TB6612电机驱动原理图详解

一、TB6612芯片概述

TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款高性能双路H桥型直流电机驱动芯片，专为中小功率电机控制设计。其核心优势在于：

1. 双通道驱动：可同时独立控制两个直流电机，或一个两相步进电机，满足多电机协同工作需求。

2. 高效率设计：采用集成MOSFET的H桥结构，无需外接散热片，发热量显著低于传统驱动芯片（如L298N），适用于紧凑型设备。

3. 灵活控制模式：支持正转、反转、制动、停止四种状态，通过逻辑电平与PWM信号组合实现精确控制。

4. 宽电压范围：

• 电机供电电压（VM）：2.5V至13.5V（典型值5V至12V），适配不同额定电压的电机。

• 逻辑电压（VCC）：2.7V至5.5V，兼容3.3V与5V单片机系统。

5. 高电流输出：每通道持续输出电流1.2A，峰值电流3.2A，满足中小功率电机需求。

6. 高频PWM支持：PWM输入频率最高可达100kHz，支持高精度调速，减少电机噪声。

7. 保护机制：内置热停机保护、低压检测电路，提升系统可靠性。

二、TB6612引脚功能与电路连接

TB6612FNG采用SSOP24封装，引脚功能如下：

1. 电源与接地引脚

• VM（引脚13、14、24）：电机供电输入端，连接外部电源（如电池或适配器）。

• VCC（引脚20）：逻辑电路供电输入端，通常接3.3V或5V。

• GND（引脚3、4、9、10）：接地端，需与电源负极共地。

2. 电机控制引脚

• AIN1/AIN2（引脚21、22）：控制电机A的正反转与停止。

• BIN1/BIN2（引脚17、16）：控制电机B的正反转与停止。

• PWMA/PWMB（引脚23、15）：PWM信号输入端，通过调节占空比控制电机转速。

3. 电机输出引脚

• AO1/AO2（引脚1、2、5、6）：电机A的输出端，连接电机A的正负极。

• BO1/BO2（引脚11、12、7、8）：电机B的输出端，连接电机B的正负极。

4. 使能与待机引脚

• STBY（引脚19）：待机控制引脚，高电平（VCC）时芯片正常工作，低电平（GND）时进入低功耗待机模式。

典型连接示例

以STM32F103C8T6单片机为例，连接方式如下：

1. 电源连接：

• VM接12V电池或适配器，VCC接3.3V/5V。

• GND与单片机GND共地。

2. 控制信号连接：

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

• PWMA/PWMB接STM32的PWM输出引脚（如PA8、PA9）。

3. 电机连接：

• 电机A的正负极接AO1/AO2，电机B的正负极接BO1/BO2。

4. 使能连接：

• STBY接VCC（高电平）或STM32的GPIO（可动态控制）。

三、H桥驱动电路原理

TB6612内部集成了两个H桥电路，每个H桥由四个MOSFET组成（两个PMOS与两个NMOS），通过开关组合实现电流方向控制。

1. H桥工作模式

H桥的四种工作模式如下：

（1）正转模式

• 逻辑输入：AIN1=0（低电平），AIN2=1（高电平）。

• MOSFET状态：

• 左侧PMOS导通，左侧NMOS截止。

• 右侧PMOS截止，右侧NMOS导通。

• 电流路径：

• VM → 左侧PMOS → 电机正极 → 电机负极 → 右侧NMOS → GND。

• 电机状态：正向旋转。

（2）反转模式

• 逻辑输入：AIN1=1，AIN2=0。

• MOSFET状态：

• 左侧PMOS截止，左侧NMOS导通。

• 右侧PMOS导通，右侧NMOS截止。

• 电流路径：

• VM → 右侧PMOS → 电机负极 → 电机正极 → 左侧NMOS → GND。

• 电机状态：反向旋转。

（3）制动模式

• 逻辑输入：AIN1=1，AIN2=1。

• MOSFET状态：

• 左侧PMOS与NMOS均导通，右侧PMOS与NMOS均导通。

• 电流路径：

• 电机两端短接，产生反向电动势，实现快速制动。

• 电机状态：停止并制动。

（4）停止模式

• 逻辑输入：AIN1=0，AIN2=0。

• MOSFET状态：

• 左侧PMOS导通，左侧NMOS截止。

• 右侧PMOS导通，右侧NMOS截止。

