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

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.

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.

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.

Рис. 3.	Упрощенная функциональная схема управления BLDC-двигателями.

Таким образом, для создания схемы управления BLDC-двигателем потребуются: 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 бутстрепными 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.

Рис. 4.	Функциональная схема STSPIN32F0.

Все эти функциональные блоки умещаются в корпусе размером всего 7 × 7 × 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 бутстрепные диоды. Все это приводит к минимальному количеству внешних компонентов (Рис. 5).

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 предусмотрены 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.

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.

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 MOSFET STD140N6F7. 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.

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 бутстрепные 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 и SPI;
• напряжение питания: 8…45 В;
• диапазон рабочих температур: –40…+125 °C;
• корпус: 7 × 7 × 1.0 мм 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.

Посмотреть подробнее характеристики микросхем для управления BLDC-моторами