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UM2154
Manual do usuário
STEVE-SPIN3201: controlador BLDC avançado com placa de avaliação STM32 MCU integrada
Introdução
A placa STEVAL-SPIN3201 é uma placa de driver de motor DC sem escova trifásica baseada no STSPIN3F32, um controlador trifásico com um MCU STM0 integrado e implementa resistores de 3 derivações como topologia de leitura de corrente.
Ele fornece uma solução fácil de usar para a avaliação do dispositivo em diferentes aplicações, como eletrodomésticos, ventiladores, drones e ferramentas elétricas.
A placa é projetada para o algoritmo de controle orientado a campo com ou sem sensor com detecção de 3 derivações.
Figura 1. Placa de avaliação STEVE-SPIN3201
Requisitos de hardware e software
O uso da placa de avaliação STEVAL-SPIN3201 requer o seguinte software e hardware:
- Um PC com Windows® (XP, Vista 7, Windows 8, Windows 10) para instalar o pacote de software
- Um cabo USB mini-B para conectar a placa STEVAL-SPIN3201 ao PC
- Kit de desenvolvimento de software de controle de motor STM32 Rev Y (X-CUBE-MCSDK-Y)
- Um motor DC trifásico sem escovas com um vol compatíveltage e avaliações atuais
- Uma fonte de alimentação CC externa.
Começando
As classificações máximas do conselho são as seguintes:
- Potênciastage o volume de abastecimentotage (VS) de 8 V a 45 V
- Corrente de fase do motor até 15 braços
Para iniciar seu projeto com o quadro:
Etapa 1. Verifique a posição do jumper de acordo com a configuração alvo (veja a Seção 4.3 Detecção de sobrecorrente
Etapa 2. Conecte o motor ao conector J3 observando a sequência das fases do motor.
Etapa 3. Alimente a placa através das entradas 1 e 2 do conector J2. O LED DL1 (vermelho) acenderá.
Etapa 4. Desenvolva sua aplicação usando o Kit de Desenvolvimento de Software de Controle de Motor STM32 Rev Y (X-CUBEMCSDK-Y).
Descrição e configuração de hardware
Figura 2. As posições dos principais componentes e conectores mostram a posição dos principais componentes e conectores na placa.
Figura 2. Principais componentes e posições dos conectores
Tabela 1. Os jumpers de configuração de hardware fornecem a pinagem detalhada dos conectores.
Tabela 1. Jumpers de configuração de hardware
| Pulôver | Configurações permitidas | Condição padrão |
| JP1 | Seleção de VREG conectado ao motor V | ABRIR |
| JP2 | Fonte de alimentação do motor de seleção conectada à fonte de alimentação DC | FECHADO |
| JP3 | Seleção de alimentação do codificador Hall para fonte de alimentação USB (1) / VDD (3) | 1 - 2 FECHADO |
| JP4 | Redefinição de seleção de ST-LINK (U4) | ABRIR |
| JP5 | Seleção PA2 conectada ao Hall 3 | FECHADO |
| JP6 | Seleção PA1 conectada ao Hall 2 | FECHADO |
| JP7 | Seleção PA0 conectada ao Hall 1 | FECHADO |
Tabela 2. Descrição de outros conectores, jumpers e pontos de teste
|
Nome |
Alfinete | Rótulo |
Descrição |
| J1 | 1 – 2 | J1 | Fonte de alimentação do motor |
| J2 | 1 – 2 | J2 | Fonte de alimentação principal do dispositivo (VM) |
| J3 | 1 – 2 – 3 | U, V, W | Conexão das fases do motor BLDC trifásico |
| J4 | 1 – 2 – 3 | J4 | Conector de sensores Hall/codificador |
| 4 – 5 | J4 | Fornecimento de sensores/codificadores Hall | |
| J5 | – | J5 | Entrada USB ST-LINK |
| J6 | 1 | 3V3 | Fonte de alimentação ST-LINK |
| 2 | CLK | SWCLK de ST-LINK | |
| 3 | Terra | Terra | |
| 4 | DIO | SWDIO de ST-LINK | |
| J7 | 1 – 2 | J7 | CARRINHO |
| J8 | 1 – 2 | J8 | Reinicialização do ST-LINK |
| TP1 | – | GREG | 12 V vol.tage saída do regulador |
| TP2 | – | Terra | Terra |
| TP3 | – | VDD | VDD |
| TP4 | – | VELOCIDADE | Saída do potenciômetro de velocidade |
| TP5 | – | PA3 | PA3 GPIO (opção de saídaamp sentido 1) |
| TP6 | – | VBUS | Feedback do VBus |
| TP7 | – | FORA_U | Saída U |
| TP8 | – | PA4 | PA4 GPIO (opção de saídaamp sentido 2) |
| TP9 | – | PA5 | PA5 GPIO (opção de saídaamp sentido 3) |
| TP10 | – | Terra | Terra |
| TP11 | – | SAÍDA_V | Saída V |
| TP12 | – | PA7 | PA7_3FG |
| TP13 | – | SAÍDA_W | Saída W |
| TP14 | – | 3V3 | 3V3 ST-LINK |
| TP15 | – | 5V | Volume USBtage |
| TP16 | – | E/S | SWD_IO |
| TP17 | – | CLK | SWD_CLK |
Descrição do circuito
O STEVAL-SPIN3201 fornece uma solução FOC completa de 3 shunt composta por um STSPIN32F0 – controlador BLDC avançado com um MCU STM32 incorporado – e uma fonte de alimentação tripla de meia ponte.tage com o NMOS STD140N6F7.
