Programmation de Microcontrôleurs STM32

Présentation du cours

• Le cours porte sur les actionneurs et l'automatisation appliquée (ESE_3745).
• Le conférencier est Nicolas Papazoglou, et son adresse email est [email protected].
• La date de la présentation est le 14 novembre 2021.

Organisation du cours

• Objectifs : Présenter fonctionnellement les différents types d'actionneurs électriques utilisables dans les applications industrielles embarquées.
• Contenu :
  • Différents types de machines électriques (courant continu, alternatif, pas à pas, etc.).
  • Principaux capteurs associés (mesure de courant, vitesse, position).
  • Modélisation des actionneurs électriques (machine, alimentation, capteurs et commande).
  • Réalisation d'un système de commande numérique directe et asservissement d'un actionneur électrique par micro-contrôleur STM32.
  • Travaux pratiques sur la commande numérique d'un moteur à courant continu avec asservissement.
• Moyens :
  • 14 heures de cours/TD
  • 12 heures de TP

Cible du cours : Machine à courant continu

• Description : Le cours se concentre sur les machines à courant continu.
• Équations : Les équations électriques d'une machine à courant continu sont présentées comme suit:
  • u(t) = Kw(t) + Ri(t)
  • C(t) = Ki(t)

Micro-contrôleur

• Objectifs : Explorer les capacités du microcontrôleur.
• Questions clés :
  • Quels périphériques sont nécessaires ?
  • Quelle capacité de calcul est requise ?
  • Comment interagir avec l'utilisateur ?

Micro-processeur

• Matériel : Le kit P-NUCLEO-IHM03, basé sur un microprocesseur STM32G431RB, avec le pilote STSPIN830 pour moteur triphasé.

STM32G431

• Connectivité : 1x USB 2.0 FS, jusqu'à 170 MHz, CAN-FD.
• Accélérateurs : ART Accelerator, 1x USB 2.0 FS, 16-bit advanced timer, 10-COM-SRAM, Math Accelerators, Filtering, Single Bank, 22-Kbyta SRAM.
• Timers...etc

Documentation

• La documentation est disponible sur le site de ST : https://www.st.com/.

STM32CubeIDE

• IDE : Développé par ST, incluant CubeMX, Librairie HAL et basé sur Eclipse.
• Caractéristiques : Compilateur et débogueur intégrés, disponible sur Windows, Mac OS et Linux.
• MOOC : Un MOOC (Massive Open Online Course) est proposé par ST sur STM32CubeIDE.

Timer, PWM, DMA et ADC

• Modules : Le cours couvre les modules Timer, PWM, DMA et ADC.
• PWM Mode : Le mode PWM permet de générer un signal à fréquence déterminée par le registre TIM ARR et un cycle actif déterminé par le registre TIM x CCR.

PWM commandé par un Timer

• Pour générer un signal PWM, il faut connaître:
  • Période de la PWM.
  • Résolution de la PWM.
  • Forme de la PWM (edge aligné ou centre aligné),
  • Mode Symétrique ou Asymétrique.
  • Fréquence de l'horloge du timer.
  • Choix de résolution du timer.

Servo-moteur

• Le contrôle des servo-moteurs est réalisé en mode PWM.

ADC par pooling

• L'acquisition par pooling est gérée par le microprocesseur (soft).
• Le processeur récupère les valeurs converties par l'ADC.
• Les fonctions HAL utilisées incluent: HAL_ADCEx_Calibration_Start, HAL_ADC_Start, HAL_ADC_Start_IT

ADC par interruption en fin d'acquisition

• Le microprocesseur (soft) déclenche l'acquisition par l'ADC.
• Une interruption est générée une fois l'acquisition terminée.
• Les fonctions HAL incluent: HAL_ADCEx_Calibration_Start, HAL_ADC_Start_IT, HAL_ADC_GetValue,HAL_ADC_ConvCpltCallback.

