Как лучше сделать многоканальный драйвер PWM (ШИМ) вентиляторов на базе STM32?

Question

[teleghost]

Приветствую вас, монстры-электронщики.

Детальное описание и полный перечень вопросов см. ниже, но основной вопрос задаю сразу: можно ли использовать один вход микроконтроллера STM32 и обычный 8-канальный мультиплексор типа CD4051B для тахометра (счётчика цифровых импульсов, идущих с частотой от 5Гц до 1000Гц)? Я желаю просто переключаться каждые 5-10 секунд между 8-ю сигналами вместо того, чтобы громоздить 8-канальный захват и подсчёт в самом микроконтроллере. Многоканальный ШИМ съедает довольно много периферии. Полагаю, лучше отделаться тремя-четырьмя ножками для управления мультиплексором (ну и входным измерительным таймером МК, конечно).

Постановка задачи
Построить 8-зонный контроллер охлаждения для мини-СХД, используя вентиляторы с ШИМ и обратной связью, например, Arctic Cooling F12 PWM CO (500-1500 об/мин). Если кто-то из уважаемых монстров не совсем в теме: эти вентиляторы управляются ШИМ (контакт №4), обратная связь (по фактическим оборотам) приходит импульсами (контакт №3, тахометр).

Более подробное описание
Используются термодатчики типа BMP180 (это I2C).
Добавляется SD-карточка для хранения потоковой телеметрии (это SPI) и часы реального времени для простановки меток (это ещё раз I2C). Ещё немного, и хоть в космос запускай (шутка).
Архитектура микроконтроллера - STM32F103 (что было под рукой).

Сделать 8-канальный ШИМ на STM32, как я понимаю, вообще не проблема (два таймера по четыре канала, несущая частота одинаковая). Но вот добавлять туда же 8-канальный тахометр как-то уже слишком жирно. Тем более, самое интересное при работе с STM32 начинается, когда изучаешь ERRATA SHEET, из которого выясняется, например, конфликт при работе I2C2 вместе с SPI2 и USART3 …
Попробовал найти I2C PWM-драйвер, но варианты для роботов типа PCA9685 имеют несущую частоту ШИМ порядка 1.6кГц, в то время как для вентиляторов рекомендовали уходить в область 20..100кГц во избежание ненужных акустических эффектов…

Вопросы
1) Можно ли использовать обычный 8-канальный мультиплексор типа CD4051B для подсчёта импульсов тахометра 5..1000Гц переключаясь по очереди, например, каждые 5 секунд? Может, взять другой мультиплексор?
2) Какая всё-таки частота ШИМ рекомендуется для гражданских вентиляторов? Кто-то говорит 20кГц, кто-то 100кГц, где истина?
3) Нужно ли подтягивать вверх выход тахометра в схеме с мультиплексором CD4051B? Если да, это ведь надо делать до мультиплексора, верно?
UPD
4) Я правильно понимаю, что у 4-проводных вентиляторов (в отличие от 3-проводных) возвратный сигнал "тахометра" никак не модулируется самим ШИМ-сигналом? Не хочется гоняться за своим собственным модуляционным хвостом, подобно собаке.

всем спасибо заранее

Answer 1

[Василий]

2) 25-35 кгц, можно было бы посмотреть с матплаты осциллографом, но мне лень, маленькая частотата шим - будет писк, большая - чуть больше потерь в транзисторе.
4) совершенно верно, можно избежать и в 3 пиновых с помощью доработки напильником.

Comments

[teleghost]

благодарю, полдела сделано:)

[Василий]

teleghost: ах да чуть не забыл, чем ниже частота шим тем проще с управлением вертушкой на экстремально низких частотах вращения порядка 600 об/с и ниже.

[Сергей Сапов]

Это такая фича у электронщиков? Говорить что он что-то может сделать, но ему лень. Часто такое встречаю.

[Василий]

softmart: это скорее такая форма мышления "вот примерный диапазон, если надо будет точно, то проверю" потому что в точном значении обычно нет необходимости.

[Сергей Сапов]

Василий: ну а выглядит со стороны это как гордыня. Мол я такой умный, но мне лень.

[teleghost]

softmart:
@Василий:
господа, брейк,
в конце-концов, это добровольное мероприятие:)
сходимся на 25кГц, я в других местах видел аналогичные рекомендации

[teleghost]

Василий: Василий, всё-таки если можно, прокомментируйте, пожалуйста, в чём нюанс управления на малых оборотах? На что именно влияют эти 10кГц несущей частоты ШИМ, как меняется поведение вентилятора? Начинает пульсировать скорость, появляются вибрации, неадекватно меняются обороты, что-то ещё? Спасибо

[Василий]

при большой частоте ШИМ просто не получается завести при малой скважности, импульсы становятся настолько короткими что двигатель на них не реагирует, проблема начинается у некоторых вентиляторов с 30% на 10% уже редкий вентилятор может работать при частоте шим 25кгц начинается весёлая игра, контроллер видит что обороты упали - поддаёт жару, вентилятор мгновенно повышает обороты, контроллер снижает скважность обороты падают и так по кругу, конечно это решаемо за счёт более хитрой обратной связи, при низких частотах ШИМ вентилятор уже начинает пищать, но за счёт большей длинны импульсов вентилятор лучше ведёт себя при низкой скважности. качественно 25 и 35 кгц одно и тоже.

