Использование микроконтроллеров STM32 в электроприводе

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ STM32 В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

Гибаев А.З.,

Греков Э.Л., к.т.н.,

доцент, Безгин А.С., к.т.н.

Оренбургский государственный университет

На сегодняшний день, у разработчиков встраиваемых систем широкую популярность имеют 32 разрядные микроконтроллеры. Связано это в первую очередь с тем, что такие контроллеры имеют большой функционал и производительность. В то же время стоимость современных 32-битных контроллеров сопоставима с 8-ми и 16-ти битными.

Одной из наиболее известных фирм производителей микроэлектроники, в том числе и микроконтроллеров, является ST Microelectronics. Выпускаемые микросхемы используются в компьютерах, системах телекоммуникаций, в бытовой электронике и автомобильной технике. 32-х разрядные микроконтроллеры семейства STM32 имеют современную и перспективную архитектуру ARM Cortex-M, разработанную специально для систем с высокой производительностью и малым энергопотреблением. Также процессоры более устойчивы к ошибкам, вызванным обработкой исключительных ситуаций и прерываний, что выгодно их выделяет на фоне таких популярных профилей, как ARM7 и ARM8.

ARM (Advanced RISC Machines) - британская компания, специализирующаяся на производстве и разработке архитектуры 32-разрядных и 64-разрядных RISC-процессоров, ориентированных на использование в портативных и мобильных устройствах.

Ядро ARM Cortex бывает в трех основных профилях:

- «A» - профиль для высокопроизводительных приложений и операционных систем. Такие микроконтроллеры устанавливаются в большинстве современных смартфонов и планшетов;

- «R» - для приложений, работающих в режиме реального времени. Применяются для создания программируемых логических контроллеров;

- «M» - профиль, созданный для бюджетных приложений. Используются для организации локальных управляющих систем, в том числе систем управления электроприводов.

Архитектура подсемейства Cortex-M включает в себя следующие ядра: Cortex-M0, Cortex-M1, Cortex-M3, Cortex-M4. Поколение M0 и М1 предназначены главным образом для низкопотребляющих, но менее производительных систем. Рассмотрим подробнее поколение M3 и M4.

В 2004 году компания STMicroelectronics выпускает относительно дешевые и энергоэкономные контроллеры линейки STM32 на базе ARM Cortex-M3. Ядро построено по Гарвардской архитектуре и включает в себя 32-битное ЦПУ, систему шин, модуль вложенных прерываний, систему отладки (Embedded Trace Macrocell - ETM, Debug Access Port - DAP) и встроенную память ОЗУ и ПЗУ.

Ядро вмещает в себя 4 Гб адресного пространства, имеет раздельные шины кода команд и данных. А архитектура SRAM (статическая оперативная память с произвольный доступом) позволяет осуществить доступ к любой ячейке памяти в любой момент за определенное количество времени.

В отличие от классического ядра ARM, в котором предусмотрено два режима работы ARM и Trumb, ядро Сortex-M3 поддерживает расширенный набор 16-разрядных инструкций ARM Thumb-2, которые позволяют получить выигрыш по объему кода на 20-30% по сравнению с 32-бит ARM-набором при незначительном снижении производительности. Кроме того исключается необходимость переключения режимов.

Ядро Cortex-M3 имеет в своем составе контроллер векторизованных вложенных прерываний (КВВП), ставший стандартным для всего семейства микроконтроллеров Cortex. Ядро соединяется с периферийными устройствами с помощью шины Advanced High-Performance Bus (AHB), позволяющей масштабировать конфигурацию микроконтроллера под необходимые задачи.

На рисунке 1 приведена блок-схема микроконтроллера Cortex-M3.

Рисунок 1 - Блок-схема микроконтроллера Cortex-M3

Ядро Cortex-M4 было выпущено в феврале 2010 года. Такие микроконтроллеры предназначены для встраиваемых систем, простых в программировании и использовании и, с другой стороны, высокопроизводительных, сочетающих функции логического управления и цифровой обработки сигналов.

Cortex-M4 имеет следующие отличительные функции:

- операции умножения с накоплением для быстрого выполнения алгоритмов цифровой фильтрации (single-cycle multiply and accumulate MAC);

- команды арифметических операций за один такт SIMD (single instruction multiple data);

- аппаратное выполнение арифметических операций с плавающей запятой FPU (floating point unit);

- аппаратное деление;

- обработка насыщения (переполнения) при арифметических операциях;

На рисунке 2 приведена блок-схема Cortex-M4 процессора.

