ชีวิต
UM2154

คู่มือการใช้งาน

STEVE-SPIN3201: คอนโทรลเลอร์ BLDC ขั้นสูงพร้อมบอร์ดประเมินผล STM32 MCU ในตัว

การแนะนำ

บอร์ด STEVAL-SPIN3201 เป็นบอร์ดควบคุมมอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงถ่าน 3 เฟสที่ใช้ STSPIN32F0 ซึ่งเป็นตัวควบคุม 3 เฟสพร้อม STM32 MCU ในตัว และใช้ตัวต้านทานแบบ 3 ตัวแบ่งเป็นโทโพโลยีการอ่านค่าปัจจุบัน
เป็นโซลูชันที่ใช้งานง่ายสำหรับการประเมินอุปกรณ์ในการใช้งานต่างๆ เช่น เครื่องใช้ในบ้าน พัดลม โดรน และเครื่องมือไฟฟ้า
บอร์ดได้รับการออกแบบสำหรับอัลกอริธึมการควบคุมภาคสนามแบบเซนเซอร์หรือแบบไม่มีเซนเซอร์ด้วยการตรวจจับแบบ 3-shunt

รูปที่ 1 คณะกรรมการประเมินผล STEVE-SPIN3201

ข้อกำหนดฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์

การใช้บอร์ดประเมินผล STEVAL-SPIN3201 ต้องใช้ซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ต่อไปนี้:

• Windows ® PC (XP, Vista 7, Windows 8, Windows 10) เพื่อติดตั้งซอฟต์แวร์แพ็คเกจ
• สาย USB mini-B เพื่อเชื่อมต่อบอร์ด STEVAL-SPIN3201 กับ PC
• ชุดพัฒนาซอฟต์แวร์ควบคุมมอเตอร์ STM32 Rev Y (X-CUBE-MCSDK-Y)
• มอเตอร์ DC แบบไม่มีแปรงถ่าน 3 เฟสพร้อมวอลโว่ที่เข้ากันได้tage และการให้คะแนนปัจจุบัน
•  แหล่งจ่ายไฟ DC ภายนอก

การเริ่มต้น

การจัดอันดับสูงสุดของคณะกรรมการมีดังต่อไปนี้:

• กำลัง stage อุปทานฉบับที่tage (VS) จาก 8 V ถึง 45 V
• เฟสมอเตอร์กระแสสูงถึง 15 Arms

ในการเริ่มโครงการของคุณกับกระดาน:

ขั้นตอน 1. ตรวจสอบตำแหน่งจัมเปอร์ตามการกำหนดค่าเป้าหมาย (ดูหัวข้อ 4.3 การตรวจจับกระแสเกิน
ขั้นตอน 2. ต่อมอเตอร์เข้ากับขั้วต่อ J3 เพื่อดูแลลำดับเฟสของมอเตอร์
ขั้นตอน 3. จ่ายบอร์ดผ่านอินพุต 1 และ 2 ของขั้วต่อ J2 ไฟ LED DL1 (สีแดง) จะเปิดขึ้น
ขั้นตอน 4. พัฒนาแอปพลิเคชันของคุณโดยใช้ชุดพัฒนาซอฟต์แวร์ควบคุมมอเตอร์ STM32 Rev Y (X-CUBEMCSDK-Y)

คำอธิบายและการกำหนดค่าฮาร์ดแวร์

รูป 2. ส่วนประกอบหลักและตำแหน่งของคอนเนคเตอร์แสดงตำแหน่งของส่วนประกอบหลักและคอนเนคเตอร์บนบอร์ด
รูป 2. ส่วนประกอบหลักและตำแหน่งตัวเชื่อมต่อ

ตารางที่ 1. จัมเปอร์การตั้งค่าฮาร์ดแวร์ให้รายละเอียดพินเอาต์ของตัวเชื่อมต่อ
ตารางที่ 1. จัมเปอร์ตั้งค่าฮาร์ดแวร์

