STM32G4入门与电机控制实战-基于X-CUBE-MCSDK的无刷直流电机与永磁同步电机控制实现 课件 第八章

第八章

基于P-NUCLEO-IHM03套件的有感电机控制案例2024年6月26日无刷直流电机的有感方波控制案例12永磁同步电机的有感FOC控制案例概述本章基于P-NUCLEO-IHM03套件、57SW01无刷直流电机和ShinanoLA052-080E3NL1永磁同步电机，进行无刷直流电机和永磁同步电机的有感驱动实践。

共分为2个小节，每个小节为一个典型案例，每个案例都配有详细的步骤，带大家实现电机的进阶控制。具体内容包括：无刷直流电机的有感方波控制案例和永磁同步电机的有感FOC控制案例。无刷直流电机的有感方波控制案例01实验目标及条件（1）实验目标①了解电机的基本结构，熟悉BLDCM方波控制的基本原理。②基于BLDCM方波控制原理，结合前面学习的STM32G4的知识，实现对无刷直流电机的有感控制，利用开发板上的按钮实现电机的正反转，并且通过电位器来实现电机的调速功能。（2）实验条件①硬件平台：P-NUCLEO-IHM03套件、57SW01无刷直流电机②软件平台：STMotorControlSDK5.4STM32CubeMX（6.1.1版本及以上）Keil5（5.33版本及以上）57SW01无刷直流电机简介本节采用安装了霍尔传感器的57SW01无刷直流电机来进行案例搭建。电机具体参数如表8-1所示，接线颜色对应端子如表8-2所示。表8-157SW01电机具体参数表8-257SW01电机接线颜色对应端子说明参数数值相数3额定电压24V额定转速4000rpm额定转矩0.11Nm额定功率50W最大转矩0.35Nm转矩系数0.08Nm/A相电阻2.7Ω转动惯量7.5Kg.mm2长度56mm重量0.5KgUVW+5VHALLAHALLBHALLCGnd蓝白黄红蓝白黄黑控制信号以及端口属性选择本节采用安装了霍尔传感器的57SW01无刷直流电机来进行案例搭建。根据BLDCM六步方波控制原理，实现BLDCM的正反转及调速需要用到的信号有：1）INU、INV、INW：用于输出PWM波形2）ENU、ENV、ENW：使能STSPIN830芯片3）H1、H2、H3：HALL传感器信号接口4）ADC采样端口及按钮表8-3BLDCM实现正反转及调速用到的资源列表需要用到的信号对应MCU引脚端口属性INUPA8TIM1_CH1INVPA9TIM1_CH2INWPA10TIM1_CH3ENUPB13GPIO-OUTPUTENVPB14GPIO-OUTPUTENWPB15GPIO-OUTPUTH1PA15GPIO-INPUTH2PB3GPIO-INPUTH3PB10GPIO-INPUT按钮PC13GPIO-EXTI3电位器采样PC2ADC1_IN8对应MCU引脚以及端口属性如表8-3所示：实验工程配置步骤一：创建新项目在STM32CubeMX中，有NUCLEO-G431RB工程模板，新建一个STM32CubeMX工程，芯片型号为STM32G431RBTX，如图8-1所示，打开STM32CubeMX软件，点击“ACCESSTOMCUSELECTOR”建立新工程。如图8-2所示，在BoardSelector页下的①号框中搜索NUCLEO-G431RB找到NUCLEO-G431RB工程模板，双击②加载模板。图8-1新建工程，选择MCU图8-2选择工程模板实验工程配置打开如图8-3所示的工程初始界面，可以看到PC13、PA2、PA3、PA5以及系统时钟已经配置好了，PA2、PA3是与电脑通讯的串口。图8-3工程初始界面实验工程配置步骤二：端口配置配置需要使用的端口，如图8-4所示，右键点击端口选择“EnterUserLabel”可以进行重命名。图8-4端口配置图8-5配置ADC1①如图8-5所示，选择ADC1的IN8并设置采样时间。实验工程配置②如图8-6所示，TIM1的Channel1选择为PWMGenerationCH1、Channel2选择为PWMGenerationCH2、Channel3选择为PWMGenerationCH3，点击NVICSettings页，如图8-7所示，使能TIM1定时器更新中断。因为配置定时器TIM1的PWM输出为中心对称模式，预分频系数为0，计数周期为8500，RepetitionCounter为1，PWM频率的计算公式为：图8-6配置TIM1图8-7NVIC配置中断频率等于PWM频率，根据式(8.1-1)，可以计算得出PWM频率为10k。实验工程配置如图8-8所示，系统时钟使用默认配置为170MHz。图8-8系统时钟配置实验工程配置步骤三：生成工程代码如图8-9所示，点击“GENERATECODE”按钮生成工程代码。图8-9生成工程代码软件设计打开Keil软件，根据BLDCM六步方波控制原理进行编程。1）在main.c中定义需要的变量，具体包括：ADC采集值：adc_value启动状态：start_state速度参考值：speed_ref速度实际值：speed_relPWM值：pwm_value启动次数：start_count如图8-10所示，打开main.c文件，在/*USERCODEBEGIN0*/与/*USERCODEEND0*/之间添加变量定义代码。图8-10变量定义软件设计②转速给定程序如图8-13所示，在上述代码之后继续添加转速给定的代码。图8-13转速给定程序代码4）在stm32g4xx_it.c中定义电机控制相关变量，具体包括：PWM值：pwm_value霍尔传感器状态：HALL霍尔传感器换相前的状态：HALL_old速度实际值：speed_rel定时器中断次数：Interrupt_count图8-14电机控制相关变量定义如图8-14所示，打开stm32g4xx_it.c文件，在/*USERCODEBEGIN0*/与/*USERCODEEND0*/之间添加变量定义代码。软件设计5）在stm32g4xx_it.c中添加电机控制函数根据霍尔传感器反映的转子位置，分别使能和关闭对应的相，并通过定时器的CCR寄存器设置占空比。如图8-15所示，在上述代码之后继续添加电机控制函数代码。图8-15电机控制函数代码软件设计6）在定时器中断函数中编写电机控制程序①HALL获取如图8-16所示，在/*USERCODEBEGINTIM1_UP_TIM16_IRQn1*/与/*USERCODEENDTIM1_UP_TIM16_IRQn1*/之间添加HALL获取的代码。②计算电机转速如图8-17所示，在上述代码之后继续添加电机转速获取的代码。图8-16HALL获取代码图8-17电机转速获取代码软件设计③转速闭环如图8-18所示，打开stm32g4xx_it.c文件，在/*USERCODEBEGIN0*/与/*USERCODEEND0*/之间继续添加电机转速闭环控制的变量定义代码。如图8-19所示，在电机转速获取的代码之后继续添加转速闭环控制代码。图8-18转速闭环控制变量定义代码图8-19转速闭环控制代码软件设计7）烧录程序如图8-20所示，点击①框中的“OptionsforTargets…”,选择ST-LinkDebugger，点击②框中的“Settings”，打开如图8-21所示配置窗口，添加Flash，点击“确定”后，再点击图8-20中③框中的“Translate”和④框中的“Download”烧录程序至单片机中。图8-20程序烧录界面图8-21配置窗口实验结果烧录程序后按下黑色复位按键，然后按下蓝色按键，可以看到电机旋转起来，这时电机在六步方波控制模式下运行，如图8-22所示，可以通过STMStudio来观察波形。在如图8-23所示的区域右键点击import，选择观测的烧录程序和变量，来对电机的速度进行观测。图8-22STMStudio变量监测图8-23变量导入实验结果点击图8-23右边的省略号，选择工程所在文件夹中的axf烧录文件，如图8-24所示，会出现程序中的变量。

