وحدة التحكم في محول الطاقة: التطوير والتجميع

ليس سرا أن المحولات الحديثة المتطورة ، على سبيل المثال ، UPS عبر الإنترنت ، تعمل تحت سيطرة DSP / MK أو ASIC. إن الموردين الرئيسيين لأجهزة DSP لإلكترونيات الطاقة هما شركتان - Texas Instruments و Infineon ، ولكننا سنركز اليوم على منتجات STMicroelectronics - سلسلة STM32F334. تم تصميم خط MK هذا للتحكم في المحرك الكهربائي وبناء محولات الطاقة: PFC ، العاكسون ، تحويل إمدادات الطاقة ، UPS وغيرها.

بالطبع ، لا يمكن لسلسلة F334 تحمل "قوة" الحلول الشائعة مثل TMS320F28335 وغيرها ، ولكن لها ميزة واحدة مهمة - التكلفة. يكلف الحجر الأكبر STM32F334R8T6 5 دولارات ، وعلى متنه المجموعة الضرورية من الأجهزة الطرفية (HRPWM ، ADC ، والمقارنات) والأداء لبناء محولات قوية بما فيه الكفاية (عشرات كيلووات) مع موثوقية جيدة ومقاومة للفشل.

بالنسبة لمطور الإلكترونيات ، فإن النظام البيئي حول DSP / MK الذي يعمل معه مهم: التوثيق ، وأدوات التصحيح ، وأمثلة التعليمات البرمجية والأجهزة. TI لديها كل هذا ، نعم - إنها باهظة الثمن ، نعم - من الصعب شراؤها ، ولكن هذا هو السبب في أن معظم الحلول الحديثة في مجال القيادة الكهربائية وتكلفة الطاقة TMS320. تجاهلت شركة ST لسبب ما سلسلة F334 ، على الرغم من وجود وثائق ذات نوعية جيدة مثل أي STM32 ، ولكن لا توجد أمثلة على الأجهزة مع كود كامل ولوحات تصحيح (لا تعتبر لعبة F3348-Disco). حسنًا - سنقوم بتصحيح هذا العيب.

في مقالتي الأخيرة ، تحدثت عن "مجموعة أدوات المطورين" الخاصة بمشروعي وحتى أنني أوضحت أحد المكونات - وحدة الطاقة. اليوم سأتحدث عن الوحدة الثانية (سيكون هناك 3 في المجموع) التي تسمح لك بتنفيذ أي طبولوجيا المحول وفي نفس الوقت تكلف أرخص عدة مرات من المنافسين. المشروع ، بالطبع ، مفتوح ويمكن العثور على جميع أكواد المصدر في نهاية هذه المقالة.

فكرة

أنا بعيد جدًا عن أول من يفكر في استخدام وحدة نمطية عالمية يمكنك على أساسها بناء محولات مختلفة مع متغيرات مختلفة من الطوبولوجيا. يتيح لك هذا النهج أن يكون لديك لوحة واحدة لجميع المناسبات ، والأهم من ذلك - لتقليل كمية التعليمات البرمجية ، لأن الوحدة هي نفسها ، بمجرد تكوينها ونسيانها.

دعنا الآن نرى بعض الأمثلة على كيفية تطبيق الأشخاص / الشركات الآخرين لهذه الفكرة بالفعل. سأعطي مثالين فقط:

• بطاقة التحكم TMS320F28379D - تكلف 160 دولار. النظام البيئي ممتاز ، هناك أنظمة تصحيح لذلك ، ولكن الثمن ... إنه صغير إذا كنت تعمل في مركز R&D مزدهر ، وإذا قررت بناء UPS لنفسك أو العمل في شركة أسهل؟ نعم ، وحرق الوحدة مقابل 160 دولارًا ، يبدو لي أن الجميع سيكونون آسفين ؛
• VectorCARD K1921VK01T هو حل ممتاز ، والناس في معهد البحوث والمجمع الصناعي العسكري يفرحون بالحجر المحلي ، هناك مجمع تصحيح في شكل chastotnik ، تناظري (دبوس إلى دبوس) مع وحدة من ti ، لكن السعر هو 19000 روبل. بالنسبة للمجمع الصناعي الصناعي والعسكري الصناعي القاسي ، فهو رخيص ، ولكن ليس كثيرًا بالنسبة للبقية.

