liv. opskåret
UM2154
Brugermanual
STEVE-SPIN3201: avanceret BLDC-controller med indbygget STM32 MCU-evalueringskort
Indledning
STEVAL-SPIN3201-kortet er et 3-faset børsteløst DC-motor-driverkort baseret på STSPIN32F0, en 3-faset controller med en integreret STM32 MCU, og implementerer 3-shunt modstande som strømaflæsningstopologi.
Det giver en brugervenlig løsning til evaluering af enheden i forskellige applikationer såsom husholdningsapparater, ventilatorer, droner og elværktøj.
Kortet er designet til den sensorede eller sensorløse feltorienterede kontrolalgoritme med 3-shunt-sensing.
Figur 1. STEVE-SPIN3201 evalueringstavle
Krav til hardware og software
Brug af STEVAL-SPIN3201 evalueringstavlen kræver følgende software og hardware:
- En Windows ® PC (XP, Vista 7, Windows 8, Windows 10) til at installere softwarepakken
- Et mini-B USB-kabel til at forbinde STEVAL-SPIN3201-kortet til pc'en
- STM32 Motor Control Software Development Kit Rev Y (X-CUBE-MCSDK-Y)
- En 3-faset børsteløs DC-motor med en kompatibel voltage og aktuelle vurderinger
- En ekstern jævnstrømsforsyning.
Kom godt i gang
De maksimale vurderinger af bestyrelsen er følgende:
- Power stage forsyning voltage (VS) fra 8 V til 45 V
- Motorfasestrøm op til 15 arme
Sådan starter du dit projekt med bestyrelsen:
Trin 1. Kontroller jumperens position i henhold til målkonfigurationen (se afsnit 4.3 Overstrømsdetektering
Trin 2. Tilslut motoren til stikket J3 under hensyntagen til rækkefølgen af motorfaserne.
Trin 3. Forsyn kortet gennem indgang 1 og 2 på stik J2. DL1 (rød) LED tændes.
Trin 4. Udvikl din applikation ved hjælp af STM32 Motor Control Software Development Kit Rev Y (X-CUBEMCSDK-Y).
Hardwarebeskrivelse og konfiguration
Figur 2. Hovedkomponenter og stiks positioner viser placeringen af hovedkomponenter og stik på kortet.
Figur 2. Hovedkomponenter og stikpositioner
Tabel 1. Hardwareindstillingsjumpere giver den detaljerede pinout af stikkene.
Tabel 1. Hardware indstilling jumpere
| Jumper | Tilladte konfigurationer | Standardtilstand |
| JP1 | Valg af VREG tilsluttet V-motor | ÅBEN |
| JP2 | Valgmotor strømforsyning tilsluttet DC strømforsyning | LUKKET |
| JP3 | Valg Hall encoder forsyning til USB (1) / VDD (3) strømforsyning | 1 – 2 LUKKET |
| JP4 | Valg nulstilling af ST-LINK (U4) | ÅBEN |
| JP5 | Valg PA2 tilsluttet hal 3 | LUKKET |
| JP6 | Valg PA1 tilsluttet hal 2 | LUKKET |
| JP7 | Valg PA0 tilsluttet hal 1 | LUKKET |
Tabel 2. Beskrivelse af andre stik, jumper og testpunkter
|
Navn |
Stift | Mærke |
Beskrivelse |
| J1 | 1 – 2 | J1 | Motor strømforsyning |
| J2 | 1 – 2 | J2 | Enhedens hovedstrømforsyning (VM) |
| J3 | 1 – 2 – 3 | U, V, W | 3-faset BLDC motorfasetilslutning |
| J4 | 1 – 2 – 3 | J4 | Hall/encoder sensorer stik |
| 4 – 5 | J4 | Hall sensorer/encoder forsyning | |
| J5 | – | J5 | USB-indgang ST-LINK |
| J6 | 1 | 3V3 | ST-LINK strømforsyning |
| 2 | CLK | SWCLK af ST-LINK | |
| 3 | GND | GND | |
