ζωή.επαυξημένη
UM2154
Εγχειρίδιο χρήσης
STEVE-SPIN3201: προηγμένος ελεγκτής BLDC με ενσωματωμένη πλακέτα αξιολόγησης STM32 MCU
Εισαγωγή
Η πλακέτα STEVAL-SPIN3201 είναι μια πλακέτα οδήγησης κινητήρα συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες 3 φάσεων που βασίζεται στον STSPIN32F0, έναν ελεγκτή 3 φάσεων με ενσωματωμένο STM32 MCU και εφαρμόζει αντιστάσεις 3 διακλαδώσεων ως τοπολογία ανάγνωσης ρεύματος.
Παρέχει μια εύχρηστη λύση για την αξιολόγηση της συσκευής σε διάφορες εφαρμογές όπως η οικιακή συσκευή, οι ανεμιστήρες, τα drones και τα ηλεκτρικά εργαλεία.
Η πλακέτα έχει σχεδιαστεί για τον αλγόριθμο ελέγχου προσανατολισμένου πεδίου με αισθητήρα ή χωρίς αισθητήρες με ανίχνευση 3 διακλαδώσεων.
Εικόνα 1. Πίνακας αξιολόγησης STEVE-SPIN3201
Απαιτήσεις υλικού και λογισμικού
Η χρήση της πλακέτας αξιολόγησης STEVAL-SPIN3201 απαιτεί το ακόλουθο λογισμικό και υλικό:
- Ένας υπολογιστής Windows ® (XP, Vista 7, Windows 8, Windows 10) για την εγκατάσταση του πακέτου λογισμικού
- Ένα καλώδιο USB mini-B για τη σύνδεση της πλακέτας STEVAL-SPIN3201 στον υπολογιστή
- Το κιτ ανάπτυξης λογισμικού ελέγχου κινητήρα STM32 Rev Y (X-CUBE-MCSDK-Y)
- Ένας τριφασικός κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες με συμβατό voltage και τρέχουσες αξιολογήσεις
- Ένα εξωτερικό τροφοδοτικό DC.
Ξεκινώντας
Οι μέγιστες βαθμολογίες του πίνακα είναι οι εξής:
- Ισχύς stage προσφορά τόμtage (VS) από 8 V έως 45 V
- Ρεύμα φάσης κινητήρα έως 15 βραχίονες
Για να ξεκινήσετε το έργο σας με τον πίνακα:
Βήμα 1. Ελέγξτε τη θέση του βραχυκυκλωτήρα σύμφωνα με τη διαμόρφωση στόχου (βλ. Ενότητα 4.3 Ανίχνευση υπερέντασης
Βήμα 2. Συνδέστε τον κινητήρα στο βύσμα J3 προσέχοντας τη σειρά των φάσεων του κινητήρα.
Βήμα 3. Τροφοδοτήστε την πλακέτα μέσω των εισόδων 1 και 2 του συνδετήρα J2. Το LED DL1 (κόκκινο) θα ανάψει.
Βήμα 4. Αναπτύξτε την εφαρμογή σας χρησιμοποιώντας το STM32 Motor Control Software Development Kit Rev Y (X-CUBEMCSDK-Y).
Περιγραφή υλικού και διαμόρφωση
Εικόνα 2. Οι θέσεις των κύριων εξαρτημάτων και των βυσμάτων δείχνουν τη θέση των κύριων εξαρτημάτων και των βυσμάτων στην πλακέτα.
Εικόνα 2. Θέσεις κύριων εξαρτημάτων και συνδέσμων
Πίνακας 1. Οι βραχυκυκλωτήρες ρύθμισης υλικού παρέχουν το λεπτομερές pinout των βυσμάτων.
