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20 分钟

使用MCF8316A和STM32F446RE实现平稳安静的BLDC电机控制

无传感器磁场定向控制(FOC)集成FET的BLDC驱动解决方案

Brushless 33 Click with Nucleo 64 with STM32F446RE MCU

已发布 1月 30, 2025

点击板

Brushless 33 Click

开发板

Nucleo 64 with STM32F446RE MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32F446RE

基于无传感器磁场定向控制(FOC)的无刷直流(BLDC)电机控制解决方案,集成了 FET 电机驱动器

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

Brushless 33 Click 基于德州仪器(Texas Instruments)的 MCF8316A,这是一款无传感器磁场定向控制(FOC)集成 FET 无刷直流(BLDC)电机驱动器,专为 BLDC 电机控制应用设计。该三相电机驱动器内置无代码的无传感器 FOC 算法,是控制12V至24V、峰值电流可达8A的无刷直流电机或永磁同步电机(PMSM)的理想解决方案。MCF8316A 集成了三个低 RDS(ON) 值仅为 95mΩ(高边和低边合计)的半桥,确保在运行期间实现最小的能量损耗和最大的效率。此外,该设备支持独立运行,可将算法配置存储在其非易失性 EEPROM 中,一旦配置完成,无需额外的外部编码或调整即可实现一致可靠的电机控制。凭借其广泛的功能,Brushless 33 Click 非常适合多种应用,包括家用和生活风扇、空气净化器、加湿器风扇、汽车风扇、鼓风机和医疗 CPAP 鼓风机等。MCF8316A 集成的保护功能可以保护设备、电机和整个系统免受潜在故障的影响。这些保护机制确保在多种工作条件下的鲁棒性能和长期可靠性。通过其无传感器 FOC 算法,MCF8316A 提供平稳的电

机速度控制,即使在需要安静和高效操作的应用中也能表现出色。Brushless 33 Click 使用连接到 VM 端子的外部电源供电,推荐工作范围为 4.5V 至 35V。其输出端子 A、B 和 C 可提供高达 8A 的峰值驱动电流,用于驱动三相无传感器 BLDC 电机。推荐使用 A2212/13T 1000KV BLDC 电机以获得最佳性能。除了电机连接端子外,板上还包括三个专用挂钩,用作 BLDC 电机三个相位的测试点,方便操作期间的监控和诊断。此 Click 板™ 使用多个引脚和相应的逻辑状态由主机 MCU 控制。SPD 引脚通过调节输入信号的 PWM 占空比实现电机速度控制,也可通过 SPD 引脚上的频率或模拟输入进行调整,或通过 I2C 配置寄存器设置。BRK 引脚在设置为高逻辑电平时刹车电机,在设置为低逻辑电平时恢复正常运行。DIR 引脚决定电机的旋转方向,低电平时执行 A-C-B 驱动序列,高电平时对应 A-B-C 驱动序列。此外,当 MCF8316A 发生故障条件时,FLT 引脚会发出信号。为提供视觉反馈,多个 LED 指示灯反映关键信号的状态:绿色 LED 表示速度(SPEED),黄色 LED 表示刹车

(BRAKE),红色 LED 表示故障(FAULT),确保快速和直观地监控系统运行状态。MCF8316A 包括 I2C 接口,允许外部主机 MCU 配置其各种设置并访问故障诊断信息。板上还配备了一个 DRVOFF 开关,用于启用或禁用内部栅极驱动器;当开关置于位置 0 时,MCF8316A 禁用;置于位置 1 时,启用操作。此外,该板包括未焊接的扩展引脚,提供扩展功能。FG 引脚输出与电机速度成比例的脉冲,提供方便的旋转速度监控方式。SOX 引脚输出来自电流检测放大器的信号,提供精确的电流测量能力。EWD 和 ECK 引脚是外部振荡器和看门狗信号的可选输入,其中 ECK 引脚可提供外部时钟参考,而 EWD 引脚可接受外部看门狗信号,增强系统可靠性并支持高级时序控制。此 Click 板™ 支持通过 VCC SEL 跳线选择 3.3V 或 5V 逻辑电压运行。这种设计确保 3.3V 和 5V 的 MCU 都能正确使用通信线路。此外,该 Click 板™ 附带一个库,包含易于使用的函数和示例代码,可作为进一步开发的参考。

