Одна микросхема - один двигатель. STSPIN32F0 - готовое решение для управления BLDC-моторами

| STMicroelectronics

STMicroelectronics – мировой лидер по производству микроконтроллеров. За последние десять лет компания совершила революцию и создала наиболее мощную экосистему на базе бюджетных семейств STM8 и STM32. Также STMicroelectronics может похвастаться интересными наработками в области управления электродвигателями. Иногда компания экспериментирует и выпускает на рынок инновационные специализированные продукты. Ярким примером этого является микросхема STSPIN32F0, объединяющая микроконтроллер с ядром ARM Cortex-M0 и систему управления электродвигателем.

STSPIN32F0 – готовое решение для управления BLDC-моторами

Рис. 1. STSPIN32F0 – готовое решение для управления BLDC-моторами

Сложно ли управлять электродвигателем? Ответ на этот вопрос будет зависеть от типа двигателя и его мощности. При современном уровне развития электроники не возникает никаких проблем в случае с двигателями постоянного тока небольшой мощности – существующие интегральные решения позволяют организовывать их питание, контроль скорости вращения и положения даже без дополнительных внешних компонентов. Однако все усложняется, если мощность двигателя увеличивается. Это требует внешних силовых каскадов, а значит необходима громоздкая силовая печатная плата, учет паразитных индуктивностей, работа с высоковольтными сигналами. Еще хуже обстоит дело с управлением бесколлекторными BLDC-двигателями, даже если их мощность составляет единицы ватт.

Бесколлекторные BLDC-двигатели имеют явные преимущества перед обычными щеточными моторами: большой ресурс, простота обслуживания, высокий КПД. Интересно, что структура схемы управления такими двигателями мало чем отличается от схемы управления щеточными моторами (рис. 2). Тем не менее, долгое время они не были востребованы. Причиной этого была сложная система коммутации силового каскада.

Упрощенная схема управления электродвигателем

Рис. 2. Упрощенная схема управления электродвигателем

Для управления бесколлекторными двигателями требуется как минимум трехфазный мост, включение плеч которого производится по сложному алгоритму. При этом, обратная связь по положению является обязательным компонентом системы управления (рис. 3). Коммутация обмоток происходит обычно по 6-шаговой схеме, при которой каждый следующий шаг делается только тогда, когда ротор двигателя находится в конкретном положении. Таким образом, для выполнения такого алгоритма переключений даже в самом простом случае требуется автомат состояний. Если же необходимо прецизионное управление с контролем скорости вращения при переменном моменте на валу, то без микроконтроллера не обойтись.

Упрощенная функциональная схема управления BLDC-двигателями

Рис. 3. Упрощенная функциональная схема управления BLDC-двигателями

Таким образом, для создания схемы управления BLDC-двигателем потребуется: микроконтроллер, драйверы трехфазного моста, сам трехфазный мост, датчики обратной связи ОС (или система измерения обратной ЭДС), система нормирования сигналов ОС (компараторы, операционные усилители и т. д.). Не стоит забывать и о необходимости развитой системы питания: низковольтный источник для цифровых микросхем, источник для питания драйверов и аналоговых схем (ОУ, АЦП, компараторы), мощный источник для двигателя. Если речь идет о настраиваемой системе, то в приведенный перечень потребуется добавить интерфейс с пользователем или канал связи, например, RS-485. Об обязательных элементах в виде разъемов и пассивных компонентов обвязки, можно даже не упоминать.

Как видно, список получается достаточно длинным, особенно если строить схему на дискретных компонентах. А теперь мысленно перенесите все это на печатную плату, и представьте, какой сложной она получается. Естественно, у любого здравомыслящего инженера появится вопрос: нельзя ли как-то упаковать хотя бы часть из всего перечисленного в корпус интегральной микросхемы? Действительно, ведь микроконтроллеры, регуляторы напряжения, драйверы, АЦП, ОУ, компараторы и другие компоненты выпускаются в интегральном исполнении. Однако, чтобы выполнить эту задумку, нужно иметь богатый опыт в проектировании полупроводников и SIP-систем (система в корпусе, System in Package). Такой опыт есть у STMicroelectronics, и он был использован при создании SIP-микросхемы STSPIN32F0.