Πίνακας 1. Άλτες ρύθμισης υλικού
| Αλτης | Επιτρεπόμενες διαμορφώσεις | Προεπιλεγμένη συνθήκη |
| JP1 | Επιλογή VREG συνδεδεμένου με κινητήρα V | ΑΝΟΙΧΤΟ |
| JP2 | Τροφοδοτικό μοτέρ επιλογής συνδεδεμένο με τροφοδοτικό DC | ΚΛΕΙΣΤΟ |
| JP3 | Τροφοδοσία κωδικοποιητή Selection Hall σε τροφοδοτικό USB (1) / VDD (3). | 1 – 2 ΚΛΕΙΣΤΑ |
| JP4 | Επαναφορά επιλογής ST-LINK (U4) | ΑΝΟΙΧΤΟ |
| JP5 | Επιλογή PA2 συνδεδεμένη με την αίθουσα 3 | ΚΛΕΙΣΤΟ |
| JP6 | Επιλογή PA1 συνδεδεμένη με την αίθουσα 2 | ΚΛΕΙΣΤΟ |
| JP7 | Επιλογή PA0 συνδεδεμένη με την αίθουσα 1 | ΚΛΕΙΣΤΟ |
Πίνακας 2. Περιγραφή άλλων συνδέσμων, βραχυκυκλωτήρα και σημείων δοκιμής
|
Ονομα |
Καρφίτσα | Επιγραφή |
Περιγραφή |
| J1 | 1 – 2 | J1 | Τροφοδοτικό κινητήρα |
| J2 | 1 – 2 | J2 | Κύριο τροφοδοτικό συσκευής (VM) |
| J3 | 1 – 2 – 3 | U, V, W | Σύνδεση φάσεων κινητήρα BLDC 3 φάσεων |
| J4 | 1 – 2 – 3 | J4 | Υποδοχή αισθητήρων Hall/κωδικοποιητή |
| 4 – 5 | J4 | Παροχή αισθητήρων Hall/κωδικοποιητή | |
| J5 | – | J5 | Είσοδος USB ST-LINK |
| J6 | 1 | 3V3 | Τροφοδοτικό ST-LINK |
| 2 | CLK | SWCLK της ST-LINK | |
| 3 | GND | GND | |
| 4 | ΔΙΟ | SWDIO της ST-LINK | |
| J7 | 1 – 2 | J7 | ΚΑΡΟΤΣΑΚΙ |
| J8 | 1 – 2 | J8 | Επαναφορά ST-LINK |
| TP1 | – | ΓΡΗΓ | 12 V τόμοςtagΈξοδος ρυθμιστή |
| TP2 | – | GND | GND |
| TP3 | – | VDD | VDD |
| TP4 | – | ΤΑΧΥΤΗΤΑ | Έξοδος ποτενσιόμετρου ταχύτητας |
| TP5 | – | PA3 | PA3 GPIO (optout-amp αίσθηση 1) |
| TP6 | – | V-BUS | Σχόλια VBus |
| TP7 | – | OUT_U | Έξοδος U |
| TP8 | – | PA4 | PA4 GPIO (optout-amp αίσθηση 2) |
| TP9 | – | PA5 | PA5 GPIO (optout-amp αίσθηση 3) |
| TP10 | – | GND | GND |
| TP11 | – | OUT_V | Έξοδος V |
| TP12 | – | PA7 | PA7_3FG |
| TP13 | – | OUT_W | Έξοδος W |
| TP14 | – | 3V3 | 3V3 ST-LINK |
| TP15 | – | 5V | USB voltage |
| TP16 | – | I/O | SWD_IO |
| TP17 | – | CLK | SWD_CLK |
Περιγραφή του κυκλώματος
Το STEVAL-SPIN3201 παρέχει μια ολοκληρωμένη λύση FOC 3 διακλαδώσεων που αποτελείται από έναν STSPIN32F0 – προηγμένο ελεγκτή BLDC με ενσωματωμένο STM32 MCU – και μια ισχύ τριπλής μισής γέφυραςtage με το NMOS STD140N6F7.
Το STSPIN32F0 παράγει αυτόνομα όλη την απαιτούμενη ποσότητα τροφοδοσίαςtages: ο εσωτερικός μετατροπέας DC/DC buck παρέχει 3V3 και ένας εσωτερικός γραμμικός ρυθμιστής παρέχει 12 V για τους οδηγούς πύλης.