Рисунок 2 - Блок-схема Cortex-M4 процессора

Специализированный контроллер пробуждения в ядре WIC позволяет оптимизировать энергопотребление в системах с автономным питанием.

Микроконтроллеры семейства STM32 обладают развитой периферией. Так, например, STM32F407VGTx с быстродействием до 210 MIPS имеет такие встроенные модули как:

1) 3 АЦП с независимой и синхронизированной работой с возможностью подключения до 16 аналоговых каналов;

2) ЦАП с двумя выходами;

3) 14 таймеров, работающих в режиме ШИМ, цифрового компаратора, квадратурного энкодера. Таймеры могут также работать независимо или синхронно между собой;

4) развитая система коммуникационных модулей - 2 модуля CAN, 4 синхронных SPI, 6 асинхронных UART, USB в режимах FS и HS.

Быстродействие 1 модуля АЦП может достигать 1,3 млн. выборок в секунду (при 10 битах преобразования и 168 МГц тактовой частоты), что является достаточным для большинства задач управления электроприводом. Для повышения быстродействия АЦП можно применять синхронный режим работы 2-х или 3-х АЦП со сдвигом по времени (interleaved mode). При необходимости одновременной выборки 2-х или 3-х сигналов, например, тока и напряжения для расчета ЭДС двигателя, возможен режим одновременной работы (simultaneous mode).

Очень важно работу АЦП синхронизировать с работой силового канала электропривода. В противном случае нарушается устойчивость работы замкнутых контуров регулирования. На рисунке 3 приведена блок схема синхронизации работы АЦП, настроенного на последовательное сканирование 4-х каналов с частотой дискретизации в 4 раза превышающей частоту ШИМ.

Рисунок 3 - Блок-схема синхронизации АЦП с ШИМ

Таймер 1 настроен для управления трехфазным автономным инвертором напряжения с центрально-ориентированной ШИМ. В этом случае значение таймера плавно нарастает до максимального значения TMR1Period, а затем уменьшается до нуля. В моменты сравнения значения таймера с опорным задающим сигналом TMR1Pulse изменяются состояния выходных управляющих импульсов TIM1_CH1 (верхний ключ инвертора) и TIM1_CH1N (нижний ключ инвертора). В настройках таймера 1 включается таймер «мертвого» времени (Dead Time - DT), который на аппаратном уровне создает паузу между этими управляющими импульсами для исключения коротких замыканий (рисунок 3).

Таймер 3 генерирует включающие начало аналогового преобразования импульсы (External Trigger Conversion - ETC). Частота дискретизации каналов выставляется с помощью параметра TMR3Period, а момент включения АЦП - с помощью TMR3Pulse. За время периода ШИМ таймер 3 четыре раза запускает преобразования. При этом в каждый момент происходит последовательное сканирование четырех аналоговых каналов. Для запоминания данных используется механизм DMA (Direct Memory Access), позволяющий АЦП непосредственно обращаться к ОЗУ, минуя ядро процессора. Размер буфера DMA настраивается таким образом, чтобы после чтения 4 раза четырех каналов генерировалось прерывание для дальнейшего анализа полученных данных с помощью основной программы.

Таймер 3 (Slave timer) и таймер 1 (Master timer) синхронизированы между собой с помощью специального механизма Synchronization Trigger Output (TRGO). Таймер 1 в момент равенства нулю генерирует сигнал для сброса таймера 3 (рисунок 3). Поэтому следующее сканирование аналоговых сигналов будет происходить в одно и то же время относительно ШИМ.

Необходимо отметить, что все описанные выше процессы происходят на аппаратном уровне, и совсем не требуют процессорного времени.

Для микроконтроллеров STM32 разработаны множество сред проектирования программного обеспечения. Для учебных целей следует отметить наличие бесплатного программного обеспечения. Среди них следует выделить такие как:

- STM32CubeMX - система визуального конфигурирования системы и подключения готовых HAL библиотек;

- CooCox, TrueSTUDIO - программное обеспечение для разработки на базе компилятора GCC C/C++ compiler и интегральной среды Eclipse.

Развитая архитектура, система команд и периферия, в сочетании с мощными средами разработки, в том числе и бесплатными, облегчает применение микроконтроллеров серии STM32 в устройствах управления электроприводов.

процессор микроконтроллер силовой канал электропривод

Список литературы

1. Козлов-Кононов, Д. Процессорные ядра семейства cortex. Сочетание высокой производительности и низкого энергопотребления / Д. Козлов-Кононов // Электроника: наука, технология, бизнес. 2010. - №8. - С.16-24.

2. https://www.st.com [Электронный ресурс] - сайт производителя ST Microelectronics.

Размещено на Allbest.ru