وهكذا ، ماذا أردت أن أفعل نتيجة لذلك ... وحدة يمكن استخدامها كأداة لتصحيح الأخطاء ومكون في سلسلة صغيرة. من هنا عدد من المتطلبات التي تراكمت لدي:

• وجود HRPWM و ADC سريع
• RS-485 على متن الطائرة
• UART مع الإخراج لعرض الموصل (متوافق مع Nextion)
• تنفيذ حماية الأجهزة على المنطق
• قوة 12 فولت لاستخدام وحدة AC / DC واحدة إلى 12V لكل من "الدماغ" ومحركات قسم الطاقة
• التكلفة أقل 3 مرات على الأقل من تكلفة بطاقة التحكم TMS320F28379D ، أي 50 دولارًا كحد أقصى
• إدخال جهاز استشعار درجة الحرارة للرادياتير
• زوجان من GPIOs ، على سبيل المثال ، سحب التتابع
• إدخال وإخراج إشارات التزامن بحيث يمكن لأجهزة متعددة العمل بالتوازي

ونتيجة لذلك ، حصلنا على مثل هذا المخطط الهيكلي:



وتجدر الإشارة على الفور إلى أنني تمكنت أيضًا من تقليل تكلفة الوحدة بشكل ملحوظ. لقد طلبت مكونات لـ 5 لوحات ، حيث تكلف المكونات حوالي 70 دولارًا ، أي 14 دولارًا / وحدة. هنا الحقيقة خدعة - هذه هي تكلفة جميع المكونات ، ولكن بدون لوحة الدوائر المطبوعة. الحساب بسيط: طلب 5 ألواح في 4 طبقات يكلف 80-100 دولارًا ، أي 14-20 دولارًا آخر لكل وحدة ، هل توافق على عدم الانسانية؟ مع كمية 100 قطعة ، تبلغ تكلفة اللوحة بالفعل 1.5 دولار / قطعة ، لذلك في المستقبل المنظور ، أخطط لطلب 100-200 لوحة (سأرى كيف ستصبح أرخص) وأولئك الذين يرغبون سيكون لديهم الفرصة لشراء لوحات أرخص عدة مرات من 14 دولارًا. أولئك الذين يحتاجون إلى 20-30 لوحة أو 100 دولار لا يزعجك ، يمكنك بالفعل طلبها بنفسك ، حيث سيكون هناك gerberas معدة أيضًا.

التنمية

لا يوجد شيء معقد وغير مفهوم في دارات الوحدة ، في البداية أقترح عليك فتح مخطط الدائرة بحيث تفهم ما يدور حوله وسأتحدث عن كيف تحول مخطط الكتلة أعلاه إلى حل جاهز. يمكنك تنزيل الرسم البياني هنا - PDF .

• تحتوي الوحدة على "موصل رئيسي" واحد ، حيث يتم توصيل مصدر طاقة بجهد 12 فولت ، واثنين من وحدات GPIO ، و UART إضافي (فجأة تريد ربط ESP) ، و RS-485 ومدخل / خرج للأجهزة المتزامنة بـ 12 دبابيس ؛
• هناك 5 قنوات ، كلها متشابهة تمامًا. يتم إخراج زوج PWM (HRPWM) عالي النتيجة ، والذي يسمح لك بالتحكم في نصف الجسر ، لكل قناة. هناك أيضًا قناتان ADC لتنفيذ التغذية المرتدة الحالية والجهد والكرز على الكعكة - إدخال خطأ (خطأ). على سبيل المثال ، لديك دائرة كهربائية قصيرة في وحدة الطاقة ، كشف المقارن عن فائض من التيار وأصدر سجلًا. 1 كعلامة على وقوع حادث ، لذا فإن تغذية "1" لهذا الإدخال يقاطع تشغيل الجهاز ؛
• تنتقل إشارة الخطأ من إدخال الخطأ إلى مكانين: إلى إدخال BKIN الخاص بالمتحكم الدقيق ومن خلال العاكس إلى إدخال عنصر المنطق AND. يعد إدخال BKIN أيضًا حماية للأجهزة وسيوقف تشغيل PWM حتى إذا توقف MK ، لكنني أردت تشغيله بأمان وأضف مزيدًا من المنطق حتى يكسر الإشارة بالتأكيد ؛
• في الوحدة ، يعرض موصل CWF-4 منفصل واجهة SWD لتصحيح الأخطاء بشكل مناسب ، بالإضافة إلى UART والطاقة لتوصيل الشاشة أو الاتصال بوحدات أخرى بالموصل الثاني. أصبحت شاشات العرض التالية شائعة الآن ، لذلك تم تصميم الموصل الخاص بها وأقوم أيضًا بعمل لوحة HMI باستخدام طريقة اتصال مماثلة (UART ، + 5D ، GND) ؛
• تحتوي اللوحة على PHY لواجهة RS485 مع مقاومة إنهاء وحماية ESD. وقع الاختيار على هذه الواجهة لأنها في أي مكان ، لأنها معيار الصناعة. على سبيل المثال ، تريد الجمع بين محول التيار الكهربائي ومحرك الديزل وسيكون من السهل إرسال / استقبال الأوامر. نعم ، وفي أي PLC لديه RS485 أيضًا ؛
• لقد قمت أيضًا بتثبيت ذاكرة صغيرة غير متغيرة لتخزين الإعدادات أو أي شيء آخر مفيد.

