電力変換器制御モジュール：開発と組み立て

オンラインのUPSなどの洗練された最新のコンバーターがDSP / MKまたはASICの制御下で動作することは秘密ではありません。 パワーエレクトロニクス用DSPの主なサプライヤーは、Texas InstrumentsとInfineonの2社ですが、今日はSTMicroelectronics製品であるSTM32F334シリーズに焦点を当てます。 このMKラインは、電気駆動を制御し、PFC、インバーター、スイッチング電源、UPSなどの電力コンバーターを構築するように設計されています。



もちろん、F334シリーズはTMS320F28335などの一般的なソリューションの「パワー」に耐えることはできませんが、1つの重要な利点があります-コスト。 最古のSTM32F334R8T6の価格は5ドルで、必要な周辺機器のセット（HRPWM、ADC、コンパレーター）と、信頼性と障害に対する十分な耐性を備えた十分に強力なコンバーター（数十kW）を構築するための性能を備えています。



エレクトロニクス開発者にとって、彼が協力するDSP / MKを取り巻くエコシステムは重要です。ドキュメント、デバッグツール、コード例、ハードウェアです。 TIはこれをすべて備えています。はい-高価です、はい-購入するのは難しいですが、それがまさに電気駆動とエネルギーの分野で最新のソリューションがTMS320にかかる理由です。 何らかの理由で、ST社はF334シリーズを無視しましたが、STM32のような良質のドキュメントはありますが、完全なコードとデバッグボードを備えたハードウェアの例はありません（F3348-Disco玩具は考慮されていません）。 さて、この欠陥を修正します。



前回の記事では、プロジェクト「開発キット」について説明し、コンポーネントの1つである電源モジュールのデモも行いました。 今日は、コンバータートポロジを実装でき、同時に競合他社よりも数倍安価な2番目（合計3つ）のモジュールについて説明します。 もちろん、プロジェクトは公開されており、すべてのソースコードはこの記事の最後にあります。

アイデア

トポロジのさまざまなバリエーションを持つさまざまなコンバーターを構築できるユニバーサルモジュールを使用することを考えるのは、私が初めてではありません。 このアプローチにより、すべての場面で1つのボードを使用できます。最も重要なのは、一度構成して忘れるとモジュールが同じになるため、コードの量を減らすことです。



ここで、他の人/企業がこのアイデアをどのように実装しているかの例をいくつか見てみましょう。 2つの例を挙げます。

• TMS320F28379Dコントロールカード-160ドルのコスト。 エコシステムは優れており、デバッグ用のコンプレックスがありますが、価格は...豊かなR＆Dセンターで働いていて、自分でUPSを構築するか、会社で簡単に働くことに決めた場合、それは小さいですか？ はい、そして160ドルのモジュールを燃やすために、それは私には思える、誰もが申し訳ありません。
• VectorCARD K1921VK01Tは優れたソリューションであり、研究所と軍事産業団地の人々は国内の石に喜びを感じています.tiからのモジュールとのアナログ（ピンツーピン）であるchastotnikの形のデバッグ複合体がありますが、価格は19,000ルーブルです。 厳しい国内産業と軍事産業複合体にとっては安価ですが、それ以外はそれほどではありません。

そして、その結果、私は何をしたいのか...デバッグツールとしても、小さなシリーズのコンポーネントとしても使用できるモジュール。 ここから、私が蓄積した多くの要件があります。

• HRPWMと高速ADCの存在
• ボード上のRS-485
• ディスプレイコネクタへの出力を備えたUART（Nextionと互換性あり）
• ロジックのハードウェア保護の実装
• 「ブレイン」と電源セクションドライバーの両方に1つのAC / DCから12Vモジュールを使用する12V電源
• コストは、TMS320F28379Dコントロールカードのコストの少なくとも3倍、つまり最大50ドルです。
• ラジエーターの温度センサー入力
• いくつかのGPIO、たとえば、リレープル
• 複数のデバイスが並行して動作できるように、同期信号の入出力

その結果、次のような構造図が得られました。







モジュールのコストを大幅に削減することができたことにもすぐに注意してください。 私は5つのボードのコンポーネントを注文しました。コンポーネントの価格は約70ドル、つまりモジュールあたり14ドルです。 ここでの本当のトリックは、すべてのコンポーネントのコストですが、プリント基板はありません。 算術は簡単です。4層で5枚のボードを注文するのに80〜100ドルかかります。つまり、モジュールごとに別の14〜20ドルで、人道的に同意しませんか。 100個の量で、ボードのコストはすでに1.5ドル/個なので、近い将来、100-200個のボードを注文する予定です（どのように安くなるかがわかります）。希望する人は、14ドルよりも何度もボードを購入する機会があります。 20〜30枚のボードまたは100ドルが必要な人は気にしません。ガーベラも用意されているので、すでに自分で注文することができます。

