2026 Make Blocks #2阶段1 - 直流电机驱动模块设计
本项目基于TB6612FNG集成H桥驱动IC,设计了一款小型直流有刷电机驱动模块,实现电机正转、反转、停止及PWM调速功能。模块工作电压≥6V,设有标准接口,便于与MCU开发板连接,所用器件均为DigiKey在售型号。
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更新2026-06-16
延安大学
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任务介绍

本次参赛我选择的是2026 Make Blocks设计挑战赛第二期的任务三——直流电机驱动模块设计。本项目任务为设计一款基于集成 H 桥驱动 IC 的小型直流有刷电机驱动模块,核心目标是实现电机正转、反转、停止控制及 PWM 调速功能,满足≥6V 工作电压要求,并提供标准接口以适配 MCU 开发板。项目需选用 DigiKey 官网在售的集成驱动芯片,无需自行搭建分立元件 H 桥,通过规范的电路设计与 PCB 制作,完成一款功能完整、可直接应用的电机驱动硬件模块,为小型电机控制系统提供可靠的硬件支撑。

方案介绍

本项目围绕 “小型直流有刷电机驱动模块” 的开发需求,以TB6612FNG 集成 H 桥驱动芯片为核心,构建了一套功能完整、接口规范、性能稳定的电机驱动方案。方案严格遵循任务要求,全程以 “集成化设计、标准化接口、高可靠性” 为核心原则,从电源系统、控制逻辑、驱动输出、器件选型四大维度完成整体设计,实现了电机正转、反转、停止及 PWM 调速的全部功能,同时兼顾可扩展性与调试便捷性。

一、总体方案概述

本方案采用 “核心驱动芯片 + 电源滤波 + 标准接口” 的模块化架构,整体分为三大功能单元:

1.电源滤波单元:为芯片逻辑电路和电机负载提供稳定、低噪声的供电,同时抑制电源波动对驱动性能的影响;

2.控制信号接口单元:提供与 MCU 开发板兼容的标准接口,接收方向控制、PWM 调速及芯片使能信号;

3.驱动输出单元:通过芯片内置双路 H 桥,直接输出电机驱动信号,实现对两路直流电机的独立控制。

方案选用的 TB6612FNG 芯片为东芝量产的成熟集成驱动器件,内置低导通内阻的 MOSFET H 桥,无需用户搭建分立元件 H 桥电路,大幅降低了设计复杂度与调试难度,同时满足 DigiKey 官网在售的器件采购要求。

TB6612FNG:TB6612FNG,C,8,EL Toshiba Semiconductor and Storage | 电机驱动器,控制器 - DigiKey

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二、分模块详细设计

1. 电源系统方案

为保障模块稳定工作,设计了双路独立供电 + 多级滤波的电源方案:

电机动力电源(VM):为电机负载提供动力,支持≥6V 的工作电压,通过 10μF 电解电容与 0.1μF 陶瓷电容的组合滤波,抑制电机启停时的电源尖峰与纹波,避免电压波动影响芯片工作;

逻辑电源(VCC):为芯片内部控制电路供电,搭配 0.1μF 去耦电容滤除高频干扰,保障控制信号的稳定性;

地回路设计:将功率地(PGND)与信号地(GND)就近连接,减少地环路干扰,避免电机负载的电流波动影响逻辑电路的信号采集。

2. 控制信号接口方案

为适配 MCU 开发板的连接需求,设计了标准 8Pin 控制接口(JP2),信号定义与主流开发板的 GPIO/PWM 接口兼容:

方向控制信号:通过AIN1/AIN2、BIN1/BIN2两组差分信号,实现电机正转、反转、停止三种状态控制,控制逻辑简单清晰,无需复杂的算法配合;

PWM 调速信号:通过PWMA、PWMB两路独立 PWM 输入,分别控制两路电机的转速,调速范围宽、响应速度快,可直接对接 MCU 的定时器 PWM 输出引脚;

芯片使能信号:预留STBY待机控制引脚,可通过 MCU 控制芯片进入低功耗待机状态,在无需驱动电机时降低模块功耗,提升系统能效。

3. 驱动输出方案

模块通过 TB6612FNG 内置的双路独立 H 桥,实现两路电机的独立驱动输出:

