初学者
10 分钟

使用TC78B016FTG和ATmega328在工业和消费应用中实现无刷直流电机的精确管理

用于无刷直流电机的三相正弦波PWM驱动器

Brushless 10 Click with Arduino UNO Rev3

已发布 6月 24, 2024

点击板

Brushless 10 Click

开发板

Arduino UNO Rev3

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

ATmega328

用于冷却系统、自动化和精密机械中精确调整速度和方向的无刷直流电机控制。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

Brushless 10 Click 基于东芝半导体的 TC78B016FTG,一款适用于无刷直流电机的三相正弦波 PWM 驱动器。该驱动器配备了东芝的智能相位控制(InPAC)功能,这是一种先进的功能,旨在自动调整电机的相位,从而消除了手动校准的需求,简化了设置过程,并提高了电机的效率。主要用于风扇电机,该驱动器利用其相位调整能力显著提升了操作效率。TC78B016FTG 具有多个控制和诊断功能,以有效管理和监控无刷直流电机。FGO(旋转速度输出)功能通过霍尔传感器产生旋转脉冲,可通过 FG 开关或板载 DAC(如果 R26 已安装)配置为每电角度一个或三个脉冲,逻辑 1 为每电角度三脉冲,逻辑 0 为一个脉冲,并通过蓝色 FG LED 视觉显示操作模式。电机操作可通过 BRK 引脚停止,高电平激活制动功能,低电平恢复正常操作。电机速度控制通过 TSP(旋转速度命令)功能管理,允许基于 PWM 占空比输出进行启动、停止和速度调节。此功能可通过模拟电压或脉冲占空比控制选择,使用 SP 开关或板载 DAC(如果 R25 已安装)实现。LD 引脚通过检测过流、热关断、电机锁定或欠压/过压条件来增强安全性,并通过红色 ALR LED 提供视觉警

报。此外,电路板支持电机的方向控制,可通过 CW/CCW 开关或板载 DAC(如果 R22 已安装)实现,低电平为正向,高电平为反向。TC78B016FTG 的附加功能可通过板载 DAC43608 调整,该 DAC 通过 I2C 连接与主 MCU 接口。通过将 ADDR SEL 跳线设置为位置 0 或 1,可以选择其 I2C 地址,为通信协议提供一层定制。通过此 DAC 可以实现多种电机控制增强功能,例如前导角控制。此功能根据旋转速度和电流变化动态提高电机效率。此控制可通过 LA 开关激活用于智能相位控制(InPAC)或频率调整,或通过输入电压进行外部前导角控制,当 R27 已安装时,可调范围为 0° 至 58°。此外,还可设置最小输出占空比和电机锁定配置,确定锁定功能是否激活及其操作与暂停的持续时间。此外,DAC 可选择电机的 PWM 频率,提供 25kHz、50kHz、100kHz 或 200kHz 的选项,根据应用需求调整电机性能。另一个重要功能是 TSTEP SEL 跳线,它执行电机的加速和减速控制。此功能允许电机在启动时逐渐增加或减少速度,过渡时间可根据跳线位置调整为 0.01 秒或 10 秒。Brushless 10 Click 支持通过 VM 端子从 6V 到 30V 的外部电源,并允许通过

 R19 和 R23 电流感应电阻调整电流输出,电阻值为 150mΩ,额定电流为 1.5A。此功能确保电路板能够管理各种无刷直流电机(BLDC),包括配备霍尔传感器的电机,如 MIKROE 提供的带霍尔传感器的 BLDC 电机。除了电机连接端子外,电路板还配有专用引脚连接这些额外的霍尔信号,增强电机的精度和效率。此外,通过在电路板背面的跳线可以添加可选的 4k7 上拉电阻来微调这些霍尔信号输入。根据用户的需求,这些跳线可以设置为开启或关闭位置,提供信号完整性的定制层。此外,该 Click board™ 预先配置为霍尔 IC 使用的操作模式,提供基于 TC78B016FTG 提供的参考电压的额外霍尔 U/V/W 信号配置。使用霍尔元件时,必须在板上某些元件进行焊接去除操作。一个橙色的 VREG LED 视觉指示此参考电压,确保用户可以轻松检查板子的状态。此 Click board™ 可以通过 VCC SEL 跳线选择使用 3.3V 或 5V 逻辑电压电平。这样,3.3V 和 5V 兼容的 MCU 都可以正确使用通信线路。此外,此 Click board™ 配备了一个包含易于使用的功能和示例代码的库,可用作进一步开发的参考。

