STSPIN32G0: Integrované řešení pro pokročilé řízení bezkartáčových motorů

Firma STMicroelectronics (ST) představila novou řadu řídicích čipů STSPIN32G0, které kombinují univerzální mikrokontrolér STM32 (MCU) s multifunkčním třífázovým budičem externích výkonových prvků, typicky MOSFET. Cílem této integrace je zjednodušit návrh, ušetřit plochu desky plošných spojů a zrychlit vývoj pro širokou paletu aplikací, od bateriově napájených zařízení, přes elektrické nářadí až po průmyslovou automatizaci a systémy HVAC.

Klíčové vlastnosti a cílové aplikace

Řada STSPIN32G0 zahrnuje osm nových komponentů s budiči dimenzovanými pro napěťové hladiny 45 V, 250 V a 600 V. Příklady cílových aplikací:

• Bateriové přístroje a elektrické nářadí: akumulátorové vysavače, přenosné elektrické nářadí a roboti.
• Průmyslová automatizace: roboti, systémy HVAC a domácí síťově napájené spotřebiče
• Domácí spotřebiče: klimatizační zařízení, domácí a průmyslové chladničky a čerpadla.

Integrovaný mikrokontrolér STM32G031

Srdcem zařízení STSPIN32G0 je mikrokontrolér STM32G031 založený na jádru Arm® Cortex®-M0+. Tento mikrokontrolér poskytuje výpočetní výkon potřebný ke zpracování oblíbených řídicích algoritmů, jako je šestikrokové řízení (six-step) a řízení vektorové (FOC). Implementace FOC může být buď senzorová, nebo bezsenzorová, s jedním, dvěma nebo třemi bočníky. Mezi další vlastnosti STM32G031 patří:

• 12bitový AD převodník: pro přesný analogově-digitální převod.

• Interní napěťová reference: zajišťuje stabilní referenční napětí.
• Pokročilý časovač pro řízení motoru: pro snadné a přesné řízení motoru.
• Komunikační rozhraní: zahrnuje I2C, USART a SPI pro univerzální možnosti komunikace.
• Až 32 univerzálních I/O pinů (GPIO): umožňuje flexibilitu pro složitější aplikace.
• 64 KB paměti Flash a 8 KB paměti SRAM

Varianty pro napájecí napětí do 45 V

Čtyři nové nízkonapěťové varianty jsou založeny na 45V budiči: jsou vhodné pro aplikace napájené lithiovými bateriemi nebo průmyslovými sběrnicemi do 36 V. Jedná se například o přenosné elektrické nářadí, akumulátorové vysavače, roboty, ventilátory a čerpadla. Níže je uveden podrobný popis jednotlivých nízkonapěťových variant:

V nízkonapěťových variantách řady STSPIN32G0 najdete několik unikátních vlastností zvyšujících univerzalitu a robustnost. Všechny kombinují procesor STM32 Cortex M0+ s třífázovým budičem. Dále obsahují integrovaný 12V stabilizátor napětí a 3,3V DC-DC regulátor. Kontroléry podporují jak algoritmy vektorového, tak šestikrokového řízení (s použitím senzoru i bez něj) a pracují v rozsahu napětí 6,6 až 45 V s proudovou zatížitelností budiče 600 mA. Pracovní frekvence mikrokontroléru činí 64 MHz a jeho paměťová výbava je 64 KB paměti Flash a 8 KB paměti SRAM. Kromě toho je vybaven 12bitovým analogově digitálním převodníkem, až 23 GPIO, podporou komunikačních rozhraní I2C, UART a SPI, a integruje také zavaděč firmwaru. Zařízení jsou plně chráněna funkcemi, jako je podpěťová ochrana (UVLO), ochrana proti zkratu, nadproudová ochrana (OCP) a ochrana proti přehřátí (OTP). Obsahují také až 3 operační zesilovače a 1 komparátor a mohou pracovat v rozšířeném teplotním rozsahu -40 až 125 °C.

Z hlediska úspory místa a snadného návrhu integrují nízkonapěťové varianty čtyři integrované obvody (MCU, budič, LDO, DCDC) do jednoho a sdílejí stejné pouzdro jako STSPIN32F0, tedy QFN 7 x 7 mm.