จัมเปอร์	การกำหนดค่าที่อนุญาต	เงื่อนไขเริ่มต้น
JP1	การเลือก VREG ที่เชื่อมต่อกับมอเตอร์ V	เปิด
JP2	การเลือกแหล่งจ่ายไฟมอเตอร์ที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ DC	ปิด
JP3	Selection Hall encoder จ่ายไฟให้กับ USB (1) / VDD (3) power supply	1 – 2 ปิด
JP4	รีเซ็ตการเลือกของ ST-LINK (U4)	เปิด
JP5	การเลือก PA2 เชื่อมต่อกับ Hall 3	ปิด
JP6	การเลือก PA1 เชื่อมต่อกับ Hall 2	ปิด
JP7	การเลือก PA0 เชื่อมต่อกับ Hall 1	ปิด

ตารางที่ 2. คำอธิบายตัวเชื่อมต่อ จัมเปอร์ และจุดทดสอบอื่นๆ

ชื่อ	เข็มหมุด	ฉลาก	คำอธิบาย
J1	1 – 2	J1	แหล่งจ่ายไฟของมอเตอร์
J2	1 – 2	J2	แหล่งจ่ายไฟหลักของอุปกรณ์ (VM)
J3	1 – 2 – 3	ยู, วี, ดับบลิว	การเชื่อมต่อเฟสมอเตอร์ BLDC 3 เฟส
J4	1 – 2 – 3	J4	ขั้วต่อเซนเซอร์ Hall/encoder
	4 – 5	J4	ฮอลล์เซนเซอร์/อุปทานเอ็นโค้ดเดอร์
J5	–	J5	อินพุต USB ST-LINK
J6	1	3V3	พาวเวอร์ซัพพลาย ST-LINK
	2	ซีแอลเค	SWLK ของ ST-LINK
	3	ก.ย.ด.	ก.ย.ด.
	4	ดิโอ	SWDIO ของ ST-LINK
J7	1 – 2	J7	รถเข็น
J8	1 – 2	J8	รีเซ็ต ST-LINK
TP1	–	เกร็ก	ปริมาตร 12 Vtagอี เรกูเลเตอร์ เอาท์พุต
TP2	–	ก.ย.ด.	ก.ย.ด.
TP3	–	วีดีดี	วีดีดี
TP4	–	ความเร็ว	เอาท์พุทโพเทนชิออมิเตอร์ความเร็ว
TP5	–	PA3	PA3 GPIO (เอาต์พุตออฟ-amp ความรู้สึก 1)
TP6	–	วีบัส	ความคิดเห็นของ VBus
TP7	–	ออก_U	เอาต์พุต U
TP8	–	PA4	PA4 GPIO (เอาต์พุตออฟ-amp ความรู้สึก 2)
TP9	–	PA5	PA5 GPIO (เอาต์พุตออฟ-amp ความรู้สึก 3)
TP10	–	ก.ย.ด.	ก.ย.ด.
TP11	–	ออก_วี	เอาต์พุต V.
TP12	–	PA7	PA7_3FG
TP13	–	ออก_W	เอาต์พุต W
TP14	–	3V3	3V3 ST-LINK
TP15	–	5V	ไดรฟ์ USBtage
TP16	–	ไอ/โอ	SWD_IO
TP17	–	ซีแอลเค	SWD_CLK

คำอธิบายวงจร

STEVAL-SPIN3201 นำเสนอโซลูชัน FOC แบบ 3-shunt ที่สมบูรณ์ซึ่งประกอบด้วย STSPIN32F0 – คอนโทรลเลอร์ BLDC ขั้นสูงพร้อม STM32 MCU ในตัว – และพาวเวอร์ฮาล์ฟบริดจ์สามตัวtagกับ NMOS STD140N6F7
STSPIN32F0 จะสร้างปริมาณอุปทานที่จำเป็นทั้งหมดโดยอัตโนมัติtages: ตัวแปลงบั๊ก DC/DC ภายในให้ 3V3 และตัวควบคุมเชิงเส้นภายในให้ 12 V สำหรับไดรเวอร์เกท
การปรับสภาพสัญญาณป้อนกลับในปัจจุบันจะดำเนินการผ่านสามส่วนการทำงาน amplifiers ที่ฝังอยู่ในอุปกรณ์และตัวเปรียบเทียบภายในทำการป้องกันกระแสเกินจากตัวต้านทานแบบแบ่ง
มีปุ่มผู้ใช้สองปุ่ม ไฟ LED สองดวง และทริมเมอร์ เพื่อใช้อินเทอร์เฟซผู้ใช้อย่างง่าย (เช่น การสตาร์ท/หยุดมอเตอร์ และการตั้งค่าความเร็วเป้าหมาย)
บอร์ด STEVAL-SPIN3201 รองรับตัวเข้ารหัสการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสและเซ็นเซอร์ Hall แบบดิจิตอลเป็นการตอบกลับตำแหน่งมอเตอร์
บอร์ดนี้มี ST-LINK-V2 ที่ช่วยให้ผู้ใช้สามารถดีบักและดาวน์โหลดเฟิร์มแวร์โดยไม่ต้องใช้เครื่องมือฮาร์ดแวร์เพิ่มเติม

