UM2154 STEVAL-SPIN3201 Advanced BLDC Controller med inbyggd STM32 MCU Evaluation Board Användarmanual

liv. uppmätt
UM2154

Användarmanual

STEVE-SPIN3201: avancerad BLDC-kontroller med inbyggt STM32 MCU-utvärderingskort

Innehåll dölja

1 Introduktion

2 Krav på hårdvara och mjukvara

3 Komma igång

4 Hårdvarubeskrivning och konfiguration

Introduktion

STEVAL-SPIN3201-kortet är ett 3-fas borstlöst DC-motordrivkort baserat på STSPIN32F0, en 3-fas styrenhet med en integrerad STM32 MCU, och implementerar 3-shuntmotstånd som strömavläsningstopologi.
Det ger en lättanvänd lösning för utvärdering av enheten i olika applikationer som hushållsapparater, fläktar, drönare och elverktyg.
Kortet är designat för den sensoriska eller sensorlösa fältorienterade styralgoritmen med 3-shuntavkänning.

Figur 1. STEVE-SPIN3201 utvärderingstavla

Krav på hårdvara och mjukvara

Att använda STEVAL-SPIN3201 utvärderingstavla kräver följande mjukvara och hårdvara:

En Windows ® PC (XP, Vista 7, Windows 8, Windows 10) för att installera programpaketet
En mini-B USB-kabel för att ansluta STEVAL-SPIN3201-kortet till datorn

STM32 Motor Control Software Development Kit Rev Y (X-CUBE-MCSDK-Y)
En 3-fas borstlös DC-motor med en kompatibel voltage och nuvarande betyg

En extern likströmskälla.

Komma igång

Styrelsens maximala betyg är följande:

Effekt stage försörjning voltage (VS) från 8 V till 45 V
Motorfasström upp till 15 armar

Så här startar du ditt projekt med styrelsen:

Steg 1. Kontrollera bygelns position enligt målkonfigurationen (se avsnitt 4.3 Överströmsdetektering
Steg 2. Anslut motorn till kontakten J3 och ta hand om sekvensen av motorfaserna.
Steg 3. Mata kortet genom ingångarna 1 och 2 på kontakten J2. DL1 (röd) lysdiod tänds.
Steg 4. Utveckla din applikation med hjälp av STM32 Motor Control Software Development Kit Rev Y (X-CUBEMCSDK-Y).

Hårdvarubeskrivning och konfiguration

Figur 2. Huvudkomponenter och kontakters positioner visar placeringen av huvudkomponenterna och kopplingarna på kortet.
Figur 2. Huvudkomponenter och anslutningspositioner

Tabell 1. Hårdvaruinställningsbyglarna tillhandahåller den detaljerade stiftutgången för kontakterna.
Tabell 1. Hårdvaruinställningsbyglar

Jumper	Tillåtna konfigurationer	Standardvillkor
JP1	Val av VREG ansluten till V-motor	ÖPPNA
JP2	Valmotorströmförsörjning ansluten till DC-strömförsörjning	STÄNGD
JP3	Val Hall encoder matning till USB (1) / VDD (3) strömförsörjning	1 – 2 STÄNGT
JP4	Val återställning av ST-LINK (U4)	ÖPPNA
JP5	Val PA2 ansluten till Hall 3	STÄNGD
JP6	Val PA1 ansluten till Hall 2	STÄNGD
JP7	Val PA0 ansluten till Hall 1	STÄNGD

Tabell 2. Beskrivning av andra kontakter, bygel och testpunkter

Namn	Stift	Märka	Beskrivning
J1	1 – 2 XNUMX	J1	Motorströmförsörjning
J2	1 – 2 XNUMX	J2	Enhetens huvudströmförsörjning (VM)
J3	1 – 2 – 3	U, V, W	3-fas BLDC motor fasanslutning
J4	1 – 2 – 3	J4	Hall/kodare givare kontakt
J4	4 – 5 XNUMX	J4	Hallgivare/givare matning
J5	–	J5	USB-ingång ST-LINK
J6	1	3V3	ST-LINK strömförsörjning
	2	CLK	SWCLK av ST-LINK
	3	GND	GND
	4	DIO	SWDIO för ST-LINK
J7	1 – 2 XNUMX	J7	VAGN
J8	1 – 2 XNUMX	J8	ST-LINK återställd
TP1	–	GREG	12 V voltage regulatorns utgång
TP2	–	GND	GND
TP3	–	VDD	VDD
TP4	–	HASTIGHET	Hastighetspotentiometerutgång
TP5	–	PA3	PA3 GPIO (utgång op-amp känsla 1)
TP6	–	V-BUS	VBus feedback
TP7	–	OUT_U	Utgång U
TP8	–	PA4	PA4 GPIO (utgång op-amp känsla 2)
TP9	–	PA5	PA5 GPIO (utgång op-amp känsla 3)
TP10	–	GND	GND
TP11	–	OUT_V	Utgång V
TP12	–	PA7	PA7_3FG
TP13	–	OUT_W	Utgång W
TP14	–	3V3	3V3 ST-LINK
TP15	–	5V	USB voltage
TP16	–	I/O	SWD_IO
TP17	–	CLK	SWD_CLK

