Экосистема STMicroelectronics для управления двигателями

14 декабря 2021

Софья Букреева (г. Протвино)

Компания STMicroelectronics предлагает все необходимые компоненты для систем управления коллекторными, бесколлекторными, синхронными и шаговыми двигателями. К услугам разработчиков – драйверы STSPIN, широкий выбор оценочных плат и готовых комплектов, полная техническая документация, а также специализированное ПО с примерами готовых задач.

Современные тенденции в области защиты окружающей среды требуют повышения эффективности работы как электродвигателей, так и систем их управления. При этом для выхода на рынок новых технологий электронных компонентов с высокой интеграцией крайне важно сохранить низкую стоимость. Компания STMicroelectronics более 20 одной из первых начала заниматься разработкой решений для управления двигателями. Продукция этой компании включает в себя инновационные интегрированные интеллектуальные модули питания, «системы-в-корпусе» (System-In-Package, SiP), однокристальные драйверы, быстрые силовые ключи с высоким КПД, симисторы с защитой от скачков напряжения, а также высокопроизводительные микроконтроллеры с функциями защиты данных. Решения STMicroelectronics применимы к любым двигателям и представляют собой целую экосистему, также имеющую ряд оценочных плат, готовые дизайны устройств и программное обеспечение, что существенно упрощает и ускоряет процесс разработки системы управления.

Решения для бесколлекторных двигателей постоянного тока (BLDC) и синхронных двигателей с постоянными магнитами (PMSM)

Бесколлекторные двигатели постоянного тока и синхронные двигатели с постоянными магнитами все чаще заменяют коллекторные двигатели во многих задачах благодаря высокому КПД, тихой работе и повышенной надежности. Несмотря на различия в конструкции, все трехфазные двигатели с постоянными магнитами управляются трехфазной мостовой схемой (имеющей три полумоста) с ШИМ, обеспечивающей двигатель напряжением и током переменной частоты и амплитуды.

STMicroelectronics предлагает линейку специализированных электронных компонентов для решения самых разных задач в управлении двигателями (рисунок 1, таблица 1). Однокристальные микросхемы драйверов, силовые MOSFET, IGBT, драйверы затворов, а также модули питания и специализированные микроконтроллеры ST обеспечивают гибкость проектирования и имеют широкий диапазон рабочих напряжений.

Рис. 1. Схема управления бесколлекторным двигателем

Таблица 1. Электронные компоненты STMicroelectronics для управления бесколлекторными двигателями постоянного тока и синхронными двигателями с постоянными магнитами

Решения для шаговых двигателей

Биполярные шаговые двигатели (рисунок 2) широко используются для позиционирования в промышленной автоматизации, вычислительной технике и системах безопасности. Для их управления STMicroelectronics предлагает несколько типов драйверов, в зависимости от количества фаз, расположения обмоток и требуемого уровня плавности перемещения. Тип электронного управления (шаг, полушаг, микрошаг) и подаваемая форма волны фазового тока влияют на уровень вибрации, акустический шум, плавность движения и чувствительность к резонансам. Продукция компании (таблица 2) разработана с учетом этих факторов и включает в себя однокристальные микросхемы драйверов со встроенными контроллерами, силовыми компонентами и функциями защиты, а для большой мощности можно использовать комбинацию контроллера и MOSFET.

Рис. 2. Схема управления шаговым двигателем

Таблица 2. Электронные компоненты STMicroelectronics для управления шаговыми двигателями

Решения для коллекторных двигателей постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока часто применяются в промышленном и медицинском оборудовании. Если требуется только одно направление вращения двигателя, для управления его скоростью используют один ключ с ШИМ (рисунок 3а). Для позиционирования или при необходимости обеспечить оба направления вращения, например, в стеклоподъемниках автомобиля, применяется мостовая схема (рисунок 3б). Для реализации мостовых схем компания STMicroelectronics предлагает широкий выбор драйверов со встроенными силовыми транзисторами, драйверами затвора, функциями защиты, схемами измерения тока, со встроенными DC/DC-преобразователями, а также ряд дискретных низковольтных MOSFET и микросхем драйверов затвора для них (таблица 3). Для управления драйверами и обработки сигналов датчиков можно использовать 8-разрядные микроконтроллеры общего назначения или бюджетные 32-разрядные микроконтроллеры.

