Драйвер двигателей TB6612FNG

Что это такое

TB6612FNG — двойной H-мост для двигателей, выполняющий ту же задачу, что и L298N: располагается между логическими выводами микроконтроллера и двигателями, которым требуется гораздо больший ток, — но строит выходной каскад на MOSFET, а не на биполярных транзисторах. В этом изменении заключена вся суть: на MOSFET-ключе падает несколько десятых долей вольта, тогда как на каскаде L298N — около двух.

При батарее 6 V и двигателях 6 V эта разница составляет большую часть скорости. Она же определяет и нагрев: L298N требует радиатора при длительном токе, а плата TB6612FNG размером с почтовую марку лишь слегка теплеет.

Как им управлять

Каждый двигатель получает три сигнала, а вся микросхема — ещё один общий вывод:

• Два вывода направления (AIN1/AIN2 для двигателя A, BIN1/BIN2 для двигателя B) задают движение вперёд, назад, торможение или вращение по инерции.
• Один вывод PWM (PWMA или PWMB) задаёт скорость. В отличие от L298N, где PWM подаётся на разрешающий вывод, у TB6612FNG есть отдельный вход PWM для каждого канала с частотой до 100 kHz — достаточно высокой, чтобы переключение происходило выше слышимого диапазона и робот перестал издавать высокий звук.
• Один общий вывод STBY. При низком уровне оба моста отключены независимо от остальных сигналов.

Вывод STBY стоит упомянуть повторно, поскольку из-за него начинающие теряют целый вечер: правильно подключённый TB6612FNG с STBY, оставленным в плавающем состоянии или имеющим низкий уровень, абсолютно ничего не делает, молча и без сообщения об ошибке.

Когда его следует использовать

Выбирайте TB6612FNG, когда двигатели небольшие, а каждый вольт батареи дорог, — именно таковы почти все роботы, следующие по линии, и роботы, проходящие лабиринт по линии. Маленькие роботы питаются от 6–7.4 V, то есть работают именно в диапазоне, где потеря 2 V на L298N особенно болезненна, и не хочят превращать заряд батареи в нагрев.

Оставайтесь с L298N, если питание двигателей выше 13.5 V, что TB6612FNG не принимает, либо требуется более 1.2 A непрерывно на канал.

Подключение и важные нюансы

• Подавайте на STBY высокий уровень. Это должно быть первым действием setup() после pinMode.
• Два источника питания, одна земля. Батарея двигателей — к VM, 5 V Arduino — к VCC, а все земли соедините между собой: Arduino, драйвер, массив датчиков и минус батареи. Без общей земли сигналы управления не имеют опорного напряжения, а отказ возникает без сообщения.
• Соблюдайте предел 13.5 V. На плате нет встроенного регулятора и запаса выше максимального питания двигателей. Литиевый блок 3S с номиналом 12.6 V превысит предел сразу после зарядки.
• Если двигатель вращается не туда, исправление занимает две секунды. Поменяйте местами два выходных провода этого двигателя или измените логику направления в прошивке. Сделайте это до любой настройки, иначе будете искать ошибку регулирования, вызванную подключением.

Расположение выводов

На распространённой плате в стиле SparkFun расположены два ряда: логика с одной стороны, питание и двигатели с другой.

Таблица истинности

Первая строка стоит людям целого вечера. Идеально подключённая плата с STBY, оставленным в плавающем состоянии, абсолютно ничего не делает, а именно таким является неуправляемый вывод. Подавайте на него высокий уровень в setup(), первой строкой после pinMode.

Подключение к Arduino

Минимальный рабочий код

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);
}

Как избавиться от высокого звука

Это тихая сверхспособность TB6612FNG, которой почти никто не пользуется. Драйвер принимает PWM до 100 kHz, но analogWrite Arduino Uno на большинстве выводов работает на 490 Hz, а на выводах 5 и 6 — на 980 Hz. Это прямо в слышимом диапазоне, поэтому во время движения робот «поёт».

Человеческое слуховое восприятие заканчивается около 20 kHz. Поднимите частоту PWM выше этого значения, и шум полностью исчезнет. На Uno выводы 9 и 10 управляются Timer 1, который можно перенастроить:

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

Одна эта строка переносит частоту переключения примерно на 31 kHz — неслышимую и всё ещё намного ниже допустимой для драйвера. Цена состоит в том, что Timer 1 также использует библиотека Servo, поэтому оба режима нельзя совместить на одном таймере.

L298N не позволяет подняться так высоко: его биполярный каскад переключается слишком медленно, а потери резко растут с частотой. Это реальное практическое преимущество MOSFET-каскада помимо числовой эффективности.

Что дают 0.5 V вместо 2 V

Чем ниже напряжение питания, тем важнее разница — полностью противоположно ожиданиям людей и именно поэтому замена так сильно меняет впечатление от маленьких роботов.

Есть и тепловое следствие. При 1 A на канал L298N рассеивает примерно 2 W на канал; TB6612FNG рассеивает около 0.5 W суммарно на обоих каналах. Это разница между деталью, которой нужны радиатор и воздушный поток, и деталью, которую можно спрятать под платформой.

Диагностика

Два канала можно параллельно подключить к одному двигателю: соединить AIN1 с BIN1, AIN2 с BIN2, PWMA с PWMB и выходы между собой, получив примерно 2.4 A непрерывно. Техническое описание это поддерживает, и это стандартное решение, когда мощности одного двигателя немного не хватает.

Когда TB6612FNG — неверный выбор

Для небольших роботов это правильный вариант по умолчанию, но есть три явных исключения.

Выше 13.5 V. Нет запаса и регулятора. Блок 4S исключён, а блок 3S требует проверки сразу после зарядки.

Выше ~1.2 A непрерывно на канал, причём параллельного соединения каналов недостаточно. L298N обеспечивает 2 A на канал с радиатором, а BTS7960 рассчитан на 43 A для действительно крупных двигателей.

Когда нужны измерение или ограничение тока. DRV8833 во всех остальных отношениях близок к TB6612FNG и добавляет ограничение тока, позволяя драйверу защититься от останова без надежды на то, что программное обеспечение заметит его вовремя.