Uživatelská příručka UM2154 STEVAL-SPIN3201 Advanced BLDC Controller s vestavěným STM32 MCU Evaluation Board

život
UM2154

Uživatelská příručka

STEVE-SPIN3201: pokročilý BLDC ovladač s vestavěnou vyhodnocovací deskou STM32 MCU

Obsah skrýt

1 Zavedení

2 Hardwarové a softwarové požadavky

3 Začínáme

4 Popis a konfigurace hardwaru

8 Související příspěvky

Zavedení

Deska STEVAL-SPIN3201 je 3-fázová bezkomutátorová deska stejnosměrného motoru založená na STSPIN32F0, 3-fázový kontrolér s integrovaným STM32 MCU a implementuje 3-boční odpory jako topologii pro čtení proudu.
Poskytuje snadno použitelné řešení pro hodnocení zařízení v různých aplikacích, jako jsou domácí spotřebiče, ventilátory, drony a elektrické nářadí.
Deska je navržena pro senzorový nebo bezsenzorový polně orientovaný řídicí algoritmus se 3 bočním snímáním.

Obrázek 1. Vyhodnocovací deska STEVE-SPIN3201

Hardwarové a softwarové požadavky

Použití vyhodnocovací desky STEVAL-SPIN3201 vyžaduje následující software a hardware:

Počítač se systémem Windows ® (XP, Vista 7, Windows 8, Windows 10) k instalaci softwarového balíčku
Mini-B USB kabel pro připojení desky STEVAL-SPIN3201 k PC

Vývojová sada softwaru pro řízení motoru STM32 Rev Y (X-CUBE-MCSDK-Y)
3-fázový bezkomutátorový DC motor s kompatibilním objtage a aktuální hodnocení

Externí DC napájecí zdroj.

Začínáme

Maximální hodnocení desky jsou následující:

Power stage zásoba svtage (VS) od 8 V do 45 V
Fázový proud motoru až 15 Arms

Chcete-li zahájit projekt s deskou:

Krok 1. Zkontrolujte polohu propojky podle cílové konfigurace (viz část 4.3 Detekce nadproudu
Krok 2. Připojte motor ke konektoru J3, přičemž dbejte na pořadí fází motoru.
Krok 3. Napájejte desku přes vstup 1 a 2 konektoru J2. LED DL1 (červená) se rozsvítí.
Krok 4. Vyvíjejte svou aplikaci pomocí STM32 Motor Control Software Development Kit Rev Y (X-CUBEMCSDK-Y).

Popis a konfigurace hardwaru

Postava 2. Hlavní komponenty a pozice konektorů ukazují polohu hlavních komponent a konektorů na desce.
Postava 2. Hlavní komponenty a pozice konektorů

Tabulka 1. Propojky pro hardwarové nastavení poskytují detailní rozmístění konektorů.
Tabulka 1. Propojky nastavení hardwaru

Skokan	Povolené konfigurace	Výchozí stav
JP1	Výběr VREG připojeného k V motoru	OTEVŘENO
JP2	Výběr napájení motoru připojeného ke zdroji stejnosměrného proudu	ZAVŘENO
JP3	Výběr napájení Hallova enkodéru k napájení USB (1) / VDD (3).	1 – 2 ZAVŘENO
JP4	Reset výběru ST-LINK (U4)	OTEVŘENO
JP5	Výběr PA2 napojený na halu 3	ZAVŘENO
JP6	Výběr PA1 napojený na halu 2	ZAVŘENO
JP7	Výběr PA0 napojený na halu 1	ZAVŘENO