4.1 เซ็นเซอร์ความเร็วมอเตอร์ Hall/encoder
บอร์ดประเมินผล STEVAL-SPIN3201 รองรับเซนเซอร์ Hall และ quadrature encoder แบบดิจิตอลเป็นข้อมูลป้อนกลับตำแหน่งมอเตอร์
เซ็นเซอร์สามารถเชื่อมต่อกับ STSPIN32F0 ผ่านตัวเชื่อมต่อ J4 ที่อยู่ในรายการ

ตารางที่ 3. ขั้วต่อฮอลล์/ตัวเข้ารหัส (J4) 

ชื่อ	เข็มหมุด	คำอธิบาย
ฮอลล์1/A+	1	Hall sensor 1/encoder ออก A+
ฮอลล์2/B+	2	Hall sensor 2/ตัวเข้ารหัสออก B+
ฮอลล์3/Z+	3	เซ็นเซอร์ฮอลล์ 3 / ตัวเข้ารหัสศูนย์การป้อนกลับ
เซ็นเซอร์ VDD	4	ปริมาณการจ่ายเซ็นเซอร์tage
ก.ย.ด.	5	พื้น

ตัวต้านทานซีรีย์การป้องกัน 1 kΩ ติดตั้งในชุดที่มีเอาต์พุตเซ็นเซอร์
สำหรับเซ็นเซอร์ที่ต้องการดึงขึ้นภายนอก ตัวต้านทาน 10 kΩ สามตัวได้รับการติดตั้งบนสายเอาต์พุตและเชื่อมต่อกับ VDD voltagอี ในบรรทัดเดียวกัน รอยเท้าสำหรับตัวต้านทานแบบดึงลงก็มีให้เช่นกัน

จัมเปอร์ JP3 เลือกแหล่งจ่ายไฟสำหรับเซ็นเซอร์อุปทาน voltage:

• จัมเปอร์ระหว่างพิน 1 – พิน 2: เซ็นเซอร์ฮอลล์ที่ขับเคลื่อนโดย VUSB (5 V)
• จัมเปอร์ระหว่างพิน 1 – พิน 2: เซ็นเซอร์ฮอลล์ที่ขับเคลื่อนโดย VDD (3.3 V)
  ผู้ใช้สามารถตัดการเชื่อมต่อเอาต์พุตเซ็นเซอร์จากจัมเปอร์เปิด MCU GPIO JP5, JP6 และ JP7

4.2 การตรวจจับกระแส

ในบอร์ด STEVAL-SPIN3201 การปรับสภาพสัญญาณการตรวจจับปัจจุบันจะดำเนินการผ่านสามการทำงาน amplifiers ที่ฝังอยู่ในอุปกรณ์ STSPIN32F0
ในการใช้งาน FOC ทั่วไป กระแสในฮาล์ฟบริดจ์ทั้งสามจะถูกตรวจจับโดยใช้ตัวต้านทานแบบแบ่งที่แหล่งกำเนิดของสวิตช์เปิดปิดด้านต่ำแต่ละตัว ความรู้สึก voltagสัญญาณ e ถูกจัดเตรียมให้กับตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลเพื่อทำการคำนวณเมทริกซ์ที่เกี่ยวข้องกับเทคนิคการควบคุมบางอย่าง สัญญาณความรู้สึกเหล่านั้นมักจะถูกเลื่อนและ amplified โดยทุ่มเท op-ampเพื่อใช้ประโยชน์จาก ADC อย่างเต็มรูปแบบ (ดูรูปที่ 3 รูปแบบการตรวจจับปัจจุบัน example)

