"Надо написать прошивку - спиннер"

Пролог

В этом тексте я произвел обзор микросхемы DRV8870.

DRV8870 - это старая простая микросхема управления коллекторным DC-мотором с токами в обмотках до 3.5 Ампер от компании Texas Instruments. По сути это драйвер H-моста. Причем H-мост встроен прямо внутрь корпуса микросхемы. Это полностью интегрированное решение.

H-мост это электротехническая цепь, которая позволяет пускать ток, как в прямом направлении, так и в обратном направлении. Это приводит к тому, что вал DC мотора либо вращается по часовой стрелке либо против часовой стрелки.

Целевое оборудование это принтеры, игрушки, индустриальное оборудование, столы с подъёмной столешницей, стекло-опускатели в автомобилях, управления насосами и т. п. В общем, этим чипом можно управлять любой индуктивной нагрузкой мощностью до 150W.

Постановка задачи

Научиться регулировать ток в обмотке DC мотора микросхемой DVR8870. Изменять ток от I_min до I_max непрерывно благодаря PWM сигналу на управляющих пинах. Использовать частоту PWM за пределами 20kHz, чтобы не было слышно акустического шума. Написать демонстрационную прошивку-спинер мотора по командам из UART-CLI.

Аппаратная часть

Что надо из оборудования?

Прежде всего надо найти источник питания. Можно выбрать две батареи 18650 и батарейный отсек для них. DC мотор подойдет от игрушек.

Обычно микросхемы такого класса сами аппаратно наблюдают за тем, чтобы не произошло короткого замыкания в H-мосте. Плюс еще заложена встроенная защита от сверхтока, пропадания питания и перегрева микросхемы.

Крутящий момент и, как следствие, угловая скорость вала DC-мотора может регулироваться PWM (или PDM) сигналом на пинах IN1 и IN2.

У микросхемы DRV8870 наружу выходит всего 8 пинов

Внутри чипа четыре мощных высоко токовых N-канальных полевых транзистора, цифровая цепь управления затворами полевых транзисторов, датчик тока в обмотке, датчик температуры, компараторы. Это очень простой чип.

Существует оригинальная отладочная плата DRV8870EVM, EVALUATION MODULE DRV8870

Однако PCB от TI слишком дорогая. Поэкспериментировать с микросхемой DRV8870 можно и на отладочной плате DRV8870 High-power Dual-channel DC Motor, купить которую можно на Aliexpress.

Вот так подключается обвязка

Габариты модуля 48x30мм, по углам 4 отверстия диаметром 3мм.

В качестве управляющего микроконтроллера можно применить STM32F407VGT6 на миниатюрной плате DevEBox-STM32F4XX_M_V3.0

Программная часть

Правило управления чипом изложено в таблице 1. Два бита комбинаторно дают всего 4 режима работы.

Формально DRV8870 микросхема может работать в одном из этих четырех режимов. Вот они перед вами.

Понятно, что включать и выключать токи в H-мосте это не весело. Хочется не просто вертеть ось мотора, но и делать это с разной угловой скоростью. Тут обычно два варианта: либо модулировать sigma-delta сигнал либо модулировать PWM сигнал.

Настройка PWM на STM32

--Надо выбрать два пина и сконфигурировать их на альтернативную функцию GPIO, чтобы GPIO пины стали подключены к компараторам аппаратного таймера.

+-----+-------+--------+-------+------+------+-----+-----+------------+---------------+
| No  |  pad  |  mode  | level | dir  | pull |MuxS |MuxG |  connect2  |     name      |
+-----+-------+--------+-------+------+------+-----+-----+------------+---------------+
|   0 |  PE13 |   ALT1 |   L   | out  |  Air |   1 |   1 | IN1        |      TIM1_CH3 |
|   1 |  PE14 |   ALT1 |   L   | out  |  Air |   1 |   1 | IN2        |      TIM1_CH4 |
|   2 |   PA6 |   ALT1 |   L   | out  |  Air |   2 |   2 | IN1        |      TIM3_CH1 |
|   3 |   PA7 |   ALT1 |   L   | out  |  Air |   2 |   2 | IN2        |      TIM3_CH2 |
+-----+-------+--------+-------+------+------+-----+-----+------------+---------------+