每路驱动输出端AO1/AO2、BO1/BO2可直接连接直流有刷电机,无需额外的功率放大电路;

芯片内置过流保护、过热保护及欠压锁定功能,当电机负载过大或芯片温度过高时,会自动关断输出,避免器件损坏,提升模块的可靠性与安全性;

输出端搭配对称的 PCB 走线设计,减少信号反射与电磁干扰,保证两路驱动信号的一致性。

4. 器件选型方案

核心器件选型严格遵循任务要求,优先选用 DigiKey 官网在售、性能成熟的量产器件:

主驱动芯片:选用 TB6612FNG,其最大连续驱动电流达 1.2A,峰值电流 3.2A,完全满足小型直流有刷电机的驱动需求,且导通内阻低、发热小,无需额外散热措施;

滤波电容:选用常规 0805 封装陶瓷电容与电解电容,均为通用型号,采购便捷,同时兼顾滤波效果与 PCB 布局空间;

接口端子:选用标准 2.54mm 间距排针,兼容主流开发板的杜邦线连接,方便用户快速搭建测试环境。

三、方案优势与预期效果

本方案通过集成化驱动芯片的应用,实现了 “低复杂度、高可靠性、强兼容性” 的设计目标:

无需搭建分立 H 桥电路,大幅简化了硬件设计流程,降低了调试难度;

双路独立驱动设计,支持同时控制两台直流电机,可适配小型移动机器人、云台等多电机控制场景;

标准接口与控制逻辑,可直接对接 51 单片机、STM32 等主流 MCU 开发板,通用性强;

完善的电源滤波与保护设计,有效提升了模块的抗干扰能力与使用寿命。

通过本方案设计的电机驱动模块,可稳定实现小型直流有刷电机的正反转控制、PWM 调速功能,完全满足任务的全部基本要求,为后续电机控制系统的开发提供可靠的硬件支撑。

资源框图.png

资源框图

模块介绍

根据任务要求,本次选用TB6612FNG 集成 H 桥驱动芯片设计了一款小型直流有刷电机驱动模块,主要用于驱动小型直流电机,实现电机正转、反转、停止及 PWM 调速功能,模块采用标准 2.54mm 排针接口,可直接与主流 MCU 开发板连接,适配电机控制、小型移动机器人等场景。

原理图和PCB模块介绍

原理图.png

原理图

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PCB

一、核心接口与供电定义

1. 电源接口

VM(电机电源):为电机提供动力,支持≥6V 工作电压,搭配 10μF 电解电容与 0.1μF 陶瓷电容滤波,抑制电源纹波与电机启停尖峰。

VCC(逻辑电源):为芯片内部控制电路供电,搭配 0.1μF 去耦电容滤除高频干扰,保障控制信号稳定。

GND(公共地):功率地与信号地就近连接,减少地环路干扰,提升电路抗干扰能力。

2. 控制信号接口(JP2)

引脚

信号名称

功能说明

1

PWMA

A 通道 PWM 调速输入,控制电机 A 转速

2

AIN2

A 通道方向控制信号 2,与 AIN1 配合实现正反转 / 停止

3

AIN1

A 通道方向控制信号 1,与 AIN2 配合实现正反转 / 停止

4

STBY

芯片待机使能信号,低电平进入低功耗待机状态

5

BIN1

B 通道方向控制信号 1,与 BIN2 配合实现正反转 / 停止

6

BIN2

B 通道方向控制信号 2,与 BIN1 配合实现正反转 / 停止

7

PWMB

B 通道 PWM 调速输入,控制电机 B 转速

8

GND

控制信号公共地

3D-F.png

3D-B.png

3D效果图

3. 电机输出接口(JP1)

AO1/AO2:A 通道电机驱动输出,直接连接直流电机两端,无需额外功率放大电路。

BO1/BO2:B 通道电机驱动输出,可独立控制第二路电机。

VM/GND:电机电源与地扩展接口,方便用户接线与调试。

二、PCB 布局与扩展说明

模块 PCB 布局采用 “电源与信号分区设计”,核心驱动芯片 TB6612FNG 位于中央,两侧分别为电机输出接口与控制信号接口:

