UM2154 STEVAL-SPIN3201 Controller BLDC avanzato con scheda di valutazione MCU STM32 incorporata Manuale utente

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Manuale d'uso

STEVE-SPIN3201: controller BLDC avanzato con scheda di valutazione MCU STM32 integrata

Contenuto nascondere

1 Introduzione

2 Requisiti hardware e software

3 Iniziare

4 Descrizione e configurazione dell'hardware

5 Descrizione del circuito

6 Cronologia delle revisioni

7 Documenti / Risorse

7.1 Riferimenti

8 Post correlati

Introduzione

La scheda STEVAL-SPIN3201 è una scheda driver per motore CC senza spazzole trifase basata su STSPIN3F32, un controller trifase con un MCU STM0 integrato e implementa resistori a 3 shunt come topologia di lettura della corrente.
Fornisce una soluzione di facile utilizzo per la valutazione del dispositivo in diverse applicazioni come elettrodomestici, ventilatori, droni e utensili elettrici.
La scheda è progettata per l'algoritmo di controllo orientato al campo con sensori o senza sensori con rilevamento a 3 shunt.

Figura 1. Scheda di valutazione STEVE-SPIN3201

Requisiti hardware e software

L'utilizzo della scheda di valutazione STEVAL-SPIN3201 richiede il seguente software e hardware:

Un PC Windows ® (XP, Vista 7, Windows 8, Windows 10) per installare il pacchetto software
Un cavo USB mini-B per collegare la scheda STEVAL-SPIN3201 al PC

Il kit di sviluppo software di controllo motore STM32 Rev Y (X-CUBE-MCSDK-Y)
Un motore DC brushless trifase con un vol . compatibiletagee valutazioni attuali

Un alimentatore CC esterno.

Iniziare

I voti massimi del consiglio sono i seguenti:

Potenza stage rifornimento voltage (VS) da 8 V a 45 V
Corrente di fase del motore fino a 15 Arms

Per iniziare il tuo progetto con la lavagna:

Fare un passo 1. Controllare la posizione del ponticello in base alla configurazione di destinazione (vedi Sezione 4.3 Rilevamento sovracorrente
Fare un passo 2. Collegare il motore al connettore J3 facendo attenzione alla sequenza delle fasi del motore.
Fare un passo 3. Alimentare la scheda tramite gli ingressi 1 e 2 del connettore J2. Il LED DL1 (rosso) si accenderà.
Fare un passo 4. Sviluppa la tua applicazione utilizzando il kit di sviluppo software di controllo motore STM32 Rev Y (X-CUBEMCSDK-Y).

Descrizione e configurazione dell'hardware

Figura 2. Componenti principali e posizioni dei connettori mostrano la posizione dei componenti principali e dei connettori sulla scheda.
Figura 2. Componenti principali e posizioni dei connettori

Tabella 1. I ponticelli di impostazione hardware forniscono la piedinatura dettagliata dei connettori.
Tabella 1. Ponticelli di impostazione hardware

Maglione	Configurazioni consentite	Condizione predefinita
Italiano: JP1	Selezione del VREG collegato al motore V	APRIRE
Italiano: JP2	Selezione alimentazione motore collegata all'alimentazione CC	CHIUSO
Italiano: JP3	Alimentazione encoder Selection Hall ad alimentazione USB (1) / VDD (3)	1 – 2 CHIUSO
Italiano: JP4	Reset della selezione di ST-LINK (U4)	APRIRE
Italiano: JP5	Selezione PA2 collegata al Padiglione 3	CHIUSO
Italiano: JP6	Selezione PA1 collegata al Padiglione 2	CHIUSO
Italiano: JP7	Selezione PA0 collegata al Padiglione 1	CHIUSO

Tabella 2. Descrizione di altri connettori, ponticelli e punti di prova

Nome	Spillo	Etichetta	Descrizione
J1	1 – 2	J1	Alimentazione motore
J2	1 – 2	J2	Alimentazione principale del dispositivo (VM)
J3	1 – 2 – 3	U, V, W	Collegamento fasi motore BLDC trifase
J4	1 – 2 – 3	J4	Connettore sensori Hall/encoder
J4	4 – 5	J4	Alimentazione sensori Hall/encoder
J5	–	J5	Ingresso USB ST-LINK
J6	1	3V3	Alimentazione ST-LINK
	2	Orologio	SWCLK di ST-LINK
	3	Terra	Terra
	4	DIO	SWDIO di ST-LINK
J7	1 – 2	J7	CARRELLO
J8	1 – 2	J8	Ripristino ST-LINK
TP1	–	GREG	12V voltage uscita del regolatore
TP2	–	Terra	Terra
TP3	–	VDD	VDD
TP4	–	VELOCITÀ	Uscita potenziometro velocità
TP5	–	PA3	PA3 GPIO (uscita op-amp senso 1)
TP6	–	V-BUS	Feedback VBus
TP7	–	OUT_U	Uscita U
TP8	–	PA4	PA4 GPIO (uscita op-amp senso 2)
TP9	–	PA5	PA5 GPIO (uscita op-amp senso 3)
TP10	–	Terra	Terra
TP11	–	OUT_V	Uscita V
TP12	–	PA7	PA7_3FG
TP13	–	FUORI_W	Uscita W
TP14	–	3V3	COLLEGAMENTO ST 3V3
TP15	–	5V	volume USBtage
TP16	–	Entrata/uscita	SWD_IO
TP17	–	Orologio	SWD_CLK