STSPIN32F0– SIP-микросхема, созданная для управления работой трехфазных бесколекторных двигателей и позволяющая реализовывать различные методы определения положения ротора. STSPIN32F0 объединяет в одном корпусе значительную часть списка, приведенного выше (рис. 4):

  • микроконтроллер STM32F031x6x7 с 32-битным ядром ARM® Cortex®-M0, рабочей частотой до 48 МГц, 4 кбайт ОЗУ, 32 кбайт FLASH и программированием по SWD;
  • три полумостовых драйвера силовых транзисторов со встроенными бустрепными диодами и выходным током до 600 мА;
  • четыре операционных усилителя для нормирования сигналов ОС от датчиков Холла или от бездатчиковой схемы;
  • программируемый компаратор для контроля тока;
  • встроенный DC/DC-регулятор 3,3 В с защитой от перегрузки, КЗ и перегрева для питания низковольтных схем;
  • встроенный LDO 12 В с защитой от перегрева для питания драйверов, компараторов и ОУ;
  • широкий выбор дополнительной периферии: 16 каналов ввода-вывода, 5 таймеров, 12-битный 9-канальный АЦП;
  • коммуникационные интерфейсы: I2C, USART и SPI.

Функциональная схема STSPIN32F0

Рис. 4. Функциональная схема STSPIN32F0

Все эти функциональные блоки умещаются в корпусе размером всего 7 x 7 x 1,0 мм!

Контроллер STM32F031x6x7 хорошо известен пользователям STMicroelectronics. На субъективный взгляд автора статьи, это один из наиболее успешных микроконтроллеров на российском рынке, как в плане его собственной цены, так и в плане стоимости средств разработки и их доступности.

Отдельно стоит остановиться на встроенных драйверах мощных транзисторов. Они обеспечивают выходной ток до 600 мА, имеют логику защиты от сквозных токов и интегрированные бустрепные диоды. Все это приводит к минимальному количеству внешних компонентов (рис. 5).

Дополнительные внешние компоненты силовых каскадов при использовании STSPIN32F0

Рис. 5. Дополнительные внешние компоненты силовых каскадов при использовании STSPIN32F0

Как говорилось выше, обязательным компонентом системы управления бесколекторным двигателем является схема обработки сигналов ОС. Для этих целей в STSPIN32F0 предусмотрено четыре ОУ с размахом входного напряжения ±12 В (рис. 6). Они необходимы для нормирования сигналов от датчиков Холла либо сигналов обратной ЭДС в случае использования бездатчиковой схемы определения положения ротора. Контроль тока осуществляется с помощью ОУ или дополнительного программируемого компаратора, который защищает схему от перегрузок и КЗ.

Схема нормирования сигналов ОС

Рис. 6. Схема нормирования сигналов ОС

Благодаря наличию встроенных регуляторов 3,3 В и 12 В, схема питания максимально упрощается (рис. 7). При этом, диапазон напряжений составляет 8…45 В, а количество внешних компонентов остается минимальным.

Схема встроенного DC/DC-регулятора 3,3 В

Рис. 7. Схема встроенного DC/DC-регулятора 3,3 В

Встроенный контроллер предоставляет пользователям ряд полезных функциональных блоков: порты ввода-вывода, многоканальный АЦП, таймеры, коммуникационные интерфейсы SPI, I2C, USART. Благодаря этому разработчик может создать полноценный привод с широким функционалом:

  • управление скоростью вращения с учетом внешнего аналогового сигнала (тахометр, потенциометр управления);
  • работа под управлением внешнего ПЛК с коммуникацией по протоколам на базе RS485/422;
  • организация светодиодной индикации;
  • организация интерфейса с пользователем с помощью клавиатур, кнопок;
  • прием и передача дискретных сигналов.

Можно привести следующие примеры целевых приложений для STSPIN32F0: роботы, бытовая техника, квадрокоптеры, игрушки и многое другое. При этом, если учесть, что диапазон рабочих температур для STSPIN32F0 составляет-40…+125°C, то это делает возможным его использование и в промышленных приложениях.