[teleghost]

Василий: думаю, я понял идею: у разных вентиляторов разные ограничения на минимальную абсолютную длину импульса, при которой вентилятор вообще воспринимает ШИМ. Снизу несущую частоту также подпирает акустический барьер 20кГц, дальше, как я понимаю, начинается еле слышный писк.
Описанное явление гистерезиса, безусловно, заслуживает внимания в контроллере. Я уже думал на тему того, как избавиться от эффекта "качелей", пока придумал только длинный (порядка минут) интервал, в течение которого только критическое событие может заставить резко сменить обороты.
Посмотрев же на публикуемую скважно-оборотистую характеристику своего F12, я увидел, что остановить его на 12В, используя только ШИМ, вообще нельзя. Можно остановить, только снизив напругу с 12В до 9В и ШИМ 10%. Т.е. либо у F12 специально предусмотрена защита от останова, либо просто врёт график на сайте производителя. Но поскольку в 8-зонной системе не все вентиляторы всегда должны работать, я намерен просто использовать 8-канальное реле, управляемое по I2C, и глушить их таким образом. Посмотрим.
Ну а если всё-таки нужны сверхмалые обороты, полагаю, надо просто подбирать правильный вентилятор (в магазине, где покупал F12, видел селектор по оборотам). Обратил внимание, что чем дороже вентилятор, тем шире диапазон оборотов (смотрел на модели с ШИМ, естественно).

[Василий]

teleghost: у меня TY-143 любит поиграть в "качели" на низких оборотах благо, что не может быстро раскрутиться до максимальных оборотов, а вот боксовый амд до своих максимальных 6к раскручивается меньше чем за секунду, у него жёлтый провод имеет смысл использовать только для сигнализации(вдруг заклинит) и не обороты задавать от температуры, а скважность тогда качелей не будет.

Answer 2

[golf2109]

таймеры в STM32 аппаратно приспособлены для решения задач подсчета входных импульсов и использовать для этих целей тахометр в режиме мультиплексирования входов - неоправданное усложнение задачи

Comments

[teleghost]

отлично, но если я потрачу 8 каналов на ШИМ и захочу использовать ещё 1 канал таймера на что-то ещё, то останется всего 7 каналов (всего у меня 4 таймера по 4 канала, как я понимаю). Но тахометров надо минимум 8. А тут ещё I2C с SPI, они тоже ноги занимают. Или я неверно понял? Или речь о другой модификации STM32? спасибо

[golf2109]

У STM32F103 есть модификации с количеством выводов например до 144 у которых количество таймеров
до 14 штук. Для 8 тахометров надо 2 таймера. Для 8 ШИМов - еще 2 таймера. Выводы у STM32 с помощью ремапа можно переназначать, убирая проблемы, возникающие при многофункциональной нагрузке.

[teleghost]

golf2109: имею STM32F103C8T6 в такой обвязке:
s.aliexpress.com/zy2y6jMB
это далеко не максимальная система, но она дешёвая, и рынок затоварен ею, как туалетной бумагой. Порекомендуйте что-либо подобное по цене-доступности, если не сложно. Сам МК не обвязываю. Ещё раз спасибо

[golf2109]

а ничего более дешевого нет в природе для STM32, если важен вопрос стоимости, то признаю- решение с мультиплексированием самое оптимальное, единственная проблема с нехваткой выводов периферии для 48 ножечного корпуса (не все выводы таймеров будут выведены наружу)

[teleghost]

golf2109: благодарю, коллега! тут речь о двух прототипах (основной+дублёр), поэтому приходится идти ардуинским путём, но неся наперевес пулемёт STM32:) FYI мультиплексор всё-таки CD74HC4067. С помощью таблички в Excel и datasheet+errata, ноги вроде удалось растащить, но в этом корпусе всё действительно впритык, Вы правы. К тому же, как я понимаю, фирменные утилиты, которые это делают, не особо помогают (не всегда учитывают конфликты наподобие описанного I2C2+SPI2+USART3).

[golf2109]

насчет фирменных утилит - то в данном случае CubeMX очень существенно поможет в "растаскивании ног" - в ремапе выводов
i.piccy.info/i9/590f6a81d3b10424461fc9add7160560/1...

Answer 3

[Тимур Хасаншин]

1. Обойдемся без мультиплексоров, видел STM32 с 14 таймерами например.
2. Таймеры могут считать длительность сигнала на ноге. У некоторых таймеров по 4 канала, у некоторых по 2.
3. При одинаковом временном масштабе сигналов можно использовать по одному таймеру для подсчета сразу 4 (или 2) независимых сигналов.
4. На STM32F103RGT можно сделать хоть 24 независимых аппаратных ШИМа, не требующих прерываний, только что проверил в справочнике STM32CubeMX. С прерываниями - и того больше. Плюс ногодрыгом - и еще больше.
5. Возвратный сигнал тахометра не модулируется входным ШИМ сигналом, иначе зачем он нужен вообще.
6. Частота для ШИМа вентиляторов смотрится в документации на них, либо подбирается экспериментально, что не сложно и не занимает много времени.

Comments

[teleghost]

спасибо, Тимур

1. Можете показать на готовые, бюджетные обвязки стоимостью $20? А то я кроме STM32F103C8T6 не вижу ничего.
2. Да, в курсе.
3. Можно подробнее, м.б. ссылку?
4. Благодарю, но столько не надо:)
5. Ok, отлично. Как я понял, модуляция возникает, если колхозить 4-пиновый вентилятор из 3-пинового, а на фабричных изделиях такого эффекта нет.
6. Я вот в документации не нашёл, да и в этих делах не специалист, поэтому и пришёл туда, где есть живые инженеры-электронщики:)