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STM32之TB6612电机驱动模块

news 2025/7/19 8:57:38

一、模块概述

二、模块简介

2.1 模块特点

2.2 电气特性

2.3 模块接口说明

2.4 结构与工作原理

2.5 原理图设计

2.6 实际应用注意事项

三、硬件设计

3.1 硬件组成

3.2 硬件连接

四、软件设计

4.1 开发环境配置

4.2 关键代码实现

4.2.1 PWM初始化 (PWM_Init)

4.2.2 GPIO初始化

4.2.3 电机控制函数

4.2.4 主函数

五、功能实现与优化

5.1 基础功能实现

5.2 高级功能扩展

5.3 性能优化建议

六、常见问题解决

七、总结

一、模块概述

TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动模块，具有大电流MOSFET-H桥结构，可同时驱动两个直流电机或一个步进电机。相比传统的L298N模块，TB6612具有效率高、发热量小、体积紧凑等优势，非常适合在机器人、智能小车等嵌入式系统中使用。

本文将详细介绍如何使用STM32F103C8T6的标准外设库来控制TB6612电机驱动模块，实现直流电机的正反转、调速等基本功能。

二、模块简介

模块实物图：

2.1 模块特点

TB6612电机驱动模块具有以下显著特点：
- 双通道输出，可同时驱动两个直流电机
- 每通道最大连续驱动电流1.2A(峰值3.2A)
- 工作电压范围：2.5V-13.5V
- 内置低压检测与过热保护电路
- PWM频率支持范围广(1kHz-100kHz)
- 待机模式可切断内部电路降低功耗
- 体积小巧(24mm×15mm)，安装方便

2.2 电气特性

参数	数值	单位
电机驱动电压(VCC)	2.5-13.5	V
逻辑电压(VM)	4.5-5.5	V
连续输出电流	1.2(单通道)	A
峰值输出电流	3.2(单通道)	A
待机电流	<1	μA

2.3 模块接口说明

TB6612模块通常提供以下接口：

1. 电源接口：
- VM：电机驱动电源(2.5-13.5V)
- VCC：逻辑电源(4.5-5.5V)
- GND：电源地

2. 控制接口：
- PWMA/PWMB：电机A/B的PWM速度控制输入
- AIN1/AIN2：电机A的方向控制输入
- BIN1/BIN2：电机B的方向控制输入
- STBY：待机控制(高电平工作，低电平待机)

3. 输出接口：
- AO1/AO2：电机A输出
- BO1/BO2：电机B输出

2.4 结构与工作原理

TB6612内部包含两组全H桥电路，每组H桥由4个MOSFET组成，通过控制MOSFET的导通与关断，可以实现电机的正转、反转和制动。模块通过PWM信号控制电机速度，通过两个逻辑输入引脚控制电机转向。

电源连接：将VCC连接到逻辑电源，VM连接到电机驱动电源，GND和PGND连接到相应的地。
待机模式控制：通过STBY引脚控制芯片的工作状态。当STBY为高电平时，芯片正常工作；为低电平时，芯片进入待机模式，电机停止运行。
方向控制：通过AIN1、AIN2、BIN1、BIN2引脚控制电机的转向。例如，对于电机A，当AIN1为高电平、AIN2为低电平时，电机正转；当AIN1为低电平、AIN2为高电平时，电机反转；当AIN1和AIN2为相同电平时，电机停止。
速度控制：通过PWMA和PWMB引脚输入PWM信号，控制电机A和电机B的速度。PWM信号的占空比越大，电机的平均电压越高，转速越快。

逻辑真值表：

2.5 原理图设计

芯片引脚功能：

TB6612FNG（Component_1）：核心驱动芯片，用于控制直流电机的运行。

A01、A02：电机A的两个输出引脚，连接到电机A的两端。
B01、B02：电机B的两个输出引脚，连接到电机B的两端。
PWMA、PWMB：脉冲宽度调制（PWM）输入引脚，用于控制电机A和电机B的速度。通过调节PWM信号的占空比，可以改变电机的转速。
AIN1、AIN2、BIN1、BIN2：方向控制输入引脚，用于控制电机A和电机B的转向。通过设置这些引脚的电平组合，可以实现电机的正转、反转和停止。
STBY：待机模式控制引脚。当STBY为高电平时，芯片正常工作；为低电平时，芯片进入待机模式，停止驱动电机。
VM：电机驱动电源引脚，通常连接到较高的电压（如电池电压），为电机提供动力。
VCC：逻辑电源引脚，通常连接到3.3V或5V电源，为芯片内部的逻辑电路供电。
PGND1、PGND2：功率地引脚，连接到电源地，为电机驱动电路提供回路。
GND：逻辑地引脚，连接到系统地，为逻辑电路提供参考电位。

