使用驅動 IC 及整合式微控制器，快速實作馬達控制設計

在汽車、機器人、工業控制和飛行載具等應用中，馬達的使用穩定成長。不過，傳統的馬達電子元件很重、體積大、效率不高，而且需要的驅動電壓較高，因此不容易運作。設計人員面臨不斷要求降低 BOM 成本、提高效率以及縮小電子元件覆蓋區的需求，還要提高靈活性並加快上巿速度，因此需要更高的整合度和易用性。

本文將介紹 STMicroelectronics 的 STSPIN32F32F060x 系列產品且此系統級封裝 (SiP) 三相馬達控制器還內建微控制器；也會說明如何使用這些元件，來應對上述的設計、成本及上巿時間難題。

如何驅動三相馬達

若要成功驅動三相馬達，必須在設計中建構幾個硬體區塊：

• 一個微控制器
• 一個馬達驅動 IC
• 高電壓 MOSFET 或 IGBT (進行實際切換)

在傳統的馬達控制器設計中，開發人員通常會在電路板上劃分一大區，供上述三個區塊使用。一般而言，微控制器會向馬達驅動 IC 發送脈寬調變 (PWM) 訊號，再由此 IC 仔細監測這些訊號，以及在馬達控制器輸出端產生的輸出電流和電壓，藉此驅動 MOSFET。微控制器通常也會透過 I²C 或 SPI 匯流排跟馬達驅動 IC 進行通訊，以促成客製化特點和功能性，或可能會使用六個左右的離散 GPIO 訊號來控制橋接器的行為。

在現今的開發週期中，外部橋式驅動器 IC 面臨的難題在於，不僅會增加額外的成本和複雜度，還會耗盡寶貴的印刷電路板空間，更別提微控制器上的輸入及輸出 (I/O) 訊號也可能用作其他用途。相比之下，新一代的整合式微控制器和橋接電路能簡化馬達控制應用，同時降低 BOM 成本，並將印刷電路板表面積減至最小。

為何使用 STSPIN32F060x

這類元件的代表是 STMicroelectronics 的 STSPIN32F060x SiP 系列元件，其中嵌入 STM32F031x6x7 Arm® Cortex®-M0 微控制器，並配有 600 V 三重半橋閘極驅動器 (圖 1)。在無刷 DC (BLDC) 馬達的每個相位上，每個半橋皆可用於驅動 MOSFET 或 IGBT。

圖 1：STM32F060x 整合 STM32F031 Arm Cortex-M0，其具有 600 V 三重半橋閘極驅動器，能節省成本、印刷電路板空間及封裝引腳。(圖片來源：STMicroelectronics)

此系列產品有一些非常有意思的特點和防護設計。例如，零件含有：

• 具備先進智慧關斷 (smartSD) 功能的比較器，能確保快速有效地防止過載和過電流
• 整合式高電壓靴帶式二極體
• 防交叉導通保護
• 失效時間保護
• UVLO 保護

內建微控制器的工作頻率為 48 MHz，並有 32 KB 快閃記憶體和 4 KB RAM，非常適合實作磁場導向控制 (FOC)。

目前，STM32F060x 在此系列中包含兩個零件，即 STSPIN32F0601 和 STSPIN32F0602。這兩個零件的主要差別在於，0601 最高可支援 0.35 A 的閘極驅動電流，0602 最高支援 1.0 A 的閘極驅動電流。

請注意，在 IC 內部，STM32F031 微控制器會透過封裝內的幾條 GPIO 線，連接至閘極驅動器。GPIO PA11 可用於啟用閘極驅動器，GPIO PB12 則用於偵測橋接器是否故障。GPIO PA8 至 PA10 可用於閘極驅動器的高側輸入，GPIO PB13 至 15 則用於閘極驅動器的低側輸入。如此，開發人員即不必使用外接式 GPIO 引腳來控制閘極驅動器，也無需佔用印刷電路板空間對不同的 IC 佈置走線。兩個元件整合後，可簡化硬體和設計的複雜度，並能大幅降低 BOM 成本。

使用 EVSPIN32F0601S1 開發板加速開發

STSPIN32F060x 可由 EVSPIN32F0601S1 開發板提供支援，這是一款完整的三相逆變器入門套件，內含所有必要的電子元件，可運用 STSPIN32F0601 控制器讓 BLDC 馬達運作 (圖 2)。EVSPIN32F0601S1 分成五個主要區段：

• STSPIN32F0601
• 可分離 STLINK 除錯器
• 回饋網路
• 功率級
• 電源供應器

圖 2：EVSPIN32F0601S1 開發板提供所有必要的電子元件，能運用 STSPIN32F0601 控制器讓 BLDC 馬達運作。(圖片來源：STMicroelectronics)