结果需要观测的变量为speed_rel，选择后点击右边的“import”把该变量加入到观察列表。之后将变量送到VarView1中，右键点击“Sendto”，点击“VarView1”，点击右上角的绿色“StartRecordingSession”按键。Speed_rel是电机实际转速，转速波形如图8-25所示。图8-24烧录文件选择图8-25电机转速监测02永磁同步电机的有感FOC控制案例实验目标及条件（1）实验目标①了解电机的基本结构，熟悉永磁同步电机矢量控制的基本原理。②基于永磁同步电机矢量控制原理，结合前面学习的STM32G4知识，位置检测采用光电编码器，快速实现永磁同步电机的有感FOC转动控制。③基于永磁同步电机矢量控制原理，结合前面学习的STM32G4知识，位置检测采用霍尔传感器，实现对永磁同步电机的转速电流双闭环控制，利用按钮进行电机运行模式的转换，并且通过电位器来调节电机的转速。（2）实验条件①硬件平台：P-NUCLEO-IHM03套件、ShinanoLA052-080E3NL1永磁同步电机②软件平台：STMotorControlSDK5.4STM32CubeMX（6.1.1版本及以上）Keil5（5.33版本及以上）ShinanoLA052-080E3NL1永磁同步电机简介本节采用安装了霍尔传感器和光电编码器的ShinanoLA052-080E3NL1永磁同步电机来进行案例搭建。具体参数如表8-4所示，传感器参数如表8-5所示。表8-4ShinanoLA052-080E3NL1电机具体参数表8-5ShinanoLA052-080E3NL1电机传感器参数参数数值相数3额定电压24V额定转速3000rpm额定转矩0.255Nm额定功率80W最大转矩0.765Nm转矩系数0.059Nm/A相电阻6.2Ω转动惯量11.7Kg.mm2长度69.6mm重量0.6Kg类型输出电路分辨率通道数电源供应工作电流输出电压相位偏差频率响应工作温度范围P/R

