初学者
10 分钟

使用TC78B016FTG和STM32L073RZ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 Nucleo-64 with STM32L073RZ MCU

已发布 6月 24, 2024

点击板

Brushless 10 Click

开发板

Nucleo-64 with STM32L073RZ MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32L073RZ

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

Nucleo-64搭载STM32L073RZ MCU提供了一个经济实惠且灵活的平台,供开发人员探索新的想法并原型化其设计。该板利用了STM32微控制器的多功能性,使用户能够为其项目选择性能和功耗之间的最佳平衡。它采用LQFP64封装的STM32微控制器,并包括一些必要的组件,例如用户LED,可以同时作为ARDUINO®信号使用,以及用户和复位按钮,以及用于精准定时操作的32.768kHz晶体振荡器。设计时考虑了扩展性和灵活性,Nucleo-64板具有ARDUINO® 

Uno V3扩展连接器和ST morpho扩展引脚标头,为全面项目集成提供了对STM32 I/O的完全访问权限。电源选项具有适应性,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。该板还配备了一个内置的ST-LINK调试器/编程器,具有USB重新枚举功能,简化了编程和调试过程。此外,该板还设计了外部SMPS,以实现有效的Vcore逻辑供电,支持USB设备全速或USB SNK/UFP全速,以及内置的加密功能,增强了项目的功耗效率和安全性。通过专用

连接器提供了额外的连接性,用于外部SMPS实验、ST-LINK的USB连接器和MIPI®调试连接器,扩展了硬件接口和实验的可能性。开发人员将通过STM32Cube MCU软件包中全面的免费软件库和示例得到广泛的支持。这与与各种集成开发环境(IDE)的兼容性相结合,包括IAR Embedded Workbench®、MDK-ARM和STM32CubeIDE,确保了平稳高效的开发体验,使用户能够充分发挥Nucleo-64板在其项目中的功能。

Nucleo 64 with STM32L073RZ MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

ARM Cortex-M0

MCU 内存 (KB)

192

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

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
PC12
RST
ID COMM
PB12
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
Rotational Speed Command
PC8
PWM
Anomaly Detection
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 10 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 STM32L073RZ 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 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

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 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 ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );

    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 ( 1000 );
        Delay_ms ( 1000 );
        Delay_ms ( 1000 );
        log_printf( &logger, " Release brake\r\n" );
        brushless10_release_brake ( &brushless10 );
        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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