Рис. 3. Схемы управления коллекторным двигателем постоянного тока: а) схема с одним ключом; б) мостовая схема

Таблица 3. Электронные компоненты ST для управления коллекторными двигателями

Микросхемы драйверов двигателей

Микросхемы драйверов STSPIN дают разработчикам широкий выбор решений при разработке систем управления двигателем. Их использование позволяет сделать систему масштабируемой и надежной. Внутренняя логика для управления профилем движения гарантирует высокую точность и снижает вычислительную нагрузку на основной микроконтроллер. В большинстве микросхем драйверов STSPIN реализована схема контроля затухания тока и инновационный режим управления напряжением для микрошагового перемещения, который обеспечивает повышенную точность управления крутящим моментом и, следовательно, плавность перемещения.

Все микросхемы драйверов имеют схемы защиты и диагностики для долгосрочной надежности и устойчивости управления, необходимых при сложных условиях на производстве. Кроме этого, драйвера STSPIN выпускаются в различных вариантах компактных, термически оптимизированных корпусов, среди которых можно найти подходящий для любых требований системы управления двигателем. На рисунке 4 приведены серии микросхем STSPIN и соответствующие области их применения.

Рис. 4. Серия микросхем драйверов STSPIN

Драйверы серии L62 имеют широкий диапазон применений: они подходят для двигателей любого типа и разработаны для разных уровней мощности. Для шаговых двигателей предназначены микросхемы L6208 и L6228, имеющие встроенный генератор шаговой последовательности. L6205/06/07 и L6225/26/27 – это драйверы для коллекторных двигателей различных мощностей, имеющие программируемую защиту от перегрузки по току. L6229, L6230, L6234 и L6235 обладают встроенным ШИМ-контроллером и схемой декодирования датчиков Холла. Они идеально подходят для управления трехфазными бесколлекторными двигателями. Серия L62 состоит из примерно 30 микросхем в разных вариантах корпусов, что позволяет выбрать подходящий для любых требований по пайке и температурной стабильности. Все микросхемы серии входят в программу 10-летней поддержки производства и применяются в таких областях, как:

• сценическое освещение;
• торговое оборудование;
• текстильное оборудование;
• банкоматы;
• медицинское оборудование;
• автоматизация производства;
• мелкая бытовая техника;
• управление антеннами.

Серия STSPIN2 подходит для портативных устройств с питанием от литий-полимерных аккумуляторов. В нее входят микросхемы для управления коллекторными двигателями постоянного тока, шаговыми и трехфазными бесколлекторными двигателями. Благодаря компактному корпусу QFN 3×3 мм и самому низкому уровню тока в режиме ожидания (максимум 80 нА) серия STSPIN2 обеспечивает оптимальное соотношение между производительностью и стоимостью. Микросхемы STSPIN220 способны управлять шаговым двигателем с разрешением до 256 микрошагов, в то время как микросхемы STSPIN230/3 подходят для FOC-управления и позволяют легко реализовать топологию с одним, двумя или тремя шунтами. Все микросхемы серии входят в программу 15-летней поддержки производства и применяются в таких областях, как:

• портативные медицинские устройства;
• электронные клапаны, счетчики и электронные шкафчики;
• POS-принтеры, принтеры этикеток;
• IoT;
• робототехника.

Серия STSPIN8 является продолжением серии STSPIN2 для работы при более высоком напряжении питания. В серию входят три драйвера в корпусах QFN 4×4 мм, имеющих встроенную управляющую логику и защищенный силовой каскад с низким R_DSon, что делает эти микросхемы надежным решением для новых промышленных применений с высокими требованиями. Микросхема STSPIN820 предназначена для управления шаговыми двигателями с разрешением до 256 мкс, STSPIN830 поддерживает FOC-управление и позволяет реализовать схемы с тремя шунтирующими резисторами, а драйвер STSPIN840 может использоваться в параллельном режиме для увеличения тока при управлении коллекторным двигателем. Все микросхемы серии входят в программу 15-летней поддержки производства и применяются в таких областях, как:

• сценическое освещение;
• управление антеннами;
• 3D-принтеры;
• торговое оборудование;
• текстильное оборудование;
• банкоматы;
• автоматизация производства;
• медицинское оборудование;
• видеонаблюдение, купольные камеры.