| 4 | DIO | SWDIO af ST-LINK | |
| J7 | 1 – 2 | J7 | VOGN |
| J8 | 1 – 2 | J8 | ST-LINK nulstillet |
| TP1 | – | GREG | 12 V bindtage regulatorudgang |
| TP2 | – | GND | GND |
| TP3 | – | VDD | VDD |
| TP4 | – | HASTIGHED | Hastighedspotentiometerudgang |
| TP5 | – | PA3 | PA3 GPIO (output op-amp forstand 1) |
| TP6 | – | V-BUS | VBus feedback |
| TP7 | – | OUT_U | Udgang U |
| TP8 | – | PA4 | PA4 GPIO (output op-amp forstand 2) |
| TP9 | – | PA5 | PA5 GPIO (output op-amp forstand 3) |
| TP10 | – | GND | GND |
| TP11 | – | OUT_V | Udgang V |
| TP12 | – | PA7 | PA7_3FG |
| TP13 | – | OUT_W | Udgang W |
| TP14 | – | 3V3 | 3V3 ST-LINK |
| TP15 | – | 5V | USB voltage |
| TP16 | – | I/O | SWD_IO |
| TP17 | – | CLK | SWD_CLK |
Kredsløbsbeskrivelse
STEVAL-SPIN3201 giver en komplet 3-shunt FOC-løsning sammensat af en STSPIN32F0 – avanceret BLDC-controller med en indbygget STM32 MCU – og en tredobbelt halvbro-strømforsyningtage med NMOS STD140N6F7.
STSPIN32F0 genererer autonomt al den nødvendige forsyning voltages: den interne DC/DC buck-konverter giver 3V3 og en intern lineær regulator giver 12 V til gate-driverne.
Den aktuelle feedback signal konditionering udføres gennem tre af de operationelle ampløftere indlejret i enheden og en intern komparator udfører overstrømsbeskyttelse fra shuntmodstande.
To brugerknapper, to LED'er og en trimmer er tilgængelige for at implementere enkle brugergrænseflader (f.eks. start/stop af motoren og indstilling af målhastighed).
STEVAL-SPIN3201-kortet understøtter kvadraturkoderen og digitale Hall-sensorer som motorpositionsfeedback.
Kortet inkluderer en ST-LINK-V2, der giver brugeren mulighed for at debugge og downloade firmware uden noget ekstra hardwareværktøj.
4.1 Hall/encoder motorhastighedssensor
STEVAL-SPIN3201-evalueringskortet understøtter de digitale Hall- og kvadratur-encoder-sensorer som motorpositionsfeedback.
Sensorerne kan tilsluttes STSPIN32F0 gennem J4-stikket, der er angivet i
Tabel 3. Hall/encoder stik (J4).
| Navn | Stift | Beskrivelse |
| Hal1/A+ | 1 | Hallsensor 1/encoder ud A+ |
| Hal2/B+ | 2 | Hall sensor 2/encoder ud B+ |
| Hal3/Z+ | 3 | Hall sensor 3/encoder nul feedback |
| VDD sensor | 4 | Sensorforsyning voltage |
| GND | 5 | Jord |
En beskyttelsesseriemodstand på 1 kΩ er monteret i serie med sensorudgange.
For sensorer, der kræver en ekstern pull-up, er tre 10 kΩ modstande allerede monteret på udgangslinjerne og forbundet til VDD vol.tage. På samme linjer er der også et fodaftryk til pull-down modstande.
Jumperen JP3 vælger strømforsyningen til sensorforsyningen voltage:
- Jumper mellem ben 1 – ben 2: Hall-sensorer drevet af VUSB (5 V)
- Jumper mellem ben 1 – ben 2: Hall-sensorer drevet af VDD (3.3 V)
Brugeren kan afbryde sensorudgangene fra MCU GPIO-åbningsjumpene JP5, JP6 og JP7.
4.2 Strømmåling
I STEVAL-SPIN3201-kortet udføres den strømfølende signalbehandling gennem tre af de operationelle ampløftere indlejret i STSPIN32F0-enheden.