Tabulka 2. Popis dalších konektorů, propojek a testovacích bodů

Jméno	Kolík	Označení	Popis
J1	1 – 2	J1	Napájení motoru
J2	1 – 2	J2	Hlavní napájecí zdroj zařízení (VM)
J3	1 – 2 – 3	U, V, W	Připojení fází 3fázového motoru BLDC
J4	1 – 2 – 3	J4	Konektor snímačů Hall/kodér
J4	4 – 5	J4	Napájení Hallových snímačů/kodérů
J5	–	J5	USB vstup ST-LINK
J6	1	3V3	Napájecí zdroj ST-LINK
	2	CLK	SWCLK od ST-LINK
	3	GND	GND
	4	DIO	SWDIO ze ST-LINK
J7	1 – 2	J7	VOZÍK
J8	1 – 2	J8	ST-LINK reset
TP1	–	GREG	12 V objtage výstup regulátoru
TP2	–	GND	GND
TP3	–	VDD	VDD
TP4	–	RYCHLOST	Výstup potenciometru rychlosti
TP5	–	PA3	PA3 GPIO (výstupní op-amp smysl 1)
TP6	–	V-BUS	Zpětná vazba VBus
TP7	–	OUT_U	Výstup U
TP8	–	PA4	PA4 GPIO (výstupní op-amp smysl 2)
TP9	–	PA5	PA5 GPIO (výstupní op-amp smysl 3)
TP10	–	GND	GND
TP11	–	OUT_V	Výstup V
TP12	–	PA7	PA7_3FG
TP13	–	OUT_W	Výstup W
TP14	–	3V3	3V3 ST-LINK
TP15	–	5V	USB svtage
TP16	–	I/O	SWD_IO
TP17	–	CLK	SWD_CLK

Popis zapojení

STEVAL-SPIN3201 poskytuje kompletní 3-boční FOC řešení složené z STSPIN32F0 – pokročilého BLDC řadiče s vestavěným STM32 MCU – a trojitého polovičního můstku napájení stage s NMOS STD140N6F7.
STSPIN32F0 autonomně generuje všechny požadované napájecí objtages: interní DC/DC buck konvertor poskytuje 3V3 a interní lineární regulátor poskytuje 12V pro hradlové ovladače.
Úprava signálu proudové zpětné vazby se provádí prostřednictvím tří provozních amplifikátory zabudované do zařízení a interní komparátor provádí nadproudovou ochranu před bočníkovými odpory.
Pro implementaci jednoduchých uživatelských rozhraní (např. spuštění/zastavení motoru a nastavení cílové rychlosti) jsou k dispozici dvě uživatelská tlačítka, dvě LED diody a trimr.
Deska STEVAL-SPIN3201 podporuje kvadraturní kodér a digitální Hallovy senzory jako zpětnou vazbu polohy motoru.
Deska obsahuje ST-LINK-V2, který umožňuje uživateli ladit a stahovat firmware bez dalšího hardwarového nástroje.

4.1 Hallův/kodérový snímač otáček motoru
Vyhodnocovací deska STEVAL-SPIN3201 podporuje digitální Hallovy a kvadraturní snímače kodéru jako zpětnou vazbu polohy motoru.
Senzory lze připojit k STSPIN32F0 přes konektor J4 uvedený v

Tabulka 3. Hallův konektor/konektor kodéru (J4).

Jméno	Kolík	Popis
Hala 1/A+	1	Hallův snímač 1/enkodér výstup A+
Hala 2/B+	2	Hallův snímač 2/enkodér na výstupu B+
Hala 3/Z+	3	Hallův snímač 3/kodér nulová zpětná vazba
VDD senzor	4	Napájení snímače objtage
GND	5	Země

Ochranný sériový odpor 1kΩ je namontován v sérii se senzorovými výstupy.
Pro snímače vyžadující externí pull-up jsou již na výstupních vedeních namontovány tři 10 kΩ odpory a připojeny k VDD vol.tagE. Na stejných linkách je k dispozici také půdorys pro stahovací odpory.

Propojkou JP3 se volí napájení pro napájení snímače objtage:

Propojka mezi pinem 1 – pin 2: Hallovy senzory napájené z VUSB (5 V)

Propojka mezi kolíky 1 – kolíky 2: Hallovy senzory napájené VDD (3.3 V)
Uživatel může odpojit výstupy senzoru od otevíracích propojek JP5, JP6 a JP7 MCU GPIO.