تحول مخطط الرسم البياني هذا في النهاية إلى لوحة دائرة مطبوعة من 4 طبقات بقياس 115x40 ملم. من حيث المبدأ ، يمكنك تربية نسختك في طبقتين ، لكن الأبعاد ستنمو. كان من المهم بالنسبة لي الحصول على عرض لا يزيد عن 40 مم ، لذلك بعد التثبيت في موصلات PBD ، كان الارتفاع الإجمالي 47-50 مم - كان حجم المكثفات الإلكتروليتية 35x50 مم. تبدو اللوحة كما يلي:



لسوء الحظ ، عندما طلبت الألواح ، بدلاً من قناع أسود أشرت إلى قناع أخضر - الفشل الرئيسي في هذه المراجعة)) من لم يفهم كيف تم إدخال الوحدة ، أقترح البحث هنا:




في الصورة الأولى ، يمكنك أيضًا ملاحظة لوحة معينة مع مجموعة من الموصلات وخاصة بدون مكونات. هذا شيء يشبه "اللوحة الأم" للحصول على نماذج أولية أكثر ملاءمة. توزع موصلات BH-10 (IDC-10) نفس 5 قنوات تحكم + يتم عرض واجهات الاتصال على كتل المحطة الطرفية ويتم تثبيت موصل الطاقة. كل هذا يسمح لك بعدم زراعة مجموعة من الأسلاك. تم طلب "اللوحات الأم" بشكل منفصل ، لذا ستأتي بعد ذلك بقليل وبعد التحقق سيكون هناك مصادر متاحة.

الجمعية

أما بالنسبة للوحدة السابقة ، فقد تم طلب PCBs من PCBway ، وتم تزويد اللاعبين بألواح مجانية واستنسل آخر. قام الأخير بتبسيط حياتي بشكل كبير ووفّر الوقت ، وتم تجميع 5 لوحات تحتوي على أكثر من 200 مكون في كل ساعة في ساعة واحدة. بعد أسبوعين من الطلب ، جلب لي حاملو البريد مثل هذا السحر:




نعم ، لم أغير القناع في شكل الطلب ، ولكن يبدو أنني أشعر بأنني مذهب ، وكان المقبض مطليًا بالذهب الغامر حتى لا أكون حزينًا. هذا ليس بالغ الأهمية لمهمتي ، ولكن نظرًا للطابع الاستوائي الممتاز ، يتم تطبيق عجينة اللحام بشكل متساوٍ ولا تؤدي المكونات إلى الجوانب ، حتى إذا لم يكن الملف الحراري الحراري للفرن مثاليًا.

تم طلب الاستنسل بإطار من الألمنيوم ، مثل لدي طابعة شاشة ، ولكن بدون إطار لا يمكن إصلاحها هناك. إذا لم يكن لديك طابعة ، اطلب بدون حدود: يمكنك تطبيق اللصق (تستغرق دقيقتين أطول) مع توفير المال ، لأن يزن الاستنسل بدون إطار حوالي 400 جرام ، وإطار 1.8 كجم. بسبب هذا الوزن ، ستستلمه على الفور عن طريق البريد السريع ، مثل لا يحتوي البريد على أكثر من 2 كجم ، فقط EMS وسيتعين عليك دفع 30-40 دولارًا إضافيًا ، لذا ضع في اعتبارك. يبدو الاستنسل نفسه كما يلي:



الآن تحتاج إلى تثبيت اللوحة في الطابعة وتطبيق المعجون. إليك بعض النصائح. أولاً ، إذا كنت تأخذ معجونًا على aliexpress ، فإن 500 غ فقط من العلب ، هي من أفضل نوعية فيها (على ما يبدو أنها تخزنها بشكل صحيح). ثانيًا ، احتفظ بالمعجون في الثلاجة. ثالثًا ، بعد استخدام الاستنسل ، تأكد من غسله من المعجون ، وستعمل إسفنجة عادية وقطرة من المنظف (الجنيات الأفضل) على عجائب ، ثم جفف الاستنسل ولفه في فيلم التشبث بعد التجفيف إذا لم تستخدمه لأكثر من أسبوع. ضع العجينة على السبورة:



بعد التطبيق ، نحصل على قطعة العمل التالية:



