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20 分钟

使用ATmega8A和STM32F103RB控制BLDC电机的速度、方向和扭矩

三相无刷直流(BLDC)电机控制解决方案

Brushless 18 Click with Nucleo 64 with STM32F103RB MCU

已发布 12月 26, 2024

点击板

Brushless 18 Click

开发板

Nucleo 64 with STM32F103RB MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32F103RB

精准控制高速无传感器BLDC电机,适用于无人机、冷却系统和机器人应用

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

Brushless 18 Click 基于 Microchip 的 ATmega8A,这是一款 8 位微控制器,提供了控制三相无传感器无刷电机 (BLDC 电机) 的高效解决方案。这些电机相较传统直流电机具有显著优势。它们的无接触设计提供了更长的耐用性、更高的扭矩和更高的转速,使其成为轻量化、高性能应用的理想选择。这些应用包括:无人机的推进系统,强调高速、轻量化和能源效率;需要安静可靠运行的电子冷却设备,如计算机风扇和工业冷却系统;小型家用电器,如吸尘器和空气净化器;以及在高扭矩和控制精度至关重要的机器人机械中,用于实现平稳和精确的运动。该 Click 板™ 确保对 BLDC 电机操作的精确控制,并通过 mikroBUS™ 插座接收 PWM 信号的驱动命令,从而实现平稳可靠

的电机控制。由于 ATmega8A 的输出无法直接驱动电机线圈,它充当了电路的控制器。该电路由六个高性能的 N 沟道 MOSFET(来自 STMicroelectronics 的 STL120N4F6AG)组成,这些 MOSFET 能够高效地将外部电源切换至电机的定子线圈。这些 MOSFET 能够处理高达 50A 的电流,使该板能够支持高要求的电机应用。外部电源的电压范围为 0 至 40V,在各种用例中提供了灵活性。电机通过板载专用端子 A、B 和 C 连接,确保了安全且简便的连接。结合强大的组件设计,Brushless 18 Click 能够提供可靠的性能,使其成为高速电机驱动应用的首选解决方案。此 Click 板™ 的一大特色是包含引导加载程序引脚,这些引脚默认未焊接,设计用于板载的 ATmega8A 微控制器。

这些引脚提供了对微控制器引导加载程序功能的直接访问,使用户无需外部编程器即可轻松进行固件更新和重新编程。此功能简化了开发和测试流程,使用户能够快速加载和调试 Click 板™ 上的自定义固件,为各种应用提供了一种高效且适合开发者的解决方案。该 Click 板™ 同时使用 3.3V 和 5V 电源轨,其中 3.3V 电源轨专用于 ClickID 功能,而 5V 电源轨为包括板载 ATmega8A 微控制器在内的所有其他组件供电。由于这一设计,当与不同逻辑电平操作的外部 MCU 交互时,板卡需要适当的逻辑电压电平转换。此外,该 Click 板™ 配备了一个包含易用功能和示例代码的库,可用作进一步开发的参考。

Brushless 18 Click hardware overview image

功能概述

开发板

Nucleo-64 搭载 STM32F103RB MCU 提供了一种经济高效且灵活的平台,供开发者探索新想法并原型设计他们的项目。该板利用 STM32 微控制器的多功能性,使用户能够为他们的项目选择最佳的性能与功耗平衡。它配备了 LQFP64 封装的 STM32 微控制器,并包含了如用户 LED(同时作为 ARDUINO® 信号)、用户和复位按钮,以及 32.768kHz 晶体振荡器用于精确的计时操作等基本组件。Nucleo-64 板设计考虑到扩展性和灵活性,它特有的 ARDUINO® Uno

