[STPIN32F0] SiP w rodzinie STM32: zintegrowany sterownik 3-fazowych BLDC

Mikrokontrolery STM32 firma STMicroelectronics zaczyna stosować w układach SiP (System in Package), które integrują w jednej obudowie struktury półprzewodnikowe optymalizowane technologicznie do różnych zastosowań. W artykule przedstawiamy układ STPIN32F0, który jest mikrokontrolerem z rdzeniem Cortex-M0 wyspecjalizowanym konstrukcyjnie do 3-fazowego sterowania pracą silników BLDC.

Układ STPIN32F0 integruje w miniaturowej obudowie VQFPN48, o wymiarach 7 x 7 mm, mikrokontroler STM32F0 (model STM32F031) z 32 kB pamięci Flash i 4 kB pamięci RAM, wyposażony w rdzeń Cortex-M0, taktowany przebiegiem zegarowym o częstotliwości do 48 MHz oraz rozbudowany, 3-fazowy tor sterowania praca silnika BLDC. Schemat blokowy tego układu pokazano na rysunku 1.

Rys. 1. Schemat blokowy układu STSPIN32F0

W części „silnikowej” zintegrowano sterowniki HS (High Side) i LS (Low Side) tranzystorów MOSFET, których bramki są sterowane za pośrednictwem driverów o wydajności prądowej do 600 mA, zintegrowano także kompletny, trzykanałowy tor analogowy ze wzmacniaczami operacyjnymi na wejściach i dekoderem obsługującym sensory Halla, dodatkowy wzmacniacz operacyjny rail-to-rail oraz analogowy komparator przeciążenia stopni mocy (rysunek 2).

Rys. 2. Budowa toru monitorowania obciążenia stopni mocy

Wyjścia zintegrowanych w układzie wzmacniaczy operacyjnych wyprowadzono na zewnątrz, dzięki czemu można nie tylko wygodnie ustalać wzmocnienie w poszczególnych kanałach, ale także mierzyć napięcie z toru wejściowego za pomocą ADC zintegrowanych w strukturze mikrokontrolera (rysunek 3).

Rys. 3. Budowa wejściowego toru analogowego umożliwia akwizycję sygnałów wejściowych za pomocą zintegrowanego ADC

Do sterowania praca silnika wybrano timer TIM1 mikrokontrolera STM32F031, którego wyjścia TIM1_CHx i TIM1_CHxN są dołączone do driverów tranzystorów mocy. Dodatkowym elementem wyposażenia układu STSPIN32F0, mocno zwiększającym wygodę jego stosowania, jest wbudowana w strukturę przetwornica DC/DC, która zapewnia prawidłowe napięcia zasilające dla poszczególnych sekcji w zakresie napięć zewnętrznych 8-45 VDC. Korzystanie z niej wymaga dołączenia na zewnątrz STSPIN32F0 diody Schottky’ego oraz niewielkiego dławika (rysunek 4), przy czym częstotliwość taktowania przetwornicy wynosi ok. 200-330 kHz.

Rys. 4. Schemat blokowy przetwornicy DC/DC wbudowanej w układ STSPIN32F0
Rys. 4. Schemat blokowy przetwornicy DC/DC wbudowanej w układ STSPIN32F0

Układ STSPIN32F0 wymaga oczywiście oprogramowania, które na szczęście dostarcza producent (link). W pakiecie ST Motor Control Workbench (opisane w user-manualu UM2168, dostępnym na stronie www.st.com) dostępne sa modyfikowalne algorytmy sterowania wektorowego FOC (Field Oriented Control) silnikami PMSM/BLDC w różnych konfiguracjach sprzętowych i topologiach sterowania obciążenia.

Fot. 5. Zestaw startowy STEVAL-SPIN3201 z układem STSPIN32F0

Producent przygotował specjalny zestaw startowy z układem STSTPIN32F0, noszący oznaczenie STEVAL-SPIN3201 (fotografia 5), który umożliwia samodzielne prowadzenie prób z oprogramowaniem i sprzętem. Wyposażono go w 3-fazowy półmostek mocy wykonany na tranzystorach STD140N6F7 (do 15 Arms), potencjometr do regulacji prędkości obrotowej silnika, zintegrowany programator-debugger ST-Link/V2, przewidziano także możliwość zastosowania enkodera.

Andrzej Gawryluk