Descrizione del circuito

STEVAL-SPIN3201 fornisce una soluzione FOC completa a 3 shunt composta da un STSPIN32F0 - controller BLDC avanzato con un MCU STM32 integrato - e un triplo mezzo ponte di alimentazione stage con NMOS STD140N6F7.
Lo STSPIN32F0 genera autonomamente tutta la fornitura richiesta voltages: il convertitore buck DC/DC interno fornisce 3V3 e un regolatore lineare interno fornisce 12 V per i gate driver.
Il condizionamento del segnale di retroazione di corrente viene eseguito attraverso tre degli operativi amplificatori incorporati nel dispositivo e un comparatore interno esegue la protezione da sovracorrente dai resistori di shunt.
Sono disponibili due pulsanti utente, due LED e un trimmer per implementare semplici interfacce utente (ad esempio, avvio/arresto del motore e impostazione della velocità target).
La scheda STEVAL-SPIN3201 supporta l'encoder in quadratura e i sensori Hall digitali come feedback della posizione del motore.
La scheda include un ST-LINK-V2 che consente all'utente di eseguire il debug e scaricare il firmware senza alcuno strumento hardware aggiuntivo.

4.1 Sensore velocità motore Hall/encoder
La scheda di valutazione STEVAL-SPIN3201 supporta i sensori digitali Hall e encoder in quadratura come feedback della posizione del motore.
I sensori possono essere collegati al STSPIN32F0 tramite il connettore J4 è elencato in

Tabella 3. Connettore Hall/encoder (J4).

Nome	Spillo	Descrizione
Padiglione1/A+	1	Sensore di Hall 1/uscita encoder A+
Padiglione2/B+	2	Sonda Hall 2/uscita encoder B+
Padiglione3/Z+	3	Sensore Hall 3/encoder zero feedback
Sensore VDD	4	Alimentazione sensore voltage
Terra	5	Terra

Un resistore in serie di protezione da 1 kΩ è montato in serie con uscite sensore.
Per i sensori che richiedono un pull-up esterno, tre resistori da 10 kΩ sono già montati sulle linee di uscita e collegati al VDD voltage. Sulla stessa linea è disponibile anche un footprint per resistori pull-down.

Il jumper JP3 seleziona l'alimentazione per l'alimentazione del sensore voltage:

Ponticello tra il pin 1 – pin 2: sensori di Hall alimentati da VUSB (5 V)

Ponticello tra il pin 1 – pin 2: sensori di Hall alimentati da VDD (3.3 V)
L'utente può scollegare le uscite del sensore dai jumper di apertura JP5, JP6 e JP7 della MCU GPIO.

4.2 Rilevamento della corrente

Nella scheda STEVAL-SPIN3201, il condizionamento del segnale di rilevamento della corrente viene eseguito attraverso tre delle operazioni amplificatori incorporati nel dispositivo STSPIN32F0.
In una tipica applicazione FOC, le correnti nei tre semiponti vengono rilevate utilizzando un resistore di shunt sulla sorgente di ciascun interruttore di alimentazione lato basso. Il senso voltagI segnali vengono forniti a un convertitore analogico-digitale per eseguire il calcolo della matrice relativo a una determinata tecnica di controllo. Questi segnali sensoriali sono generalmente spostati e amplificato da un op-amps per sfruttare l'intera gamma dell'ADC (fare riferimento alla Figura 3. Schema di rilevamento della corrente esample).

Figura 3. Schema di rilevamento della corrente example

I segnali di rilevamento devono essere spostati e centrati su VDD/2 voltage (circa 1.65 V) e amplificato di nuovo che fornisce la corrispondenza tra il valore massimo del segnale rilevato e la gamma di fondo scala dell'ADC.
il volumetage spostamento stage introduce l'attenuazione (1/Gp) del segnale di retroazione che, insieme al guadagno della configurazione non invertente (Gn, fissata da Rn e Rf), contribuisce al guadagno complessivo (G). Come già accennato, l'obiettivo è stabilire il complessivo ampguadagno della rete di lificazione (G) in modo che il volumetage sulla resistenza di shunt corrispondente alla corrente massima consentita del motore (ISmax valore di picco della corrente nominale del motore) si adatta al range di voltagè leggibile dall'ADC.

Nota che, una volta fissato G, è meglio configurarlo abbassando il più possibile l'attenuazione iniziale 1/Gp e, quindi, il guadagno Gn. Questo è importante non solo per massimizzare il segnale in base al rapporto di rumore, ma anche per ridurre l'effetto dell'op-amp offset intrinseco sull'uscita (proporzionale a Gn).