V-DCmAV-DC

kHz

霍尔传感器集电极开路—C1,C2,C35±5%40max.14.4min.(Isink=15mAmax.)——0℃～60℃（编码器内部温度）光电编码器TTL兼容200，400A,B5±5%50max.VOH=2.4min.VOL=0.4max.(Isink=3.2mA)a,b,c,d=90°±45°20min.有感FOC控制过程1）测量三相定子电流。对于具有平衡三相绕组的电机，只需测量两个电流即可，第三个电流可使用

公式计算得出。2）将三相电流转换到静止双轴系统。该转换通过测量的

、

和

值提供

和

变量。从定子的角度来看，值

和

是随时间变化的正交电流值。3）测量在控制环最后一次迭代时的变换角度，通过该角度将静止双轴坐标系转换为旋转坐标系，以对准转子磁通。该转换将

和

变换为

和

，值

和

是变换到旋转坐标系的正交电流。对于稳态条件，

和

恒定。电流参考值的说明如下：：调节磁通：控制转矩4）将误差信号馈入到PI控制器。电流控制器的输出提供和，它们是将施加到电机上的电压向量。5）新的变换角度通过编码器脉冲输入测得。这一新角度将指导FOC算法确定放置下一个电压向量的位置。有感FOC控制过程6）使用新的角度将来自PI控制器的和输出值进行旋转坐标系到静止双轴坐标系的变换，得到正交电压值和。7）和值用于计算生成所需电压向量所用的全新PWM占空比值。8）在每个PWM周期后都会计算机械速度（）。图8-26PMSM有传感器FOC的框图

图8-27PMSM有传感器FOC流程图PMSM的位置检测

获取确切的转子位置对于FOC正常工作至关重要。增量式光学编码器提供两个彼此正交的脉冲串，如图8-29和8-30所示。一些编码器具有索引脉冲，这有助于在空间上明确确切的转子位置。如果脉冲串A超前脉冲串B，则电机将沿一个方向旋转，如果脉冲串B超前脉冲串A，则电机将沿相反方向旋转。编码器脉冲数越多，位置测量精度就越高。图8-29特定旋转方向的编码器相位信号和索引脉冲图8-30相反旋转方向的编码器相位信号和索引脉冲1）特定旋转方向的编码器相位信号和索引脉冲2）相反旋转方向的编码器相位信号和索引脉冲控制信号以及端口属性选择