• 电流路径：

• 电机两端均接VM，无电流通过。

• 电机状态：惯性停止。

2. 自举电路原理

TB6612采用自举电路驱动高端PMOS，解决高端MOSFET栅极电压不足的问题：

1. 自举电容充电：当低端NMOS导通时，电流通过自举二极管对自举电容充电，电容两端电压接近VM。

2. 高端PMOS驱动：当高端PMOS需要导通时，自举电容提供高于VM的栅极电压，确保PMOS完全导通。

3. 优势：无需额外升压电路，简化设计并降低成本。

四、PWM调速原理

PWM（脉冲宽度调制）通过调节占空比控制电机转速：

1. 占空比与转速关系：

• 占空比=0%：电机停止。

• 占空比=50%：电机半速旋转。

• 占空比=100%：电机全速旋转。

2. PWM频率选择：

• 典型频率：10kHz至20kHz，避免可听噪声。

• 过高频率可能导致芯片响应延迟，过低频率可能引起电机抖动。

3. STM32实现示例：

五、硬件设计注意事项

1. 电源滤波：

• 在VM与GND之间并联100μF电解电容与0.1μF陶瓷电容，滤除高频噪声。

• 在VCC与GND之间并联10μF电解电容与0.1μF陶瓷电容，稳定逻辑电压。

2. 散热设计：

• 高电流工作时，芯片可能发热，建议加装散热片或PCB铺铜。

3. 电平匹配：

• 确保STM32的GPIO电平与TB6612的逻辑电平兼容（3.3V/5V）。

4. 电机选择：

• 电机额定电压需与VM匹配，电流不超过芯片持续输出电流（1.2A）。

六、软件控制实现

以下为STM32控制TB6612的完整代码示例：

1. 初始化代码

#include "stm32f10x.h"

// 定义引脚
#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;

// 使能时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

// 配置AIN1/AIN2为推挽输出
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引脚为复用推挽输出
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. 电机控制函数

// 设置电机转速与方向
void Motor_SetSpeed(int8_t speed) {
if (speed >= 0) {
// 正转
GPIO_SetBits(MOTOR_PORT, MOTOR_AIN1_PIN);
GPIO_ResetBits(MOTOR_PORT, MOTOR_AIN2_PIN);
TIM_SetCompare1(TIM3, speed * 72); // 占空比=speed%
} else {
// 反转
GPIO_ResetBits(MOTOR_PORT, MOTOR_AIN1_PIN);
GPIO_SetBits(MOTOR_PORT, MOTOR_AIN2_PIN);
TIM_SetCompare1(TIM3, -speed * 72); // 占空比=|speed|%
}
}

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

3. 主函数示例

int main(void) {
Motor_Init();

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

七、应用场景与扩展

TB6612广泛应用于以下领域：

1. 机器人开发：作为移动底盘的动力源，控制电机正反转与调速。

2. 自动化设备：驱动执行机构，如物料搬运、分拣系统。

3. 教育实验套件：帮助学生理解电机控制原理与编程实践。

4. 智能小车：实现前进、后退、转向等动作。

扩展功能

1. 多电机协同控制：通过多个TB6612芯片实现四轮驱动或机械臂控制。

2. 闭环控制：结合编码器反馈，实现速度或位置闭环控制。

3. 无线遥控：通过蓝牙或WiFi模块，实现远程电机控制。

八、总结

TB6612FNG是一款高性能、低成本的电机驱动芯片，适用于中小功率电机控制。通过H桥电路与PWM调速，可实现精确的电机控制。硬件设计需注意电源滤波与散热，软件控制需合理配置GPIO与PWM。其广泛应用于机器人、自动化设备等领域，是电机控制领域的理想选择。