需要時，開發人員可從開發板拆下 PCB STLINK 除錯器，即可縮小板件尺寸，以便用於原型和概念驗證 (PoC) 外殼中。開發人員仍能連接外接式 STLINK-V3SET (圖 3)，只要將此元件連接至開發板的 SWD 排針座即可。

圖 3：STLINK-V3SET 除錯器是外接式除錯器，能對使用 STM32 微控制器編寫的應用程式進行編程和偵錯。(圖片來源：STMicroelectronics)

此外，開發板還包含回饋網路，可用於需要感測器的馬達控制演算法，以提供電壓和電流回饋。在許多現代設計中，可移除這些回饋網路，而且可使用 FOC 演算法。這是一種無感測器的馬達控制演算法，能進一步降低 BOM 成本，並縮小最終的印刷電路板尺寸。

功率級為開發人員提供高低側的 MOSFET 或 IGBT，可在各種馬達繞組間切換電壓。此開發板設計有意思的是，覆蓋區適用於 DPAK 或 PowerFlat 封裝，因此若開發人員選擇使用自己的 MOSFET 或 IGBT，則可對開發板進行修改。

最後，電源供應器能提供介於 50 V 至最高 280 V 的 DC/AC 輸入。此外，板載返馳式變壓器還能為應用產生 +15 V 和 +3.3 V 電壓。

若要對開發板進行試驗，需要連接一個 BLDC，例如 Trinamic Motion Control GmbH 的 QBL4208-41-04-006 (圖 4)。BLDC 馬達的每個相位會透過適當的輸出螺絲端子連接至 EVSPIN32F0601S1。

圖 4：QBL4208-41-04-006 BLDC 馬達的運作速度為 4000 RPM，能搭配 EVSPIN32F0601S1 開發板使用，可開發出許多不同的應用。(圖片來源：Trinamic Motion Control GmbH)

雖然 EVSPIN32F0601S1 開發板具備驅動 BLDC 馬達所需的全部硬體，但三相馬達也需要使用軟體。若要成功驅動馬達，開發人員可以利用 STMicroelectronics 的 X-CUBE-MCSDK 馬達控制軟體開發套件。此資料庫可搭配 ST32CubeIDE 和 ST32CubeMx 等軟體套件，輕鬆配置馬達控制解決方案。

使用軟體驅動 BLDC 馬達

X-CUBE-MCSDK 軟體套件包含兩個高階應用程式，即 Motor Control Workbench 和 Motor Profiler。Motor Control Workbench 能讓開發人員建立馬達控制專案，輕鬆讓馬達運作。有多種馬達演算法可用來驅動馬達，包括 FOC 和以下多種回饋拓撲：

• 一個分流器電阻
• 三個分流器電阻
• 兩個隔離的電流感測器

Motor Profiler 能讓開發人員輸入一般馬達參數，接著對馬達進行完整剖析。此剖析作業提供 FOC 等演算法所需的一般馬達參數，以便成功驅動馬達。

在 Motor Control Workbench 內建立專案很容易。開發人員需要開啟 Motor Control Workbench，然後選擇新專案。接著便可輸入參數，如圖 5 所示：

• 應用類型
• 要控制的馬達數量
• 控制和功率配置
• 馬達參數，例如極性、速度、電壓及標稱電流

圖 5：Motor Control Workbench 專案配置能讓開發人員針對其硬體自訂專案設定值。(圖片來源：Beningo Embedded Group)

專案資訊選定後，開發人員可按 OK (確定)，就會進入 Motor Control Workbench (圖 6)。在軟體工作台上，開發人員可針對應用的行為進行自訂。包括對以下項目進行配置：

• 韌體設定，例如啟動設定檔、驅動設定及感測選項
• 數位 I/O 設定，例如編碼器介面、霍爾感測器、序列通訊，以及啟動和停止按鈕
• 數位類比轉換器 (DAC) 的功能性
• 類比輸入和保護設定，以便取得相位電流、匯流排電壓、溫度及 PFC 階段的回饋。

圖 6：Motor Control Workbench 能讓開發人員對韌體進行自訂、調整 MCU 與時脈頻率，以及調整數位 I/O、DAC 和類比輸入保護。(圖片來源：Beningo Embedded Group)

開發人員甚至只要勾選核取方塊，就能啟用和停用設定，例如：

• 匯流排電壓感測
• 溫度感測
• 有過電流保護的電流感測
• 速度感測

開發人員甚至不需要查看 API 或任一行程式碼，就能完全配置馬達控制應用。

結論

開發人員和馬達控制系統設計人員面臨越來越大的壓力，必須針對電子元件降低成本、提高效率及縮小覆蓋區。如本文所示，在三相 BLDC 馬達控制器應用中使用 STSPIN32F060x SiP，不僅能降低 BOM 成本，也能減小印刷電路板空間以及降低系統複雜度。此產品也具備有效的生態系統，包括開發板和軟體，能讓開發人員輕鬆快速地進行馬達控制應用。