Как было сказано выше, одним из основных достоинств продуктов STMicroelectronics является мощная поддержка в виде развитой системы средств разработки. STSPIN32F0 укладывается в программно-аппаратную платформу STM32 и имеет собственную отладочную плату STEVAL-SPIN3201 (рис. 8).

STEVAL-SPIN3201 – пример реализации привода для бесколлекторного двигателя с рабочими напряжениями 8…45 В и выходным током до 15 А. Кроме микросхемы контроллера STSPIN32F0, на плате размещен мощный трехфазный мост на базе MOSFETSTD140N6F7. Для контроля тока предлагается использовать шунтовые резисторы. Также на плате располагается программатор-отладчик ST-LINK/V2-1, который подключается к ПК с помощью разъема mimiUSB и без проблем позволяет начать работу со встроенным микроконтроллером STM32F031. К услугам разработчиков предлагаются традиционные элементы отладочных плат: светодиоды, разъемы, кнопки и подстроечные резисторы.

Внешний вид отладочной платы STEVAL-SPIN3201

Рис. 8. Внешний вид отладочной платы STEVAL-SPIN3201

Характеристики контроллера STSPIN32F0:

  • встроенный контролер STM32F031x6x7: ядро 32-битное ARM® Cortex®-M0, рабочая частота до 48 МГц, 4 кбайт ОЗУ, 32 кбайт FLASH, программирование SWD;
  • три полумостовых драйвера силовых транзисторов: выходной ток 600 мА, встроенные бустрепные диоды, защита от сквозных токов;
  • четыре операционных усилителя для нормирования сигналов ОС;
  • компаратор для контроля тока;
  • схема декодирования сигналов ОС: от датчиков Холла и от бесдатчиковой схемы;
  • встроенный DC/DC-регулятор 3,3 В с защитой от перегрузки, КЗ и перегрева;
  • встроенный LDO 12 В с защитой от перегрева;
  • широкий выбор дополнительной периферии: 16 каналов ввода-вывода, 5 таймеров, 12-битный 9-канальный АЦП;
  • коммуникационные интерфейсы: I2C, USART иSPI;
  • напряжение питания: 8…45 В;
  • диапазон рабочих температур: -40…+125°C;
  • корпус: 7x7x1,0мм VFQFPN-48L.

Характеристики отладочного набора STEVAL-SPIN3201:

  • выходной ток 15 А;
  • силовой 3-фазный мост на базе MOSFET STD140N6F7;
  • поддержка STM32 PMSM FOC Software Development Kit (STSW-STM32100);
  • встроенный отладчик ST-LINK/V2-1;
  • напряжение питания: 8…45 В;
  • три шунта для контроля тока;
  • пользовательские кнопки и подстроечные резисторы.
Производитель: STMicroelectronics
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
STSPIN32F0
STSPIN32F0
STMicroelectronics
Арт.: 2258938 ИНФО PDF
Доступно: 18090 шт. от: 295 руб.
SIP-микросхема для управления работой трехфазных бесколекторных двигателей. Advance BLDC Contrlr w/Embedded STM32 MCU
STSPIN32F0 от 295,00 от 13 шт. 252,00 от 28 шт. 227,00 от 50 шт. 210,00 от 150 шт. 200,00
124 шт.
(на складе)
17966 шт.
(под заказ)
STSPIN32F0TR
STSPIN32F0TR
STMicroelectronics
Арт.: 2258939 ИНФО PDF
Доступно: 14219 шт.
Выбрать
условия
поставки
SIP-микросхема для управления работой трехфазных бесколекторных двигателей. STSPIN Three-phase controller with MCU
STSPIN32F0TR
14219 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
STEVAL-SPIN3201
STEVAL-SPIN3201
STMicroelectronics
Арт.: 2258940 ИНФО PDF
Доступно: 235 шт.
Выбрать
условия
поставки
Отладочный набор для бесколлекторного двигателя с рабочими напряжениями 8…45 В и выходным током до 15 А.
STEVAL-SPIN3201
235 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()