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UM2154
Benutzerhandbuch
STEVE-SPIN3201: fortschrittlicher BLDC-Controller mit eingebettetem STM32-MCU-Evaluierungsboard
Einführung
Das STEVAL-SPIN3201-Board ist ein 3-Phasen-Brushless-DC-Motortreiberboard basierend auf dem STSPIN32F0, einem 3-Phasen-Controller mit integrierter STM32-MCU, und implementiert 3-Shunt-Widerstände als Stromlesetopologie.
Es bietet eine einfach zu bedienende Lösung für die Evaluierung des Geräts in verschiedenen Anwendungen wie Haushaltsgeräten, Lüftern, Drohnen und Elektrowerkzeugen.
Die Platine ist für den sensorischen oder sensorlosen feldorientierten Regelalgorithmus mit 3-Shunt-Erfassung ausgelegt.
Abbildung 1. STEVE-SPIN3201-Evaluierungsplatine
Hardware- und Softwareanforderungen
Die Verwendung des STEVAL-SPIN3201 Evaluation Board erfordert die folgende Soft- und Hardware:
- Ein Windows ® PC (XP, Vista 7, Windows 8, Windows 10) um das Softwarepaket zu installieren
- Ein Mini-B-USB-Kabel zum Verbinden des STEVAL-SPIN3201-Boards mit dem PC
- Das STM32 Motor Control Software Development Kit Rev. Y (X-CUBE-MCSDK-Y)
- Ein bürstenloser 3-Phasen-Gleichstrommotor mit einem kompatiblen Volumentage und aktuelle Bewertungen
- Ein externes DC-Netzteil.
Erste Schritte
Die maximalen Bewertungen des Boards sind die folgenden:
- Leistung stage Versorgungsvolumentage (VS) von 8 V bis 45 V
- Motorphasenstrom bis zu 15 Aeff
So starten Sie Ihr Projekt mit dem Board:
Schritt 1. Überprüfen Sie die Jumperposition gemäß der Sollkonfiguration (siehe Abschnitt 4.3 Überstromerkennung
Schritt 2. Schließen Sie den Motor an den Stecker J3 an und achten Sie dabei auf die Reihenfolge der Motorphasen.
Schritt 3. Versorgen Sie die Platine über die Eingänge 1 und 2 des Steckers J2. Die DL1 (rot) LED leuchtet auf.
Schritt 4. Entwickeln Sie Ihre Anwendung mit dem STM32 Motor Control Software Development Kit Rev Y (X-CUBEMCSDK-Y).
Hardwarebeschreibung und Konfiguration
Figur 2. Die Positionen der Hauptkomponenten und Anschlüsse zeigen die Position der Hauptkomponenten und Anschlüsse auf der Platine.
Figur 2. Hauptkomponenten und Steckerpositionen
Tabelle 1. Die Jumper für die Hardwareeinstellung liefern die detaillierte Pinbelegung der Anschlüsse.
Tabelle 1. Jumper für die Hardwareeinstellung
| Jumper | Zulässige Konfigurationen | Standardbedingung |
| JP1 | Auswahl von VREG verbunden mit V-Motor | OFFEN |
| JP2 | Auswahl Motorstromversorgung an DC-Stromversorgung angeschlossen | GESCHLOSSEN |
| JP3 | Auswahl Hall-Encoder-Versorgung an USB (1) / VDD (3) Stromversorgung | 1 – 2 GESCHLOSSEN |
| JP4 | Auswahl Reset von ST-LINK (U4) | OFFEN |
| JP5 | Auswahl PA2 verbunden mit Halle 3 | GESCHLOSSEN |
| JP6 | Auswahl PA1 verbunden mit Halle 2 | GESCHLOSSEN |
| JP7 | Auswahl PA0 verbunden mit Halle 1 | GESCHLOSSEN |
Tabelle 2. Beschreibung anderer Anschlüsse, Jumper und Testpunkte
|
Name |
Stift | Etikett |
Beschreibung |
| J1 | 1 – 2 | J1 | Motorstromversorgung |
| J2 | 1 – 2 | J2 | Gerätehauptstromversorgung (VM) |