Серия STSPIN32F0 – это семейство «систем-в-корпусе» размером 7х7 мм со встроенной схемой питания, микроконтроллером Cortex-M0™ и трехфазным драйвером затвора. Микроконтроллер дает свободу в выборе алгоритма управления перемещением, в зависимости от цели применения. STMicroelectronics предлагает ряд готовых прошивок как для классических алгоритмов управления, так и для бессенсорного FOC-управления. Встроенные понижающий DC/DC-преобразователь на 3,3 В и линейный LDO-стабилизатор на 12 В обеспечивают питанием микроконтроллер, внешние компоненты и драйверы затвора. Микросхемы STSPIN32F также содержат операционные усилители, которые можно использовать для преобразования сигналов аналоговых датчиков Холла или сигналов, поступающих с шунтирующих резисторов. Программируемый порог защиты от перегрузки по току задается встроенным компаратором. Все микросхемы данной серии входят в программу 10-летней поддержки производства и применяются в таких областях, как:

• электроинструмент;
• вентиляторы;
• пылесосы;
• промышленная автоматизация;
• роботизированное оборудование;
• дроны (стабилизация и контроллеры ESC).

Микросхемы STSPIN32F0 HV обладают всеми функциями серии STSPIN32F0 и предназначены для напряжений 250…600 В и токов затвора 0,35 и 1 А, соответственно.

POWERSTEP01 – это конфигурируемый драйвер шагового двигателя с высоким током, рассчитанный на напряжение до 85 В. В драйвере объединены контроллер для микрошагового режима и 8 силовых MOSFET с R_DSon 16 мОм. Его можно настроить для работы с двигателем в режиме управления напряжением или током. Режим управления напряжением позволяет получить плавное и бесшумное перемещение, в то время как режим управления током гарантирует полный контроль над током двигателя. Дополнительные функции, такие как настройка профиля перемещения для контроля ускорения, замедления, скорости и так далее, расчеты позиционирования, обнаружение остановки без применения датчика, диагностика в реальном времени и настраиваемая пользователем защита от сбоев делают POWERSTEP01 оптимальным выбором для самых требовательных задач управления. Все микросхемы серии входят в программу 15-летней поддержки производства и применяются в таких областях, как:

• текстильное и швейное оборудование;
• сварочное роботизированное оборудование;
• принтеры этикеток;
• промышленные бульдозеры.

Серия L64 включает в себя самые современные драйверы и контроллеры для микрошаговых двигателей. Микросхемы L6470 и L6480 работают в режиме управления напряжением, обеспечивающем плавное и бесшумное перемещение и высокое разрешение до 128 шагов. L6472 и L6482 управляют током и гарантируют его подачу на двигатель, что исключает пропуски шагов. Также драйверы этой серии имеют расширенные функции, такие как полная настройка профиля движения (ускорение, замедление, скорость и так далее), расчеты позиционирования, обнаружение остановки без применения датчика, диагностика в реальном времени и настраиваемая пользователем защита от сбоев. Все микросхемы серии входят в программу 15-летней поддержки производства и применяются в таких областях, как:

• банкоматы;
• медицинское оборудование;
• управление антеннами;
• оборудование для захвата и установки SMD-компонентов;
• бытовая техника;
• промышленное оборудование.

Микросхемы серии PWD применяется для управления коллекторными и однофазными двигателями постоянного тока. Серия состоит из двух типов микросхем, в которые объединены интеллектуальные драйверы затворов и четыре N-канальных силовых MOSFET, работающих по схеме двух полумостов. Они рассчитаны на напряжение до 600 В и способны обеспечивать постоянный ток 3,5 и 8 А на каждый MOSFET. Встроенные драйверы затвора имеют ограничительные диоды, что сокращает количество компонентов на плате и уменьшает расход энергии. Микросхемы PWD5F60 также содержат компараторы для контроля пикового тока, которые, в сочетании с датчиками Холла, позволяют обойтись без отдельного микроконтроллера, что значительно снижает стоимость системы управления. Все микросхемы серии входят в программу 15-летней поддержки производства и применяются в таких областях, как:

• промышленная и бытовая техника;
• автоматизация производства;
• вентиляторы и насосы;
• блоки питания;
• DC/DC- и DC/AC-преобразователи;
• вытяжки и газовые обогреватели.

В таблице 4 перечислены основные технические особенности микросхем каждой серии и оценочные платы, разработанные на их основе.

Таблица 4. Технические параметры микросхем драйверов двигателей

Экосистема STMicroelectronics для управления двигателями

Компания STMicroelectronics предлагает комплексное решение для управления двигателями, включающее как аппаратную часть, к которой относятся драйверы, силовые ключи, модули питания, микроконтроллеры и готовые платы на их основе, так и программное обеспечение (рисунок 5).