PMSM矢量控制需要ADC采集端口来采集下桥臂串联电阻的电压来计算电流。需要用到的信号有：1）INU、INV、INW：用于输出PWM波形2）ENU、ENV、ENW：使能STSPIN830芯片3）HALL1、HALL2、HALL3：HALL传感器信号接口4）Curr_fdbk1、Curr_fdbk2、Curr_fdbk3：ADC采样端口5）电位器采样端口及按钮表8-6实现FOC控制用到的MCU引脚表参数需要用到的信号对应MCU引脚端口属性INUPA8TIM1_CH1INVPA9TIM1_CH2INWPA10TIM1_CH3ENUPB13GPIO-OUTPUTENVPB14GPIO-OUTPUTENWPB15GPIO-OUTPUTHALL1PA15TIM2_CH1HALL2PB3TIM2_CH2HALL3PB10TIM2_CH3Curr_fdbk1PA1ADC1_IN2Curr_fdbk2PB1ADC1_IN12Curr_fdbk3PB0ADC1_IN15按钮PC13GPIO-EXTI3电位器采样PC2ADC1_IN8永磁同步电机有感FOC快速控制本部分是基于光电编码器进行位置检测，通过STMotorControlSDK配置工程快速实现永磁同步电机有感FOC的控制。具体步骤如下：①首先打开软件STMotorControlSDK5.4，点击“NewProject”，如图8-31所示，在Control栏中选择NUCLEO-G431RB板。如图8-32所示，在Power栏中选择X-NUCLEO-IHM16M13sh驱动板。图8-31开发板型号选择图8-32驱动板型号选择实验步骤如图8-33所示，在Motor栏中选择ShinanoLA052-080E3NL1，配置完成后点击“OK”，弹出如图8-34所示的电机参数导入工程的信息提示。图8-34电机参数导入工程信息提示图8-35MotorControlWorkbench主界面②工程生成新建工程后的MotorControlWorkbench主界面如图8-35所示。图8-33电机型号选择实验步骤点击图8-35右侧的“M”，可以打开如图8-36所示的电机参数设置界面，可以看到ShinanoLA052-080E3NL1永磁同步电机的参数已经自动导入。图8-36电机参数设置界面图8-37传感器参数设置界面点击图8-36上侧的“Sensors”可以打开如图8-37所示的传感器参数设置界面，第一次运行时应该勾选“EncoderAlignment”设定一下初始相位。实验步骤点击图8-35右下侧的“SpeedSensing”可以打开如图8-38所示的速度位置反馈管理界面，将“Sensorselection”下拉框中默认的“Sensor-less(Observer+PLL)”修改为“Quadratureencoder”。图8-38速度位置反馈管理界面图8-39启动参数设置界面右键点击图8-35左侧的“FirmwareDriveManagement”，在弹出菜单中选择“Start-upparameters”打开如图8-39所示的启动参数设置界面，此时需要修改“Finalcurrentrampvalue”为1.6。实验步骤点击STMotorControlWorkbench主界面中的菜单“Tools”，再点击“Generation”后输入工程名字进行保存，之后会打开如图8-40所示的工程生成配置界面，点击“GENERATE”，打开如图8-41所示的工程生成界面，完成后点击“RUNSTM32CubeIDE”按钮即可打开如图8-42所示的STM32CubeMX主界面。图8-40工程生成配置界面图8-41工程生成界面实验步骤进入ProjectManager界面选择IDE后点击“GENERATECODE”，代码生成成功后，弹出如图8-43所示的窗口，点击“OpenProject”，打开如图8-44所示STM32CubeIDE主界面，找到main.c文件，点击“编译”按钮，待编译完成后点击“运行”按钮即可。图8-42STM32CubeMX主界面图8-43代码生成成功提示实验步骤打开Workbench，按图8-45所示连接设备，然后进入Advanced界面，点击“StartMotor”即可转动电机，可在Monitor界面观测到实时速度。电机连接及运行状态如图8-46所示，也可以按下板上的蓝色按钮启动和停止电机。图8-44STM32CubeIDE主界面图8-45电机控制监测界面图8-46电机连接及运行状态永磁同步电机转速电流双闭环控制工程配置步骤一：创建新项目在STM32CubeMX中，有NUCLEO-G431RB工程模板，新建一个STM32CubeMX工程，芯片型号为STM32G431RBTX。1）打开STM32CubeMX软件，如图8-47所示，点击ACCESSTOMCUSELECTOR建立新工程。