รูปที่ 3 รูปแบบการตรวจจับปัจจุบัน เช่นample

ต้องเปลี่ยนสัญญาณความรู้สึกและเน้นที่ VDD/2 voltage (ประมาณ 1.65 V) และ ampกลับกลายเป็นอีกครั้งซึ่งให้การจับคู่ระหว่างค่าสูงสุดของสัญญาณที่ตรวจจับได้กับช่วงเต็มสเกลของ ADC
ฉบับที่tage ขยับ stage แนะนำการลดทอน (1/Gp) ของสัญญาณป้อนกลับซึ่งร่วมกับเกนของการกำหนดค่าที่ไม่กลับด้าน (Gn, คงที่โดย Rn และ Rf) มีส่วนทำให้เกนโดยรวม (G) ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว เป้าหมายคือการสร้างภาพรวม amplification เครือข่ายได้รับ (G) เพื่อให้ voltage บนตัวต้านทาน shunt ที่สอดคล้องกับกระแสสูงสุดของมอเตอร์ที่อนุญาต (ค่าสูงสุดของ ISmax ของกระแสไฟที่กำหนดของมอเตอร์) เหมาะกับช่วงของปริมาตรtagADC สามารถอ่านได้

บันทึก ว่าเมื่อ G ได้รับการแก้ไขแล้ว จะดีกว่าในการกำหนดค่าโดยลดการลดทอนเริ่มต้น 1/Gp ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และทำให้ได้รับ Gn นี่เป็นสิ่งสำคัญที่ไม่เพียงแต่จะเพิ่มสัญญาณให้สูงสุดด้วยอัตราส่วนสัญญาณรบกวนเท่านั้น แต่ยังต้องลดผลกระทบของสัญญาณรบกวนamp intrinsic offset บนเอาต์พุต (สัดส่วนกับ Gn)

เกนและโพลาไรเซชัน voltage (VOPout, pol) กำหนดช่วงการทำงานของวงจรตรวจจับกระแส:

ที่ไหน:

• IS- = แหล่งกระแสสูงสุด
• IS+ = กระแสจมสูงสุดที่วงจรตรวจจับได้

ตารางที่ 4. STEVE-SPIN3201 op-ampเครือข่ายโพลาไรซ์

พารามิเตอร์	อ้างอิงชิ้นส่วน	ปรับปรุงครั้งที่ 1	ปรับปรุงครั้งที่ 3
Rp	อาร์14, อาร์24, อาร์33	560 โอห์ม	1.78 kΩ
Ra	อาร์12, อาร์20, อาร์29	8.2 kΩ	27.4 kΩ
Rb	อาร์15, อาร์25, อาร์34	560 โอห์ม	27.4 kΩ
Rn	อาร์13, อาร์21, อาร์30	1 kΩ	1.78 kΩ
Rf	อาร์9, อาร์19, อาร์28	15 kΩ	13.7 kΩ
Cf	ซี15, ซี19, ซี20	100 พิกฟาเรนไฮต์	เอ็นเอ็ม
G	–	7.74	7.70
VOPout โพล	–	1.74 โวลต์	1.65 โวลต์

4.3 การตรวจจับกระแสเกิน

บอร์ดประเมินผล STEVAL-SPIN3201 ใช้การป้องกันกระแสเกินโดยอิงจากตัวเปรียบเทียบ OC ในตัว STSPIN32F0 ตัวต้านทาน Shunt วัดกระแสโหลดของแต่ละเฟส ตัวต้านทาน R50, R51 และ R52 นำปริมาตรtage สัญญาณที่เกี่ยวข้องกับกระแสโหลดแต่ละอันไปยังพิน OC_COMP เมื่อกระแสสูงสุดที่ไหลในหนึ่งในสามเฟสเกินเกณฑ์ที่เลือก ตัวเปรียบเทียบแบบรวมจะถูกทริกเกอร์และสวิตช์เปิดปิดด้านสูงทั้งหมดจะถูกปิดใช้งาน สวิตช์เปิดปิดด้านสูงจะเปิดใช้งานอีกครั้งเมื่อกระแสไฟต่ำกว่าเกณฑ์ ดังนั้นจึงใช้การป้องกันกระแสเกิน
เกณฑ์ปัจจุบันสำหรับคณะกรรมการประเมิน STEVAL-SPIN3201 แสดงอยู่ใน

