STSPIN32G4, Il primo controller motore con MCU integrato risolve 2 grandi sfide » Electronicsmedia

STSPIN32G4 integra un gate driver trifase, un STM32G431 e un sistema di gestione dell’alimentazione in un unico pacchetto per risolvere le principali sfide ingegneristiche, consentendo così nuove applicazioni. Sebbene la ST continui a offrire driver per motori STSPIN, ci siamo anche resi conto che gli ingegneri devono ancora affrontare diversi enigmi. I progettisti desiderano eseguire applicazioni più potenti ma devono anche ridurre le dimensioni dei PCB e i costi. Allo stesso modo, le applicazioni richiedono maggiore efficienza, ma migliorarla di pochi punti percentuali decimali rimane una sfida. Gli ingegneri della ST hanno quindi lanciato STSPIN32G4 perché nessun altro controller motore integrato offriva un MCU mainstream così potente e un sistema di gestione dell’alimentazione così flessibile.

STSPIN32G4 e la prima sfida: come rendere le cose più potenti in un design più piccolo?

Più potenza sotto lo stesso tetto

Prendiamo l’esempio di un ingegnere che lavora su un aspirapolvere di fascia alta con un motore ad alta velocità. L’MCU all’interno di STSPIN32G4 si distinguerà, in questo caso, per il suo throughput computazionale. Un core della CPU con prestazioni inferiori significa un tasso di conversione inferiore quando si progetta un’applicazione sensorless con controllo a orientamento di campo (FOC). L’ingegnere nell’esempio dell’aspirapolvere dovrebbe utilizzare due o tre resistori di shunt per compensare le prestazioni inferiori dell’MCU. D’altro canto, la maggiore capacità computazionale implica che un singolo shunt sia sufficiente. Di conseguenza, l’utilizzo di STSPIN32G4 consente la creazione di un’applicazione potente con meno componenti.

Più periferiche in un unico dispositivo

Un team che lavora su un robot collaborativo o su un veicolo guidato apprezzerebbe l’MCU nell’STSPIN32G4 anche per ragioni diverse dall’aumento del DMIPS. In questo caso, gli ingegneri devono guidare due serie di ruote, ma i tradizionali controllori dei motori non hanno abbastanza convertitori analogico-digitali per gestire tale compito. Di conseguenza, gli ingegneri finiscono per utilizzare due driver del motore. STSPIN32G4 è unico perché fornisce, tra le altre cose, due set di timer PWM e ADC a 12 bit. Diventa quindi possibile pilotare due motori con un solo dispositivo integrato.

Risparmio di spazio del 65%.

Sebbene sia impossibile enumerare tutte le funzionalità dell’STSPIN32G4, la realtà è che la sua natura integrata è uno dei modi migliori per risolvere la sfida spaziale. Le applicazioni di controllo motore sono sempre più piccole, per comodità, costi o per distinguersi meglio. Grazie alla sua natura integrata, STSPIN32G4 aiuta a ridurre le dimensioni complessive del progetto del 65% rispetto alle soluzioni discrete. In pratica, consente agli ingegneri di posizionare il sistema di controllo sul retro del motore e di progettare, tra le altre cose, una bicicletta elettrica, un aspirapolvere o un utensile elettrico molto più piccoli.

STSPIN32G4 e la seconda sfida: come rendere le cose più efficienti dal punto di vista energetico mantenendo bassi i costi?

Una gestione energetica più efficiente

Secondo i nostri benchmark, l’utilizzo del nuovo dispositivo riduce il consumo energetico complessivo dal 3% al 5% rispetto a un sistema che utilizza componenti esterni. Un risparmio anche solo dell’1% ha già un impatto significativo. La ST ha fornito tale efficienza energetica portando il consumo tipico in standby a soli 15 µA grazie a un regolatore a bassissima quiescenza. Pertanto, ci aspettiamo che gli ingegneri creino progetti significativamente più compatti senza bisogno di un sistema di raffreddamento esterno, riducendo così la distinta base.

Il controllore motore supporta anche una tensione di alimentazione fino a 75 V, rispetto ai soli 48 V precedenti. Inoltre, STSPIN32G4 è dotato di un meccanismo di protezione da sovracorrente e di una tensione drain-source (V_DS) sistema di monitoraggio che funge da ridondanza. Monitora i MOSFET esterni e disattiva tutte le uscite del gate driver se rileva una condizione di sovratensione. Di conseguenza, ci aspettiamo che gli ingegneri utilizzino STSPIN32G4 negli elettrodomestici. Infatti, un bene bianco collegato alla rete spesso soffre di ampie variazioni di tensione dalla rete. Il maggiore intervallo di tensione di alimentazione e le caratteristiche di protezione del nuovo dispositivo gestiranno meglio queste condizioni anomale.