Brushless 10 Click hardware overview image

功能概述

开发板

Arduino UNO 是围绕 ATmega328P 芯片构建的多功能微控制器板。它为各种项目提供了广泛的连接选项,具有 14 个数字输入/输出引脚,其中六个支持 PWM 输出,以及六个模拟输入。其核心组件包括一个 16MHz 的陶瓷谐振器、一个 USB 连接器、一个电

源插孔、一个 ICSP 头和一个复位按钮,提供了为板 子供电和编程所需的一切。UNO 可以通过 USB 连接到计算机,也可以通过 AC-to-DC 适配器或电池供电。作为第一个 USB Arduino 板,它成为 Arduino 平台的基准,"Uno" 符号化其作为系列首款产品的地

位。这个名称选择,意为意大利语中的 "一",是为了 纪念 Arduino Software(IDE)1.0 的推出。最初与 Arduino Software(IDE)版本1.0 同时推出,Uno 自此成为后续 Arduino 发布的基础模型,体现了该平台的演进。

Arduino UNO Rev3 double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

AVR

MCU 内存 (KB)

32

硅供应商

Microchip

引脚数

32

RAM (字节)

2048

你完善了我!

配件

Arduino Mega 的 Click Shield 配备了四个 mikroBUS™ 插槽,其中两个是 Shuttle 连接器,允许所有的 Click board™ 设备与 Arduino Mega 板轻松连接。Arduino Mega 板采用了AVR 8位微控制器,具有先进的RISC架构,54个数字 I/O 引脚,并且兼容 Arduino™,为原型设计和创建多样化应用提供了无限的可能性。该板通过 USB 连接方便地进行控制和供电,以便在开箱即用时高效地对 Arduino Mega 板进行编程和调试,另外还需要将额外的 USB 电缆连接到板上的 USB B 端口。通过集成的 ATmega16U2 程序器简化项目开发,并利用丰富的 I/O 选项和扩展功能释放创造力。有八个开关,您可以将其用作输入,并有八个 LED,可用作 MEGA2560 的输出。此外,该 shield 还具有来自 Microchip 的高精度缓冲电压参考 MCP1501。该参考电压默认通过板底部的 EXT REF 跳线选择。您可以像通常在 Arduino Mega 板上那样选择外部参考电压。还有一个用于测试目的的 GND 钩子。另外,还有四个额外的 LED,分别是 PWR、LED(标准引脚 D13)、RX 和 TX LED,连接到 UART1(mikroBUS™ 1 插槽)。此 Click Shield 还具有几个开关,执行诸如选择 mikroBUS™ 插槽上模拟信号的逻辑电平以及选择 mikroBUS™ 插槽本身的逻辑电压级别等功能。此外,用户还可以使用现有的双向电平转换器,无论 Click board™ 是否以3.3V或5V逻辑电压级别运行,都可以使用任何 Click board™。一旦您将 Arduino Mega 板与 Click Shield for Arduino Mega 连接,就可以访问数百个使用3.3V或5V逻辑电压级别工作的 Click board™。

Click Shield for Arduino UNO accessories 1 image

带有霍尔传感器的无刷直流(BLDC)电机代表了42BLF电机系列中的高性能电机。此电机采用星形配置接线,霍尔效应角度为120°,确保精确可靠的性能。电机长度紧凑为47mm,重量仅为0.29kg,设计轻便,满足您的需求。该电机在24VDC的额定电压下完美运行,速度范围为4000 ± 10% RPM,提供一致可靠的动力。在-20至+50°C的正常工作温度范围内表现出色,额定电流为1.9A。此外,该产品可与所有Brushless Click boards™及需要带霍尔传感器的BLDC电机的设备无缝集成。