Brushless 33 Click hardware overview image

功能概述

开发板

Nucleo-64 搭载 STM32F446RE 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 STM32F446RE MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

ARM Cortex-M4

MCU 内存 (KB)

512

硅供应商

STMicroelectronics

引脚数

64

RAM (字节)

131072

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

BLDC A2212/13T/1000 KV 无刷直流电机是一款高性能电机,专为可靠运行而设计。它采用高质量材料精制而成,包括日本 NMB 滚珠轴承、川崎定子钢和无氧纯铜线,确保耐用性和平稳性能。配备轻量化铝制 CNC 加工外壳、930KV 高转速以及专利平衡技术,该电机能够提供强劲的推力,带来令人振奋的飞行体验。其 N40UH 磁铁和硅胶线材具备优异的高温耐受性,非常适合高要求的应用场景。

Brushless 33 Click accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

Motor Brake Control
PC0
AN
Motor Direction Control
PC12
RST
ID COMM
PB12
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
Motor Speed Control
PC8
PWM
Fault Interrupt
PC14
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
I2C Clock
PB8
SCL
I2C Data
PB9
SDA
Power Supply
5V
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

Brushless 33 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 STM32F446RE 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
Nucleo-64 with STM32XXX MCU Access MB 1 Mini B Conn - upright/background 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

实时跟踪您的结果

应用程序输出

1. 应用程序输出 - 在调试模式下,“应用程序输出”窗口支持实时数据监控,直接提供执行结果的可视化。请按照提供的教程正确配置环境,以确保数据正确显示。

2. UART 终端 - 使用UART Terminal通过USB to UART converter监视数据传输,实现Click board™与开发系统之间的直接通信。请根据项目需求配置波特率和其他串行设置,以确保正常运行。有关分步设置说明,请参考提供的教程

3. Plot 输出 - Plot功能提供了一种强大的方式来可视化实时传感器数据,使趋势分析、调试和多个数据点的对比变得更加直观。要正确设置,请按照提供的教程,其中包含使用Plot功能显示Click board™读数的分步示例。在代码中使用Plot功能时,请使用以下函数:plot(insert_graph_name, variable_name);。这是一个通用格式,用户需要将“insert_graph_name”替换为实际图表名称,并将“variable_name”替换为要显示的参数。

软件支持

库描述

Brushless 33 Click 演示应用程序使用 NECTO Studio开发,确保与 mikroSDK 的开源库和工具兼容。该演示设计为即插即用,可与所有具有 mikroBUS™ 插座的 开发板、入门板和 mikromedia 板完全兼容,用于快速实现和测试。

示例描述
此示例演示了使用 Brushless 33 Click 板控制 A2212/13T 1000KV 电机的基本操作,包括速度调整、方向切换和故障处理。通过调节 PWM 占空比实现电机速度控制。

关键功能:

  • brushless33_cfg_setup - 配置对象初始化函数。

  • brushless33_init - 初始化函数。

  • brushless33_default_cfg - Click 默认配置函数。

  • brushless33_set_duty_cycle - 设置 PWM 占空比的函数(范围 [0..1])。

  • brushless33_switch_direction - 通过切换 DIR 引脚逻辑状态实现电机旋转方向切换的函数。

  • brushless33_get_fault_pin - 返回故障指示引脚逻辑状态的函数。

应用初始化
初始化日志记录器并配置 Click 板。

应用任务
调整电机的 PWM 占空比以控制速度,在增加和减少占空比值之间交替进行。检查并解决故障条件以保持系统稳定运行。基于占空比限制值触发额外的电机控制操作,例如切换方向和刹车。每一步操作都会通过 USB UART 记录日志,便于跟踪程序流程。