في هذه المرحلة ، ألعبها بشكل آمن: أزيل اللصق لهيكل LQFP-64 تحت متحكم متحكم STM32F334R8T6. والحقيقة هي أنني أستطيع أن أفسد نظام الطاقة في مكان ما وهناك فرصة أن يحصل +12 فولت على MK وحرقه ، لكنني لا أريد تدمير الأحجار مقابل 5 دولارات. لذلك ، أحمل كل شيء في هذه المرحلة ، باستثناء وحدة التحكم الدقيقة والموصلات والجرس. سأقوم بتثبيتها يدويًا بالفعل بعد التحقق من الفولتية + 3.3 فولت و + 5 فولت. الآن المرحلة الأكثر مملة هي تثبيت المكونات ، لكنني أخطط لشراء آلة اختيار المكان قريبًا ، وسأشرب القهوة فقط))



يتم تثبيت المكونات والآن نرسلها إلى الفرن:



الآن يبقى للتحقق من مستويات الجهد عند الإخراج dc / dc وإذا كان كل شيء طبيعي ، فقم بلحام المكونات المتبقية بمكواة لحام / مجفف ، واذهب لغسل اللوحة من بقايا التدفق واحصل على هذه النتيجة:



نقوم بتوصيل مبرمج ، على سبيل المثال ، صافرة صيني st-link ، لكني أنصحك بشدة بشراء st-link v.2-ISOL مع عزل كلفاني. كل شيء يشبه تمامًا المشرفين الذين لديهم نسخ احتياطية: "لقد أحرق بعضهم بالفعل جهاز كمبيوتر محمول وبدأوا في استخدام العوازل ، بينما لم يبدأ البعض الآخر بعد في استخدام العوازل . " إذا كان ثمن السعر على st-link الأصلي يخيفك ، أي خيار الشراء جنبًا إلى جنب مع صافرة الصينية ووحدة العازل على Ali ، فعادة ما يتم تنفيذها على ADuM-ah. لكي لا أتعذب مع الدبوس عند توصيل المصحح ، قمت بعمل سلك لتوصيل هذه الوحدات المعينة ، والآن لا يمكنني بالتأكيد ارتكاب خطأ عند الاتصال:



يبقى للتحقق مما إذا كانت الوحدة جاهزة للعمل ، وما إذا كانت MK مقروءة ، بحيث يمكنك البدء في كتابة التعليمات البرمجية بأمان. للقيام بذلك ، يمكنك تثبيت الأداة المساعدة STM32CubeProgrammer . نفتحه ، يجب تعريف مصحح الأخطاء الخاص بك ، إذا رأيت معرفه في الزاوية اليمنى العليا ، ثم انقر فوق اتصال وإذا تم تثبيت كل شيء بشكل صحيح ، فسوف نرى معرف وحدة التحكم الدقيقة ، النواة ، سلسلة من MK نفسها (لدي F334):



هذا كل شيء! الوحدة جاهزة للتشغيل والتطوير لمحولات مختلفة.

كود المصدر

• مخطط الدائرة - PDF
• قائمة المكونات (BOM) - Excel
• ملفات PCB Gerber - RAR
• مشروع مع pinout ل STM32CubeMX - IOC

الخلاصة

الآن هناك وحدتان للتطوير ، وهذا يكفي لتجميع المحول. بالطبع سيكون هناك وحدة ثالثة ، ولكن بدون HMI يمكنك العيش ، وأولئك الذين يرغبون في شراء التالى في جيوبهم. في المقالة التالية ، سيكون من الممكن بالفعل تجميع محول كامل ، لتحقيق منظمات P- و PI التي طلبوها بشدة في التعليقات. لتوضيح النتائج ، ستتمحور المقالات اللاحقة حول طبولوجيا محددة: تحليلها وحساباتها ونماذجها الأولية ورمزها ، وعلى الأرجح سأبدأ بالطبقات المعززة وتعزيزها ، كأبسطها وأكثرها شيوعًا.

أود أيضًا أن أشكر اللاعبين من PCBway الذين يساعدون في مجالس إدارة أي تعقيد بجودة ممتازة. بفضلهم ، فإن المشروع يتحرك بنشاط كبير وفي غضون شهرين تمكنت من القيام بما كان كسولًا للغاية لتنفيذ العامين الماضيين.



آمل أن تكون المقالة مثيرة للاهتمام بالنسبة لك ، إذا كان لديك أي أسئلة مقدمًا على طبولوجيا باك ، فيمكنك التعبير عنها في التعليقات أو PM ، وعندما أكتب المقالة التالية سأحاول الإجابة عليها وبالتالي جعل المادة أكثر فائدة.