250 V & 600 V v pouzdru QFN 10 x 10 mm

Čtyři vysokonapěťové varianty nabízejí možnost volby mezi jmenovitým napětím 250 V nebo 600 V a proudovou zatížitelností budiče 200 mA / 350 mA nebo 1,0 A / 0,85 A (nabíjecí/vybíjecí proud). Tyto varianty jsou určeny pro aplikace jako např:

• Domácí spotřebiče
• Klimatizace
• Průmyslové chladničky, čerpadla
• Průmyslová automatizace

Přehled hlavních parametrů:

Vysokonapěťové varianty řady STSPIN32G0 jsou navrženy tak, aby byly pinově kompatibilní, což umožňuje maximální možnou variabilitu v použití hardwaru a firmwaru. STSPIN32G0 HV nabízí flexibilní a kompaktní řešení díky integraci MCU s třífázovým budičem. Opět podporují vektorový i šestikrokový způsob řízení motoru, a to jak v konfiguraci se senzorem, tak bez senzoru. Budiče hradel 250 V a 600 V jsou vybaveny integrovanými „bootstrap“ diodami a jejich proudová zatížitelnost je až 1 A.

Vysokonapěťové varianty jsou založeny na stejném mikrokontroléru jako nízkonapěťové, tedy STM32G031. Najdete zde také ochranné prvky jako je podpěťová ochrana (UVLO), ochrana proti zkratu a nadproudová ochrana s inteligentním vypnutím. Pracovní teplotní rozsah je zde také -40 až 125 °C a součástky jsou dodávány v pouzdře QFN 10 x 10 mm.

Robustnost díky ochranným funkcím

Řešení STSPIN32G0 obsahují komplexní integrované funkce ochrany obvodů, které zajišťují bezpečnost a spolehlivost systému. Mezi tyto ochrany patří podpěťová ochrana (UVLO) všech napájecích zdrojů, tzn. VM, VDD, VREG a VBOOTx. Ochrana reaguje v případě, že napětí napájecího zdroje klesne pod stanovenou mez, čímž je zajištěno, že systém pracuje v bezpečném rozsahu napětí.

Nadproudové ochrany (OCP) je dosaženo pomocí integrovaného komparátoru, který monitoruje proud skrze bočníky. Při detekci nadproudu komparátor vyšle signál mikrokontroléru a řídicí logice, která následně vypne výstupy budiče, aby nedošlo k poškození zařízení.

STSPIN32G0 je také vybaven ochranou proti zkratu pro 3,3V DC-DC regulátor a 12V LDO lineární regulátor, což zabraňuje poškození vnitřních struktur čipu a externích komponent. V zařízení je integrovaná také tepelná ochrana, přičemž teplotní senzory jsou umístěny vedle bloků DC-DC regulátoru a LDO. Pokud teplota překročí stanovenou mez, příslušný blok se vypne, aby se zabránilo přehřátí. Jakmile teplota klesne pod prahovou hodnotu hystereze, zařízení pokračuje v normálním provozu.

Kromě toho je v třífázových budičích implementována funkce, která zamezuje současnému sepnutí dvou tranzistorů v jednom půlmůstku (Cross-Conduction Prevention), což zabraňuje nekontrolovatelnému průtoku proudu skrze něj.

Vývojový ekosystém

Pro rychlý start nových projektů je pro každou variantu STSPIN32G0 k dispozici vývojová deska. Kromě toho jsou všechny varianty kontroléru STSPIN32x podporované ve vývojovém prostředí pro mikrokontroléry STM32 , který zahrnuje celou řadu nástrojů. Sada pro vývoj softwaru (SDK) pro řízení motorů X-CUBE-MCSDK poskytuje parametrizovatelné softwarové knihovny a grafické rozhraní (GUI) umožňující efektivní vývoj finálního zařízení. K dispozici jsou také softwarové balíčky dedikované pro samotný mikrokontrolér a aplikačně specifický middleware. Konfigurátor STM32CubeMX pak značně usnadní nastavení projektu a umožní analýzu výkonu. Tím uživatelům usnadní konfiguraci a pomůže s optimalizací jejich návrhů.

Závěr

Řídicí obvody STSPIN32G0 nabízejí výkonné a flexibilní řešení pro širokou škálu aplikací, které kombinují možnosti mikrokontroléru STM32 s funkčně bohatým třífázovým budičem. Díky integrovaným ochranným funkcím, všestranným vývojovým nástrojům a konkurenceschopné ceně zjednodušují tyto ovladače návrh, šetří plochu desky plošných spojů a zkracuji délku vývoje, což z nich činí vynikající volbu při vyvíjení kompaktních aplikací pro řízení BLDC motorů. Kompletní řada těchto kontrolérů je již běžně k dostání u autorizovaných distributorů.