O STSPIN32F0 gera autonomamente todo o volume de fornecimento necessáriotages: o conversor buck DC/DC interno fornece 3V3 e um regulador linear interno fornece 12 V para os gate drivers.
O condicionamento do sinal de realimentação de corrente é realizado através de três dos amplificadores embutidos no dispositivo e um comparador interno realizam proteção contra sobrecorrente de resistores shunt.
Dois botões de usuário, dois LEDs e um trimmer estão disponíveis para implementar interfaces de usuário simples (por exemplo, iniciar/parar o motor e definir a velocidade alvo).
A placa STEVAL-SPIN3201 suporta o encoder de quadratura e sensores Hall digitais como feedback de posição do motor.
A placa inclui um ST-LINK-V2 que permite ao usuário depurar e baixar firmware sem qualquer ferramenta de hardware extra.
4.1 Sensor de velocidade do motor Hall/encoder
A placa de avaliação STEVAL-SPIN3201 suporta sensores digitais Hall e codificadores de quadratura como feedback de posição do motor.
Os sensores podem ser conectados ao STSPIN32F0 através do conector J4 listado em
Tabela 3. Conector Hall/codificador (J4).
| Nome | Alfinete | Descrição |
| Hall1/A+ | 1 | Sensor Hall 1/codificador de saída A+ |
| Hall2/B+ | 2 | Sensor Hall 2/saída do codificador B+ |
| Hall3/Z+ | 3 | Sensor Hall 3/feedback zero do codificador |
| Sensor VDD | 4 | Vol. De alimentação do sensortage |
| Terra | 5 | Chão |
Um resistor em série de proteção de 1 kΩ é montado em série com saídas de sensor.
Para sensores que requerem pull-up externo, três resistores de 10 kΩ já estão montados nas linhas de saída e conectados ao VDD vol.tage. Na mesma linha, também está disponível uma base para resistores pull-down.
O jumper JP3 seleciona a fonte de alimentação para o volume de alimentação do sensortage:
- Jumper entre o pino 1 – pino 2: Sensores Hall alimentados por VUSB (5 V)
- Jumper entre o pino 1 – pino 2: Sensores Hall alimentados por VDD (3.3 V)
O usuário pode desconectar as saídas dos sensores dos jumpers de abertura JP5, JP6 e JP7 do MCU GPIO.
4.2 Detecção de corrente
Na placa STEVAL-SPIN3201, o condicionamento do sinal de detecção de corrente é realizado através de três dos amplifiers incorporados no dispositivo STSPIN32F0.
Em uma aplicação FOC típica, as correntes nas três meias-pontes são detectadas usando um resistor shunt na fonte de cada chave de alimentação do lado inferior. O sentido vol.tagOs sinais são fornecidos a um conversor analógico-digital para realizar o cálculo matricial relacionado a uma determinada técnica de controle. Esses sinais sensoriais são geralmente alterados e amplificado por operações dedicadasamps, a fim de explorar toda a gama do ADC (consulte a Figura 3. Esquema de detecção de corrente exampe).
Figura 3. Esquema de detecção de corrente example
Os sinais de detecção devem ser deslocados e centralizados em VDD/2 voltage (cerca de 1.65 V) e amplificado novamente, o que fornece a correspondência entre o valor máximo do sinal detectado e a faixa de escala total do ADC.
O voltage mudandotage introduz atenuação (1/Gp) do sinal de realimentação que, juntamente com o ganho da configuração não inversora (Gn, fixada por Rn e Rf), contribui para o ganho global (G). Como já mencionado, o objetivo é estabelecer o ampganho da rede de lificação (G) para que o voltage no resistor shunt correspondente à corrente máxima permitida do motor (valor de pico ISmax da corrente nominal do motor) se ajusta à faixa de voltagé legível pelo ADC.
Observação que, uma vez fixo G, é melhor configurá-lo diminuindo ao máximo a atenuação inicial 1/Gp e, portanto, o ganho Gn. Isto é importante não apenas para maximizar o sinal pela relação de ruído, mas também para reduzir o efeito da operação.amp offset intrínseco na saída (proporcional a Gn).