2）如图8-48所示，在BoardSelector页下的①号框中搜索NUCLEO-G431RB找到NUCLEO-G431RB工程模板，双击②加载模板。图8-47新建工程图8-48选择工程模板实验步骤步骤二：端口配置1）如图8-49所示，可以看到PC13、PA2、PA3、PA5已经配置好了，PA2、PA3是与电脑通讯的串口。如图8-50所示，然后在RCC模式配置中进行修改，HighSpeedClock（HSE）选择Crystal/Ceramicresonator。图8-49工程初始界面图8-50RCC配置实验步骤2）本实例中需要使用外部时钟，所以在ClockConfiguration进行更改。如图8-51所示，进行如下设置：①号框：外部晶振24M②号框：选择HSE通道③号框：调整倍率为6④号框：选择PLLCLK⑤号框：配置为170MHz3）如图8-52所示，对照表8-6配置需要使用的端口，右键点击选择“EnterUserLabel”可以进行重命名。图8-51外部时钟设置图8-52端口配置实验步骤4）ADC设置①如图8-53所示，ADC1_IN2、ADC1_IN12、ADC1_IN15、ADC1_IN8设置为“Single-ended”（单端输入）。图8-53端口配置图8-54ADC参数设置②ADC参数设置如图8-54所示，NumberofConversion设置为4；ExternalTriggerConversionSource设置为外部触发定时器1事件触发转换；4个通道顺序为通道2、12、15、8，采样事件为6.5个周期。实验步骤③开启DMA（直接存储器访问）并使能如图8-55所示，开启DMA：MODE选择“Circular”（循环模式）；IncrementAddress选择“Memory”模式；DataWidth选择“Word”“Word”（字对字传输）；如图8-56所示，使能DMA：在ADC设置中找到ScanConversionMode和DMAContinuousRequests并选择“Enabled”。图8-55DMA参数设置图8-56使能DMA设置实验步骤④开启ADC中断如图8-57所示，在NVICSettings页中勾选ADC1andADC2globalinterrupt的Enabled。图8-58PWM定时器设置5）PWM定时器设置①TIM1设置：如图8-58所示，ClockSource选择内部时钟，通道1-3选择PWM输出。因为配置定时器TIM1的PWM输出为中心对称模式，预分频系数为0，计数周期为8500，repetition为1，所以中断频率=PWM频率=170M/8500/(1+1)=10kHz。TriggerEventselectionTRGO选择UpdateEvent用于触发ADC采样。图8-57NVIC参数设置实验步骤如图8-59所示，将PWM生成模式改为模式2，计数器的值大于比较捕获寄存器值时输出有效电平。②TIM2设置如图8-60所示，ClockSource选择“InternalClock”（内部时钟），CombinedChannels选择“XORON/HallSensorMode”（霍尔模式），霍尔模式下每次HALL信号的变换都会产生中断请求，并在中断程序中计算电机位置和转速。图8-59PWM生成模式设置图8-61霍尔传感器参数设置图8-60定时器模式和配置设置图8-62NVIC设置实验步骤6）CORDIC设置CORDIC算法即坐标旋转数字计算方法，通过不断进行坐标旋转变换最终得到近似计算结果。主要用于三角函数、双曲线、指数、对数的计算。该算法通过基本的加和移位运算代替乘法运算，使得矢量的旋转和定向的计算不再需要三角函数、乘法、开方、反三角、指数等函数。如图8-63所示，勾选Activated。7）NVIC设置如图8-64所示，在NVICInterruptTable页中，勾选EXTIline[15:10]interrupts选项中的Enabled，使能按键中断。图8-64NVICInterrupt设置图8-63CORDIC模式和配置设置7）NVIC设置如图8-64所示，在NVICInterruptTable页中，勾选EXTIline[15:10]interrupts选项中的Enabled，使能按键中断。实验步骤步骤三：生成工程代码如图8-65所示，在CodeGenerator页中勾选“Generateperipheralinitializationasapairof‘.c/.h’filesperperipheral”。如图8-66所示，ApplicationStructure选择Basic，Toolchain/IDE选择MDK-ARM，MinVersion选择v5.27或以上版本。图8-65工程参数设置图8-66工程代码生成永磁同步电机转速电流双闭环控制软件设计打开生成的Keil程序，根据控制原理进行编程。