Η ρύθμιση του τρέχοντος σήματος ανάδρασης εκτελείται μέσω τριών λειτουργικών ampυλικοποιητές ενσωματωμένοι στη συσκευή και ένας εσωτερικός συγκριτής εκτελεί προστασία υπερέντασης από αντιστάσεις διακλάδωσης.
Δύο κουμπιά χρήστη, δύο LED και ένα τρίμερ είναι διαθέσιμα για την υλοποίηση απλών διεπαφών χρήστη (π.χ. εκκίνηση/παύση του κινητήρα και ρύθμιση ταχύτητας στόχου).
Η πλακέτα STEVAL-SPIN3201 υποστηρίζει τον κωδικοποιητή τετραγωνισμού και τους ψηφιακούς αισθητήρες Hall ως ανάδραση θέσης κινητήρα.
Η πλακέτα περιλαμβάνει ένα ST-LINK-V2 που επιτρέπει στον χρήστη να διορθώνει και να κατεβάζει υλικολογισμικό χωρίς επιπλέον εργαλείο υλικού.
4.1 Αισθητήρας ταχύτητας κινητήρα Hall/κωδικοποιητή
Η πλακέτα αξιολόγησης STEVAL-SPIN3201 υποστηρίζει τους ψηφιακούς αισθητήρες Hall και κωδικοποιητή τετραγωνισμού ως ανάδραση θέσης κινητήρα.
Οι αισθητήρες μπορούν να συνδεθούν στο STSPIN32F0 μέσω της υποδοχής J4 που αναφέρεται
Πίνακας 3. Σύνδεσμος Hall/encoder (J4).
| Ονομα | Καρφίτσα | Περιγραφή |
| Hall1/A+ | 1 | Αισθητήρας Hall 1/κωδικοποιητής εξόδου A+ |
| Hall2/B+ | 2 | Αισθητήρας Hall 2/κωδικοποιητής εξόδου B+ |
| Hall3/Z+ | 3 | Αισθητήρας Hall 3/κωδικοποιητής μηδενική ανάδραση |
| Αισθητήρας VDD | 4 | Παροχή αισθητήρα τόμtage |
| GND | 5 | Εδαφος |
Μια αντίσταση σειράς προστασίας 1 kΩ τοποθετείται σε σειρά με εξόδους αισθητήρων.
Για αισθητήρες που απαιτούν εξωτερικό pull-up, τρεις αντιστάσεις 10 kΩ είναι ήδη τοποθετημένες στις γραμμές εξόδου και συνδεδεμένες στο VDD voltagμι. Στις ίδιες γραμμές, είναι επίσης διαθέσιμο ένα αποτύπωμα για pull-down αντιστάσεις.
Ο βραχυκυκλωτήρας JP3 επιλέγει την παροχή ρεύματος για την τροφοδοσία του αισθητήρα voltage:
- Jumper μεταξύ της ακίδας 1 – ακίδας 2: Αισθητήρες Hall που τροφοδοτούνται από VUSB (5 V)
- Jumper μεταξύ της ακίδας 1 – ακίδας 2: Αισθητήρες Hall που τροφοδοτούνται από VDD (3.3 V)
Ο χρήστης μπορεί να αποσυνδέσει τις εξόδους του αισθητήρα από τους βραχυκυκλωτήρες ανοίγματος MCU GPIO JP5, JP6 και JP7.
4.2 Ανίχνευση ρεύματος
Στην πλακέτα STEVAL-SPIN3201, η ρύθμιση του σήματος ανίχνευσης ρεύματος πραγματοποιείται μέσω τριών λειτουργικών ampυλικοποιητές που είναι ενσωματωμένοι στη συσκευή STSPIN32F0.