电源部分：

VCC：为芯片的逻辑电路提供电源，通常为3.3V或5V。电容C1（100nF/50V）用于滤波，减少电源噪声对逻辑电路的影响。
VM：为电机提供驱动电源，电压范围取决于所驱动电机的额定电压。电容C2（100nF/50V）和C3（1μF/50V）用于滤波，稳定电机驱动电源的电压，减少电压波动对电机的影响。

2.6 实际应用注意事项

1. 电源设计：
- 确保电机电源(VM)与逻辑电源(VCC)分开供电
- 大功率电机应配备足够容量的滤波电容
- 避免电机电源对MCU电源造成干扰

2. 散热考虑：
- 长时间大电流工作需考虑散热措施
- 必要时可添加散热片

3. 布线建议：
- 电机驱动线路与信号线路分开走线
- 避免长距离平行走线以减少干扰

三、硬件设计

3.1 硬件组成

实现本系统需要以下硬件组件：
- STM32F103C8T6最小系统板 ×1
- TB6612电机驱动模块 ×1
- 直流电机 ×2
- 7-12V直流电源(为电机供电)

3.2 硬件连接

具体连接方式如下：

STM32F103C8T6引脚	TB6612引脚	说明
PA0	PWMA	电机A PWM控制
PA1	AIN1	电机A方向控制1
PA2	AIN2	电机A方向控制2
PA3	PWMB	电机B PWM控制
PA4	BIN1	电机B方向控制1
PA5	BIN2	电机B方向控制2
PA6	STBY	待机控制
GND	GND	共地
-	VM	接电机电源(7-12V)
5V	VCC	模块逻辑电源

电机连接：
- 电机A的两根线接AO1和AO2
- 电机B的两根线接BO1和BO2

四、软件设计

4.1 开发环境配置

1. 开发工具：
- Keil MDK-ARM或STM32CubeIDE
- STM32标准外设库

2. 工程配置：
- 创建基于STM32F10x标准外设库的工程
- 启用GPIO和TIMER外设
- 配置系统时钟为72MHz

3. PWM配置：
- 使用TIM2或TIM3产生PWM信号
- 设置PWM频率为10kHz(周期为7200-1，预分频为0)
- 配置PWM输出通道为PWM模式1

4.2 关键代码实现

4.2.1 PWM初始化 (`PWM_Init`)

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "stm32f10x_tim.h"// 引脚定义
#define MOTOR_STBY_PIN    GPIO_Pin_6
#define MOTOR_STBY_PORT   GPIOA#define MOTOR_AIN1_PIN    GPIO_Pin_1
#define MOTOR_AIN2_PIN    GPIO_Pin_2
#define MOTOR_AIN_PORT    GPIOA#define MOTOR_BIN1_PIN    GPIO_Pin_4
#define MOTOR_BIN2_PIN    GPIO_Pin_5
#define MOTOR_BIN_PORT    GPIOA// PWM初始化
void PWM_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;// 使能时钟RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);// 配置PA0为复用推挽输出(TIM2_CH1)GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 配置PA3为复用推挽输出(TIM2_CH4)GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 定时器基础配置TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 7200-1;      // 10kHz PWMTIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);// PWM模式配置TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;  // 初始占空比为0TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;// 通道1和通道4配置TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);TIM_OC4Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);// 使能预装载寄存器TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);TIM_OC4PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);// 使能定时器TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

功能：配置TIM2定时器产生PWM信号，控制电机速度。
关键参数：
- PWM频率：72MHz / (7200 * 1) = 10kHz（适合大多数直流电机）。
- 复用推挽输出：将GPIO引脚映射到定时器输出通道（TIM2_CH1→PA0，TIM2_CH4→PA3）。
- PWM模式1：计数器值小于比较值时输出高电平，否则输出低电平。

4.2.2 GPIO初始化

// GPIO初始化
void GPIO_Init_Motor(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);// 配置控制引脚为推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;// STBY引脚GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MOTOR_STBY_PIN;GPIO_Init(MOTOR_STBY_PORT, &GPIO_InitStructure);// AIN1/AIN2引脚GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MOTOR_AIN1_PIN | MOTOR_AIN2_PIN;GPIO_Init(MOTOR_AIN_PORT, &GPIO_InitStructure);// BIN1/BIN2引脚GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = MOTOR_BIN1_PIN | MOTOR_BIN2_PIN;GPIO_Init(MOTOR_BIN_PORT, &GPIO_InitStructure);// 默认进入工作状态GPIO_SetBits(MOTOR_STBY_PORT, MOTOR_STBY_PIN);
}

