驱动接口

本小节对直流电机的结构、原理、实物接线方法，以及减速器的作用，并且说明了使用直流电机驱动芯片TB6612FNG控制直流电机的方法。

众所周知的是单片机的 IO 引脚的输出电流很小（推挽输出最多几百毫安），点亮个 LED 灯没问题，但是带不动电机。因此，我们无法直接使用单片机控制电机的转速和转向。为了能用单片机控制电机，常规的的办法是在两者之间加一个电机驱动电路，由单片机通过控制电机驱动电路来驱动电机。

在「小霸王Lite」两轮自平衡小车中，我们使用电机驱动芯片 TB6612FNG 来进行控制电机。 驱动芯片

电路原理图如下图所示：

驱动芯片
Image 4.4.1 - 驱动芯片

TB6612FNG 是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，具有大电流 MOSFET-H 桥结构，双通道电流输出，可以同时驱动两个电机。因为两轮自平衡小车刚好也是只有两个电机，所以只要用一块 TB6612FNG 就够了。也许大家更熟悉的是L298N，其实这两者的使用大同小异。相比 L298N 的热耗性和外围二极管续流电流，TB6612FNG 能承受的负载电流更大，而且不用外加散热片，外围电路比较简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机，因此，电机驱动模块可以设计得很小巧。

TB6612FNG 电机驱动芯片的主要特性：

  • 驱动电压：最大支持15V
  • 输出电流：1.2A（连续）/ 3.2A（峰值）
  • 工作模式：支持正转/反转/刹车/停止四种模式
  • 封装尺寸：SSOP24，0.65mm引脚间距

TB6612FNG 内部集成两组 H 桥驱动电路，所以能直接驱动两个直流电机。TB6612FNG 内部框图如下图所示。

TB6612FNG 内部框图
Image 4.4.2 - TB6612FNG 内部框图

接线方式

TB6612FNG 的规格书其实已经给出了经典的接线方式。

接线方式
Image 4.4.3 - 接线方式

我们在实际的应用中，应该怎么接线呢？下面我们就 TTM2 电机给出对应的接线示意图，其他电机也可以参考。

测试方法
Image 4.4.4 - 测试方法

其中，VM 直接接电池即可。VCC 是内部的逻辑供电，给 5v 就行。模块的 3 个 GND 接任意一个即可，因为内部都是导通的。另外，STBY 要接 5v，模块才能正常工作。

完成上面的接线之后，我们就可以开始控制电机了，上图中红框部分的 5 个引脚控制 1 路电机，蓝框部分的控制另外 1 路电机，这里讲的两路的使用方法是一样的。AO1 和 AO2 分别别到电机的 + 和 -，然后通过 PWMA、AIN1、AIN2 控制电机。其中，PWMA 接到单片机的 PWM 引脚，一般 10Khz 的 PWM 即可，并通过改变占空比来调节电机的速度。AIN1、AIN2 两个引脚一般接单片机的 GPIO 引脚，用来控制电机的正反转，下面是真值表：

AIN1 0 1 0
AIN2 0 0 1
转动方式 停止 正转 反转

测试方法

我们可以通过简单的方法来使用 TB6612FNG 测试电机转动：

按照以下方式接线：

VM 直接接电池正极（注意：电压 < 15v）；

当 AIN1 接 5v、AIN2 接 GND、PWMA接 5v，这样相当于控制电机满占空比正转；

当 AIN1 接 GND、AIN2 接 5v、PWMA 接 5v，这样相当于控制电机满占空比反转。

电机实物接线图

具体到我们的电机，我们可以看看电机后面的图解。

电机实物接线图
Image 4.4.5 - 电机实物接线图

你可以会产生疑问：直流电机不是只有两根电机线吗？怎么这个电机有 6 根线？而且还有两个大焊点？其实，根据上面的图解也知道，那两个大焊点分别与两边的两根线是连接在一起的。也就是说这 6 根线，中间的 4 根线是编码器的线，只是用于测速，和直流电机本身没有联系。我们在进行开环控制的时候无需使用。

综上所述，我们只需要控制施加在电机线两端的直流电压大小和极性即可实现控制转速和方向。

直流电机的结构

直流电动机的基本构造包括“电枢”、“场磁铁”、“集电环”、“电刷”。

  1. 电枢：可以绕轴心转动的软铁芯缠绕多圈线圈。
  2. 场磁铁：产生磁场的强力永久磁铁或电磁铁。
  3. 集电环：线圈约两端接至两片半圆形的集电环，随线圈转动，可供改变电流方向的变向器。每转动半圈（180度），线圈上的电流方向就改变一次。
  4. 电刷：通常使用碳制成，集电环接触固定位置的电刷，用以接至电源。

直流电机的原理

此为一个简单的直流电（D.C.）电动机。当线圈通电后，转子周围产生磁场，转子的左侧被推离左侧的磁铁，并被吸引到右侧，从而产生转动。

转子依靠惯性继续转动。

当转子运行至水平位置时电流变换器将线圈的电流方向逆转，线圈所产生的磁场亦同时逆转，使这一过程得以重复。

减速器

减速器，又称减速箱，通常应用在低转速大扭矩的传动设备，把原电机高速运转的动力（每分钟几千上万转），通过减速器输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上齿轮大的齿轮，来达到减速的目的。大小齿轮的齿数之比就是传动比。减速器在执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速和增加转矩。

减速器种类繁多，按传动和结构特点划分，减速器种类有齿轮减速器（Gear reducer）、蜗杆减速器（Worm wheel reducer）、蜗杆齿轮减速器及齿轮-蜗杆减速器、行星齿轮减速器(Planetary gears)、摆线针轮减速器（Cycloid reducer）和谐波齿轮减速器(Harmonic drive)等。

齿轮减速器体积较小，传递扭矩大，但是有一定的回程间隙。

蜗杆减速器的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。

行星减速器的主要特点是结构紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做得很大，但价格昂贵。

下面是TTM1直流减速电机——一款搭配齿轮减速器的电机。

黄色部分为减速箱，减速箱与电机直接联接，电机上的电路板为编码器。