ตารางที่ 5. ขีดจำกัดกระแสเกิน

พีเอฟ6	พีเอฟ7	คอมพ์ภายใน เกณฑ์	เกณฑ์ OC
0	1	100 mV	20 ก
1	0	250 mV	65 ก
1	1	500 mV	140 ก

เกณฑ์เหล่านี้สามารถแก้ไขได้โดยการเปลี่ยนตัวต้านทานอคติ R43 ขอแนะนำให้เลือก R43 ที่สูงกว่า 30 kΩ ในการคำนวณค่าของ R43 สำหรับขีดจำกัดปัจจุบันของเป้าหมาย IOC สามารถใช้สูตรต่อไปนี้ได้:

โดยที่ OC_COMPth คือ voltagขีด จำกัด ของตัวเปรียบเทียบภายใน (เลือกโดย PF6 และ PF7) และ VDD คือปริมาตรการจ่ายดิจิตอล 3.3 Vtage จัดทำโดยตัวแปลงบั๊ก DCDC ภายใน
การนำ R43 ออก สูตรขีดจำกัดปัจจุบันจะง่ายขึ้นดังนี้:

4.4 รถโดยสารประจำทางtagวงจรไฟฟ้า

บอร์ดประเมินผล STEVAL-SPIN3201 จัดให้มีบัส voltagการรับรู้ทางอิเล็กทรอนิกส์ สัญญาณนี้ถูกส่งผ่าน voltage ตัวแบ่งจากแหล่งจ่ายมอเตอร์ voltage (VBUS) (R10 และ R16) และส่งไปยัง PB1 GPIO (ช่อง 9 ของ ADC) ของ MCU แบบฝัง สัญญาณยังมีอยู่ใน TP6

4.5 ส่วนต่อประสานผู้ใช้ฮาร์ดแวร์

บอร์ดนี้มีรายการอินเทอร์เฟซผู้ใช้ฮาร์ดแวร์ต่อไปนี้:

• Potentiometer R6: ตั้งค่าความเร็วเป้าหมายเช่นample
• สวิตช์ SW1: รีเซ็ต STSPIN32F0 MCU และ ST-LINK V2
• สวิตช์ SW2: ปุ่มผู้ใช้ 1
• สวิตช์ SW3: ปุ่มผู้ใช้ 2
• LED DL3: LED ผู้ใช้ 1 (เปิดเมื่อผู้ใช้กดปุ่ม 1 ด้วย)
• LED DL4: LED ผู้ใช้ 2 (เปิดเมื่อผู้ใช้กดปุ่ม 2 ปุ่มด้วย)

4.6 การดีบัก

บอร์ดประเมินผล STEVAL-SPIN3201 ฝังตัวดีบักเกอร์/โปรแกรมเมอร์ ST-LINK/V2-1 คุณสมบัติที่รองรับบน ST-LINK คือ:

• การแจงนับซอฟต์แวร์ USB อีกครั้ง
• อินเทอร์เฟซพอร์ต com เสมือนบน USB ที่เชื่อมต่อกับพิน PB6/PB7 ของ STSPIN32F0 (UART1)
• อินเทอร์เฟซที่เก็บข้อมูลขนาดใหญ่บน USB
  แหล่งจ่ายไฟสำหรับ ST-LINK มีให้โดยโฮสต์พีซีผ่านสาย USB ที่เชื่อมต่อกับ J5
  LED LD2 ให้ข้อมูลสถานะการสื่อสารของ ST-LINK:
• LED สีแดงกะพริบช้าๆ: เมื่อเปิดเครื่องก่อนการเริ่มต้น USB
• ไฟ LED สีแดงกะพริบอย่างรวดเร็ว: ตามการสื่อสารที่ถูกต้องครั้งแรกระหว่างพีซีกับ ST-LINK/V2-1 (การแจงนับ)
• ไฟ LED สีแดงติด: การเริ่มต้นระหว่าง PC และ ST-LINK/V2-1 เสร็จสมบูรณ์
• ไฟ LED สีเขียวติด: เริ่มต้นการสื่อสารเป้าหมายสำเร็จ
• ไฟ LED สีแดง/เขียวกะพริบ: ขณะสื่อสารกับเป้าหมาย
• เปิดสีเขียว: การสื่อสารเสร็จสิ้นและประสบความสำเร็จ
  ฟังก์ชั่นรีเซ็ตถูกตัดการเชื่อมต่อจาก ST-LINK โดยถอดจัมเปอร์ J8