Il guadagno e la polarizzazione voltage (VOPout, pol) determina l'intervallo operativo del circuito di rilevamento della corrente:

Dove:

IS- = corrente massima erogata
IS+ = massima corrente assorbita che può essere rilevata dal circuito.

Tabella 4. STEVE-SPIN3201 op-amps rete di polarizzazione

Parametro	Riferimento parte	Riv. 1	Riv. 3
Rp	R14, R24, R33	560 Ohm	1.78 kΩ
Ra	R12, R20, R29	8.2 kΩ	27.4 kΩ
Rb	R15, R25, R34	560 Ohm	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	Nuovo Messico
G	–	7.74	7.70
VOPout, pol	–	1.74 Volt	1.65 Volt

4.3 Rilevamento sovracorrente

La scheda di valutazione STEVAL-SPIN3201 implementa la protezione da sovracorrente basata sul comparatore OC integrato STSPIN32F0. I resistori di shunt misurano la corrente di carico di ciascuna fase. I resistori R50, R51 e R52 portano il voltagi segnali associati a ciascuna corrente di carico al pin OC_COMP. Quando la corrente di picco che scorre in una delle tre fasi supera la soglia selezionata, il comparatore integrato viene attivato e tutti gli interruttori di potenza high side vengono disabilitati. Gli interruttori di potenza high-side vengono nuovamente abilitati quando la corrente scende al di sotto della soglia, implementando così la protezione da sovracorrente.
Le soglie attuali per la scheda di valutazione STEVAL-SPIN3201 sono elencate in

Tabella 5. Soglie di sovracorrente.

PF6	PF7	Compr. interno soglia	Soglia OC
0	1	100 mV	20 A
1	0	250 mV	65 A
1	1	500 mV	140 A

Queste soglie possono essere modificate cambiando il resistore di polarizzazione R43. Si consiglia di scegliere R43 superiore a 30 kΩ. Per calcolare il valore di R43 per un limite di corrente target IOC, è possibile utilizzare la seguente formula:

dove OC_COMPth è il volumetage soglia del comparatore interno (selezionata da PF6 e PF7), e VDD è l'alimentazione digitale di 3.3 V voltage fornito dal convertitore buck DCDC interno.
Rimuovendo l'R43, la formula della soglia corrente è semplificata come segue:

4.4 Volume bustage circuito

La scheda di valutazione STEVAL-SPIN3201 fornisce il bus voltage rilevamento. Questo segnale viene inviato attraverso un voltage divisore dall'alimentazione del motore voltage (VBUS) (R10 e R16) e inviato al GPIO PB1 (canale 9 dell'ADC) dell'MCU embedded. Il segnale è disponibile anche sul TP6.

4.5 Interfaccia utente hardware

La scheda include i seguenti elementi dell'interfaccia utente hardware:

Potenziometro R6: imposta la velocità target, ad esample
Switch SW1: ripristina STSPIN32F0 MCU e ST-LINK V2

Switch SW2: pulsante utente 1
Switch SW3: pulsante utente 2
LED DL3: LED utente 1 (si accende anche alla pressione del pulsante utente 1)

LED DL4: LED utente 2 (si accende anche quando vengono premuti i pulsanti utente 2)

4.6 Debug

La scheda di valutazione STEVAL-SPIN3201 incorpora un debugger/programmatore ST-LINK/V2-1. Le funzioni supportate su ST-LINK sono:

Rienumerazione software USB
Interfaccia della porta com virtuale su USB collegata ai pin PB6/PB7 di STSPIN32F0 (UART1)
Interfaccia di archiviazione di massa su USB
L'alimentazione per ST-LINK è fornita dal PC host tramite il cavo USB collegato al J5.
Il LED LD2 fornisce informazioni sullo stato della comunicazione ST-LINK:

LED rosso che lampeggia lentamente: all'accensione prima dell'inizializzazione USB
LED rosso lampeggiante veloce: dopo la prima corretta comunicazione tra il PC e ST-LINK/V2-1 (enumerazione)
LED rosso acceso: l'inizializzazione tra il PC e ST-LINK/V2-1 è completata

LED verde acceso: inizializzazione della comunicazione di destinazione riuscita
LED rosso/verde lampeggiante: durante la comunicazione con il target
Verde acceso: comunicazione terminata e riuscita
La funzione di reset viene disconnessa dall'ST-LINK rimuovendo il jumper J8.

Cronologia delle revisioni

Tabella 6. Cronologia delle revisioni del documento

Data	Revisione	Cambiamenti
12-dic-20161	1	Versione iniziale.
23-nov-2017	2	Aggiunta la Sezione 4.2: Rilevamento della corrente a pagina 7.
27-feb-2018	3	Piccole modifiche in tutto il documento.
18-ago-2021	4	Piccola correzione del modello.

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