Делаем ардуину из контроллера мотора самоката Xiaomi M365

Для начала позвольте пояснить, зачем козе потребовался баян.
Предположим, вам вдруг загорелось поиграть с программным обеспечением контроллера бесколлекторного мотора популярных нынче электровелосипедов и самокатов и сделать модное векторное управление (этой новинке, конечно, много десятков лет, но когда она появилась, с ее помощью крутили немного другие моторы).
Поковырявшись в интернете, вы обнаружили, что стая товарищей не так давно разработала для ардуины библиотеку SimpleFOC (field oriented control — то самое векторное управления), и теперь когда-то нетривиальную задачу кажный решить может, не заморачиваясь преобразованиями Парка и Кларка, и даже не задумываясь, что это такое и зачем это надь.

Но тут возникла засада — библиотеке требуется определенная конфигурация оборудования, с каким попало контроллером она работать не станет. Самым критичным оказывается наличие датчиков фазового тока на честных резисторах. Хотя бы для двух фаз.
У самых простых контроллеров есть только один общий датчик тока на все фазы — отпадают сразу.
Контроллер от гироскутера — неплохая вещь. Сначала делали один контроллер сразу на два двигателя, позднее появились версии с раздельными контроллерами. В интернетах ходят слухи, что на Таобао пару таких контроллеров можно купить за два доллара — хорошая сделка, но у меня с Таобао как-то не сложилось. На Али видел аналогичную пару контроллеров за 6 с копейками евро плюс 7 евро доставка.



Казалось бы куда уж дешевле и лучше — но контроллеры гироскутера имеют два фазовых канала измерения тока, а в качестве шунта используется сопротивление открытого транзистора. Теоретически этого достаточно для FOC, но SimpleFOC такую конфигурацию (пока?) не поддерживает. И в этой дешевой паре используется контроллер MM32SPIN05, который вроде как совместим по ногам с популярным STM32F103, но у него есть еще встроенные компараторы, если просто перепаять микроконтроллер на другой — каменный цветок не выйдет. А разбираться с программированием еще одного контроллера как-то лениво. Посему — ф топку.

Как-то попался контроллер для самоката M365, и у него реализовано что надо и что не надо, про него сейчас и расскажу.

При цене около 16 евро с доставкой — вполне терпимо. Самому собирать что-то аналогичное — дороже выйдет. А у этого контроллера есть все с избытком — контроль фазных токов и напряжений, входа для датчиков холла и два последовательных интерфейса, один из них, правда двунаправленный.
Кстати, если лень самому что-то делать — есть готовое программное обеспечение, то только для мотора M365.

Вот такая коробочка из алюминиевого сплава в роли теплоотвода, транзисторы изолированы от теплоотвода лавсаном — не самый хороший по теплопроводности материал. Прижаты они к теплоотводу крышкой из оргстекла через резиновую прокладку.


Разъем питания по виду похож на популярный XT60, но меньшего размера, видимо XT30.


Мотор подключается обычными плоскими контактами, остальные разъемы — с шагом 2мм. Как все соединяется в самокате — на рисунке ниже:


Назначение контактов разъемов:


Для того, чтобы народ не ставил какие попало батарейки, родная батарея Xiaomi оснащена последовательным интерфейсом, с чужой батареей самокат работать не будет — старый трюк, как заработать деньги на расходниках с задранными ценами.

Общий вид на плату с обеих сторон (кликабельно):



И принципиальная схема (обратите внимание — схема действительно лишь принципиальная, величины резисторов могут быть другими и непринципиальные компоненты я рисовать не стал):


Назначение выводов микропроцессора:


Схема для одной фазы — опять таки несущественные детали опущены:


Усилитель тока — один счетверенный операционник используется один для всех трех фаз, он прячется под большим электролитом.


Транзисторы — RU6888R, Shenzhen ruichips Semicon — 68V 88A 8mΩ@10V,35A. Сопротивление в открытом состоянии не самое маленькое, но вполне сойдет. Полумостовые драйверы затвора — LN4306, спецификация не нашлась, да и не суть важно — их не производит нынче только совсем ленивый. Самый дешевый, который мне удалось найти — это FD2103. У него только максимальное напряжение 180 вольт (у других значительно больше), но для батарейных моторов больше и не надо.

