№2 / 2018 / статья 4

STSPIN820: все управление шаговыми двигателями до 45 В - в одной миниатюрной ИС

Компании STMicroelectronics, за счет отказа от встроенного микроконтроллера, удалось упаковать драйвер шагового двигателя с разрешением 256 микрошагов и напряжением до 45 В в корпус 4х4 мм.

Популярное семейство драйверов шаговых двигателей, к которому принадлежат STSPIN220, STSPIN230, STSPIN233 производства STMicroelectronics, пополнилось еще одним интересным продуктом.

Микросхема STSPIN820 представляет собой драйвер шагового двигателя с напряжением питания 45 В, разрешением до 256 микрошагов и наименьшими габаритами по сравнению с аналогами, представленными на рынке.

Рис. 1. Внешний вид драйвера STSPIN820 в 24-выводном корпусе QFN 4x4 мм

Рис. 1. Внешний вид драйвера STSPIN820 в 24-выводном корпусе QFN 4×4 мм

При выборе товара как профессионалы, так и обычные потребители предпочитают изделия меньшего размера, особенно если это изделия для повседневного использования. Даже если конечный продукт имеет размеры, сопоставимые с вендинговым автоматом или банкоматом, разработчики стремятся уменьшить габариты применяемых в нем контроллеров двигателя, так как это способствует сокращению количества компонентов, упрощению конструкции, повышению надежности и уменьшению затрат на разработку и производство изделия. Исходя из потребностей рынка, компания STMicroelectronics ориентируется на монокристальную структуру драйверов двигателя.

Драйвер STSPIN820 размещен в компактном корпусе размером 4×4 мм (рисунок 1) и содержит схему управления, два независимых широтно-импульсных модулятора (ШИМ) с контролем тока и силовой каскад, состоящий из двух мостовых схем с защитой от короткого замыкания нагрузки. Диапазон рабочих напряжений драйвера, составляющий 7…45 В, позволяет использовать его в системах управления двигателями с напряжением 10, 24 или 36 В, при этом во всем диапазоне сохраняется достаточный запас по напряжению с учетом возможных пульсаций на шине электропитания. Таким образом, благодаря максимальному напряжению питания 45 В обеспечивается совместимость драйвера с широкой номенклатурой встраиваемых систем.

Оптимизация характеристик драйвера

Для того чтобы получить разрешение 256 микрошагов, компания ST разработала усовершенствованный прецизионный алгоритм управления двигателем посредством широтно-импульсной модуляции с контролем тока. В данном алгоритме очередной шаг формируется встроенным компаратором, который сравнивает мгновенное значение тока двигателя с порогом, заданным цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Одной из важных характеристик драйвера STSPIN820 является более тихая и плавная работа двигателя, достигнутая благодаря оптимизации структуры драйвера. Шаговые двигатели являются достаточно шумными устройствами, и разработчики, ориентирующиеся только на свой практический опыт, принимают это как должное, не видя возможности улучшить данную ситуацию. Усовершенствованные алгоритмы, разработанные компанией ST, позволяют контролировать пульсации момента вращения, благодаря чему драйвер способен снизить акустический шум шагового двигателя до уровня, сопоставимого с уровнем шума бесколлекторного двигателя.

Оптимизированная структура STSPIN820 позволила также отказаться от встроенного микроконтроллера (МК), имеющегося в других драйверах серии STSPIN, например, STSPIN32F0(A). Такое решение обусловлено тем, что разработчики мобильных электронных устройств имеют в своем распоряжении широкую номенклатуру МК с вычислительными ресурсами, достаточными для управления двигателями. Отказ от встроенного МК позволил компании ST значительно уменьшить размеры кристалла, сохранив при этом все преимущества нового драйвера без ухудшения его характеристик.

Оптимизация энергопотребления драйвера

Благодаря инновационной структуре (рисунок 2), драйвер шагового двигателя STSPIN820 обладает наименьшими габаритами среди аналогичных устройств, представленных на рынке. Другим фактором оптимизации является использование встроенных МОП-транзисторов с сопротивлением канала в открытом состоянии RDS(ON) = 500 мОм. Некоторые разработчики склонны выбирать МОП-транзисторы со сверхнизким значением RDS(ON), однако такие транзисторы имеют большие габариты и высокую стоимость. Преимуществом STSPIN820 является удачный компромисс между размерами, стоимостью и характеристиками драйвера двигателя. Значение RDS(ON) драйвера STSPIN820 меньше по сравнению с большинством аналогов, в которых используются транзисторы с сопротивлением канала 700 и 800 мОм. При этом встроенные МОП-транзисторы занимают малую площадь кристалла и рентабельны в производстве, что обеспечивает драйверу STSPIN820 широкие возможности применения при привлекательной цене. Учитывая, что для большинства встраиваемых устройств действующее значение тока нагрузки драйверов не превышает 1,5 А, транзисторы с RDS(ON) = 500 мОм имеют достаточный запас по рассеиваемой мощности.

Рис. 2. Структурная схема драйвера шагового двигателя STSPIN820

Рис. 2. Структурная схема драйвера шагового двигателя STSPIN820

Другим фактором оптимизации является энергосберегающая технология, разработанная компанией ST и реализованная в драйвере STSPIN820 посредством специального вывода дежурного режима (вывод 16). В тех промежутках времени, когда двигатель неактивен, драйвер можно перевести в режим пониженного энергопотребления, при котором питание силового каскада отключено и ток потребления драйвера снижается до величины не более 45 мкА. Наличие вывода дежурного режима позволяет также быстро активировать драйвер и перевести его из дежурного в рабочий режим.

Начало работы с STSPIN820

Для освоения драйвера STSPIN820 компания ST предлагает плату расширения X-NUCLEO-IHM14A1 (рисунок 3). Использование платы расширения является наиболее быстрым и доступным способом изучения режимов работы и характеристик драйвера, например, режима управления ШИМ с контролем тока и энергосберегающего дежурного режима.

Рис. 3. Плата расширения X-NUCLEO-IHM14A1 на основе драйвера STSPIN820

Рис. 3. Плата расширения X-NUCLEO-IHM14A1 на основе драйвера STSPIN820

В дополнение к плате расширения компания ST предлагает пакет программ X-CUBE-SPN14, который может быть полезен как начинающим пользователям, так и разработчикам со стажем. Пакет программ содержит предварительно скомпилированные двоичные файлы, что позволяет сразу же начать работу с шаговым двигателем, выполнив всего три последовательных действия:

  • подключение к плате расширения X-NUCLEO-IHM14A1 шагового двигателя и отладочной платы STM32 NUCLEO;
  • подключение платы STM32 NUCLEO к ПК;
  • перемещение предварительно скомпилированного двоичного файла в соответствующую папку с проектом STM32 NUCLEO и нажатие на кнопку сброса платы.

После запуска тестового приложения разработчик получает доступ ко всем функциям STSPIN820, в частности – к перечисленным в документации режимам установки шага двигателя и другим параметрам драйвера.

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее