【动手学电机驱动】STM32-FOC（9）无感 FOC 电机转速调节

STM32-FOC（1）STM32 电机控制的软件开发环境
STM32-FOC（2）STM32 导入和创建项目
STM32-FOC（3）STM32 三路互补 PWM 输出
STM32-FOC（4）IHM03 电机控制套件介绍
STM32-FOC（5）基于 IHM03 的无感方波控制
STM32-FOC（6）基于 IHM03 的无感FOC 控制
STM32-FOC（7）MCSDK Pilot 上位机控制与调试
STM32-FOC（8）MCSDK Profiler 电机参数辨识
STM32-FOC（9）无感 FOC 电机转速调节

此前我们已经学习了 STM32G4 MCU 编程的基本操作，实现了 3路互补带死区 PWM波的生成。
P-NUCLEO-IHM03 STM32电机控制套件使用FOC算法，为三相、低压和低电流的 BLDC 或 PMSM 电机提供电机控制解决方案。
本节从 STM32 电机控制包配置开始，在基于 IHM03 电机控制套件的无感 FOC 电机控制基础上，介绍使用 API 对电机进行调速，转速在 500 ~ 1000RPM 切换。

1. 开发环境

1. 硬件要求

• Windows PC
• X-NUCLEO-IHM16M1 电机驱动扩展板
• STM32 Nucleo 开发板
• 直流电源，输出电压 12 VDC
• 三相直流无刷电机
• USB Type-A 或 Type-c 至 Micro-B 连接线缆

2. 系统要求：

• Windows 操作系统（Windows 7、Windows 8 和 Windows 10）、Linux 64-bit 或 macOS
• USB Type-A 或 Type-c 至 Micro-B 连接线缆，用于将STM32 Nucleo板连接到 PC

3. 开发工具

• STM32 电机控制 SDK：X-CUBE-MCSDK
• STM32 图形化配置工具：STM32CubeMX
• 集成开发环境 IDE，可以选择一下三者之一：
  • STM32 集成开发环境（STM32CubeIDE）
  • Keil 开发套件（MDK-ARM-STR）
  • IAR 嵌入式开发环境（IAR-EWARM）

2. 硬件连接与快速运行

1. X-NUCLEO-IHM16M1 电机驱动板必须通过位于两侧的 CN7 和 CN10 连接器插接到 NUCLEO-G431RB 控制板上， 堆叠如下图所示。
   NUCLEO-G431RB 板上的两个按钮（蓝色用户按钮B1和黑色重置按钮B2）必须保持未覆盖状态。

2. 将三条电机线 U、V、W 连接到 X-NUCLEO-IHM16M1 电机驱动板上的 CN1连接器。

3. 配置 NUCLEO-G431RB 控制板上的跳线：

• 从 USB 为 NUCLEO-G431RB 供电时，要将JP5 的 5V-STLK 源设为 [1-2] 位置（跳线安装在 pin1、pin2 针脚）；
• JP8 的 VREF 设为 [1-1] 位置（跳线安装在 pin1、pin1 针脚）；
• JP6（IDD）设为 ON 状态（安装 2针跳线）。

4. 配置控制板和驱动板的跳线，以选择所需的控制算法（如六步方波）：
   NUCLEO-IHM16M1 电机驱动板的跳线设置：

• J5 设为 ON 状态（安装 2针跳线）；
• J6 设为 ON 状态（安装 2针跳线）；
  NUCLEO-G431RB 控制板的跳线设置：
• JP4 和 JP7 设为 OFF 状态（不安装跳线）；
• J2 设为 [2-3] 位置（跳线安装在 pin2、pin3 针脚）；
• J3 设为 [1-2] 位置（跳线安装在 pin1、pin2 针脚）。

注意：更改控制模式之前，必须关闭电源电压。

5. 将 12V/2A 直流电源连接到 NUCLEO-G431RB 控制板上的 CN1 连接端口（mini-USB），或连接到 X-NUCLEO-IHM16M1 电机驱动板上的 J4 连接器（电源插座），并通电。

3. 无感 FOC 转速调节程序开发

3.1 配置电机控制包

1. 打开 电机控制软件开发套件（Motor Control WorkBench），创建新项目。
   单击"New Project"按钮，弹出"New Project"对话框。
   在 “General Info” 菜单中进行设置：
   • 在 “Project name” 输入项目名称，例如 “IHM03_04”；
   • 在 “Num.Motors” 选择电机数量为 单电机：1 Motor；
   • 在 “Driving Algorithm” 选择驱动控制算法为 FOC；
   • 在 “Hardware Mode” 选择 Modular 模式。

2. 进入 “Motors” 菜单，根据 IHM03 电机控制套件的配置，从菜单中选择电机型号，例如本例使用 KJ230F（用户自定义的电机，自定义电机的操作参见 STM32-FOC（8）MCSDK Profiler 电机参数辨识）。

3. 进入 “Power board” 菜单，根据 IHM03 电机控制套件的配置，选择驱动板为 X-NUCLEO-IHM16M1 电机驱动板。

4. 进入 “Control board” 菜单，根据 IHM03 电机控制套件的配置，选择控制板为 NUCLEO-G431RB 控制板。

5. 完成项目配置后，点击窗口右下方 “>>OK” 按钮，就会自动生成一个电机控制项目，并显示项目视图如下。
   视图的内容取决于用户配置的电路板和电机的信息。
   如果用户的配置有错误（无效），则会弹出一个对话框，通知用户这些选择不允许创建项目，并要求用户修改配置。

点击 “>>OK” 确认，返回电机控制项目视图。

6. 项目生成。

• 选择菜单 “Generate the project” 按键，根据配置参数生成项目。
• 跳出 “Project generation” 窗口，选择 STM32CubeMX 版本、固件版本（Firmware Package Version），Target Toolchain 为 STM32CubeIDE。
• 默认使用 HAL 驱动。
• 点击 “GENERATE” 按键，生成代码。

注意选择的固件包的版本，如果没有安装相应版本的固件包，则会自动下载。

如下图所示，项目生成完成后，点击 “RUN STM32CubeMX” 按键，打开 STM32CubeMX 进行图形化配置。

3.2 图形化配置

在 Motor Control WorkBench 中生成项目，点击 “RUN STM32CubeMX” 按键，打开 STM32CubeMX，对 ADC进行配置以使用 旋钮。

1. 参考点灯实验程序，将PA5 管脚设置为 GPIO_Output——这与电机控制无关，只供参考。

2. 点击 “Project Manager” 菜单按钮，进入工程配置界面。

• 输入项目名称为 “IHM03_04”，选择项目的保存路径。
• 将Toolchain / IDE 设为 STM32CubeIDE（根据用户安装和使用的 IDE 选择，也可以选择 EWARM、MDK-ARM、MakeFile、CMake 等IDE工具）。
• 点击右上角 “GENERATE CODE” 生成代码。

3. 加载完毕后，弹出代码生成提示窗口。点击“ OPEN PROJECT”，进入 STM32CubeIDE。

3.3 代码编辑、编译与调试

1. 打开 STM32CubeIDE，导入 IHM03_04 项目。
   如果是从 CubeMX 代码生成提示窗口点击“ OPEN PROJECT”，则进入 STM32CubeIDE后自动打开 IHM03_04 项目。

2. 修改主程序 main.c，添加使用 API 实现电机调速的代码。

• (1) 在左侧 Project Explorer 中，选择 IHM03_02 – Application – User，打开主程序 main.c

/******************************************************************************* @file           : main.c* @brief          : Main program body******************************************************************************/

• (2) 在实例函数定义（Private function prototypes）段落之后，在（Private user code）部分添加 调速处理函数 void HandsOn1(void)，实现电机 低速与高速 运行的切换，切换时间为 5sec。

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 *//* Hand On 1 - 低速高速定时切换 */
static uint32_t Run_Count =0;
void HandsOn1(void)
{MC_ProgramSpeedRampMotor1(500/6, 1000);  // 设定转速500rpm，斜坡1000msif(Run_Count==0){MC_StartMotor1();  // 启动电机}HAL_Delay(5000);  // 运行 5000msMC_ProgramSpeedRampMotor1(1000/6, 1000); // 设定转速1200rpm，斜坡1000msHAL_Delay(5000);Run_Count++;if(Run_Count>10){Run_Count=10;MC_StopMotor1();  //停止电机while(1);}
}/* USER CODE END 0 */

• (3) 在 main() 函数的 while(1) 循环中，调用 HandsOn1() 处理调速功能。

  /* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){HandsOn1();/* USER CODE END WHILE */}

3. 程序编译

• 用 USB连接线，连接 PC 与 NUCLEO-G431RB 开发板。
• 点击工具栏中 “Build Debug” 按键对程序代码进行编译。

4. 程序下载烧录到目标板
   点击工具栏中 “Debug” 按键，将程序下载烧录到目标板 NUCLEO-G431RB 。

5. 程序的运行与调试

• 对照 2.1 检查 IHM03 套件硬件连接和电源连接。
• 接通 12Vdc电源。
• 点击工具栏中 “Resume” 按键 或 F8 快捷键，运行程序，电机启动后旋转，并在高速与低速之间来回切换。

3.4 上位机监控

基于 MCSDK6.0 Pilot 上位机控制与调试的方法，详见： STM32-FOC（7）MCSDK Pilot 上位机控制与调试。

1. 打开电机控制软件开发套件（Motor Control WorkBench），单击工具栏的 “Motor Pilot” 按钮，启动电机导向应用程序 ST Motor Pilot。

2. 在 ST Motor Pilot 中，点击菜单 “GUI – Load GUI”，根据项目内容选择相应的 QML 图形界面文件，加载上位机 GUI 文件 MC_FOC_SDK.qml。

3. 连接上位机。
   3.1 打开上位机（PC）的设备管理器，查看 ST Link 对应的串口的端口号。
   3.2 在 ST Motor Pilot 中，在 “Port” 设置 ST Link 对应的串口位置，再点击按键 “Connect” 连接。
   3.3 连接成功后，ST Motor Pilot 显示电机的运行状态和参数，包括：电机转速，直流母线电压，温度，功率，运行状态，故障代码等。

4. 建立实时监控速度曲线图
   4.1 点击菜单栏中的 “Registers” 按钮，切换到寄存器显示界面，显示设定的寄存器参数的实时值。
   4.2 在寄存器显示界面，选择需要实时监控的参数，生成实时变化图。

• 选择速度参考值 SPEED_REF（ID=153），点击对应的 “Configure” 按钮，选择 “Send to new plot” 后按 “Apply”，自动建立绘图框 plot1，将 SPEED_REF 绘制到 plot1 绘图框。
• 选择速度测量值 SPEED_MEAS（ID=89），点击对应的 “Configure” 按钮，选择 “plot1” 后按 “Apply”，将 SPEED_MEAS 也绘制到 plot1 绘图框。

5. 监控程序运行
   通过 STM32CubeIDE 的工具栏中 “Resume” 按键 或 F8 快捷键运行程序，或按下开发板黑色按钮（复位键）运行程序，在上位机通过 ST Motor Pilot 监测程序运行状态。
   绘图框实时显示 速度参考值 SPEED_REF、速度测量值 SPEED_MEAS 的运行曲线，如下图所示。

4. API 函数说明

API 函数是 电机控制SDK的高级编程接口，位于 MC SDK 中的电机应用层，处于 用户层 与 电机库 之间。API 函数基于电机库构建，就像是行为描述操作，便于用户调用。使用 API 函数，可以完成基于MCSDK 应用程序的各种电机基本操作。

在本例程中，从 MC SDK 调用了几个 基本的 API 函数：

MC_StartMotor1(); //电机1 启动
MC_StopMotor1(); //电机1 停止
MC_ProgramSpeedRampMotor1(); // 电机1 调速

4.1 电机启动函数 MC_StartMotor1

函数原型：

__weak bool MC_StartMotor1 (void)

• 功能：启动电机1的启动程序。
  如果状态机（state machine）处于空闲状态（IDLE），则立即执行该命令。否则，丢弃该命令。
• 返回值：如果命令成功执行，则返回true，否则返回false。

说明：

• 在调用MC_StartMotor1（）以设置扭矩或速度参考值之前，必须执行以下命令之一：
  • MC_ProgramSpeedRampMotor1()
  • MC_ProgramTorqueRampMotor1()
  • MC_SetCurrentReferenceMotor1()
    如果没有执行以上命令之一，可能会导致不可预测的行为。
• 如果电流测量电路的偏移量尚不清楚，则在实际启动电机之前，自动执行偏移校准程序来测偏移量量。
• 应用程序可以检查返回值，以了解命令是被执行还是被丢弃。

注意：

• MCI_StartMotor1 命令仅触发启动程序（或最终的偏移校准程序）的执行，并在之后立即返回。在电机确实处于稳定状态之前，它不会阻止应用程序的执行。
• 如果应用程序需要等待电机在稳定状态（steady state）下运行，则应用程序必须检查电机的状态机，并验证是否已达到运行状态（RUN）。请注意，如果启动流程失败，则可能永远无法达到RUN状态。

4.2 电机停止函数 MC_StopMotor1

函数原型：

__weak bool MC_StopMotor1 (void)

• 功能：启动电机1的停止程序。
  如果状态机（state machine）处于ICLWAIT、IDLE、FAULT_NOW和FAULT_OVER 状态之外的任何状态，则立即执行该命令。否则，丢弃该命令。
• 返回值：如果命令成功执行，则返回 true，否则返回 false。

说明：
应用程序可以检查返回值，以了解命令是被执行还是被丢弃。
MC_StopMotor1()命令仅触发停止电机程序，然后返回。在电机确实停止之前，不会阻止应用程序。为了知确定电机是否已经停止，应用程序可以查询电机的状态机，并检查是否已经达到空闲状态(IDLE)。

4.3 电机调速函数 MC_ProgramSpeedRampMotor1

函数原型：

__weak void MC_ProgramSpeedRampMotor1(int16_t hFinalSpeed, uint16_t hDurationms)

• 功能：为电机1编程速度斜坡，以便稍后或立即执行。
  速度斜坡是在给定的hDurationms时间内从当前速度参考到hFinalSpeed目标速度的线性变化。
  调用MC_ProgramSpeedRampMotor1()函数，使用提供的参数对新的速度斜坡进行编程。如果电机1的状态机处于运行状态，则立即执行编程斜坡。否则，斜坡将被缓冲，并在状态机达到上述任何状态时执行。
  应用程序可以使用MC_GetCommandStateMotor1() 检查命令的状态，以了解最后一个命令是否立即执行。
  在任何给定时间只能缓冲一个命令。如果另一个斜坡——无论是速度还是扭矩斜坡——或者在当前斜坡完成之前编程了另一个缓冲命令，后者将取代前者。

• 参数：

  • hFinalSpeed：斜坡末端的机械转子速度参考。以SPEED_unit定义的单位表示。
  • hDurationms：斜坡的持续时间，单位为毫秒。可以设置 0 以执行速度值的瞬时变化。

注意：

• 如果应用程序使用无传感器电机控制技术，斜坡不能反转旋转方向。
• 如果hFinalSpeed参数的符号与当前速度的符号不同，则斜坡将不会完成，当转速即将达到0 rpm时，将出现速度反馈错误（MC_speed_FDBK）。

参考资料：

1. P-NUCLEO-IHM03 STM32电机控制套件
2. UM2505 - STM32G4 Nucleo-64 boards (MB1367), STMicroelectronics/意法半导体, 2021
3. UM2538 - STM32 motor-control pack using the FOC algorithm for three-phase, low-voltage, and low‑current motor evaluationl, STMicroelectronics/意法半导体, 2023
4. 许少伦等，STM32G4入门与电机控制实战，电子工业出版社，2023

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