| J3 | 1 – 2 – 3 | U, V, W | 3-Phasen-BLDC-Motorphasenanschluss |
| J4 | 1 – 2 – 3 | J4 | Anschluss Hall-/Encoder-Sensoren |
| 4 – 5 | J4 | Hallsensoren/Geberversorgung | |
| J5 | – | J5 | USB-Eingang ST-LINK |
| J6 | 1 | 3V3 | ST-LINK-Netzteil |
| 2 | CLK | SWCLK von ST-LINK | |
| 3 | Masse | Masse | |
| 4 | DIO | SWDIO von ST-LINK | |
| J7 | 1 – 2 | J7 | WARENKORB |
| J8 | 1 – 2 | J8 | ST-LINK-Reset |
| TP1 | – | GREG | 12 V Voltage Reglerausgang |
| TP2 | – | Masse | Masse |
| TP3 | – | VDD | VDD |
| TP4 | – | GESCHWINDIGKEIT | Drehzahlpotentiometer-Ausgang |
| TP5 | – | PA3 | PA3 GPIO (Ausgangs-amp Sinn 1) |
| TP6 | – | VBUS | VBus-Feedback |
| TP7 | – | OUT_U | Ausgang U |
| TP8 | – | PA4 | PA4 GPIO (Ausgangs-amp Sinn 2) |
| TP9 | – | PA5 | PA5 GPIO (Ausgangs-amp Sinn 3) |
| TP10 | – | Masse | Masse |
| TP11 | – | AUS_V | Ausgang V. |
| TP12 | – | PA7 | PA7_3FG |
| TP13 | – | AUS_W | Ausgang W. |
| TP14 | – | 3V3 | 3V3 ST-LINK |
| TP15 | – | 5V | USB-Lautstärketage |
| TP16 | – | Ein-/Ausgabe | SWD_IO |
| TP17 | – | CLK | SWD_CLK |
Schaltungsbeschreibung
Der STEVAL-SPIN3201 bietet eine komplette 3-Shunt-LWL-Lösung bestehend aus einem STSPIN32F0 – einem fortschrittlichen BLDC-Controller mit einer eingebetteten STM32-MCU – und einem dreifachen Halbbrücken-Power-stage mit dem NMOS STD140N6F7.
Der STSPIN32F0 erzeugt selbstständig alle benötigten Versorgungsvoluminatages: Der interne DC/DC-Abwärtswandler liefert 3V3 und ein interner Linearregler liefert 12V für die Gate-Treiber.
Die Stromrückführungssignalkonditionierung erfolgt über drei der Betriebs ampIn das Gerät eingebettete Kondensatoren und ein interner Komparator bieten Überstromschutz durch Shunt-Widerstände.
Zur Realisierung einfacher Bedienoberflächen (zB Motor starten/stoppen und Solldrehzahl einstellen) stehen zwei Bedientasten, zwei LEDs und ein Trimmer zur Verfügung.
Das STEVAL-SPIN3201 Board unterstützt den Quadratur-Encoder und digitale Hall-Sensoren als Motorpositionsrückmeldung.
Das Board enthält einen ST-LINK-V2, der es dem Benutzer ermöglicht, ohne zusätzliches Hardware-Tool Firmware zu debuggen und herunterzuladen.
4.1 Hall-/Encoder-Motordrehzahlsensor
Das Evaluation Board STEVAL-SPIN3201 unterstützt die digitalen Hall- und Quadratur-Encoder-Sensoren als Motorpositionsrückmeldung.
Die Sensoren können über den J32-Anschluss an den STSPIN0F4 angeschlossen werden
Tabelle 3. Hall-/Encoder-Anschluss (J4).
| Name | Stift | Beschreibung |
| Halle1/A+ | 1 | Hallsensor 1/Encoder out A+ |
| Halle2/B+ | 2 | Hallsensor 2/Encoder out B+ |
| Halle3/Z+ | 3 | Hallsensor 3/Encoder-Null-Feedback |
| VDD-Sensor | 4 | Sensorversorgungsvoltage |
| Masse | 5 | Boden |
Ein Schutzreihenwiderstand von 1 kΩ wird in Reihe mit Sensorausgängen montiert.
Bei Sensoren, die einen externen Pull-Up benötigen, sind bereits drei 10 kΩ-Widerstände auf den Ausgangsleitungen montiert und mit VDD vol . verbundentage. Auf den gleichen Linien ist auch ein Footprint für Pull-Down-Widerstände verfügbar.