4.2 Snímání proudu

Na desce STEVAL-SPIN3201 se úprava signálu snímání proudu provádí prostřednictvím tří provozních amplifikátory zabudované do zařízení STSPIN32F0.
V typické aplikaci FOC jsou proudy ve třech polovičních můstcích snímány pomocí bočníkového odporu na zdroji každého nízkonapěťového vypínače. Smysl t. zvtagSignály jsou přiváděny do analogově-digitálního převodníku za účelem provedení maticového výpočtu souvisejícího s určitou řídicí technikou. Tyto smyslové signály jsou obvykle posunuty a amppodřízený specializovaným op-amps, abyste mohli využít celý rozsah ADC (viz obrázek 3. Schéma snímání proudu napřample).

Obrázek 3. Schéma snímání proudu example

Snímané signály musí být posunuty a vycentrovány na VDD/2 objtage (asi 1.65 V) a ampznovu lifikované, což zajišťuje shodu mezi maximální hodnotou snímaného signálu a plným rozsahem ADC.
Voltage řazení stage zavádí útlum (1/Gp) zpětnovazebního signálu, který spolu se zesílením neinvertující konfigurace (Gn, fixní pomocí Rn a Rf) přispívá k celkovému zesílení (G). Jak již bylo řečeno, cílem je nastolit celkovou ampzisk lifikační sítě (G) tak, aby zvtage na bočníku odpovídající maximálnímu povolenému proudu motoru (ISmax špičková hodnota jmenovitého proudu motoru) odpovídá rozsahu vol.tagje čitelný ADC.

Poznámka že jakmile je G pevně stanoveno, je lepší jej nakonfigurovat tak, že se počáteční útlum 1/Gp co nejvíce sníží, a tím i zisk Gn. To je důležité nejen pro maximalizaci signálu o poměr šumu, ale také pro snížení efektu op-amp vnitřní offset na výstupu (proporcionální k Gn).

Zisk a polarizace objtage (VOPout, pol) určete operační rozsah obvodů snímání proudu:

Kde:

IS- = maximální dodávaný proud
IS+ = maximální utlumený proud, který může obvod snímat.

Tabulka 4. STEVE-SPIN3201 op-amppolarizační síť

Parametr	Odkaz na díl	Rev. 1	Rev. 3
Rp	R14, R24, R33	560 Ω	1.78 kΩ
Ra	R12, R20, R29	8.2 kΩ	27.4 kΩ
Rb	R15, R25, R34	560 Ω	27.4 kΩ
Rn	R13, R21, R30	1 kΩ	1.78 kΩ
Rf	R9, R19, R28	15 kΩ	13.7 kΩ
Cf	C15, C19, C20	100 pF	NM
G	–	7.74	7.70
VOPout, pol	–	1.74 V	1.65 V

4.3 Detekce nadproudu

Vyhodnocovací deska STEVAL-SPIN3201 implementuje nadproudovou ochranu založenou na integrovaném komparátoru OC STSPIN32F0. Boční odpory měří zatěžovací proud každé fáze. Odpory R50, R51 a R52 přivádějí zvtage signály spojené s každým zátěžovým proudem na kolíku OC_COMP. Když špičkový proud tekoucí v jedné ze tří fází překročí zvolenou prahovou hodnotu, spustí se integrovaný komparátor a všechny výkonové spínače na vysoké straně jsou deaktivovány. Výkonové spínače na vysoké straně se znovu aktivují, když proud klesne pod prahovou hodnotu, čímž se implementuje nadproudová ochrana.
Aktuální prahové hodnoty pro hodnotící desku STEVAL-SPIN3201 jsou uvedeny v

Tabulka 5. Nadproudové prahové hodnoty.

