‌基于STEVAL-PTOOL4A评估板的BLDC/PMSM电机控制技术解析‌

STMicroelectronics STEVAL-PTOOL4A BLDC/PMSM评估板是一款紧凑型系统，设计用于控制手持式电池供电工具等应用中的无刷直流 (BLDC) 或永磁同步电机 (PMSM)。它可在节气门等标准输入组上工作，以控制电机扭矩/速度并提供高达250W的电力。该板可连接到合适的21V/250W电动工具电机。可通过散热片或空气循环布置提供更多峰值功率，以实现更好的功率耗散。

数据手册：*附件：STMicroelectronics STEVAL-PTOOL4A BLDC，PMSM评估板数据手册.pdf

该参考设计非常适合用于高性能电机控制，以实现诸如钻机、研磨机、光盘切割机、圆形锯、叶片鼓风机、手持式割草机等电动工具。该器件外形小巧，计算能力充足，因此非常适合用于无人机、轮椅、家用电器、电动自行车和机器人平台等应用。

STMicroelectronics STEVAL-PTOOL4A包括一个高性能STM32G473CE MCU，具有集成外设，特别优化用于通过三个半桥栅极驱动器STDRIVE101控制三相全桥转换器的电机控制应用。该MCU具有多个ADC外设，可同时对电机相电流和反向EMF电压进行采样。

该板可以利用MCSDK库为具有可配置性的六步或高性能FOC算法提供选项。

特性

• 输入电压范围：12V DC至28V DC（标称值21V）
• 输出RMS电流高达20A
• 具有功能丰富的STM32电机控制生态系统，用于永磁同步电机(PMSM)、无刷直流电机(BLDC)
  • 通过电机控制库(MCSDK)、相关GUI和profiler实现广泛的可配置性
  • 无传感器三分流或单分流矢量磁场定向控制 (FOC) 算法（默认）
  • 适用于ST的高性能STM32 ZeST（零速全扭矩）算法，可根据要求提供
  • 无传感器或有传感器六步算法选项
  • 调整驱动动态
  • 开关频率等操作参数的选择
  • 标称和故障条件下的其他参数值，例如过电流阈值
  • 扭矩或速度模式运行
  • 全面保护，具有过流保护、欠压锁定和热保护功能
  • 还提供ST board designer的配置示例以及JSON文件
• 各种连接和用户控制选项
  • 串行线调试 (SWD) 端口，用于调试/编程
  • 通信接口，用于SPI、UART、CAN/I^2^C引脚
  • 用于按钮和微调器以及一个板载按钮开关的连接器
• 故障、状态LED和外部LED接口，用于照明
• 可通过子卡进行增强
  • 用于安装子板的连接器，例如MEMS传感器板或存储器
  • 连接器，用于通过更换直流-直流转换器增加输入电压范围
• 板上测试焊盘区域，用于监控重要信号或DAC输出进行调试
• 硬件特性可实现高效电机控制选项
  • 独立ADC，用于通过分流器进行三相电流检测
  • 三个ADC通道，用于反向EMF检测
  • 总线电压检测
  • 通过栅极驱动实现硬件过流保护
  • 温度传感选项
  • 数字霍尔传感器或编码器输入选项
  • 安装散热片选项

示意图

基于STEVAL-PTOOL4A评估板的BLDC/PMSM电机控制技术解析‌

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‌一、核心硬件架构与设计亮点‌

STEVAL-PTOOL4A评估板是STMicroelectronics针对电池供电工具（如电动钻、角磨机等）设计的BLDC/PMSM电机控制解决方案，其硬件设计体现了高性能与集成化的平衡：

1. ‌主控单元‌
   • ‌STM32G473CET6 MCU‌：搭载170MHz Arm Cortex-M4内核，内置数学加速器（CORDIC+FMAC）和电机专用PWM定时器，支持实时电流采样与FOC算法。
   • ‌STDRIVE101栅极驱动器‌：集成三路半桥驱动与内置稳压器，简化功率级设计。
2. ‌功率拓扑‌
   • ‌STL220N6F7 MOSFET‌：60V/120A N沟道器件，导通电阻仅0.0012Ω，采用PowerFLAT 5x6封装优化散热。
   • ‌三电阻电流采样‌：通过0.1%精度分流电阻（3mΩ/3W）配合TSV912运算放大器实现高精度相电流检测。
3. ‌电源管理‌
   • ‌L6981NDR同步降压转换器‌：支持38V输入，为MCU及外围提供5V/1.5A供电。
   • ‌LDL112 LDO‌：1.2A低静态电流稳压器，具备反向电流保护功能。

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‌二、关键控制算法与软件生态‌

评估板依托STM32 Motor Control SDK（MCSDK）提供丰富的控制选项：

• ‌算法支持‌
  • 默认配置为无感FOC（三电阻/单电阻），支持ST专利ZeST零速满转矩算法。
  • 可选六步方波控制，兼容霍尔传感器或编码器反馈。
• ‌动态调参‌
  通过GUI可实时调整开关频率、过流阈值、速度/转矩模式等参数，支持JSON配置文件导入导出。

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‌三、典型应用场景与性能边界‌

1. ‌功率范围‌
   • 标称21V输入下持续输出20A RMS（约250W），加装散热器可提升至短时峰值功率。
   • 适用于无人机、电动轮椅等需高功率密度场景。
2. ‌扩展接口‌
   • 预留子板连接器（如MEMS传感器、存储器扩展）。
   • 支持CAN/UART/I2C通信，便于集成到工业控制系统。

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‌四、设计优化建议‌

1. ‌热管理‌
   持续大电流运行时需关注MOSFET结温，建议通过热仿真优化PCB布局或强制风冷。
2. ‌EMI抑制‌
   • 栅极驱动电阻（如22Ω）与门极-源极电容（220nF）需严格按手册推荐值选型。
   • 反向并联STPS0560Z肖特基二极管抑制开关振铃。
3. ‌调试支持‌
   • 利用板载测试点监测BEMF电压或DAC输出。
   • SWD调试接口支持实时观测PWM波形。