Der Jumper JP3 wählt die Spannungsversorgung für die Sensorversorgung voltage:
- Brücke zwischen Pin 1 – Pin 2: Hallsensoren powered by VUSB (5 V)
- Brücke zwischen Pin 1 – Pin 2: Hallsensoren mit VDD (3.3 V) versorgt
Der Benutzer kann die Sensorausgänge von den MCU-GPIO-Öffnungsbrücken JP5, JP6 und JP7 trennen.
4.2 Strommessung
In der STEVAL-SPIN3201-Karte wird die Stromerfassungssignalkonditionierung durch drei der Betriebsfunktionen durchgeführt amplifier, die in das STSPIN32F0-Gerät eingebettet sind.
In einer typischen FOC-Anwendung werden die Ströme in den drei Halbbrücken unter Verwendung eines Shunt-Widerstands an der Source jedes Low-Side-Leistungsschalters erfasst. Der Sinn voltagDie Signale werden einem Analog-Digital-Umsetzer zugeführt, um die Matrixberechnung in Bezug auf eine bestimmte Steuertechnik durchzuführen. Diese Sinnessignale sind normalerweise verschoben und amplifiziert durch dedizierte Op-amps, um den vollen Bereich des ADC auszunutzen (siehe Abbildung 3. Strommessschema example).
Abbildung 3. Strommessschema example
Die Sense-Signale müssen auf VDD/2 vol . verschoben und zentriert werdentage (ca. 1.65 V) und ampwieder vervielfacht, was die Übereinstimmung zwischen dem Maximalwert des erfassten Signals und dem vollen Skalenbereich des ADC liefert.
Die voltage verschiebt stage führt eine Dämpfung (1/Gp) des Rückkopplungssignals ein, die zusammen mit der Verstärkung der nicht invertierenden Konfiguration (Gn, festgelegt durch Rn und Rf) zur Gesamtverstärkung (G) beiträgt. Ziel ist es, wie bereits erwähnt, die Gesamt ampVerstärkung des Netzes (G), so dass die Voltage am Shunt-Widerstand, der dem maximal zulässigen Motorstrom (ISmax Spitzenwert des Motornennstroms) entspricht, entspricht dem Bereich von voltagist vom ADC lesbar.
Notiz dass, wenn G einmal festgelegt ist, es besser ist, es so zu konfigurieren, dass die anfängliche Dämpfung 1/Gp so weit wie möglich und damit die Verstärkung Gn verringert wird. Dies ist nicht nur wichtig, um das Signal durch den Rauschabstand zu maximieren, sondern auch um den Effekt des Op-amp intrinsischer Offset am Ausgang (proportional zu Gn).
Die Verstärkung und die Polarisation voltage (VOPout, pol) bestimmen den Betriebsbereich der Strommessschaltung:
Wo:
- IS- = maximaler Quellenstrom
- IS+ = maximaler versenkter Strom, der von der Schaltung erfasst werden kann.
Tabelle 4. STEVE-SPIN3201 op-amps Polarisationsnetzwerk
|
Parameter |
Teilereferenz | Nr. 1 |
Nr. 3 |
| Rp | R14, R24, R33 | 560 Ω | 1.78 kW |
| Ra | R12, R20, R29 | 8.2 kW | 27.4 kW |
| Rb | R15, R25, R34 | 560 Ω | 27.4 kW |
| Rn | R13, R21, R30 | 1 kW | 1.78 kW |
| Rf | R9, R19, R28 | 15 kW | 13.7 kW |
| Cf | C15, C19, C20 | 100 pF | NM |
| G | – | 7.74 | 7.70 |
| VOPout, pol | – | 1.74 V | 1.65 V |
4.3 Überstromerkennung
Das Evaluierungsboard STEVAL-SPIN3201 implementiert einen Überstromschutz basierend auf dem integrierten OC-Komparator STSPIN32F0. Shunt-Widerstände messen den Laststrom jeder Phase. Die Widerstände R50, R51 und R52 bringen die Voltage Signale, die jedem Laststrom zugeordnet sind, an den OC_COMP-Pin. Wenn der in einer der drei Phasen fließende Spitzenstrom den ausgewählten Schwellenwert überschreitet, wird der integrierte Komparator ausgelöst und alle High-Side-Leistungsschalter werden deaktiviert. High-Side-Leistungsschalter werden wieder aktiviert, wenn der Strom unter den Schwellenwert fällt, wodurch ein Überstromschutz implementiert wird.