V3 扩展连接器和 ST morpho 扩展引脚头,提供了对 STM32 I/O 的完全访问,以实现全面的项目整合。电源供应选项灵活,支持 ST-LINK USB VBUS 或外部电源,确保在各种开发环境中的适应性。该板还配备了一个具有 USB 重枚举功能的板载 ST-LINK 调试器/编程器,简化了编程和调试过程。此外,该板设计旨在简化高级开发,它的外部 SMPS 为 Vcore 逻辑供电提供高效支持,支持 USB 设备全速或 USB SNK/UFP 全速,并内置加密功能,提升了项目的功效

和安全性。通过外部 SMPS 实验的专用连接器、 用于  ST-LINK 的 USB 连接器以及 MIPI® 调试连接器,提供了更多的硬件接口和实验可能性。开发者将通过 STM32Cube MCU Package 提供的全面免费软件库和示例得到广泛支持。这些,加上与多种集成开发环境(IDE)的兼容性,包括 IAR Embedded Workbench®、MDK-ARM 和 STM32CubeIDE,确保了流畅且高效的开发体验,使用户能够充分利用 Nucleo-64 板在他们的项目中的能力。

Nucleo 64 with STM32F103RB MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

ARM Cortex-M3

MCU 内存 (KB)

128

硅供应商

STMicroelectronics

引脚数

64

RAM (字节)

20480

你完善了我!

配件

Click Shield for Nucleo-64 配备了两个专有的 mikroBUS™ 插座,使得所有的 Click board™ 设备都可以轻松地与 STM32 Nucleo-64 开发板连接。这样,Mikroe 允许其用户从不断增长的 Click boards™ 范围中添加任何功能,如 WiFi、GSM、GPS、蓝牙、ZigBee、环境传感器、LED、语音识别、电机控制、运动传感器等。您可以使用超过 1537 个 Click boards™,这些 Click boards™ 可以堆叠和集成。STM32 Nucleo-64 开发板基于 64 引脚封装的微控制器,采用 32 位 MCU,配备 ARM Cortex M4 处理器,运行速度为 84MHz,具有 512Kb Flash 和 96KB SRAM,分为两个区域,顶部区域代表 ST-Link/V2 调试器和编程器,而底部区域是一个实际的开发板。通过 USB 连接方便地控制和供电这些板子,以便直接对 Nucleo-64 开发板进行编程和高效调试,其中还需要额外的 USB 线连接到板子上的 USB 迷你接口。大多数 STM32 微控制器引脚都连接到了板子左右边缘的 IO 引脚上,然后连接到两个现有的 mikroBUS™ 插座上。该 Click Shield 还有几个开关,用于选择 mikroBUS™ 插座上模拟信号的逻辑电平和 mikroBUS™ 插座本身的逻辑电压电平。此外,用户还可以通过现有的双向电平转换器,使用任何 Click board™,无论 Click board™ 是否在 3.3V 或 5V 逻辑电压电平下运行。一旦将 STM32 Nucleo-64 开发板与我们的 Click Shield for Nucleo-64 连接,您就可以访问数百个工作于 3.3V 或 5V 逻辑电压电平的 Click boards™。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

NC
NC
AN
NC
NC
RST
ID COMM
PB12
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
PWM Control
PC8
PWM
NC
NC
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
NC
NC
SCL
NC
NC
SDA
Power Supply
5V
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

Brushless 18 Click Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Nucleo 64 with STM32F103RB MCU作为您的开发板开始。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly
Nucleo 64 with STM32F401RE MCU front image hardware assembly
LTE IoT 5 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
LTE IoT 5 Click complete accessories setup image hardware assembly
Board mapper by product8 hardware assembly
Necto image step 2 hardware assembly
Necto image step 3 hardware assembly
Necto image step 4 hardware assembly
Necto image step 5 hardware assembly
Necto image step 6 hardware assembly
Clicker 4 for STM32F4 HA MCU Step hardware assembly
Necto No Display image step 8 hardware assembly
Necto image step 9 hardware assembly
Necto image step 10 hardware assembly
Debug Image Necto Step hardware assembly

软件支持

库描述

该库包含 Brushless 18 Click 驱动程序的 API。

关键功能:

