動的輪式移動機器人系統(tǒng)中。試驗運行表明，這款器件與單片機結(jié)合應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)靈活穩(wěn)定的電機驅(qū)動控制。TB6612FNG在集成性、運行性能和輸出能力等方面達到了較好的平衡，適用于單、雙直流電機數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。