Σε μια τυπική εφαρμογή FOC, τα ρεύματα στις τρεις ημιγέφυρες ανιχνεύονται χρησιμοποιώντας μια αντίσταση διακλάδωσης στην πηγή κάθε διακόπτη χαμηλής πλευρικής ισχύος. Η αίσθηση τόμtagΤα σήματα παρέχονται σε έναν μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό προκειμένου να πραγματοποιηθεί ο υπολογισμός του πίνακα που σχετίζεται με μια συγκεκριμένη τεχνική ελέγχου. Αυτά τα σήματα αίσθησης συνήθως μετατοπίζονται και amplified από αποκλειστική op-amps προκειμένου να εκμεταλλευτεί το πλήρες εύρος του ADC (ανατρέξτε στο Σχήμα 3. Σύστημα ανίχνευσης ρεύματος π.χ.ample).
Σχήμα 3. Σχέδιο ανίχνευσης ρεύματος π.χample
Τα σήματα αίσθησης πρέπει να μετατοπιστούν και να επικεντρωθούν στο VDD/2 voltage (περίπου 1.65 V) και amplified και πάλι που παρέχει την αντιστοίχιση μεταξύ της μέγιστης τιμής του σήματος αίσθησης και του εύρους πλήρους κλίμακας του ADC.
Ο τόμοςtage shifting stagΤο e εισάγει την εξασθένηση (1/Gp) του σήματος ανάδρασης, η οποία, μαζί με το κέρδος της μη αντιστρεπτικής διαμόρφωσης (Gn, που καθορίζεται από Rn και Rf), συμβάλλει στο συνολικό κέρδος (G). Όπως ήδη αναφέρθηκε, στόχος είναι η καθιέρωση του συνόλου ampκέρδος δικτύου lification (G) έτσι ώστε το voltage στην αντίσταση διακλάδωσης που αντιστοιχεί στο μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα του κινητήρα (ISmax μέγιστη τιμή ονομαστικού ρεύματος κινητήρα) ταιριάζει στο εύρος voltagείναι αναγνώσιμο από το ADC.
Σημείωμα ότι, αφού σταθεροποιηθεί το G, είναι καλύτερο να το διαμορφώσετε μειώνοντας όσο το δυνατόν περισσότερο την αρχική εξασθένηση 1/Gp και, επομένως, το κέρδος Gn. Αυτό είναι σημαντικό όχι μόνο για τη μεγιστοποίηση του σήματος από την αναλογία θορύβου αλλά και για τη μείωση της επίδρασης της λειτουργίαςamp εγγενής μετατόπιση στην έξοδο (ανάλογα με το Gn).
Το κέρδος και η πόλωση τόμtage (VOPout, pol) καθορίζουν το εύρος λειτουργίας του κυκλώματος ανίχνευσης ρεύματος:
Οπου:
- IS- = μέγιστο ρεύμα πηγής
- IS+ = μέγιστο βυθισμένο ρεύμα που μπορεί να ανιχνευτεί από το κύκλωμα.
Πίνακας 4. STEVE-SPIN3201 op-amps δίκτυο πόλωσης
|
Παράμετρος |
Αναφορά μέρους | Αναθ. 1 |
Αναθ. 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 Ανίχνευση υπερέντασης
Η πλακέτα αξιολόγησης STEVAL-SPIN3201 εφαρμόζει προστασία υπερέντασης με βάση τον ενσωματωμένο συγκριτή OC STSPIN32F0. Οι αντιστάσεις διακλάδωσης μετρούν το ρεύμα φορτίου κάθε φάσης. Οι αντιστάσεις R50, R51 και R52 φέρνουν τον τόμtage σήματα που σχετίζονται με κάθε ρεύμα φόρτωσης στον ακροδέκτη OC_COMP. Όταν το ρεύμα αιχμής που ρέει σε μία από τις τρεις φάσεις υπερβαίνει το επιλεγμένο κατώφλι, ενεργοποιείται ο ενσωματωμένος συγκριτής και απενεργοποιούνται όλοι οι διακόπτες ισχύος υψηλής πλευράς. Οι διακόπτες τροφοδοσίας υψηλής πλευράς ενεργοποιούνται ξανά όταν το ρεύμα πέσει κάτω από το όριο, εφαρμόζοντας έτσι προστασία από υπερένταση.