I en typisk FOC-applikation registreres strømmene i de tre halvbroer ved hjælp af en shuntmodstand på kilden til hver strømafbryder på lav side. Sansen voltage-signaler leveres til en analog-til-digital-konverter for at udføre matrixberegningen relateret til en bestemt styreteknik. Disse sansesignaler er normalt forskudt og amppræget af dedikeret op-amps for at udnytte hele rækkevidden af ADC'en (se figur 3. Nuværende registreringsskema f.eks.ample).
Figur 3. Aktuelt måleskema example
Sensesignalerne skal forskydes og centreres på VDD/2 voltage (ca. 1.65 V) og amplified igen, hvilket giver matchningen mellem den maksimale værdi af det detekterede signal og fuldskalaområdet for ADC'en.
Voltage skiftende stage indfører dæmpning (1/Gp) af tilbagekoblingssignalet, som sammen med forstærkningen af den ikke-inverterende konfiguration (Gn, fastsat af Rn og Rf), bidrager til den samlede forstærkning (G). Som allerede nævnt er målet at etablere det overordnede amplification network gain (G), således at voltage på shuntmodstanden svarende til den maksimalt tilladte motorstrøm (ISmax spidsværdi af motorens mærkestrøm) passer til området for voltagkan læses af ADC.
Note at, når først G er fikset, er det bedre at konfigurere det ved at sænke den indledende dæmpning 1/Gp så meget som muligt og dermed forstærkningen Gn. Dette er vigtigt ikke kun for at maksimere signalet med støjforholdet, men også for at reducere effekten af op-amp indre offset på outputtet (proportionalt med Gn).
Forstærkningen og polariseringen voltage (VOPout, pol) bestemmer det operative område for det strømfølende kredsløb:
Hvor:
- IS- = maksimal kildestrøm
- IS+ = maksimal sænket strøm, der kan registreres af kredsløbet.
Tabel 4. STEVE-SPIN3201 op-amps polarisationsnetværk
|
Parameter |
Del reference | Rev. 1 |
Rev. 3 |
| Rp | 14 kr, 24 kr, 33 kr | 560 Ω | 1.78 kΩ |
| Ra | 12 kr, 20 kr, 29 kr | 8.2 kΩ | 27.4 kΩ |
| Rb | 15 kr, 25 kr, 34 kr | 560 Ω | 27.4 kΩ |
| Rn | 13 kr, 21 kr, 30 kr | 1 kΩ | 1.78 kΩ |
| Rf | 9 kr, 19 kr, 28 kr | 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 Overstrømsdetektering
STEVAL-SPIN3201 evalueringstavlen implementerer overstrømsbeskyttelse baseret på STSPIN32F0 integreret OC komparator. Shuntmodstande måler belastningsstrømmen for hver fase. Modstandene R50, R51 og R52 bringer voltage-signaler forbundet med hver belastningsstrøm til OC_COMP-stiften. Når spidsstrømmen, der flyder i en af de tre faser, overstiger den valgte tærskel, udløses den integrerede komparator, og alle strømafbrydere på højsiden deaktiveres. High-side strømafbrydere aktiveres igen, når strømmen falder under tærsklen, hvilket implementerer overstrømsbeskyttelse.
Aktuelle tærskler for STEVAL-SPIN3201 evalueringstavlen er angivet i
Tabel 5. Overstrømstærskler.
| PF6 | PF7 | Intern komp. Grænseværdi | OC-tærskel |
| 0 | 1 | 100 mV | 20 A |
| 1 | 0 | 250 mV | 65 A |
| 1 | 1 | 500 mV | 140 A |
Disse tærskler kan ændres ved at ændre R43 forspændingsmodstanden. Det anbefales at vælge R43 højere end 30 kΩ. For at beregne værdien af R43 for en målstrømgrænse IOC, kan følgende formel bruges:
hvor OC_COMPth er voltagtærsklen for den interne komparator (valgt af PF6 og PF7), og VDD er 3.3 V digital forsyningsvolumentage leveret af den interne DCDC buck-konverter.
