До недавнего времени усовершенствованные электронные контроллеры использовались в основном для двигателей мощностью более 100 Вт, поскольку преимущества новых технологий были здесь наибольшими. Но в настоящее время, наряду с распространением мобильной электроники, устройств IoT и портативных медицинских приборов, потребность в эффективном управлении двигателем также распространяется на маломощные устройства, и новые микросхемы STSPIN как раз и ориентированы на такие области.

Самая важная функция, выполняемая контроллерами в электродвигателях, – это регулирование скорости вращения. До сих пор в двигателях малой мощности это осуществлялось посредством регулирования фазного напряжения с помощью симистора или путем изменения величины напряжения, подаваемого на мотор линейным или импульсным регулятором посредством ШИМ-модуляции.

Конкретный метод зависел от типа двигателя, доступного напряжения питания и, конечно же, мощности. Тем не менее, современная электроника все более миниатюризируется, что делает контроллеры на основе линейных регуляторов или автотрансформаторов менее полезными. Также учитывается эффективность контроллера и даже потребляемая им мощность, потому что все это сильно влияет на время работы батареечного устройства.

Управление двигателями медицинских насосов, систем домашней автоматизации, косметических средств и устройств личной гигиены, небольших роботов и камер наблюдения, должно осуществляться с высокой точностью, небольшим пространством занимаемым схемой, и с высокой эффективностью. Кроме того, по экономическим причинам наиболее выгодным решением является однокристальное, в котором схемы передачи мощности объединены в одну структуру с цифровой логикой управления.

Новые драйверы из семейства STSPIN: STSPIN230, STSPIN240, STSPIN220 размещаются в небольших корпусах QFN 3 х 3 мм и стоят всего примерно 70 рублей.

Их характерная особенность – работа с напряжением питания от 1,8 В, поддержка нескольких режимов с ограниченным энергопотреблением и очень низкий ток в режиме ожидания – всего 80 нА. Эффективность силового каскада встроенного в схему драйвера, достигает 1,3 А (среднеквадратичное значение), что позволяет ему удовлетворять требованиям большинства моторов в данной области.

Тот факт, что в устройствах используются двигатели малой мощности, не означает компромиссов в отношении того, какой тип может там появиться. Самыми простыми моторами обычно являются двигатели постоянного тока.

Но их популярность не является результатом особо хороших параметров или того что они чрезвычайно дешевы и надежны, а тем фактом, что схема управления очень проста, поскольку регулирование скорости осуществляется изменением напряжения питания (линейного или ШИМ).

Два других важных типа – это шаговые и трехфазные бесщеточные двигатели, которые имеют хорошие параметры и функциональность, но разработчики избегают их в этой области применения, потому что схема управления обычно сложна и относительно дорога по сравнению с ценой двигателя.

Маломощные устройства могут в ближайшем будущем освободиться от порочного круга технической нерентабельности, потому что новые драйверы также поддерживают эти решения: STSPIN220 обслуживает шаговые двигатели, STSPIN230 – драйвер двигателя BLDC, и STSPIN240 предназначен для поддержки классических коллекторных моторов.

Каждый из драйверов имеет встроенные мостовые MOSFET-транзисторы, позволяющие напрямую подключать обмотки двигателя к контроллеру. Все микросхемы поддерживают полный спектр функций защиты: от перегрузки по току, от перегрева, от короткого замыкания.

STSPIN220 предназначен для работы с двухобмоточными шаговыми двигателями и поддерживает микрошаговые режимы (до 256), обеспечивающие плавное вращение. Работает на основе ШИМ-модуляции с постоянным временем выключения, в диапазоне питающих напряжений 1,8 – 10 В. Силовой каскад моста включает полевые МОП-транзисторы с Rds (ON) = 0,4 Ом (HS + LS), максимальный ток которого достигает 1,3 А.

Контроль тока и активация защиты осуществляется с помощью двух резисторов, установленных снаружи, через которые протекает ток каждой обмотки. Выбирая их значение можно настроить пороги защиты в соответствии с параметрами данного двигателя.

Схема требует подключения всего нескольких RC элементов. Программирование (например, количество микрошагов) и управление двигателем осуществляется путем отправки команд движения от микроконтроллера и регистров программирования, устанавливающих параметры шага. С помощью RC элементов устанавливается время ШИМ-модуляции. Стоит отметить, что само управление двигателем здесь очень простое. Выбирается направление и подаются импульсы, заставляющие вращаться ротор.

Чип STSPIN230 для двигателя BLDC отличается конструкцией силового каскада. На этот раз он основан на 3-х мостовых схемах, питающих отдельные обмотки двигателя, и на одном измерительном резисторе в узле контроля тока. Параметры напряжения и тока такие же.

Внешний таймер RC устанавливает время, по истечении которого схема попытается перезапустить двигатель после перегрузки. Также имеется специальный резервный вход, который отключает обмотки электродвигателя от источника питания и вызывает режим пониженного энергопотребления. В случае драйвера двигателя BLDC управление, то есть алгоритм, полностью находится на стороне микроконтроллера, который принимает решение о включении и выключении отдельных обмоток.

Это позволяет использовать множество готовых управляющих библиотек и процедур без необходимости их модификации и адаптации к контроллеру, который в этом случае прозрачен для управляющих сигналов.

STSPIN240 – это также драйвер щеточного двигателя постоянного тока с электрическими параметрами, идентичными другим микросхемам. Структура содержит две мостовые схемы с полевыми МОП-транзисторами и позволяет управлять двумя такими двигателями. Управляющий вход позволяет выбирать направление и регулировать скорость с помощью ШИМ.

Помимо самих чипов, ST Microelectronics подготовила для разработчиков стартовые комплекты и дополнения для популярных платформ, таких как Nucleo. Также существуют библиотеки процедур для микроконтроллеров из семейства STM32, упрощающие разработку устройств со стороны программного обеспечения.