为提升接口通用性,模块采用标准 2.54mm 间距排针,兼容杜邦线连接,无需焊接即可快速搭建测试环境,用完可直接拔下排针,不影响核心板后续使用。

芯片内置双路独立 H 桥,最大连续驱动电流达 1.2A,峰值电流 3.2A,完全满足小型直流有刷电机的驱动需求,且导通内阻低、发热小,无需额外散热措施。

为保障模拟与数字电路稳定性,电机电源与逻辑电源均采用多级滤波设计,减少电机电流波动对控制信号的干扰,提升模块可靠性。

三、调试与功能说明

模块无板载下载器,调试时可通过控制接口直接接收 MCU 的控制信号,通过设置 AIN1/AIN2、BIN1/BIN2 的电平组合,实现电机正转、反转、停止三种状态控制,配合 PWMA/PWMB 的 PWM 信号实现连续调速。

芯片内置过流保护、过热保护及欠压锁定功能,当电机负载过大或芯片温度过高时,会自动关断输出,避免器件损坏,提升模块的安全性与使用寿命。

板上预留电源指示灯与状态指示灯,可直观查看电源供电状态与模块工作状态,方便用户快速排查接线与信号问题。

器件选型说明

核心驱动芯片 TB6612FNG 为东芝量产的成熟器件,在 DigiKey 官网正常在售,符合项目器件采购要求,其低功耗、高集成度的特点,有效减少了模块体积与调试难度,为小型电机控制系统提供了稳定可靠的硬件支撑。

模块主要性能指标和管脚定义

主要性能指标

类型

直流电机驱动模块

核心芯片

TB6612FNG

通道数量

2 路独立 H 桥驱动

最大连续驱动电流

1.2A / 通道

峰值驱动电流

3.2A / 通道

电机工作电压(VM)

6V~15V

逻辑供电电压(VCC)

2.7V~5.5V

PWM 调速频率

最高 100kHz

控制信号电平

3.3V~5V 兼容

板卡尺寸

约 20mm × 30mm

保护功能

过流、过热、欠压锁定

管脚定义

管脚属性

管脚名

管脚编号

管脚名

管脚属性

P

VM(电机电源)

1

GND

P

P

GND

2

GND

P

I/O

AO1(A 通道输出)

3

PWMA(A 通道 PWM)

I/O

I/O

AO2(A 通道输出)

4

AIN2(A 通道方向控制)

I/O

I/O

BO2(B 通道输出)

5

AIN1(A 通道方向控制)

I/O

I/O

BO1(B 通道输出)

6

STBY(芯片待机使能)

I/O

-

-

7

BIN1(B 通道方向控制)

I/O

-

-

8

BIN2(B 通道方向控制)

I/O

-

-

9

PWMB(B 通道 PWM)

I/O

-

-

10

GND

P

板上设置及标识

标记

名称

默认状态

描述

D1

PWR

指示 VM 电机电源是否正常供电

D2

STA

指示芯片工作状态,可通过编程点亮

C1

0.1μF 陶瓷电容

已安装

VM 电源高频去耦滤波

C2

0.1μF 陶瓷电容

已安装

VCC 逻辑电源高频去耦滤波

C3

10μF 电解电容

已安装

VM 电源大容量滤波,抑制纹波

心得体会

通过本次 TB6612FNG 直流电机驱动模块的设计与制作,我对集成 H 桥驱动电路的原理、电源滤波设计、PCB 布局优化有了更深入的理解。在设计过程中,遇到了电源纹波过大、控制信号干扰的问题,通过增加滤波电容、优化地回路走线的方式有效解决了这些问题。本次项目也让我认识到,硬件设计需要兼顾功能实现与稳定性,合理的器件选型与电路优化是提升模块可靠性的关键,同时也锻炼了我独立完成项目设计与调试的能力。

附件下载
设计工程文件.rar
原理图文件-SparkFun_Motor_Driver-TB6612FNG_v11c (1).pdf
团队介绍
项目由单人独立开发,负责全部工作:根据任务要求完成器件选型与方案设计,基于 TB6612FNG 芯片完成驱动电路与 PCB 设计,通过调试实现了电机正反转、停止及 PWM 调速功能,模块接口规范,可直接与 MCU 开发板连接,展现了扎实的硬件设计与问题解决能力。
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