Driver per motori TB6612FNG

Che cos’è

TB6612FNG è un driver per motori a doppio ponte H che svolge lo stesso compito di L298N — sta tra i pin logici di un microcontrollore e motori che richiedono molta più corrente — ma realizza lo stadio di uscita con MOSFET anziché con transistor bipolari. Questa singola modifica è tutta la storia: un interruttore MOSFET perde qualche decimo di volt, mentre lo stadio dell’L298N ne perde circa due.

Con una batteria da 6 V che pilota motori da 6 V, la differenza rappresenta gran parte della velocità. Rappresenta anche gran parte del calore: l’L298N richiede un dissipatore alle correnti prolungate, mentre una scheda portante TB6612FNG grande come un francobollo diventa soltanto tiepida.

Come controllarlo

Ogni motore richiede tre segnali, più un pin condiviso per il chip:

• Due pin di direzione (AIN1/AIN2 per il motore A, BIN1/BIN2 per il motore B) selezionano marcia avanti, marcia indietro, freno o moto libero.
• Un pin PWM (PWMA o PWMB) imposta la velocità. A differenza di L298N, in cui il PWM è applicato a un pin di abilitazione, TB6612FNG dispone di un ingresso PWM dedicato per ogni canale, che accetta fino a 100 kHz: abbastanza elevati per commutare sopra la gamma udibile, così il robot smette di ronziare.
• Un pin STBY condiviso. Tienilo a livello LOW ed entrambi i ponti sono inattivi, indipendentemente da tutto il resto.

Vale la pena ripetere il discorso sul pin STBY, perché costa una serata ai principianti: un TB6612FNG cablato correttamente con STBY lasciato libero o a livello LOW non fa assolutamente nulla, in silenzio e senza alcun errore da consultare.

Quando usarlo

Scegli TB6612FNG quando i motori sono piccoli e la batteria è preziosa: è una descrizione che vale per quasi ogni inseguitore di linee e robot per labirinto di linee. I piccoli robot funzionano a 6–7.4 V, esattamente l’intervallo in cui la perdita di 2 V dell’L298N fa più danno, e usano una batteria che si preferisce non sprecare sotto forma di calore.

Resta con L298N quando l’alimentazione dei motori supera 13.5 V, valore che TB6612FNG non accetta, oppure quando servono più di circa 1.2 A in continuo per canale.

Cablaggio e aspetti critici

• Porta STBY a livello HIGH. La prima cosa che setup() deve fare dopo pinMode.
• Due alimentazioni, una terra. Batteria dei motori a VM, Arduino 5 V a VCC e tutte le terre collegate insieme — Arduino, driver, schiera di sensori e negativo della batteria. Una terra comune mancante non dà riferimento ai segnali di controllo e il guasto è silenzioso.
• Rispetta 13.5 V. Non c’è un regolatore a bordo né margine oltre l’alimentazione massima dei motori. Un pacco al litio 3S da 12.6 V nominali la supera appena caricato.
• Un motore che gira nel verso sbagliato si corregge in due secondi. Scambia i due fili di uscita di quel motore oppure inverti la logica di direzione nel firmware. Fallo prima di regolare qualsiasi altro parametro, altrimenti perderai tempo inseguendo un errore di controllo che in realtà è di cablaggio.

Piedinatura

Due file sulla comune scheda portante in stile SparkFun: logica da un lato, alimentazione e motori dall’altro.

Tabella di verità

La prima riga è quella che costa una serata. Una scheda cablata perfettamente con STBY lasciato libero non fa assolutamente nulla, e un pin non pilotato è per definizione libero. Portalo a livello HIGH in setup(), alla prima riga dopo pinMode.

Cablaggio ad Arduino

Codice funzionale minimo

const int STBY = 12;
const int PWMA = 9, AIN1 = 8, AIN2 = 7;
const int PWMB = 3, BIN1 = 5, BIN2 = 4;

void setup() {
  for (int p : {STBY, PWMA, AIN1, AIN2, PWMB, BIN1, BIN2}) pinMode(p, OUTPUT);
  digitalWrite(STBY, HIGH);          // without this, nothing happens at all
}

// speed: -255..255
void driveA(int speed) {
  speed = constrain(speed, -255, 255);
  digitalWrite(AIN1, speed > 0);
  digitalWrite(AIN2, speed < 0);
  analogWrite(PWMA, abs(speed));
}

void brakeA() {                       // short brake: both direction pins high
  digitalWrite(AIN1, HIGH);
  digitalWrite(AIN2, HIGH);
}

void loop() {
  driveA(200); delay(1000);
  brakeA();    delay(300);
  driveA(-200); delay(1000);
  brakeA();    delay(300);
}

Eliminare il ronzio

Questo è il silenzioso superpotere di TB6612FNG, che quasi nessuno sfrutta. Il driver accetta PWM fino a 100 kHz, ma analogWrite di Arduino Uno funziona a 490 Hz sulla maggior parte dei pin e a 980 Hz sui pin 5 e 6, nettamente nella gamma udibile: è per questo che un robot cant mentre si muove.

L’orecchio umano arriva fino a circa 20 kHz. Portando il PWM sopra questa soglia il rumore scompare completamente. Su Uno, i pin 9 e 10 sono controllati dal Timer 1, che è possibile riprogrammare:

void setup() {
  // Timer1 (pins 9, 10): phase-correct PWM, no prescaler -> ~31.4 kHz
  TCCR1B = (TCCR1B & 0b11111000) | 0x01;
}

Questa singola riga porta la frequenza di commutazione a circa 31 kHz: impercettibile e ancora ben all’interno della capacità del driver. Il costo è che anche Timer 1 è usato dalla libreria Servo, quindi non è possibile usarli entrambi sullo stesso timer.

Un L298N non può seguirti fin lassù: il suo stadio bipolare commuta troppo lentamente e le perdite aumentano fortemente con la frequenza. Questo è un vantaggio reale e pratico dello stadio MOSFET, al di là dei soli dati di efficienza.

Che cosa si guadagna davvero con 0.5 V invece di 2 V

Più bassa è l’alimentazione, più conta la differenza: è esattamente il contrario di dove ci si aspetta che conti ed è proprio il motivo per cui il passaggio trasforma i piccoli robot.

C’è anche una conseguenza termica. A 1 A per canale l’L298N dissipa circa 2 W per canale; il TB6612FNG dissipa circa 0.5 W complessivamente. È la differenza fra un componente che richiede dissipatore e flusso d’aria e uno che puoi nascondere sotto una piastra del telaio.

Risoluzione dei problemi

I due canali possono essere collegati in parallelo per un solo motore: collega AIN1 a BIN1, AIN2 a BIN2, PWMA a PWMB e le uscite insieme, ottenendo circa 2.4 A in continuo. Il foglio dati lo supporta ed è la soluzione standard quando un motore supera di poco il limite.

Quando TB6612FNG è la scelta sbagliata

È la scelta predefinita corretta per i piccoli robot e ci sono tre casi chiari in cui non lo è.

Sopra 13.5 V. Non c’è margine né regolatore. Un pacco 4S è fuori discussione e un pacco 3S richiede un controllo quando è appena caricato.

Sopra circa 1.2 A in continuo per canale, quando anche il collegamento in parallelo non basta. Un L298N gestisce 2 A per canale con un dissipatore e un BTS7960 raggiunge 43 A per motori davvero grandi.

Quando servono rilevamento o limitazione della corrente. DRV8833 è simile a TB6612FNG sotto ogni altro aspetto e aggiunge la limitazione di corrente, che permette al driver di proteggersi dallo stallo anziché affidarsi al codice per accorgersene.