Fjernelse af R43 forenkles den nuværende tærskelformel som følger:
4.4 Bus voltage kredsløb
STEVAL-SPIN3201 evalueringstavlen giver bussen voltage sansning. Dette signal sendes gennem en voltage divider fra motorforsyningen voltage (VBUS) (R10 og R16) og sendes til PB1 GPIO (kanal 9 af ADC'en) på den indlejrede MCU. Signalet er også tilgængeligt på TP6.
4.5 Hardwarebrugergrænseflade
Tavlen inkluderer følgende hardwarebrugergrænsefladeelementer:
- Potentiometer R6: indstiller målhastigheden, f.eksample
- Switch SW1: nulstiller STSPIN32F0 MCU og ST-LINK V2
- Switch SW2: brugerknap 1
- Switch SW3: brugerknap 2
- LED DL3: bruger LED 1 (tænder også, når der trykkes på bruger 1 knap)
- LED DL4: bruger LED 2 (tænder også, når der trykkes på bruger 2 knapper)
4.6 Fejlretning
STEVAL-SPIN3201 evalueringskortet indlejrer en ST-LINK/V2-1 debugger/programmør. De funktioner, der understøttes på ST-LINK er:
- Genoptælling af USB-software
- Virtuel com-port-interface på USB tilsluttet til PB6/PB7-ben på STSPIN32F0 (UART1)
- Masselagergrænseflade på USB
Strømforsyningen til ST-LINK leveres af værts-pc'en via USB-kablet tilsluttet J5.
LED LD2 giver ST-LINK kommunikationsstatusinformation: - Rød LED blinker langsomt: ved tænding før USB initialisering
- Rød LED blinker hurtigt: efter den første korrekte kommunikation mellem pc'en og ST-LINK/V2-1 (opregning)
- Rød LED ON: initialisering mellem pc'en og ST-LINK/V2-1 er fuldført
- Grøn LED ON: vellykket initialisering af målkommunikation
- Rød/grøn LED blinker: under kommunikation med målet
- Grøn ON: kommunikation afsluttet og vellykket
Nulstillingsfunktionen afbrydes fra ST-LINK ved at fjerne jumperen J8.
Revisionshistorie
Tabel 6. Dokumentrevisionshistorik
| Dato | Revision | Ændringer |
| 12. december 20161 | 1 | Første udgivelse. |
| 23. nov. 2017 | 2 | Tilføjet afsnit 4.2: Strømmåling på side 7. |
| 27. februar 2018 | 3 | Mindre ændringer i hele dokumentet. |
| 18-aug-2021 | 4 | Mindre skabelon rettelse. |
STMicroelectronics NV og dets datterselskaber ("ST") forbeholder sig retten til at foretage ændringer, rettelser, forbedringer, modifikationer og forbedringer af ST-produkter og/eller dette dokument til enhver tid uden varsel. Købere bør indhente de seneste relevante oplysninger om ST-produkter, før de afgiver ordre. ST-produkter sælges i henhold til STs salgs- og salgsbetingelser på tidspunktet for ordrebekræftelse. Købere er alene ansvarlige for valg, udvælgelse og brug af ST-produkter, og ST påtager sig intet ansvar for ansøgningsassistance eller design af Købers produkter.
VIGTIG BEMÆRKNING - LÆS VENLIGST NU
Ingen licens, hverken udtrykkelig eller underforstået, til nogen intellektuel ejendomsret er givet af ST heri.
Videresalg af ST-produkter med andre bestemmelser end de oplysninger, der er angivet heri, annullerer enhver garanti givet af ST for et sådant produkt.
ST og ST-logoet er varemærker tilhørende ST. For yderligere information om ST-varemærker henvises til www.st.com/varemærker. Alle andre produkt- eller tjenestenavne tilhører deres respektive ejere.
Oplysningerne i dette dokument erstatter og erstatter oplysninger, der tidligere er leveret i alle tidligere versioner af dette dokument.
© 2021 STMicroelectronics – Alle rettigheder forbeholdes
Dokumenter/ressourcer
 |
ST UM2154 STEVAL-SPIN3201 avanceret BLDC-controller med indbygget STM32 MCU-evalueringskort [pdfBrugermanual UM2154, STEVAL-SPIN3201 Avanceret BLDC-controller med indbygget STM32 MCU-evalueringskort |