功能：初始化方向控制引脚（AIN1/AIN2/BIN1/BIN2）和待机引脚（STBY）。
关键点：
- 推挽输出：提供强驱动能力，确保信号稳定。
- STBY引脚：高电平时模块工作，低电平时进入待机模式（切断电机供电）。

4.2.3 电机控制函数

// 设置电机A速度和方向
void MotorA_Set(int16_t speed)
{// 限制速度范围speed = (speed > 7200) ? 7200 : speed;speed = (speed < -7200) ? -7200 : speed;if(speed > 0) {// 正转GPIO_SetBits(MOTOR_AIN_PORT, MOTOR_AIN1_PIN);GPIO_ResetBits(MOTOR_AIN_PORT, MOTOR_AIN2_PIN);TIM_SetCompare1(TIM2, speed);}else if(speed < 0) {// 反转GPIO_ResetBits(MOTOR_AIN_PORT, MOTOR_AIN1_PIN);GPIO_SetBits(MOTOR_AIN_PORT, MOTOR_AIN2_PIN);TIM_SetCompare1(TIM2, -speed);}else {// 停止GPIO_ResetBits(MOTOR_AIN_PORT, MOTOR_AIN1_PIN | MOTOR_AIN2_PIN);TIM_SetCompare1(TIM2, 0);}
}// 设置电机B速度和方向
void MotorB_Set(int16_t speed)
{// 限制速度范围speed = (speed > 7200) ? 7200 : speed;speed = (speed < -7200) ? -7200 : speed;if(speed > 0) {// 正转GPIO_SetBits(MOTOR_BIN_PORT, MOTOR_BIN1_PIN);GPIO_ResetBits(MOTOR_BIN_PORT, MOTOR_BIN2_PIN);TIM_SetCompare4(TIM2, speed);}else if(speed < 0) {// 反转GPIO_ResetBits(MOTOR_BIN_PORT, MOTOR_BIN1_PIN);GPIO_SetBits(MOTOR_BIN_PORT, MOTOR_BIN2_PIN);TIM_SetCompare4(TIM2, -speed);}else {// 停止GPIO_ResetBits(MOTOR_BIN_PORT, MOTOR_BIN1_PIN | MOTOR_BIN2_PIN);TIM_SetCompare4(TIM2, 0);}
}

功能：通过方向控制引脚和PWM占空比控制电机转向和速度。
逻辑解析：
- 正转：AIN1=高，AIN2=低，PWM占空比决定速度。
- 反转：AIN1=低，AIN2=高，PWM占空比决定速度。
- 停止：AIN1=AIN2=低（或PWM占空比=0）。
关键API函数：
- TIM_SetCompare1(TIM2, speed)：直接修改TIM2通道1的比较寄存器值，调整占空比。

4.2.4 主函数

int main(void)
{// 初始化系统时钟SystemInit();// 初始化GPIO和PWMGPIO_Init_Motor();PWM_Init();while(1) {// 电机A正转，50%速度MotorA_Set(3600);// 电机B反转，30%速度MotorB_Set(-2160);Delay_ms(2000);// 电机A停止MotorA_Set(0);// 电机B正转，全速MotorB_Set(7200);Delay_ms(2000);// 两个电机都停止MotorA_Set(0);MotorB_Set(0);Delay_ms(1000);}
}

功能：交替控制两个电机的转向和速度，演示基本功能。
关键点：
- SystemInit()：配置STM32系统时钟（默认为72MHz）。
- 速度值范围：0~7200对应占空比0%~100%（如3600=50%）。

五、功能实现与优化

5.1 基础功能实现

通过上述代码，我们已经实现了以下基本功能：
1. 电机正反转控制
2. PWM调速功能
3. 待机模式控制

5.2 高级功能扩展

1. 加速度控制：
- 实现电机平滑启动和停止
- 避免突然的速度变化对机械结构的冲击

void MotorA_SmoothSet(int16_t target_speed, uint16_t duration_ms) {int16_t current_speed = TIM_GetCapture1(TIM2);  // 获取当前速度int16_t step = (target_speed - current_speed) / (duration_ms / 10);for(int i=0; i<duration_ms/10; i++) {current_speed += step;MotorA_Set(current_speed);  // 逐步调整速度Delay_ms(10);}MotorA_Set(target_speed);       // 确保最终值准确
}

2. 闭环控制：
- 结合编码器反馈实现精确速度控制
- 使用PID算法提高控制精度

3. 多电机同步控制：
- 实现多个电机同步运行
- 保持速度或位置的一致性