ประวัติการแก้ไข

ตารางที่ 6 ประวัติการแก้ไขเอกสาร

วันที่	การแก้ไข	การเปลี่ยนแปลง
12 ธ.ค. 20161	1	การเปิดตัวครั้งแรก
23 พ.ย. 2017	2	เพิ่มส่วนที่ 4.2: การตรวจจับปัจจุบันในหน้า 7
27 ก.พ. 2018	3	แก้ไขเล็กน้อยตลอดทั้งเอกสาร
18 ส.ค. 2021	4	การแก้ไขเทมเพลตเล็กน้อย

STMicroelectronics NV และบริษัทในเครือ (“ST”) ขอสงวนสิทธิ์ในการเปลี่ยนแปลง แก้ไข ปรับปรุง ดัดแปลง และปรับปรุงผลิตภัณฑ์ ST และ/หรือเอกสารนี้ได้ทุกเมื่อโดยไม่ต้องแจ้งให้ทราบ ผู้ซื้อควรได้รับข้อมูลที่เกี่ยวข้องล่าสุดเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ของ ST ก่อนทำการสั่งซื้อ ผลิตภัณฑ์ของ ST จำหน่ายตามข้อกำหนดและเงื่อนไขการขายของ ST ณ เวลาที่รับทราบคำสั่งซื้อ ผู้ซื้อมีหน้าที่รับผิดชอบแต่เพียงผู้เดียวในการเลือก การเลือก และการใช้ผลิตภัณฑ์ของ ST และ ST จะไม่รับผิดชอบใดๆ ต่อความช่วยเหลือในการใช้งานหรือการออกแบบผลิตภัณฑ์ของผู้ซื้อ 

ประกาศสำคัญ - โปรดอ่านอย่างละเอียด

ST ไม่อนุญาตให้มีใบอนุญาตใดๆ ไม่ว่าโดยชัดแจ้งหรือโดยนัยในสิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาใดๆ
การขายต่อผลิตภัณฑ์ ST ที่มีข้อกำหนดแตกต่างจากข้อมูลที่กำหนดไว้ในที่นี้ จะทำให้การรับประกันใดๆ ที่ ST ให้ไว้สำหรับผลิตภัณฑ์ดังกล่าวเป็นโมฆะ
ST และโลโก้ ST เป็นเครื่องหมายการค้าของ ST สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเครื่องหมายการค้า ST โปรดดูที่ www.st.com/trademarksชื่อผลิตภัณฑ์หรือบริการอื่น ๆ ทั้งหมดเป็นทรัพย์สินของเจ้าของที่เกี่ยวข้อง
ข้อมูลในเอกสารฉบับนี้แทนที่และเปลี่ยนแทนข้อมูลที่เคยให้ไว้ก่อนหน้านี้ในเอกสารฉบับก่อนหน้าใดๆ

© 2021 STMicroelectronics – สงวนลิขสิทธิ์

เอกสาร / แหล่งข้อมูล

ST UM2154 STEVAL-SPIN3201 คอนโทรลเลอร์ BLDC ขั้นสูงพร้อมบอร์ดประเมินผล STM32 MCU แบบฝัง [พีดีเอฟ] คู่มือการใช้งาน UM2154, STEVAL-SPIN3201 Advanced BLDC Controller พร้อม Embedded STM32 MCU Evaluation Board

อ้างอิง

• คู่มือการใช้งาน