PF6	PF7	Interní komp. práh	OC práh
0	1	100 mV	20 A
1	0	250 mV	65 A
1	1	500 mV	140 A

Tyto prahové hodnoty lze upravit změnou předpětí R43. Doporučuje se zvolit R43 vyšší než 30 kΩ. Pro výpočet hodnoty R43 pro cílový proudový limit IOC lze použít následující vzorec:

kde OC_COMPth je objemtage práh interního komparátoru (vybraný PF6 a PF7) a VDD je 3.3 V digitální napájecí obj.tage zajišťuje interní DCDC buck konvertor.
Odstraněním R43 se současný prahový vzorec zjednoduší takto:

4.4 Autobus objtage obvod

Vyhodnocovací deska STEVAL-SPIN3201 poskytuje sběrnici voltage snímání. Tento signál je vysílán přes voltage dělič od napájení motoru objtage (VBUS) (R10 a R16) a odeslány do PB1 GPIO (kanál 9 ADC) vestavěného MCU. Signál je k dispozici také na TP6.

4.5 Hardwarové uživatelské rozhraní

Deska obsahuje následující položky hardwarového uživatelského rozhraní:

Potenciometr R6: nastavuje cílovou rychlost, napřample
Přepínač SW1: resetuje STSPIN32F0 MCU a ST-LINK V2

Přepínač SW2: uživatelské tlačítko 1
Přepínač SW3: uživatelské tlačítko 2
LED DL3: uživatelská LED 1 (také se rozsvítí při stisknutí tlačítka uživatele 1)

LED DL4: uživatelská LED 2 (také se rozsvítí, když stisknete uživatelská 2 tlačítka)

4.6 Ladění

Vyhodnocovací deska STEVAL-SPIN3201 obsahuje debugger/programátor ST-LINK/V2-1. Funkce podporované na ST-LINK jsou:

Nový výčet softwaru USB
Rozhraní virtuálního komunikačního portu na USB připojené k pinům PB6/PB7 STSPIN32F0 (UART1)
Velkokapacitní paměťové rozhraní na USB
Napájení pro ST-LINK zajišťuje hostitelský počítač prostřednictvím USB kabelu připojeného k J5.
LED LD2 poskytuje informace o stavu komunikace ST-LINK:

Červená LED pomalu bliká: při zapnutí před inicializací USB
Červená LED rychle bliká: po první správné komunikaci mezi PC a ST-LINK/V2-1 (výčet)
Červená LED svítí: inicializace mezi PC a ST-LINK/V2-1 je dokončena

Zelená LED SVÍTÍ: úspěšná inicializace cílové komunikace
Červená/zelená LED bliká: během komunikace s cílem
Zelená svítí: komunikace dokončena a úspěšná
Funkce reset se odpojí od ST-LINK odstraněním propojky J8.

Historie revizí

Tabulka 6. Historie revizí dokumentu

Datum	Revize	Změny
12. prosince - 20161	1	Počáteční vydání.
23-listopad-2017	2	Přidána část 4.2: Snímání proudu na straně 7.
27. února 2018	3	Drobné úpravy v celém dokumentu.
18-2021-XNUMX	4	Drobná korekce šablony.

STMicroelectronics NV a její dceřiné společnosti (“ST”) si vyhrazují právo provádět změny, opravy, vylepšení, úpravy a vylepšení produktů ST a/nebo tohoto dokumentu kdykoli bez upozornění. Kupující by měli před zadáním objednávky získat nejnovější relevantní informace o produktech ST. Produkty ST jsou prodávány v souladu s prodejními podmínkami ST platnými v době potvrzení objednávky. Kupující jsou výhradně odpovědní za výběr, výběr a použití produktů ST a ST nepřebírá žádnou odpovědnost za pomoc s aplikací nebo design produktů kupujících.

DŮLEŽITÉ UPOZORNĚNÍ - PŘEČTĚTE SI POZORNĚ

Společnost ST zde neuděluje žádnou výslovnou ani předpokládanou licenci k právu duševního vlastnictví.
Další prodej produktů ST s ustanoveními odlišnými od informací uvedených v tomto dokumentu ruší jakoukoli záruku poskytnutou společností ST na takový produkt.
ST a logo ST jsou ochranné známky společnosti ST. Další informace o ochranných známkách ST naleznete na www.st.com/trademarks. Všechny ostatní názvy produktů nebo služeb jsou majetkem jejich příslušných vlastníků.
Informace v tomto dokumentu nahrazují a nahrazují informace dříve uvedené v předchozích verzích tohoto dokumentu.