  • brushless18_throttle_calib - 此函数执行ESC油门校准。

  • brushless18_drive_motor - 此函数以选定的速度和方向驱动电机。

开源

代码示例

完整的应用程序代码和一个现成的项目可以通过NECTO Studio包管理器直接安装到NECTO Studio 应用程序代码也可以在MIKROE的GitHub账户中找到。

/*!
 * @file main.c
 * @brief Brushless 18 Click example
 *
 * # Description
 * This example demonstrates the use of the Brushless 18 Click board by driving the 
 * motor in both directions at different speeds.
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 * 
 * ## Application Init 
 * Initializes the driver and calibrates the Click board.
 *
 * ## Application Task
 * Changes the motor speed every 500 milliseconds with steps of 5%.
 * At the minimal speed, the motor switches direction. Each step will be logged
 * on the USB UART where you can track the program flow.
 *
 * @note
 * The theoretical maximal PWM Clock frequency for this Click board is 500 Hz.
 * The default PWM Clock frequency is set to 400 Hz. To achieve such a low frequency,
 * the user will probably need to decrease the MCU's main clock frequency in 
 * the Setup MCU Settings.
 *
 * @author Stefan Filipovic
 *
 */

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "brushless18.h"

static brushless18_t brushless18;
static log_t logger;

void application_init ( void ) 
{
    log_cfg_t log_cfg;  /**< Logger config object. */
    brushless18_cfg_t brushless18_cfg;  /**< Click config object. */

    /** 
     * Logger initialization.
     * Default baud rate: 115200
     * Default log level: LOG_LEVEL_DEBUG
     * @note If USB_UART_RX and USB_UART_TX 
     * are defined as HAL_PIN_NC, you will 
     * need to define them manually for log to work. 
     * See @b LOG_MAP_USB_UART macro definition for detailed explanation.
     */
    LOG_MAP_USB_UART( log_cfg );
    log_init( &logger, &log_cfg );
    log_info( &logger, " Application Init " );

    // Click initialization.
    brushless18_cfg_setup( &brushless18_cfg );
    BRUSHLESS18_MAP_MIKROBUS( brushless18_cfg, MIKROBUS_1 );
    if ( PWM_ERROR == brushless18_init( &brushless18, &brushless18_cfg ) )
    {
        log_error( &logger, " Communication init." );
        for ( ; ; );
    }
    
    if ( BRUSHLESS18_ERROR == brushless18_throttle_calib ( &brushless18 ) )
    {
        log_error( &logger, " Throttle calibration." );
        for ( ; ; );
    }

    log_info( &logger, " Application Task " );
}

void application_task ( void ) 
{
    static uint8_t direction = BRUSHLESS18_DIRECTION_CW;
    static int8_t speed = BRUSHLESS18_SPEED_MIN;
    static int8_t speed_step = 5;
    brushless18_drive_motor ( &brushless18, direction, speed );
    log_printf( &logger, " Direction: %s\r\n", 
                ( char * ) ( BRUSHLESS18_DIRECTION_CW == direction ? "CW" : "CCW" ) );
    log_printf( &logger, " Speed: %u%%\r\n\n", ( uint16_t ) speed );
    Delay_ms ( 500 );
    
    speed += speed_step;
    if ( speed > BRUSHLESS18_SPEED_MAX )
    {
        speed_step = -speed_step;
        speed += speed_step;
        speed += speed_step;
    }
    else if ( speed < BRUSHLESS18_SPEED_MIN )
    {
        speed_step = -speed_step;
        speed += speed_step;
        direction ^= 1;
        Delay_ms ( 1000 );
    }
}

int main ( void ) 
{
    /* Do not remove this line or clock might not be set correctly. */
    #ifdef PREINIT_SUPPORTED
    preinit();
    #endif
    
    application_init( );
    
    for ( ; ; ) 
    {
        application_task( );
    }

    return 0;
}

// ------------------------------------------------------------------------ END

额外支持

资源

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