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30 分钟

使用 TC78B011FTG 和 STM32F410RB 优化无刷电机控制

创新且可靠

Brushless 23 Click with Nucleo 64 with STM32F410RB MCU

已发布 10月 08, 2024

点击板

Brushless 23 Click

开发板

Nucleo 64 with STM32F410RB MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32F410RB

将您的设计升级为先进的无刷电机驱动器,以实现更流畅、更安静和更精确的电机控制。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

Brushless 23 Click基于Toshiba Semiconductor的TC78B011FTG,这是一款三相正弦波PWM预驱动器,能够驱动Delta或Wye配置的电机。电机的旋转由感应电压检测旋转位置来控制,无需霍尔传感器。TC78B011FTG具有内置的闭环速度控制功能,可在动态功率波动和负载变化下调节和维持电机的旋转速度。此功能具有用于速度曲线设置的内部非易失性存储器(NVM)。TC78B011FTG还具有诸如热关断、欠压、过电流保护、锁定检测等保护功能。 TC78B011FTG具有速度控制命令,可控制电机的启动、停止和旋转速度。此信号类型由板载SW2开关和寄存器设置的位置确定,允许在PWM、模拟电压信号和标准I2C 2-Wire接口之间进行选择,以读取数据和配置设置,最大频率为400kHz。TC78B011FTG还允许通过将标记为SW3和SW4的SMD开关置于适当位置来选择其I2C从设备地址。在PWM信号或模拟电压信号的情况下,通过mikroBUS™插座上标记为SPD的引脚来

控制TC78B011FTG。此Click board™具有几种操作模式:待机、空闲、制动和错误模式。待机模式可用于降低功耗,由mikroBUS™插座的SBY引脚和寄存器设置一起控制。上电后,禁用SBY引脚后,TC78B011FTG从NVM读取参数并将其存储在寄存器中。然后,IC进入制动序列并转入空闲模式。制动功能可由寄存器设置或板载SW1开关控制。 TC78B011FTG通过设置速度控制命令启动电机。当检测到异常条件时,IC进入错误模式,并在重新启动时间后自动重新启动。在错误模式下,速度控制命令为停止时,TC78B011FTG将转入空闲模式。除了I2C通信外,还有几个信号连接到mikroBUS™插座引脚,用于将信息转发到MCU。mikroBUS™插座的DIR引脚用于选择电机的旋转方向(顺时针/逆时针),而CMO引脚用作电机的输出电流监测。此外,TC78B011FTG提供可选择的中断,通过INT SEL跳线选择,通过将SMD跳线置于标记为ALR或FG的适当位置来确定。此跳线

的默认位置是FG位置,用作旋转速度指示器,而ALR位置代表异常检测功能。这两个功能都有视觉指示器;一个标记为ALR的红色LED和一个标记为FG的蓝色LED。 Brushless 23 Click采用了六个N沟道MOSFET,也来自Toshiba Semiconductor,每个相位两个,用于实现电机的驱动。这些FET能够处理15A的电流,当驱动5A的BLDC电机时,能够保持低功耗,直到达到输出电流限制阈值(用于限制流向电机的电流)。它还支持用于电机的外部电源,可连接到标记为VM的输入端子,并且应在11V至27V的范围内,而BLDC电机线圈可以连接到标记为U、V和W的端子。此Click board™可以选择使用通过VCC SEL跳线选择的3.3V或5V逻辑电压级别运行。这样,3.3V和5V的MCU都可以正确使用通信线。然而,此Click board™配备了一个包含易于使用的函数和示例代码的库,可作为进一步开发的参考。

Brushless 23 Click hardware overview image

功能概述

开发板

Nucleo-64 搭载 STM32F410RB 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 STM32C031C6 MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

ARM Cortex-M4

MCU 内存 (KB)

128

硅供应商

STMicroelectronics

引脚数

64

RAM (字节)

32768

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

带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。这款电机采用星形布线配置,拥有120°的霍尔效应角度,确保了精准可靠的性能。电机长度紧凑,为47mm,设计轻便,重量仅为0.29kg,旨在满足您的需求。在额定24VDC电压和4000±10% RPM的速度范围内,该电机无缺陷地运行,提供稳定可靠的动力。它在-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时保持效率。此外,该产品与所有Brushless Click boards™和需要带霍尔传感器的BLDC电机无缝集成。

Brushless 23 Click accessories image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

Current Monitor
PC0
AN
Rotation Direction
PC12
RST
Standby
PB12
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
Speed Control
PC8
PWM
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 23 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 STM32F410RB 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

该库包含 Brushless 23 Click 驱动程序的 API。

关键功能:

  • brushless23_pwm_set_duty_cycle - 此函数以百分比设置PWM占空比(范围[0..1])。

  • brushless23_switch_direction - 此函数通过切换DIR引脚状态来切换方向。

  • brushless23_get_motor_speed - 此函数读取电机速度,单位为赫兹(Hz)。

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 Brushless23 Click example
 *
 * # Description
 * This example demonstrates the use of the Brushless 23 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 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 80%. At the minimal speed, the motor switches direction.
 * 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 "brushless23.h"

static brushless23_t brushless23;
static log_t logger;

void application_init ( void ) 
{
    log_cfg_t log_cfg;  /**< Logger config object. */
    brushless23_cfg_t brushless23_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.
    brushless23_cfg_setup( &brushless23_cfg );
    BRUSHLESS23_MAP_MIKROBUS( brushless23_cfg, MIKROBUS_1 );
    if ( I2C_MASTER_ERROR == brushless23_init( &brushless23, &brushless23_cfg ) ) 
    {
        log_error( &logger, " Communication init." );
        for ( ; ; );
    }
    
    if ( BRUSHLESS23_ERROR == brushless23_default_cfg ( &brushless23 ) )
    {
        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;
    brushless23_pwm_set_duty_cycle ( &brushless23, duty );
    log_printf( &logger, "\r\n Duty cycle: %u%%\r\n", ( uint16_t )( duty_cnt * 10 ) );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 500 );
    float motor_speed_hz = 0;
    if ( BRUSHLESS23_OK == brushless23_get_motor_speed ( &brushless23, &motor_speed_hz ) )
    {
        log_printf( &logger, " Speed: %.1f Hz\r\n", motor_speed_hz );
    }
    duty_cnt += duty_inc;
    if ( duty_cnt > 8 ) 
    {
        duty_cnt = 7;
        duty_inc = -1;
    }
    else if ( duty_cnt < 2 ) 
    {
        duty_cnt = 2;
        duty_inc = 1;
        log_printf( &logger, "\r\n Switch direction\r\n" );
        brushless23_pwm_set_duty_cycle ( &brushless23, BRUSHLESS23_DUTY_CYCLE_MIN_PCT );
        Delay_ms ( 500 );
        brushless23_switch_direction ( &brushless23 );
    }
    Delay_ms ( 500 );
}

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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