Kretsbeskrivning

STEVAL-SPIN3201 tillhandahåller en komplett 3-shunt FOC-lösning som består av en STSPIN32F0 – avancerad BLDC-styrenhet med en inbyggd STM32 MCU – och en trippel halvbrygga stage med NMOS STD140N6F7.
STSPIN32F0 genererar självständigt all nödvändig matningsvolymtages: den interna DC/DC buck-omvandlaren ger 3V3 och en intern linjär regulator ger 12 V för gate-drivrutinerna.
Strömåterkopplingssignalens konditionering utförs genom tre av operationerna amplyftare inbäddade i enheten och en intern komparator ger överströmsskydd från shuntmotstånd.
Två användarknappar, två lysdioder och en trimmer finns tillgängliga för att implementera enkla användargränssnitt (t.ex. start/stopp av motorn och inställning av målhastighet).
STEVAL-SPIN3201-kortet stöder kvadraturkodaren och digitala Hall-sensorer som motorpositionsåterkoppling.
Kortet innehåller en ST-LINK-V2 som tillåter användaren att felsöka och ladda ner firmware utan något extra hårdvaruverktyg.

4.1 Hall/kodare motorhastighetssensor
STEVAL-SPIN3201-utvärderingskortet stöder de digitala Hall- och kvadraturgivarsensorerna som motorpositionsåterkoppling.
Sensorerna kan anslutas till STSPIN32F0 via J4-kontakten som listas i

Tabell 3. Hall/kodarkontakt (J4).

Namn	Stift	Beskrivning
Hall1/A+	1	Hallgivare 1/givare ut A+
Hall2/B+	2	Hallgivare 2/givare ut B+
Hall3/Z+	3	Hallgivare 3/givare noll återkoppling
VDD-sensor	4	Givarförsörjning voltage
GND	5	Jord

Ett skyddsseriemotstånd på 1 kΩ är monterad i en serie med sensorutgångar.
För sensorer som kräver en extern pull-up, är tre 10 kΩ motstånd redan monterade på utgångsledningarna och anslutna till VDD vol.tage. På samma rader finns också ett fotavtryck för neddragningsmotstånd.

Bygeln JP3 väljer strömförsörjning för givarförsörjningen voltage:

Bygel mellan stift 1 – stift 2: Hallsensorer som drivs av VUSB (5 V)

Bygel mellan stift 1 – stift 2: Hallsensorer som drivs av VDD (3.3 V)
Användaren kan koppla bort sensorutgångar från MCU GPIO-öppningsbyglarna JP5, JP6 och JP7.

4.2 Strömavkänning

I STEVAL-SPIN3201-kortet utförs den strömavkännande signalkonditioneringen genom tre av de operativa amplyftare inbäddade i STSPIN32F0-enheten.
I en typisk FOC-tillämpning avkänns strömmarna i de tre halvbryggorna med hjälp av ett shuntmotstånd på källan för varje strömbrytare på lågsidan. The sense voltage-signalerna tillhandahålls till en analog-till-digital-omvandlare för att utföra matrisberäkningen relaterad till en viss styrteknik. Dessa avkänningssignaler är vanligtvis förskjutna och ampbefäst av dedikerad op-amps för att utnyttja hela räckvidden av ADC:n (se figur 3. Strömavkänningsschema ex.ample).

Figur 3. Strömavkänningsschema example

Avkänningssignalerna måste skiftas och centreras på VDD/2 voltage (ca 1.65 V) och ampåterigen, vilket ger matchningen mellan det maximala värdet för den avkända signalen och fullskaleområdet för ADC.
Voltage växling stage introducerar dämpning (1/Gp) av återkopplingssignalen som tillsammans med förstärkningen av den icke-inverterande konfigurationen (Gn, fixerad av Rn och Rf), bidrar till den totala förstärkningen (G). Som redan nämnts är målet att etablera helheten amplifieringsnätverksförstärkning (G) så att voltage på shuntmotståndet som motsvarar den maximalt tillåtna motorströmmen (ISmax toppvärde för motorns märkström) passar volymområdettagkan läsas av ADC.

Notera att när G väl är fixerad är det bättre att konfigurera det genom att sänka den initiala dämpningen 1/Gp så mycket som möjligt och därmed förstärkningen Gn. Detta är viktigt inte bara för att maximera signalen genom brusförhållandet utan också för att minska effekten av op-amp inre offset på utgången (proportionell mot Gn).

Förstärkningen och polarisationen voltage (VOPout, pol) bestämmer det operativa området för strömavkänningskretsen:

Där:

IS- = maximal källström
IS+ = maximal nedsänkt ström som kan kännas av av kretsen.

