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Referenzdesign

Smarte Aktoren für Automatisierung, Roboter und Servorantriebe

19. Januar 2024, 7:36 Uhr | Iris Stroh

STMicroelectronics vereinfacht den Bau smarter Aktoren mit einem Edge-AI Motor-Drive-Referenzdesign, das auf dem intelligenten Dreiphasen-Motortreiber STSPIN32G4 basiert. Damit wird die Entwicklung von Systemen beschleunigt, die Motorsteuerung mit Echtzeitauswertung und IoT-Anbindung kombinieren.

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Das EVLSPIN32G4-ACT von STMicroelectronics vereint Innovation auf dem Gebiet der Motorsteuerungs-Systeme mit Informatik und ihren Anwendungen, um eine hohe Performance zu erreichen und nachhaltige Profitabilität zu gewährleisten. Das Board wird direkt an den Wireless Industrial Sensor Node STWIN.box (STEVAL-STWINBX1) von ST angeschlossen. Die in der STWIN.box enthaltenen Sensoren erfassen Informationen über den Status der Aktoreinheiten, während schnelle Datenaufzeichnungs-Funktionen bei der Realisierung fortschrittlicher Lösungen auf der Basis von Edge AI und Machine Learning helfen. Die Zusammenführung von Umgebungs- und Steuerungsdaten liefert den Systementwicklern exakte Angaben über das Verhalten der Applikation, hilft beim Einkreisen anormaler Zustände und befähigt datengetriebene Algorithmen dazu, bei der Fehlerbeseitigung und Performance-Optimierung zu helfen.

Der auf dem Board befindliche STSPIN32G4 kombiniert einen intelligenten Gatetreiber mit Power-Management-Funktionen und dem STM32G4-Mikrocontroller. Vorhanden ist außerdem eine Inverterstufe für Dreiphasen-Motoren bis 48 V und 5 A sowie Software zur Anbindung des Sensormoduls und zur Realisierung von Anwendungen. Das Kit unterstützt die Anwender beim Erstellen autonomer Mechanismen, die intelligent auf Ereignisse wie etwa Temperaturänderungen, den barometrischen Druck, Geräusche, Bewegungen oder Ultraschallsignale reagieren.

Mit dem Motortreiber STSPIN32G4 lassen sich IoT- und IIoT-Geräte kompakt und stromsparend realisieren. Zu den Anwendungen gehören Fabrik- und Gebäudeautomationssysteme, Servoantriebe und Roboter für den privaten und gewerblichen Einsatz. Der eingebaute Mikrocontroller des Typs STM32G431 enthält Peripherie zum Ansteuern von Dreiphasen-BLDC-Motoren, wie etwa vier ultraschnelle Komparatoren, drei Operationsverstärker und zwei Gruppen von hochentwickelten PWM-Timern und 12-Bit-ADCs. In den Baustein integriert sind ebenfalls Bootstrap-Dioden, ein Gleichspannungswandler und ein Low-Dropout-Regler, um die Versorgungsspannungen für Gatetreiber und MCU ohne externe Schaltungen aus der Motorspannung zu erzeugen.

Das EVLSPIN32G4-ACT eignet sich zum Ansteuern von Motoren mit Leistungen bis 250 W an 12 V, 24 V, 36 V oder 48 V. Übertemperatur-, Unterspannungs-, Überspannungs- und Überstrom-Schutzfunktionen sind eingebaut und helfen beim Erzielen eines minimalen Bauteileaufwands und kleiner Abmessungen. Die Anwender können zwischen Sechsschritt- und Vektorregelung (Field-Oriented Control, FOC), sensorbasierter oder sensorloser Erkennung der Rotorposition sowie Strommessung mit drei Shunt oder einem Shunt-Widerstand wählen.

Das STWIN.box-Modul kann ohne weitere Vorbereitung angeschlossen und in Betrieb genommen werden. Es enthält einen äußerst stromsparenden STM32U5-Mikrocontroller, Bluetooth-, Wi-Fi- und NFC-Transceiver sowie eine breite Palette industrieller MEMS-Sensoren von ST. Zu diesen Sensoren gehören ein 3-Achsen-Magnetometer und eine moderne industrielle IMU (Trägheitsmesseinheit) mit eingebauter AI-Funktionalität und MLC-Technologie (Machine-Learning Core), was zusammen Trägheitsmessungen mit 9 Freiheitsgraden ermöglicht. Hinzu kommen ein leistungsfähiger Beschleunigungssensor, ein digitaler 3-Achsen-Vibrationssensor mit 6 kHz Bandbreite und ein hochpräziser 2-Achsen-Neigungsmesser mit MLC. Zu den eingebauten Umgebungssensoren gehören ferner ein digitales Barometer und ein I²C/SMBus-Temperatursensor sowie digitale und analoge MEMS-Mikrofone zum Erfassen von Schall- bzw. Ultraschallsignalen.

Die Software umfasst eine Datenaufzeichnungs-Firmware mit zugehörigem Softwarepaket, eine Bluetooth-Low-Energy-Anwendung und ein Python Software Development Kit (SDK). Diese lassen sich für das Design von Edge-AI- und Machine-Learning-Lösungen problemlos in typische Informatik-Workflows integrieren. Der High-Speed-Datenlogger FP-IND-DATALOGMC unterstützt die Echtzeitüberwachung durch die Erfassung und Markierung von hochauflösenden, mit exakten Zeitangaben versehenen Datensätzen, die Daten von Motion-Control-Algorithmen mit jenen von externen Sensoren kombinieren.

Gestützt auf die beschriebenen Funktionalitäten und die komplette Support-Software, ermöglicht das Referenzdesign die Edge-AI-Nutzung in Bewegungssteuerungen mit einer Kombination aus Sensorik- und Dreiphasen-Motortreiber-Technologien von STMicroelectronics. Anwender können die künstliche Intelligenz näher an die Haupt-Bewegungssteuerung verlagern und Geräte realisieren, die über Intelligenz und Entscheidungsfähigkeiten verfügen. Dies wiederum ermöglicht eine zügigere und effizientere Datenverarbeitung und Aktorik in einem breiten Spektrum von Anwendungsfällen, zu denen die industrielle Automatisierungstechnik, intelligente Geräte sowie generell alle Applikationen gehören, die nach intelligenter Aktorik verlangen.

Das EVLSPIN32G4-ACT ist ab sofort auf st.com zum Preis von 149 Dollar erhältlich, während das Entwicklungs-Kit STEVAL-STWINBX1 für 122 Dollar angeboten wird.