1）点击左上角File选项新建motordrive.c和motordrive.h文件，分别保存到Src和Inc文件夹中，如图8-67所示，在Keil软件左边的Project栏中右击Application/User文件夹，在弹出菜单中点击“ManageProjectItems...”，打开如图8-68所示管理项目窗口，将motordrive.c文件添加到application/User里面。图8-67项目管理界面图8-68文件添加永磁同步电机转速电流双闭环控制软件设计2）在motordrive.c和motordrive.h文件中添加电机控制中需要用的坐标变换以及SVPWM控制程序等。①CORDIC算法通过角度计算正弦余弦值如图8-69所示，在motordrive.c中编写voidCORDIC_SinCos(floattheta,float*sincos)函数。如图8-70所示，在motordrive.h声明函数、添加需要用的变量。图8-69CORDIC_SinCos函数代码图8-70变量添加代码永磁同步电机转速电流双闭环控制软件设计②Clark变换及Clark反变换如图8-71所示，根据公式在motordrive.c中编写Clark变换及Clark反变换函数。如图8-72所示，在motordrive.h声明函数和添加需要用的变量。图8-71函数代码添加图8-72变量添加代码永磁同步电机转速电流双闭环控制软件设计③Park变换及Park反变换如图8-73所示，根据公式在motordrive.c中编写Park变换及Park反变换函数。如图8-74所示，在motordrive.h声明函数。图8-73函数代码添加图8-74声明函数代码永磁同步电机转速电流双闭环控制软件设计④SVPWM程序如图8-75所示，在motordrive.c中编写SVPWM程序。如图8-76所示，在motordrive.h声明函数和添加变量。图8-75SVPWM函数代码图8-76变量添加代码永磁同步电机转速电流双闭环控制软件设计3）在main.c文件中编写电机启动函数并配置CORDIC功能①编写电机启停函数、添加所需变量并在main.h文件中声明函数如图8-77所示，在main.c文件中编写电机启停函数。如图8-78所示，在main.c文件中添加需要用的变量。如图8-79所示，在main.h文件中声明函数。图8-78变量添加代码图8-80CORDIC配置及使能代码图8-77电机启停函数代码②配置CORDIC并开启TIM和使能如图8-80所示，在main.c文件中添加CORDIC配置的代码。图8-79函数声明代码永磁同步电机转速电流双闭环控制软件设计4）在stm32g4xx_it.c文件中实现电机FOC控制①如图8-81所示，在stm32g4xx_it.c添加motordrive.h，用于使用电机控制函数。②编写中断回调函数并添加变量通过按钮来改变电机的运行模式，运行模式分为电压开环、转速闭环和转速电流双闭环三种模式。如图8-82所示，在stm32g4xx_it.c中添加电机运行模式的代码。图8-82电机运行模式代码图8-81引用头文件代码永磁同步电机转速电流双闭环控制软件设计③如图8-83所示，在stm32g4xx_it.h中添加电机参数和需要使用的变量。④编写HALL获取回调函数并判断电机位置和计算转速本节采用霍尔传感器获取转子位置。定义变量并根据霍尔信号跳变时间间隔计算转速，转速计算公式为：图8-83电机参数和变量定义代码图8-84HALL获取回调函数变量定义代码如图8-84所示，在stm32g4xx_it.c中添加需要用到的变量。永磁同步电机转速电流双闭环控制软件设计如图8-85所示，在stm32g4xx_it.c中添加电机位置判断和转速计算代码。图8-85电机位置和转速计算代码图8-86变量定义代码⑤编写ADC回调函数根据PMSM有传感器FOC控制过程和流程图编写程序。首先进行零速检测，由所在扇区速度、时间计算电机位置角度。其次根据计算的位置角度计算其正余弦用于Park变换，然后根据ADC采样值计算三相电流（实际上只有两相有数值）。最后根据前面计算的数据进行Clark变换和Park变换得到控制过程中需要的数值。如图8-86所示，在stm32g4xx_it.c中添加需要用到的变量。永磁同步电机转速电流双闭环控制软件设计图8-87ADC回调函数代码图8-88三种运行模式代码如图8-87所示，在stm32g4xx_it.c中添加ADC回调函数代码。⑥编写三种运行模式如图8-88所示，在stm32g4xx_it.c中添加三种运行模式的代码。永磁同步电机转速电流双闭环控制软件设计⑦运行SVPWM程序如图8-89所示，在stm32g4xx_it.c中添加SVPWM运行代码。图8-92电机运行模式代码图8-89运行SVPWM程序⑧配置CCMSRAM进行加速点击图8-90中左上角圆圈中的魔术棒，选择Linker选项进行配置，配置完毕后点击右下角的Edit按钮进入到SV