開発

モジュールの回路には複雑でわかりにくいものはありません。まず、回路図を開いて、それが何であるかを理解することをお勧めします。上記のブロック図が既製のソリューションになった方法について説明します。 ここから図をダウンロードできます-PDF 。

• モジュールには1つの「メインコネクタ」があり、12 V電源、2つのGPIO、追加のUART（突然ESPを固定したい）、RS-485および同期デバイスの入出力が12ピンに接続されます。
• 5つのチャネルがあり、それらはすべてまったく同じです。 ハーフブリッジの制御を可能にする相補的な高結果PWM（HRPWM）ペアが各チャネルに出力されます。 また、電流と電圧のフィードバックを実装するための2つのADCチャンネルと、エラー入力（エラー）があります。 たとえば、電源ユニットに短絡があり、コンパレータが過電流を検出してログを発行しました。 1は事故の兆候であるため、この入力に「1」を入力するとデバイスの動作が中断されます。
• フォルト入力からのエラー信号は、マイクロコントローラーのBKIN入力と、インバーターを介してANDロジック要素の入力の2箇所に送られます。 BKIN入力もハードウェア保護であり、MKがハングした場合でもPWM生成をオフにしますが、安全に再生し、ロジックを追加して、信号を確実に遮断するようにしました。
• モジュールでは、別のCWF-4コネクタが、便利なデバッグのためにSWDインターフェイスを表示し、UARTとディスプレイを接続するためのUARTおよび電源、または他のモジュールとの通信を2番目のコネクタに表示します。 Nextionディスプレイは現在人気があるため、それらのコネクタが設計されており、同様の通信方法（UART、+ 5D、GND）でHMIパネルも作成しています。
• ボードには、終端抵抗とESD保護を備えたRS485インターフェース用のPHYが含まれています。 このインターフェイスは、業界標準であるため、どこにでもあるため、この選択が選ばれました。 たとえば、電圧インバーターをディーゼルエンジンと組み合わせたい場合、コマンドを送信/受信すると便利です。 はい、PLCにもRS485があります。
• また、設定やその他の便利なものを保存するための小さな不揮発性メモリもインストールしました。

この回路図は、最終的に115x40 mmのサイズの4層プリント基板になりました。 原則として、2つのレイヤーでバージョンを作成できますが、サイズは大きくなります。 PBDコネクタに取り付けた後、合計高さが47〜50 mm-電解コンデンサのサイズが35 x 50 mmになるように、幅を40 mm以下にすることが重要でした。 ボードは次のようになります。







残念なことに、ボードを注文したときに、黒いマスクの代わりに緑のマスクを示しました-この改訂の主な失敗））モジュールの挿入方法を理解していない人は、ここを見ることをお勧めします：









最初の写真では、特定のボードに多数のコネクタがあり、特にコンポーネントがないことがわかります。 これは、より便利なプロトタイピングのための「マザーボード」のようなものです。 BH-10コネクタ（IDC-10）は、同じ5つの制御チャネルを配布し、通信インターフェイスは端子ブロックに表示され、電源コネクタが取り付けられます。 これにより、集団でワイヤーを束ねることができなくなります。 「マザーボード」は個別に注文されたため、少し遅れて出荷され、検証後に入手可能なソースが提供されます。

組立

前のモジュールに関しては、PCBはPCBwayから注文されました。彼らには無料のボードと別のステンシルが提供されました。 後者は私の人生を大幅に簡素化し、時間を節約しました。それぞれに200以上のコンポーネントを搭載した5つのボードが1時間で組み立てられました。 注文から2週間後、宅配便業者は私にそのような魅力をもたらしました。









はい、注文フォームでマスクを変更しませんでしたが、どうやらこれが金色だと感じて、ハンドルが浸漬金で覆われているので、悲しいことはありません。 これは私のタスクにとって重要ではありませんが、コンタクトの優れた平面性により、はんだペーストはより均一に塗布され、炉の熱プロファイルがあまり最適ではない場合でも、コンポーネントは側面につながりません。