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 33 Click example
 *
 * # Description
 * This example demonstrates the control of an A2212/13T 1000KV motor using
 * the Brushless 33 Click board. The example showcases basic motor operations, including
 * speed adjustments, direction switching, and fault handling. The motor speed is
 * controlled by varying the PWM duty cycle.
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 *
 * ## Application Init
 * Initializes the logger and configures the Click board.
 *
 * ## Application Task
 * Adjusts the motor's duty cycle to control its speed, alternating between increasing
 * and decreasing duty values. Fault conditions are checked and resolved to maintain
 * stable operation. Additional motor controls, such as switching direction and braking,
 * are triggered based on the duty cycle limits. Each step will be logged on the USB UART
 * where you can track the program flow.
 *
 * @note
 * The library is configured for an A2212/13T 1000KV motor with a 12V power supply.
 *
 * @author Stefan Filipovic
 *
 */

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "brushless33.h"

static brushless33_t brushless33;
static log_t logger;

void application_init ( void ) 
{
    log_cfg_t log_cfg;  /**< Logger config object. */
    brushless33_cfg_t brushless33_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.
    brushless33_cfg_setup( &brushless33_cfg );
    BRUSHLESS33_MAP_MIKROBUS( brushless33_cfg, MIKROBUS_1 );
    if ( I2C_MASTER_ERROR == brushless33_init( &brushless33, &brushless33_cfg ) ) 
    {
        log_error( &logger, " Communication init." );
        for ( ; ; );
    }
    
    if ( BRUSHLESS33_ERROR == brushless33_default_cfg ( &brushless33 ) )
    {
        log_error( &logger, " Default configuration." );
        for ( ; ; );
    }

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

void application_task ( void ) 
{
    static int8_t duty_cnt = 0;
    static int8_t duty_inc = 1;
    float duty = duty_cnt / 10.0;
    uint32_t gate_drv_flt = 0;
    uint32_t controller_flt = 0;

    if ( !brushless33_get_fault_pin ( &brushless33 ) )
    {
        if ( BRUSHLESS33_OK == brushless33_read_fault ( &brushless33, &gate_drv_flt, &controller_flt ) )
        {
            if ( gate_drv_flt )
            {
                log_printf( &logger, " GATE DRIVER FAULT: 0x%.8LX\r\n", gate_drv_flt );
            }
            if ( controller_flt )
            {
                log_printf( &logger, " CONTROLLER FAULT: 0x%.8LX\r\n", controller_flt );
            }
        }
        brushless33_clear_fault ( &brushless33 );
        // Motor startup delay
        Delay_ms ( 1000 );
        Delay_ms ( 1000 );
        Delay_ms ( 1000 );
        Delay_ms ( 1000 );
    }
    
    brushless33_set_duty_cycle ( &brushless33, duty );
    log_printf( &logger, "> Duty: %d%%\r\n", ( uint16_t )( duty_cnt * 10 ) );
    
    if ( ( 1 == duty_cnt ) && ( 1 == duty_inc ) )
    {
        // Motor startup delay
        Delay_ms ( 1000 );
        Delay_ms ( 1000 );
        Delay_ms ( 1000 );
        Delay_ms ( 1000 );
    }
    Delay_ms ( 1000 );

    duty_cnt += duty_inc;
    if ( duty_cnt > 10 ) 
    {        
        duty_cnt = 9;
        duty_inc = -1;
    }
    else if ( duty_cnt < 0 ) 
    {
        duty_cnt = 0;
        duty_inc = 1;
        log_printf( &logger, " Pull brake\r\n" );
        brushless33_pull_brake ( &brushless33 );
        Delay_ms ( 1000 );
        log_printf( &logger, " Switch direction\r\n" );
        brushless33_switch_direction ( &brushless33 );
        Delay_ms ( 1000 );
        log_printf( &logger, " Release brake\r\n" );
        brushless33_release_brake ( &brushless33 );
        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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