Die aktuellen Schwellenwerte für das STEVAL-SPIN3201-Evaluierungsboard sind in aufgeführt
Tabelle 5. Überstromschwellen.
| PF6 | PF7 | Interne Komp. Schwelle | OC-Schwelle |
| 0 | 1 | 100 mV | 20 A |
| 1 | 0 | 250 mV | 65 A |
| 1 | 1 | 500 mV | 140 A |
Diese Schwellenwerte können durch Ändern des Vorspannungswiderstands R43 geändert werden. Es wird empfohlen, R43 höher als 30 kΩ zu wählen. Um den Wert von R43 für einen Zielstromgrenzwert IOC zu berechnen, kann die folgende Formel verwendet werden:
wobei OC_COMPth das Volumen isttage Schwellenwert des internen Komparators (ausgewählt durch PF6 und PF7), und VDD ist die digitale 3.3-V-Versorgungsspannungtage wird vom internen DCDC-Abwärtswandler bereitgestellt.
Durch das Entfernen von R43 wird die aktuelle Schwellenwertformel wie folgt vereinfacht:
4.4 Buslautstärketage Schaltung
Das Evaluationsboard STEVAL-SPIN3201 liefert die Bus-Voltage spüren. Dieses Signal wird durch ein vol . gesendettage Teiler von der Motorversorgung voltage (VBUS) (R10 und R16) und an den PB1 GPIO (Kanal 9 des ADC) der eingebetteten MCU gesendet. Das Signal ist auch beim TP6 verfügbar.
4.5 Hardware-Benutzeroberfläche
Das Board enthält die folgenden Hardware-Benutzeroberflächenelemente:
- Potentiometer R6: stellt die Zielgeschwindigkeit ein, z. B.ample
- Schalter SW1: setzt STSPIN32F0 MCU und ST-LINK V2 zurück
- Schalter SW2: Benutzertaste 1
- Schalter SW3: Benutzertaste 2
- LED DL3: Benutzer-LED 1 (leuchtet auch, wenn die Benutzer-1-Taste gedrückt wird)
- LED DL4: Benutzer-LED 2 (leuchtet auch, wenn Benutzer 2-Tasten gedrückt werden)
4.6 Debug
Das Evaluierungsboard STEVAL-SPIN3201 enthält einen ST-LINK/V2-1-Debugger/Programmer. Die vom ST-LINK unterstützten Funktionen sind:
- Erneute Aufzählung der USB-Software
- Virtuelle COM-Port-Schnittstelle auf USB, verbunden mit PB6/PB7-Pins des STSPIN32F0 (UART1)
- Massenspeicherschnittstelle auf USB
Die Stromversorgung des ST-LINK erfolgt über den Host-PC über das am J5 angeschlossene USB-Kabel.
Die LED LD2 liefert Informationen zum ST-LINK-Kommunikationsstatus: - Rote LED blinkt langsam: beim Einschalten vor der USB-Initialisierung
- Rote LED schnell blinkend: nach erster korrekter Kommunikation zwischen PC und ST-LINK/V2-1 (Aufzählung)
- Rote LED AN: Initialisierung zwischen PC und ST-LINK/V2-1 ist abgeschlossen
- Grüne LED AN: erfolgreiche Initialisierung der Zielkommunikation
- Rote/grüne LED blinkt: während der Kommunikation mit dem Ziel
- Grün EIN: Kommunikation beendet und erfolgreich
Die Rücksetzfunktion wird vom ST-LINK durch Entfernen des Jumpers J8 getrennt.
Versionsgeschichte
Tabelle 6. Revisionsverlauf des Dokuments
| Datum | Revision | Änderungen |
| 12. Dezember 20161 | 1 | Erstveröffentlichung. |
| 23. November 2017 | 2 | Abschnitt 4.2: Strommessung auf Seite 7 hinzugefügt. |
| 27. Februar 2018 | 3 | Kleinere Änderungen im gesamten Dokument. |
| 18. August 2021 | 4 | Kleinere Vorlagenkorrektur. |
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ST UM2154 STEVAL-SPIN3201 Advanced BLDC Controller mit Embedded STM32 MCU Evaluation Board [pdf] Benutzerhandbuch UM2154, STEVAL-SPIN3201 Advanced BLDC Controller mit Embedded STM32 MCU Evaluation Board |