--Активировать прерывания по таймерам

+------+--------------------------+------------+------+
|  irq |      name                |    Base    |prior |
+------+--------------------------+------------+------+
|   24 | TIM1_BRK_TIM9_IRQn       | 0x08009811 |   10 |
|   25 |  TIM1_UP_TIM10_IRQn      | 0x080097b5 |   10 |
|   26 |  TIM1_TRG_COM_TIM11_IRQn | 0x080097d9 |   10 |
|   27 |  TIM1_CC_IRQn            | 0x080097e5 |   10 |
|   28 |  TIM2_IRQn               | 0x080097f1 |   10 |
|   29 | TIM3_IRQn                | 0x080097fd |   10 |
+------+--------------------------+------------+------+

--Подать тактирование на аппаратные таймеры
--Выбрать источник тактирование для пред-делителя таймера
--Вычислить пред-делитель и период счета таймера
--Задать начальное значение счетчика таймера
--Активировать каналы сравнения
--Выбрать полярность срабатывания компаратора
--Выбрать режим PWM для компаратора таймера
--Задать значение компаратора для таймера. Регистр компаратора задает заполнение периода.
--Написать обработчик прерываний для аппаратного таймера

Суммируя вышесказанное, вот на таком наборе регистров у меня работал таймерный PWM. Кому интересно можно полностью восстановить режим работы сверив значения регистров с детализацией в спеке refference manual на STM32F407xx

TIMER1
I,[Timer] Base:0x40010000,Cnt:20
+-----+--------------------+-------+------+------------+------------+-------------------------------------------+
|  N  |        Name        |offset | size |    Addr    |   ValHex   |                  ValBin                   |
+-----+--------------------+-------+------+------------+------------+-------------------------------------------+
|   1 |           TIMx_CR1 | 0x000 |    0 | 0x40010000 | 0x00000081 | 0b    00000000_00000000_00000000_10000001 |
|   2 |           TIMx_CR2 | 0x004 |    4 | 0x40010004 | 0x00007000 | 0b    00000000_00000000_01110000_00000000 |
|   3 |          TIMx_SMCR | 0x008 |    4 | 0x40010008 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|   4 |          TIMx_DIER | 0x00c |    4 | 0x4001000c | 0x00000019 | 0b    00000000_00000000_00000000_00011001 |
|   5 |            TIMx_SR | 0x010 |    4 | 0x40010010 | 0x00000006 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000110 |
|   6 |           TIMx_EGR | 0x014 |    4 | 0x40010014 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|   7 |         TIMx_CCMR1 | 0x018 |    4 | 0x40010018 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|   8 |         TIMx_CCMR2 | 0x01c |    4 | 0x4001001c | 0x00006c6c | 0b    00000000_00000000_01101100_01101100 |
|   9 |          TIMx_CCER | 0x020 |    4 | 0x40010020 | 0x00001100 | 0b    00000000_00000000_00010001_00000000 |
|  10 |           TIMx_CNT | 0x024 |    4 | 0x40010024 | 0x00003196 | 0b    00000000_00000000_00110001_10010110 |
|  11 |           TIMx_PSC | 0x028 |    4 | 0x40010028 | 0x00000004 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000100 |
|  12 |           TIMx_ARR | 0x02c |    4 | 0x4001002c | 0x0000ee00 | 0b    00000000_00000000_11101110_00000000 |
|  13 |           TIMx_RCR | 0x030 |    4 | 0x40010030 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|  14 |          TIMx_CCR1 | 0x034 |    4 | 0x40010034 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|  15 |          TIMx_CCR2 | 0x038 |    4 | 0x40010038 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|  16 |          TIMx_CCR3 | 0x03c |    4 | 0x4001003c | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|  17 |          TIMx_CCR4 | 0x040 |    4 | 0x40010040 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|  18 |          TIMx_BDTR | 0x044 |    4 | 0x40010044 | 0x00008000 | 0b    00000000_00000000_10000000_00000000 |
|  19 |           TIMx_DCR | 0x048 |    4 | 0x40010048 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|  20 |          TIMx_DMAR | 0x04c |    4 | 0x4001004c | 0x00000081 | 0b    00000000_00000000_00000000_10000001 |
+-----+--------------------+-------+------+------------+------------+-------------------------------------------+