Brushless 10 Click accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

Rotational Speed Output
PC0
AN
Brake Control
PD2
RST
ID COMM
PB2
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
Rotational Speed Command
PD6
PWM
Anomaly Detection
PC3
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
I2C Clock
PC5
SCL
I2C Data
PC4
SDA
Power Supply
5V
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

原理图

Brushless 10 Click Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Click Shield for Arduino UNO front image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Arduino UNO Rev3作为您的开发板开始。

Click Shield for Arduino UNO front image hardware assembly
Arduino UNO Rev3 front image hardware assembly
Charger 27 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
Charger 27 Click complete accessories setup image hardware assembly
Arduino UNO Rev3 Access MB 1 - 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
Arduino UNO 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

通过调试模式的应用程序输出

1. 一旦代码示例加载完成,按下 "DEBUG" 按钮将启动构建过程,并将其编程到创建的设置上,然后进入调试模式。

2. 编程完成后,IDE 中将出现一个带有各种操作按钮的标题。点击绿色的 "PLAY" 按钮开始读取通过 Click board™ 获得的结果。获得的结果将在 "Application Output" 标签中显示。

DEBUG_Application_Output

软件支持

库描述

该库包含 Brushless 10 Click 驱动程序的 API。

关键功能:

  • brushless10_set_duty_cycle - 此功能以百分比设置PWM占空比(范围 [0..1])

  • brushless10_pull_brake - 此功能通过将BRAKE引脚设置为高逻辑状态来拉制动

  • brushless10_release_brake - 此功能通过将BRAKE引脚设置为低逻辑状态来释放制动

开源

代码示例

这个示例可以在 NECTO Studio 中找到。欢迎下载代码,或者您也可以复制下面的代码。

/*!
 * @file main.c
 * @brief Brushless 10 Click example
 *
 * # Description
 * This example demonstrates the use of the Brushless 10 click board by driving the 
 * motor at different speeds.
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 *
 * ## Application Init
 * Initializes the driver and performs the click default configuration.
 *
 * ## Application Task
 * Controls the motor speed by changing the PWM duty cycle every 2 seconds.
 * The duty cycle ranges from 20% to 100%. Each step will be logged on the USB UART
 * where you can track the program flow.
 *
 * @author Stefan Filipovic
 *
 */

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "brushless10.h"

static brushless10_t brushless10;
static log_t logger;

void application_init ( void ) 
{
    log_cfg_t log_cfg;  /**< Logger config object. */
    brushless10_cfg_t brushless10_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.
    brushless10_cfg_setup( &brushless10_cfg );
    BRUSHLESS10_MAP_MIKROBUS( brushless10_cfg, MIKROBUS_1 );
    if ( BRUSHLESS10_OK != brushless10_init( &brushless10, &brushless10_cfg ) )
    {
        log_error( &logger, " Communication init." );
        for ( ; ; );
    }
    
    if ( BRUSHLESS10_OK != brushless10_default_cfg ( &brushless10 ) )
    {
        log_error( &logger, " Default configuration." );
        for ( ; ; );
    }
    
    log_info( &logger, " Application Task " );
}

void application_task ( void ) 
{
    static int8_t duty_cnt = 2;
    static int8_t duty_inc = 1;
    float duty = duty_cnt / 10.0;
    
    brushless10_set_duty_cycle ( &brushless10, duty );
    log_printf( &logger, "> Duty: %d%%\r\n", ( uint16_t )( duty_cnt * 10 ) );
    
    Delay_ms( 2000 );

    duty_cnt += duty_inc;
    if ( duty_cnt > 10 ) 
    {        
        duty_cnt = 9;
        duty_inc = -1;
    }
    else if ( duty_cnt < 2 ) 
    {
        duty_cnt = 2;
        duty_inc = 1;
        log_printf( &logger, " Pull brake\r\n" );
        brushless10_pull_brake ( &brushless10 );
        Delay_ms( 3000 );
        log_printf( &logger, " Release brake\r\n" );
        brushless10_release_brake ( &brushless10 );
        Delay_ms( 1000 );
    }
}

int main ( void ) 
{
    application_init( );
    
    for ( ; ; ) 
    {
        application_task( );
    }

    return 0;
}

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

额外支持

资源

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