Питание спроектировано вполне аккуратно, благо в Китае сейчас производится множество дешевых понижающих преобразователей с входным напряжением 70...90 Вольт: XL7046, XL7005A и так далее. В данном случае, судя по схеме, использован SY8502 или что-то подобное, хотя надпись BDXCYG ни о чем не говорит.


На выходе преобразователя напряжение 12 Вольт, оно используется для питания драйверов затворов и понижается следующим преобразователем до 5 Вольт. А это напряжение уже разведено по всему самокату для питания прочей электроники и фонарей.


Опять таки то, что написано на микросхеме 5-вольтового преобразователя, ни о чем не говорит, давайте считать что это JW5062T — по параметрам и ножкам вроде как вполне подходящая микросхема.

И последний шаг — обычный LDO, который из 5 Вольт сделает 3.3 Вольта. Их такое превеликое множество, что разбираться какой именно использован просто бессмысленно.


Пишут, что в большинстве аналогичных контроллеров моторов используется STM32F103C8T6, но в моем оказался APM32F103CBT6 от Geehy (128KB FLASH 20KB RAM 2V~3.6V ARM-Cortex-M3 96MHz) — придется или с ним мучиться, или заменить его на STM32F103C8T6.


Без мучений ардуина все равно не получится — кварца, с которым работает ардуино, тут нет. Еще одна заметка — существует 2 различных варианта ардуино для STM32 — старый на базе библиотеки Mapple и на HAL. SimpleFOC на Mapple просто так работать не будет, переделок столько, что проще свою библиотеку написать.
Пробуем подключить ST-LINK через STM32 Cube Programmer. Контроллер читается, хотя защита установлена. Но при попытке считать Flash — облом, читаются одни нули. Значит, по крайней мере, защита не совместима с STM32, там бы просто ничего не читалось. При попытке снять защита память стирается, после этого считываются 0xFF.


Итак, родное программное обеспечения сдохло, можно с чистой совестью доламывать контроллер.

Для начала конфигурируем настройки ардуино — все видно на картинке. Обязательно указать, что у нас нет USB — тогда системный генератор будет генерировать код для работы со встроенным осциллятором.


Как раз к той ножке, куда подключается кварц, в нашей плате подключен светодиод. Но просто так он работать не станет — в реализации ардуино небольшой глюк, инициализируется встроенный генератор, а порт PD остается подключенным к генератору. Не беда — мы его легко переключим куда надо:

AFIO->MAPR |= AFIO_MAPR_PD01_REMAP;  

После этого светодиодик начинает моргать.


В программу добавлен код для управления кнопкой включения-выключения. При первом нажатии питание включается, при повторном — выключается. При экспериментах лучше не пытаться использовать питание микроконтроллера от программатора — велика вероятность, что благодаря куче катушек в преобразователях, микроконтроллер умрет. Единственное утешение — вы будете не первый, кто его убил таким образом. Так что используйте внешний источник питания вольт на 30, и установите ограничение тока миллиампер 20 — для экспериментов без подключения двигателя этого хватит. Ну и до кучи протестируем последовательные интерфейсы:

#define LED_BUILTIN PD1

HardwareSerial Serial1(PB7, PB6);
HardwareSerial Serial3(PB11, PB10);

void setup()
{
  AFIO->MAPR |= AFIO_MAPR_PD01_REMAP;  
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPDEN;
  GPIOD->CRL =  0x33;
  GPIOD->IDR=0;

  Serial3.begin(115200);
  Serial1.begin(115200);

  pinMode(PC14, INPUT);  
  pinMode(PC15, OUTPUT);
  digitalWrite(PC15, 1);
  while (digitalRead(PC14)==1);
}

void loop()
{
  GPIOD->BSRR = 2;   //digitalWrite(PD1, HIGH); 
  delay(500);      
  GPIOD->BRR = 2;  //digitalWrite(PD1, LOW);   
  delay(500); 
  Serial3.write('*');
  Serial1.write('#');  

  if(digitalRead(PC14)==1)
  {
    while (digitalRead(PC14)==1);
    digitalWrite(PC15, 0);   
  }
 
}

Использовать Arduino GUI вовсе не обязательно, в конце концов это программа для мазохистов. Все то же работает и в Platformio, ini файл выглядит так:

[env:genericSTM32F103CB]
platform = ststm32
board = genericSTM32F103CB
framework = arduino
upload_flags = -c set CPUTAPID 0x2ba01477  ; APM32

На сем позвольте откланяться, если ничего не спалю — продолжение будет (если кому-то это интересно).