ステンシルは、次のようにアルミニウムプロファイルフレームとともに注文されました。 私はスクリーンプリンターを持っていますが、フレームがなければそこに固定することはできません。 プリンターをお持ちでない場合は、フレームなしで注文してください。ペーストを適用して（数分長くかかる）同時に費用を節約できます。 フレームのないステンシルの重量は約400グラムで、フレームは1.8 kgです。 この重量のため、次のように、宅配便ですぐに受け取ります メールは2 kgを超えず、EMSのみを運ぶため、さらに30〜40ドルを支払う必要がありますので、注意してください。 ステンシル自体は次のようになります。







次に、ボードをプリンターにインストールして、ペーストを適用する必要があります。 ここにいくつかのヒントがあります。 第一に、aliexpressでパスタを摂取した場合、缶は500 gのみであり、それらの中で最高の品質です（明らかに正しく保存されています）。 第二に、ペーストを冷蔵庫に保管します。 第三に、ステンシルを使用した後、必ずペーストから洗い流してください。普通のスポンジと洗剤（妖精が一番いい）が驚くほど効果があり、1週間以上使用しない場合は、乾燥後にステンシルを乾燥させ、ラップでラップします。 ボードにペーストを置きます。







適用後、ここにそのような空白が表示されます。







この段階では、安全にプレイします。STM32F334R8T6マイクロコントローラーの下のLQFP-64シャーシのペーストを取り除きます。 実際には、どこかで電源システムを台無しにしてしまう可能性があり、+ 12VがMKに乗って燃やす可能性がありますが、5ドルで石を破壊したくないでしょう。 したがって、この段階で、マイクロコントローラー、コネクター、ブザーを除くすべてをはんだ付けします。 + 3.3Vおよび+ 5Vの電圧を確認した後、手動でインストールします。 今、最も退屈なステップはコンポーネントをインストールすることですが、すぐにピックプレースマシンを購入する予定で、コーヒーのみを飲みます）







コンポーネントがインストールされ、オーブンにそれらを送ります：







出力DC / DCの電圧レベルを確認し、すべてが正常であれば、残りのコンポーネントをはんだごて/ドライヤーではんだ付けし、フラックス残渣からボードを洗い流して、次の結果を得ます：







プログラマー、たとえば中国のst st-linkを接続しますが、ガルバニック絶縁のしっかりしたst-link v.2-ISOLを購入することを強くお勧めします。 すべてがバックアップを持つ管理者のようなものです： 「ラップトップを既に焼いてアイソレーターを使い始めた人もいれば、アイソレーターをまだ使い始めていない人もいます。 」 ネイティブst-linkの値札が怖い場合、つまりアリの中国onと絶縁体モジュールと一緒に購入するオプションが怖い場合、それらは通常ADuM-ahで実装されます。 デバッガーを接続するときにピンで苦しめられないように、これらの特定のモジュールを接続するためのコードを作成しましたが、今では間違いなく接続することができます：







モジュールが安全にコードを書き始めることができるように、モジュールが動作する準備ができているかどうか、MKが読み込まれているかどうかを確認することは残っています。 これを行うには、 STM32CubeProgrammerユーティリティをインストールできます。 開いて、デバッガーを定義する必要があります。右上隅にIDが表示されている場合は、[ 接続 ]をクリックします。すべてが正しくマウントされると、マイクロコントローラー、カーネル、一連のMK自体のIDが表示されます（F334があります）：







以上です！ モジュールは、さまざまなコンバーターの操作と開発の準備ができています。

ソースコード

• 回路図-PDF
• コンポーネントリスト（BOM） -Excel
• PCBガーバーファイル-RAR
• STM32CubeMXのピン配列を使用したプロジェクト-IOC

おわりに

現在、開発用の2つのモジュールがあります。これはコンバーターを組み立てるのに十分です。 もちろん、3番目のモジュールがありますが、HMIがなくても生きることができ、希望する人はポケットに次を購入できます。 次の記事では、本格的なコンバーターを組み立てて、コメントで熱心にリクエストされたPレギュレーターとPIレギュレーターを実現することがすでに可能です。 結果をわかりやすくするために、後続の記事では特定のトポロジについて説明します。分析、計算、プロトタイピング、コード、そして最も単純で一般的なものとしてバックトポロジとブーストトポロジから始めます。



また、 PCBwayの優秀な品質の複雑なボードを手伝ってくれた人たちにも感謝したいと思います。 彼らのおかげで、プロジェクトは非常に活発に動いており、2、3か月で、私は過去2、3年を実装するのが面倒だったことをやることができました。







この記事があなたにとって興味深いものであったことを願っています。降圧トポロジについて事前に質問がある場合は、コメントまたはPMでそれらを表明できます。次の記事を書くとき、私はそれらに答えようとし、それによって資料をより有用にします。