Рис. 5. Экосистема STMicroelectronics для управления двигателем

Микроконтроллеры STM32 созданы на базе ядер ARM® Cortex®-M и обеспечивают возможность FOC-управления, широко используемого в двигателях кондиционеров, бытовой техники, дронов, в промышленном и медицинском оборудовании и подобном. Для ускорения создания программ микроконтроллеров предоставляется среда разработки X-CUBE-MCSDK, которая содержит готовую библиотеку для управления синхронным двигателем с постоянным магнитом и инструмент для настройки ее параметров MC Workbench. Основные особенности и возможности X-CUBE-MCSDK:

• упрощенная структура на основе библиотек HAL/LL STM32Cube;
• инструмент Motor Profiler для быстрой настройки нового двигателя;
• библиотека для FOC-управления двумя двигателями одновременно;
• реализованные процедуры измерения тока с помощью одного или трех шунтирующих резисторов, а также двух датчиков тока;
• поддержка считывания датчиков скорости/положения (энкодер и датчик Холла);
• быстрый старт для двигателей вентиляторов;
• контроль скорости и крутящего момента;
• набор реализованных алгоритмов управления двигателем (MTPA, Feed-forward-регулирование и другие);
• полная настройка и обмен данными в реальном времени с помощью инструмента MC Workbench;
• поддержка FreeRTOS;
• готовые программы драйвера для микроконтроллеров STM32G4, STM32F4 и STSPINF0;
• пример программы с коррекцией коэффициента мощности для микроконтроллеров STM32F1/F3.

MC Workbench устанавливается на ПК и имеет подключение к кодогенератору STM32CubeMX. Таким образом, пользователь имеет возможность создать файл проекта в графическом интерфейсе и быстро инициализировать библиотеку в соответствии с требованиями своей задачи. Особенностью MC Workbench является возможность отслеживать и изменять часть переменных в режиме реального времени.

Многие задачи в управлении двигателями уже реализованы для различных линеек микроконтроллеров STM32 и доступны в MC Workbench. Например, измерение тока с помощью одного или трех шунтов, защита от перегрузки по току, измерение скорости и положения, измерение напряжения и защита от скачков, измерение температуры и защита от перегрева, FOC-управление одним двигателем, разные методы управления (контроль крутящего момента, скорости или положения) доступны для микроконтроллеров серий STM32F0/1/3/4/7, STM32L4, STM32G0/4 и STSpin32F0. Для микроконтроллеров STM32F1/3/4/7 и STM32G4 реализована процедура чтения тока с датчика, для STM32F3, STM32F4 и STM32G4, помимо этого, есть прошивки для FOC-управления двумя двигателями.

Для ускорения разработки можно использовать готовые микроконтроллерные платы с разъемами для подключения силовой схемы управления двигателями, которые поддерживаются в X-CUBE-MCSDK:

• STM32G081B-EVAL;
• STM32072B-EVAL;
• STM3210E-EVAL;
• STM32303E-EVAL;
• STEVAL-IHM039V1;
• NUCLEO-F401RE;
• NUCLEO-F030R8;
• NUCLEO-F072RB;
• NUCLEO-L452RE и другие.

Также STMicroelectronics предлагает ряд оценочных плат с драйверами двигателей и платы расширения X—NUCLEO, которые можно использовать в комбинации с микроконтроллерными платами для реализации задач управления двигателями разных типов. Основные параметры и области применения данных плат приведены в таблице 5.

Таблица 5. Готовые платы STMicroelectronics для управления двигателями

* Доступны в X-CUBE-MCSDK

Экосистема ST для ваших проектов

Микросхемы драйверов STSPIN и широкий спектр оценочных плат и готовых комплектов упрощают разработку систем управления двигателями и позволяют повысить ее эффективность. Электрические принципиальные схемы и gerber-файлы печатных плат вместе с полной технической документацией доступны на сайте компании STMicroelectronics и будут полезны как начинающим, так и опытным разработчикам. Кроме того, драйверы двигателей STSPIN можно оценить в комбинации с 32-разрядными микроконтроллерами STM32 в открытой и гибкой среде разработки, что обеспечивает быстрое создание прототипов, которые можно легко доработать в итоговые проекты. На сайте компании также представлены готовые программные библиотеки и прошивки для различных применений. Таким образом, предлагаемая экосистема ST включает в себя все необходимые компоненты для конструирования архитектуры управления двигателями и возможности ее масштабирования.