Una gestione energetica più flessibile

Gli ingegneri a volte evitano le soluzioni integrate, temendo che possano limitare le loro capacità di ottimizzazione. Pertanto, ST ha garantito un elevato livello di personalizzazione. Ad esempio, gli sviluppatori possono programmare i registri tramite un’interfaccia I2C per utilizzare il file Convertitore buck VCC di STSPIN32G4. Inoltre, abbiamo pubblicato una nota applicativa che mostra come utilizzare il regolatore buck in a configurazione buck-boost aggiungendo alcuni componenti esterni. Infine, gli ingegneri possono bypassare i regolatori buck e LDO per fare affidamento solo su un’alimentazione Vcc esterna.

I team che hanno progettato un alimentatore altamente preciso per soddisfare i severi requisiti della loro applicazione possono, quindi, ignorare i regolatori STSPIN32G4. Al contrario, altri possono semplificare i propri progetti utilizzando il convertitore buck VCC per alimentare alcuni componenti esterni, come un modulo di memoria. Allo stesso modo, gli sviluppatori possono scegliere di abilitare o disabilitare la modalità standby. Tale caratteristica è vitale per prodotti come gli utensili elettrici. Quando gli utenti scelgono un trapano dopo mesi o addirittura anni, devono utilizzarlo immediatamente. In tal caso, gli ingegneri vorranno disconnettere completamente il proprio sistema dalla batteria per massimizzarne l’utilizzo.

Gli ingegneri ottengono anche molta più flessibilità nel modo in cui guidano un motore. Potrebbero utilizzare un circuito di pilotaggio a 6 fasi o un controllo ad orientamento di campo, entrambi con o senza sensore e con uno, due o anche tre shunt. Offre agli sviluppatori la possibilità di controllare la quantità di dati di misurazione che raccolgono. Di conseguenza, diventa anche possibile qualificare un STSPIN32G4 e utilizzarlo in molte applicazioni diverse, il che può aiutare un’azienda a ridurre i tempi di commercializzazione e a ottimizzare le proprie operazioni.

Come iniziare

La ST ha lanciato due schede di sviluppo per consentire ai team di testare e sperimentare con STSPIN32G4. IL EVSPIN32G4 utilizza MOSFET di potenza STL110N10F7 e un dissipatore di calore per consentire una corrente di uscita fino a 20 A RMS. Di conseguenza, i team possono spingere i nuovi dispositivi a sviluppare progetti più potenti. Tuttavia, la ST è consapevole che non tutti i progettisti utilizzeranno l’STSPIN32G4 in sistemi ad alta potenza. Quindi, stiamo lanciando anche il EVSPIN32G4NH, una scheda di sviluppo simile senza raffreddamento passivo; NH alla fine della nomenclatura sta per “nessun dissipatore di calore”. Abbiamo aggiornato anche il X-CUBE-MCSDK per supportare le nuove schede e dispositivi.

Più recentemente, i nostri team hanno rilasciato due progetti di riferimento. EVLSPIN32G4-ACT aziona un motore brushless trifase che supporta fino a 5 A_RMS e può gestire un ingresso di alimentazione di 48 V per una sorprendente potenza totale di 250 W in una scheda di soli 62 mm x 50 mm. Inoltre, può connettersi a STWIN.box (STEVAL-STWINBX1) per creare rapidamente un data logger ad alta velocità. Grazie al nostro pacchetto software FP-IND-DATALOGMC e alla Guida rapida, gli ingegneri hanno a disposizione un processo passo passo per connettere entrambe le schede ed eseguire applicazioni in grado di raccogliere dati dai sensori su STWIN.box e dal motore stesso. Offriamo anche una GUI per aiutare a visualizzare le informazioni.

L’altra scheda è l’EVSPIN32G4-DUAL, che combina STSPIN32G4 e STDRIVE101, un gate driver a triplo mezzo ponte. Di conseguenza, la scheda può pilotare due motori brushless trifase fino a 10 A_RMS corrente di uscita e un’alimentazione di 74 V grazie a due stadi di potenza. Grazie agli amplificatori operazionali dell’STSPIN32G4, è possibile avere un sistema senza sensori con un singolo rilevamento di corrente shunt o utilizzare sensori ed encoder Hall con l’MCU integrato. In parole povere, il progetto di riferimento mostra come creare una potente applicazione a doppio motore in un piccolo fattore per elettrodomestici, mobilità elettrica, pompe, strumenti e altro ancora.

Per ulteriori informazioni visitare: https://blog.st.com/stspin32g4-2/