-->tdrr 3
TIMER3
I,[Timer] Base:0x40000400,Cnt:20
+-----+--------------------+-------+------+------------+------------+-------------------------------------------+
|  N  |        Name        |offset | size |    Addr    |   ValHex   |                  ValBin                   |
+-----+--------------------+-------+------+------------+------------+-------------------------------------------+
|   1 |           TIMx_CR1 | 0x000 |    0 | 0x40000400 | 0x00000081 | 0b    00000000_00000000_00000000_10000001 |
|   2 |           TIMx_CR2 | 0x004 |    4 | 0x40000404 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|   3 |          TIMx_SMCR | 0x008 |    4 | 0x40000408 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|   4 |          TIMx_DIER | 0x00c |    4 | 0x4000040c | 0x00000007 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000111 |
|   5 |            TIMx_SR | 0x010 |    4 | 0x40000410 | 0x00000018 | 0b    00000000_00000000_00000000_00011000 |
|   6 |           TIMx_EGR | 0x014 |    4 | 0x40000414 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|   7 |         TIMx_CCMR1 | 0x018 |    4 | 0x40000418 | 0x00006c6c | 0b    00000000_00000000_01101100_01101100 |
|   8 |         TIMx_CCMR2 | 0x01c |    4 | 0x4000041c | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|   9 |          TIMx_CCER | 0x020 |    4 | 0x40000420 | 0x00000011 | 0b    00000000_00000000_00000000_00010001 |
|  10 |           TIMx_CNT | 0x024 |    4 | 0x40000424 | 0x0000571d | 0b    00000000_00000000_01010111_00011101 |
|  11 |           TIMx_PSC | 0x028 |    4 | 0x40000428 | 0x00000002 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000010 |
|  12 |           TIMx_ARR | 0x02c |    4 | 0x4000042c | 0x00007100 | 0b    00000000_00000000_01110001_00000000 |
|  13 |           TIMx_RCR | 0x030 |    4 | 0x40000430 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|  14 |          TIMx_CCR1 | 0x034 |    4 | 0x40000434 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|  15 |          TIMx_CCR2 | 0x038 |    4 | 0x40000438 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|  16 |          TIMx_CCR3 | 0x03c |    4 | 0x4000043c | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|  17 |          TIMx_CCR4 | 0x040 |    4 | 0x40000440 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|  18 |          TIMx_BDTR | 0x044 |    4 | 0x40000444 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|  19 |           TIMx_DCR | 0x048 |    4 | 0x40000448 | 0x00000000 | 0b    00000000_00000000_00000000_00000000 |
|  20 |          TIMx_DMAR | 0x04c |    4 | 0x4000044c | 0x00000081 | 0b    00000000_00000000_00000000_10000001 |
+-----+--------------------+-------+------+------------+------------+-------------------------------------------+

Достоинства DRV8870

++Дешевизна IC DRV8870. Цена 39 RUR за чип. Это ни о чем.
++Полностью интегрированное решение. H-мост упакован внутри самой микросхемы.

Недостатки DRV8870

--Нет SPI регистров, чтобы читать состояние чипа (события перегрева или сверхтока).
--Нет режима проверки факта оторванной нагрузки в H-мосте
--Сомнительная надежность. Из двух купленных модулей DRV8870 заработало только полтора. На одном модуле H-мост крутился только в одну сторону.

Что можно улучшить?

Как вариант, можно попробовать управлять током в обмотках не классическим PWM сигналом, а PDM сигналом. Или, говоря правильно, delta-sigma модуляцией. Там тоже заполнение увеличивается при увеличении входного сигнала.

Однако аппаратных генераторов Sigma-Delta сигналов в MCU не бывает, и расчет PDM придется делать чисто программно, а это требует частых прерываний и вычислений внутри ISR.

Идеи проектов на основе IC DRV8870

++Если к DRV8870 подключить соленоид и поочередно пускать ток через катушку, то в одном направлении, то в другом уменьшая при этом амплитуду PWM сигналом, то можно сделать прибор для размагничивания отверток, свёрел, болтов, винтиков, наручных часов, шестигранников, насадок для шуруповертов и прочих мелких металлических предметов.
Аналогично пуская постоянный ток можно напротив до разной степени намагничивать инструменты, чтобы отвёртки могли подхватывать мелкие метизы при сборке механических изделий всяческих агрегатов.
++Можно использовать IC, как строго заданного источник тока в системе управления с обратной связью.
++Можно управлять тяговым мотором в игрушечной радио управляемой машинке.
++Можно раскручивать маховики для стабилизации CubeSat-ов
++Электромагнит
++Драйвер бензонасоса, дворников, поворотники зеркал и т. п.
++LED драйвер

Итоги

Удалось научиться крутить DC мотор через микросхему драйвер DRV8870. Прошивку можно скачать тут.

Словарь

Ссылки

Вопросы

• Существуют ли российские микросхемы полностью интегрированных драйверов H-мостов? КР1128КТ4, КР1128КТ3А

• Существуют ли микроконтроллеры, которые генерируют sigma-delta модулированный сигнал (PDM)? Это позволило бы более плавно управлять токами в обмотках мотора и LED нежели в случае с PWM.