ADC par interruption avec DMA

• Le soft déclenche l'acquisition par l'ADC, les données sont transmises au DMA.
• Une interruption est générée une fois le buffer rempli par le DMA.
• Les fonctions HAL incluent: HAL_ADCEx_Calibration_Start, HAL_ADC_Start_DMA.

Déclenchement hardware (Timer) et interruption par le DMA

• Un timer génère l'acquisition par l'ADC.
• Les données sont transmises au DMA.
• Une interruption est générée une fois le buffer rempli.
• Les fonctions HAL incluent: HAL_ADCEx_Calibration_Start, HAL_ADC_Start_DMA, HAL_TIM_Base_Start.

DMA (Direct Memory Access)

• Le DMA est un mécanisme qui permet d'accéder directement à la mémoire vive sans passer par le processeur.

Paramètres DMA

• Direction : Périphérique vers mémoire, mémoire vers périphérique ou mémoire vers mémoire.
• Modes : Normal ou circulaire.
• Incrémentation d'adresse.
• Largeur des données : 8, 16 ou 32 bits.

ADC, pour aller plus loin

• Différents modes de conversion (mono-canal, mono-conversion, multi-canal, multi-conversion).

Autres paramètres ADC

• Temps d'acquisition et de conversion des données, horloge et pré-scalage.
• Modes de conversion (single ended, differential).

Moteur pas à pas

• Principe du moteur pas à pas unipolaire.
• Exemples de matériel: driver ULN2003, moteur pas à pas 28BYJ48. Vue interne d'un moteur pas à pas.
• 4 types de commande: Wave drive, Full step drive, Half step drive, Microstepping.

Commande du moteur pas à pas

• Différents types de signaux de commande pour moteur pas à pas (Wave drive, Full step drive, Half step drive et Microstepping).

Commande de MCC, hacheur et gestion des temps morts

• Principe du hacheur 4 quadrants.
• Contrôle de moteur synchrone.
• Schéma 3 phases du moteur (moteur synchrone).

PWM Edge et Center Aligned

• Graphiques illustrant les formes d'ondes PWM Edge aligné et PWM Center Aligné.

PWM Deadtime configuration

• Réglages du registre TIM_BDTR pour gérer le temps mort dans les commutations PWM.

Commande complémentaire décalée

• Commandes classiques et complémentaires décalées à différentes valeurs de alpha (0,5; 0,75; 0,875).

Capteurs des moteurs (Courant, Hall)

• Capteurs nécessaires pour l'asservissement des moteurs (courant, Hall, vitesse).
• Capteur à effet Hall pour la position d'un moteur synchrone.
• Capteurs numériques de moteurs (roue codeuse).

Objectifs et principe mécanique des capteurs

• Asservissement en vitesse ou en position
• Capteur optique pour éviter le couple résistif du moteur.
• principe mécanique des capteurs optiques de position et génération des signaux.

Signaux générés

• Caractéristiques des signaux générés par la roue codeuse.
• Signaux en quadrature de phase et leur similitude avec les signaux PWM.

Comment compter et décompter

• Deux cas pour compter: vitesses rapides et lentes.
• Utilisations de timer ou de mode d'interface encoder.
• Différents types de mode de comptage et remise à zéro du compteur(avec index, sans index).

Pour aller plus loin

• Mise en œuvre de l'asservissement avec un TP.
• BEMF (Back Electromotive Force).
• Outils de développement ST et diagrammes.

Calcul du champ magnétique résultant, flux magnétique et vitesse de rotation

• Comment calculer le champ magnétique résultant.
• Comment faire varier le flux magnétique continuellement.
• Comment faire varier la vitesse de rotation.

Régénération des phases sinusoïdales

• Régénération des 3 phases sinusoïdales pour le contrôle du moteur synchrone.
• Utilisation des Math Accelerators pour des calculs trigonométriques.
• Relation entre l'amplitude (rapport cyclique) et le couple du moteur.
• Accélération du moteur par changement de la fréquence des 3 phases associées