Driver de motor TB6612FNG

O que é

O TB6612FNG é um driver de motor com ponte H dupla que faz o mesmo trabalho que um L298N—fica entre os pinos lógicos do microcontrolador e motores que exigem muito mais corrente—mas monta o estágio de saída com MOSFETs, em vez de transistores bipolares. Essa única mudança explica tudo: uma chave MOSFET perde alguns décimos de volt, enquanto o estágio do L298N perde cerca de dois.

Em uma bateria de 6 V alimentando motores de 6 V, essa diferença representa quase toda a velocidade. Também representa quase todo o calor: o L298N precisa de um dissipador em corrente contínua, enquanto uma placa adaptadora TB6612FNG do tamanho de um selo postal fica apenas morna.

Como controlá-lo

Cada motor recebe três sinais, mais um pino compartilhado por todo o chip:

• Dois pinos de direção (AIN1/AIN2 para o motor A, BIN1/BIN2 para o motor B) selecionam avanço, ré, frenagem ou movimento livre.
• Um pino PWM (PWMA ou PWMB) define a velocidade. Diferente do L298N, em que o PWM é aplicado a um pino de habilitação, o TB6612FNG tem uma entrada PWM dedicada por canal que aceita até 100 kHz—frequência alta o suficiente para comutar acima da faixa audível e fazer o robô parar de chiar.
• Um pino STBY, compartilhado. Mantenha-o em LOW e ambas as pontes ficarão desativadas, não importa o resto.

Vale repetir o detalhe do STBY, porque ele custa uma noite a iniciantes: um TB6612FNG corretamente conectado com STBY flutuante ou em LOW não faz absolutamente nada, silenciosamente e sem erro para ler.

Quando usar

Use o TB6612FNG quando seus motores forem pequenos e a bateria precisar ser preservada—o que descreve quase todos os seguidores de linha e robôs de labirinto de linhas. Robôs pequenos operam de 6–7,4 V, exatamente a faixa em que a perda de 2 V do L298N mais pesa, e usam uma bateria que você preferiria não desperdiçar em calor.

Fique com o L298N quando a tensão de alimentação dos motores exceder 13,5 V, valor que o TB6612FNG não aceita, ou quando precisar de mais de aproximadamente 1,2 A continuamente por canal.

Conexões e armadilhas

• Leve STBY a HIGH. A primeira coisa que seu setup() deve fazer depois de pinMode.
• Duas alimentações, uma massa. Bateria dos motores em VM, 5 V do Arduino em VCC e todas as massas conectadas juntas—Arduino, driver, matriz de sensores e negativo da bateria. A falta de massa comum deixa os sinais de controle sem referência, e a falha é silenciosa.
• Respeite 13,5 V. Não há regulador integrado nem margem acima da tensão máxima de alimentação dos motores. Um conjunto de lítio 3S com tensão nominal de 12,6 V excederá o limite logo após uma carga completa.
• Um motor girando ao contrário é um ajuste de dois segundos. Troque os dois fios de saída desse motor ou inverta sua lógica de direção no firmware. Faça isso antes de ajustar qualquer outra coisa, ou você perderá tempo com um defeito de controle que é, na verdade, de ligação.

Pinagem

Duas fileiras na placa adaptadora comum no estilo SparkFun: lógica de um lado, alimentação e motores do outro.

A tabela-verdade

A primeira linha é a que custa uma noite a muita gente. Uma placa perfeitamente conectada com STBY flutuante não faz absolutamente nada, e flutuante é o estado de um pino não acionado. Leve-o a HIGH no setup(), na primeira linha depois de pinMode.

Conexão com um Arduino

Código mínimo funcional

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);
}

Eliminando o zumbido

Esta é a grande vantagem do TB6612FNG: ele permite eliminar o zumbido, algo que quase ninguém aproveita. O driver aceita PWM de até 100 kHz, mas o analogWrite de um Arduino Uno opera a 490 Hz na maioria dos pinos e a 980 Hz nos pinos 5 e 6—bem dentro da faixa audível, e é por isso que um robô canta enquanto se move.

A audição humana termina em torno de 20 kHz. Leve o PWM acima disso e o ruído desaparece completamente. Em um Uno, os pinos 9 e 10 são controlados pelo Temporizador 1, que pode ser reprogramado:

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

Essa única linha leva a frequência de comutação para cerca de 31 kHz—inaudível e ainda bem dentro do limite do driver. O custo é que o Temporizador 1 também é usado pela biblioteca Servo, portanto você não pode usar os dois no mesmo temporizador.

Um L298N não consegue acompanhar essa frequência; seu estágio bipolar comuta devagar demais e as perdas aumentam bruscamente com a frequência. Essa é uma vantagem prática real do estágio MOSFET, além dos números de eficiência.

O que 0,5 V em vez de 2 V realmente compra

Quanto menor a tensão de alimentação, maior a importância da diferença—exatamente ao contrário do que as pessoas esperam, e exatamente o motivo pelo qual a troca transforma robôs pequenos.

Há também uma consequência térmica. A 1 A por canal, o L298N dissipa cerca de 2 W por canal; o TB6612FNG dissipa cerca de 0,5 W na soma dos dois canais. Essa é a diferença entre uma peça que precisa de dissipador e ventilação e outra que pode ficar escondida sob uma placa do chassi.

Solução de problemas

Os dois canais podem ser ligados em paralelo para um único motor—conecte AIN1 a BIN1, AIN2 a BIN2, PWMA a PWMB e as saídas entre si—para cerca de 2,4 A contínuos. A folha de dados permite essa configuração, e ela é a resposta padrão quando um motor está apenas um pouco acima do limite.

Quando o TB6612FNG é a escolha errada

Ele é a opção padrão para robôs pequenos, mas há três casos claros em que não é a melhor escolha.

Acima de 13,5 V. Não há margem nem regulador. Um conjunto 4S está fora de questão, e um conjunto 3S precisa ser verificado logo após uma carga completa.

Acima de ~1,2 A continuamente por canal, quando o paralelamento dos canais não resolve. Um L298N fornece 2 A por canal com dissipador, e um BTS7960 chega a 43 A para motores realmente grandes.

Quando você precisa de medição ou limitação de corrente. O DRV8833 é muito próximo do TB6612FNG em todos os outros aspectos e acrescenta limitação de corrente, o que permite ao driver se proteger contra travamentos sem depender de seu código para perceber o problema.