O ganho e a polarização voltage (VOPout, pol) determina a faixa operacional do circuito de detecção de corrente:
Onde:
- IS- = corrente máxima fornecida
- IS+ = corrente afundada máxima que pode ser detectada pelo circuito.
Tabela 4. Opção STEVE-SPIN3201amprede de polarização
|
Parâmetro |
Referência da peça | Rev. 1 |
Rev. 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 | Novo México |
| G | – | 7.74 | 7.70 |
| VOPout, pol | – | 1.74 V | 1.65 V |
4.3 Detecção de sobrecorrente
A placa de avaliação STEVAL-SPIN3201 implementa proteção contra sobrecorrente com base no comparador OC integrado STSPIN32F0. Os resistores shunt medem a corrente de carga de cada fase. Os resistores R50, R51 e R52 trazem o voltagOs sinais associados a cada corrente de carga para o pino OC_COMP. Quando o pico de corrente que flui em uma das três fases excede o limite selecionado, o comparador integrado é acionado e todos os interruptores de alimentação do lado alto são desabilitados. Os interruptores de alimentação do lado superior são ativados novamente quando a corrente cai abaixo do limite, implementando assim a proteção contra sobrecorrente.
Os limites atuais para a placa de avaliação STEVAL-SPIN3201 estão listados em
Tabela 5. Limites de sobrecorrente.
| PF6 | PF7 | Comp. interno. limite | Limite de CO |
| 0 | 1 | 100 mV | 20 UMA |
| 1 | 0 | 250 mV | 65 UMA |
| 1 | 1 | 500 mV | 140 UMA |
Esses limites podem ser modificados alterando o resistor de polarização R43. Recomenda-se escolher R43 superior a 30 kΩ. Para calcular o valor do R43 para um limite de corrente alvo IOC, a seguinte fórmula pode ser usada:
onde OC_COMPth é o volumetagO limite do comparador interno (selecionado pelo PF6 e PF7), e VDD é o volume de alimentação digital de 3.3 Vtage fornecido pelo conversor buck DCDC interno.
Removendo o R43, a fórmula do limite atual é simplificada da seguinte forma:
4.4 Bus voltage circuito
A placa de avaliação STEVAL-SPIN3201 fornece o volume do barramentotage sentindo. Este sinal é enviado através de um voltage divisor do vol de alimentação do motortage (VBUS) (R10 e R16) e enviado para o PB1 GPIO (canal 9 do ADC) do MCU embarcado. O sinal também está disponível no TP6.
4.5 Interface de usuário de hardware
A placa inclui os seguintes itens de interface de usuário de hardware:
- Potenciômetro R6: define a velocidade alvo, por ex.ample
- Chave SW1: redefine STSPIN32F0 MCU e ST-LINK V2
- Switch SW2: botão do usuário 1
- Switch SW3: botão do usuário 2
- LED DL3: LED do usuário 1 (também acende quando o botão do usuário 1 é pressionado)
- LED DL4: LED do usuário 2 (também acende quando os botões do usuário 2 são pressionados)
4.6 Depuração
A placa de avaliação STEVAL-SPIN3201 incorpora um depurador/programador ST-LINK/V2-1. Os recursos suportados no ST-LINK são:
- Reenumeração de software USB
- Interface de porta COM virtual em USB conectada aos pinos PB6/PB7 do STSPIN32F0 (UART1)
- Interface de armazenamento em massa em USB
A fonte de alimentação do ST-LINK é fornecida pelo PC host através do cabo USB conectado ao J5.
O LED LD2 fornece informações sobre o status da comunicação ST-LINK: - LED vermelho piscando lentamente: ao ligar antes da inicialização do USB
- LED vermelho piscando rapidamente: após a primeira comunicação correta entre o PC e ST-LINK/V2-1 (enumeração)
- LED vermelho aceso: a inicialização entre o PC e o ST-LINK/V2-1 está concluída
- LED verde aceso: inicialização bem-sucedida da comunicação do alvo
- LED vermelho/verde piscando: durante a comunicação com o alvo
- Verde LIGADO: comunicação concluída e bem-sucedida
A função reset é desconectada do ST-LINK removendo o jumper J8.
Histórico de revisão
Tabela 6. Histórico de revisão do documento
| Data | Revisão | Mudanças |
| 12-Dez-20161 | 1 | Lançamento inicial. |
| 23-nov-2017 | 2 | Seção 4.2 adicionada: Detecção de corrente na página 7. |
| 27-fev-2018 | 3 | Pequenas modificações ao longo do documento. |
| 18-ago-2021 | 4 | Pequena correção de modelo. |
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ST UM2154 STEVAL-SPIN3201 Controlador BLDC avançado com placa de avaliação STM32 MCU incorporada [pdf] Manual do Usuário UM2154, controlador BLDC avançado STEVAL-SPIN3201 com placa de avaliação STM32 MCU incorporada |