Tabell 4. STEVE-SPIN3201 op-amps polarisationsnätverk

Parameter	Delreferens	Rev. 1	Rev. 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 Överströmsdetektering

STEVAL-SPIN3201 utvärderingskort implementerar överströmsskydd baserat på STSPIN32F0 integrerad OC-komparator. Shuntmotstånd mäter belastningsströmmen för varje fas. Motstånden R50, R51 och R52 ger volymentage-signaler associerade med varje belastningsström till OC_COMP-stiftet. När toppströmmen som flyter i en av de tre faserna överstiger det valda tröskelvärdet, triggas den integrerade komparatorn och alla högsides strömbrytare avaktiveras. Strömbrytare på hög sida aktiveras igen när strömmen faller under tröskeln, vilket implementerar överströmsskydd.
Aktuella tröskelvärden för STEVAL-SPIN3201 utvärderingstavla är listade i

Tabell 5. Överströmströsklar.

PF6	PF7	Intern komp. tröskel	OC tröskel
0	1	100 mV	20 A
1	0	250 mV	65 A
1	1	500 mV	140 A

Dessa tröskelvärden kan modifieras genom att ändra R43-förspänningsmotståndet. Det rekommenderas att välja R43 högre än 30 kΩ. För att beräkna värdet på R43 för en målströmgräns IOC, kan följande formel användas:

där OC_COMPth är volymentagtröskelvärdet för den interna komparatorn (vald av PF6 och PF7), och VDD är 3.3 V digital matningsvolymtage tillhandahålls av den interna DCDC buck-omvandlaren.
Om du tar bort R43, förenklas den nuvarande tröskelformeln enligt följande:

4.4 Buss voltage krets

STEVAL-SPIN3201 utvärderingstavla tillhandahåller bussen voltage avkänning. Denna signal sänds genom en voltage avdelare från motorförsörjningen voltage (VBUS) (R10 och R16) och skickas till PB1 GPIO (kanal 9 i ADC) hos den inbyggda MCU:n. Signalen finns även på TP6.

4.5 Användargränssnitt för maskinvara

Tavlan innehåller följande objekt för hårdvaruanvändargränssnitt:

Potentiometer R6: ställer in målhastigheten, t.example
Switch SW1: återställer STSPIN32F0 MCU och ST-LINK V2

Switch SW2: användarknapp 1
Switch SW3: användarknapp 2
LED DL3: användar-LED 1 (tänds även när användare 1-knappen trycks in)

LED DL4: användarlysdiod 2 (tänds även när användare 2 knappar trycks in)

4.6 Felsökning

STEVAL-SPIN3201 utvärderingskort bäddar in en ST-LINK/V2-1 debugger/programmerare. Funktionerna som stöds på ST-LINK är:

Omräkning av USB-programvara
Virtuell com-port-gränssnitt på USB ansluten till PB6/PB7-stiften på STSPIN32F0 (UART1)
Masslagringsgränssnitt på USB
Strömförsörjningen till ST-LINK tillhandahålls av värddatorn via USB-kabeln ansluten till J5.
LED LD2 ger ST-LINK kommunikationsstatusinformation:

Röd lysdiod blinkar långsamt: vid start innan USB-initiering
Röd lysdiod blinkar snabbt: efter första korrekt kommunikation mellan PC:n och ST-LINK/V2-1 (uppräkning)
Röd lysdiod PÅ: initieringen mellan PC:n och ST-LINK/V2-1 är klar

Grön lysdiod TÄND: framgångsrik initiering av målkommunikation
Röd/grön lysdiod blinkar: under kommunikation med målet
Grön PÅ: kommunikationen avslutad och framgångsrik
Återställningsfunktionen kopplas bort från ST-LINK genom att bygeln J8 tas bort.

Revisionshistorik

Tabell 6. Dokumentrevisionshistorik

Datum	Revision	Ändringar
12 december 20161	1	Initial release.
23-nov-2017	2	Tillagt avsnitt 4.2: Strömavkänning på sidan 7.
27-2018 februari	3	Mindre ändringar i dokumentet.
18 augusti 2021	4	Mindre mallkorrigering.

STMicroelectronics NV och dess dotterbolag (“ST”) förbehåller sig rätten att göra ändringar, korrigeringar, förbättringar, modifieringar och förbättringar av ST-produkter och/eller av detta dokument när som helst utan föregående meddelande. Köpare bör skaffa den senaste relevanta informationen om ST-produkter innan de lägger beställningar. ST-produkter säljs i enlighet med ST:s försäljningsvillkor som gäller vid tidpunkten för ordererkännande. Köparen är ensam ansvarig för val, urval och användning av ST-produkter och ST tar inget ansvar för applikationshjälp eller design av Köparnas produkter.

VIKTIGT MEDDELANDE - LÄS VÄNLIGT NÄR

Ingen licens, uttrycklig eller underförstådd, till någon immateriell rättighet beviljas av ST häri.
Återförsäljning av ST-produkter med bestämmelser som skiljer sig från den information som anges häri upphäver all garanti som beviljats av ST för sådan produkt.
ST och ST-logotypen är varumärken som tillhör ST. För ytterligare information om ST-varumärken, se www.st.com/trademarks. Alla andra produkt- eller tjänstnamn tillhör sina respektive ägare.
Informationen i detta dokument ersätter och ersätter information som tidigare tillhandahållits i tidigare versioner av detta dokument.