Τα τρέχοντα όρια για τον πίνακα αξιολόγησης STEVAL-SPIN3201 παρατίθενται στο
Πίνακας 5. Όρια υπερέντασης.
| PF6 | PF7 | Εσωτερική σύντ. κατώφλι | κατώφλι OC |
| 0 | 1 | 100 mV | 20 Α |
| 1 | 0 | 250 mV | 65 Α |
| 1 | 1 | 500 mV | 140 Α |
Αυτά τα όρια μπορούν να τροποποιηθούν αλλάζοντας την αντίσταση πόλωσης R43. Συνιστάται να επιλέξετε R43 υψηλότερο από 30 kΩ. Για να υπολογιστεί η τιμή του R43 για ένα όριο ρεύματος στόχου IOC, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο ακόλουθος τύπος:
όπου OC_COMPth είναι ο τόμοςtagτο κατώφλι του εσωτερικού συγκριτή (επιλεγμένο από τα PF6 και PF7) και το VDD είναι η ψηφιακή τροφοδοσία 3.3 Vtage παρέχεται από τον εσωτερικό μετατροπέα buck DCDC.
Αφαιρώντας το R43, ο τρέχων τύπος κατωφλίου απλοποιείται ως εξής:
4.4 Bus τομtagε κύκλωμα
Ο πίνακας αξιολόγησης STEVAL-SPIN3201 παρέχει το bus voltagε αίσθηση. Αυτό το σήμα αποστέλλεται μέσω ενός voltage διαχωριστής από την τροφοδοσία κινητήρα voltage (VBUS) (R10 και R16) και αποστέλλεται στο PB1 GPIO (κανάλι 9 του ADC) του ενσωματωμένου MCU. Το σήμα είναι επίσης διαθέσιμο στο TP6.
4.5 Διεπαφή χρήστη υλικού
Ο πίνακας περιλαμβάνει τα ακόλουθα στοιχεία διεπαφής χρήστη υλικού:
- Ποτενσιόμετρο R6: ορίζει την ταχύτητα στόχο, π.χample
- Διακόπτης SW1: επαναφέρει το STSPIN32F0 MCU και το ST-LINK V2
- Διακόπτης SW2: κουμπί χρήστη 1
- Διακόπτης SW3: κουμπί χρήστη 2
- LED DL3: LED χρήστη 1 (ανάβει επίσης όταν πατηθεί το κουμπί χρήστη 1)
- LED DL4: LED χρήστη 2 (ανάβει επίσης όταν πατηθούν τα κουμπιά χρήστη 2)
4.6 Εντοπισμός σφαλμάτων
Η πλακέτα αξιολόγησης STEVAL-SPIN3201 ενσωματώνει έναν εντοπισμό σφαλμάτων/προγραμματιστή ST-LINK/V2-1. Οι δυνατότητες που υποστηρίζονται στο ST-LINK είναι:
- Επαναμέτρηση λογισμικού USB
- Εικονική διεπαφή θύρας com σε USB συνδεδεμένη σε ακίδες PB6/PB7 του STSPIN32F0 (UART1)
- Διεπαφή μαζικής αποθήκευσης σε USB
Η τροφοδοσία ρεύματος για το ST-LINK παρέχεται από τον κεντρικό υπολογιστή μέσω του καλωδίου USB που είναι συνδεδεμένο στο J5.
Το LED LD2 παρέχει πληροφορίες κατάστασης επικοινωνίας ST-LINK: - Το κόκκινο LED αναβοσβήνει αργά: κατά την ενεργοποίηση πριν από την προετοιμασία του USB
- Η κόκκινη λυχνία LED αναβοσβήνει γρήγορα: μετά την πρώτη σωστή επικοινωνία μεταξύ του υπολογιστή και του ST-LINK/V2-1 (απαρίθμηση)
- Κόκκινη λυχνία αναμμένη: η προετοιμασία μεταξύ του υπολογιστή και του ST-LINK/V2-1 ολοκληρώθηκε
- Πράσινη λυχνία ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ: επιτυχής προετοιμασία επικοινωνίας στόχου
- Κόκκινο/πράσινο LED που αναβοσβήνει: κατά την επικοινωνία με τον στόχο
- Πράσινο ON: η επικοινωνία ολοκληρώθηκε και επιτυχής
Η λειτουργία επαναφοράς αποσυνδέεται από το ST-LINK αφαιρώντας το βραχυκυκλωτήρα J8.
Ιστορικό αναθεωρήσεων
Πίνακας 6. Ιστορικό αναθεώρησης εγγράφου
| Ημερομηνία | Αναθεώρηση | Αλλαγές |
| 12-Δεκ-20161 | 1 | Αρχική έκδοση. |
| 23-2017 Νοεμβρίου | 2 | Προστέθηκε Ενότητα 4.2: Ανίχνευση ρεύματος στη σελίδα 7. |
| 27-Φεβ-2018 | 3 | Μικρές τροποποιήσεις σε όλο το έγγραφο. |
| 18-Αυγ-2021 | 4 | Μικρή διόρθωση προτύπου. |
Η STMicroelectronics NV και οι θυγατρικές της ("ST") διατηρούν το δικαίωμα να κάνουν αλλαγές, διορθώσεις, βελτιώσεις, τροποποιήσεις και βελτιώσεις στα προϊόντα ST ή/και σε αυτό το έγγραφο ανά πάσα στιγμή χωρίς προειδοποίηση. Οι αγοραστές θα πρέπει να λάβουν τις πιο πρόσφατες σχετικές πληροφορίες για τα προϊόντα ST πριν υποβάλουν παραγγελίες. Τα προϊόντα ST πωλούνται σύμφωνα με τους όρους και τις προϋποθέσεις πώλησης της ST που ισχύουν κατά τη στιγμή της επιβεβαίωσης της παραγγελίας. Οι αγοραστές είναι αποκλειστικά υπεύθυνοι για την επιλογή, την επιλογή και τη χρήση των προϊόντων ST και η ST δεν αναλαμβάνει καμία ευθύνη για την υποστήριξη της εφαρμογής ή το σχεδιασμό των προϊόντων των Αγοραστών.
ΣΗΜΑΝΤΙΚΗ ΕΙΔΟΠΟΙΗΣΗ - ΠΑΡΑΚΑΛΩ ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΠΡΟΣΕΚΤΙΚΑ
Καμία άδεια, ρητή ή σιωπηρή, για οποιοδήποτε δικαίωμα πνευματικής ιδιοκτησίας δεν χορηγείται από την ST στο παρόν.
Μεταπώληση προϊόντων ST με διατάξεις διαφορετικές από τις πληροφορίες που ορίζονται στο παρόν ακυρώνει κάθε εγγύηση που παρέχεται από την ST για τέτοιο προϊόν.
Το ST και το λογότυπο ST είναι εμπορικά σήματα της ST. Για πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τα εμπορικά σήματα ST, ανατρέξτε στο www.st.com/trademarks. Όλα τα άλλα ονόματα προϊόντων ή υπηρεσιών είναι ιδιοκτησία των αντίστοιχων κατόχων τους.
Οι πληροφορίες σε αυτό το έγγραφο αντικαθιστούν και αντικαθιστούν τις πληροφορίες που είχαν παρασχεθεί προηγουμένως σε τυχόν προηγούμενες εκδόσεις αυτού του εγγράφου.
© 2021 STMicroelectronics – Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος
Έγγραφα / Πόροι
 |
ST UM2154 STEVAL-SPIN3201 Advanced BLDC Controller με ενσωματωμένο STM32 MCU Evaluation Board [pdf] Εγχειρίδιο χρήστη UM2154, STEVAL-SPIN3201 Προηγμένος ελεγκτής BLDC με ενσωματωμένη κάρτα αξιολόγησης STM32 MCU |
