APM32F035有感矢量控制方案

一、先来几句废话

首先这两年公司越来越多的开始使用国产的MCU，用过GD32、AT32、APM32等等，目前稳定使用的是APM32,包括身边朋友工作室，也开始从TI、STM、NXP换成APM32。上个月有幸拿到APM32F035电路控制板，非常感谢面包板社区提供的这个机会。一直很忙，刚好今天要周末了，来测试一下。之前可能通信方面做得比较多，很少接触电机控制，刚好朋友有一个项目要用，借这个机会，一起搞定。看看后面能否直接用这个方案。

二、电路板介绍

先来一张电路板照片（还是挺好看的，黑色的电路板感觉颜值比较高）

硬件框图

气参数：12~72VDC 宽电压输入，最大功率 100W
支持电机类型：BLDC，PMSM
支持编码器类型：霍尔，光电，磁编码器
通讯接口：SCI，SPI，I2C，CAN
电流采样方式：单 / 双电阻采样，三相反电动势采样

硬件整体来说中规中矩，使用Gate driver + MOSFET来驱动电机。配合一些霍尔传感器检测电路和相电流检测，基本上就是一个电机控制的最基本部分。核心MCU用的是极海自己的APM32F035，APM32F035作为一款32位FoC矢量控制MCU，内置Vector Computer多种专用数学运算加速器，提供整套FoC控制算法支持。该款新品具有优异的高效运算与处理速度，丰富的模拟与连接特性赋予电机更多的新功能属性。

三、软件方面介绍

软件方面，极海提供了多种电机控制方案，满足不同的使用需求，如下图

此项目整体代码架构主要可划分为 4 层，用户层、外设驱动层、电机控制驱动层以及电机算法层，具体功能描述如下：

用户层（用户层（USER 层）

main.c：主函数入口，负责初始化电机参数、底层外设、中断优先级、while 循环及低速状态机
环路的切换；
apm32f035_int.c：所有的中断处理函数，重点包括捕获中断函数、ADC 中断处理函数；
user_function.c：包括电机参数的初始化配置、参数复位等处理函数；
parameter.h：包括了所有的需要配置参数信息；

外设驱动层（外设驱动层（HARDWARE 层）

外设驱动层主要负责 APM32F035 芯片的外设驱动函数及配置，主要涉略包括 GPIO、PWM、
ADC、OPA、COMP、M0CP 协处理器等，具体如下图所示。

电机控制驱动层（MOTOR_CONTROL 层）

电机控制驱动层主要负责电机的控制运行逻辑及核心处理算法调用，具体如下图所示。

极海电机算法层（电机算法层（Geehy_MCLIB 层）

电机算法层包括坐标变换、矢量控制等相关函数，数学库，HALL 角度估算等库函数。

我打算使用的是有感的FOC控制方案，所以我们就APM32F035_Lv_HallFOC_V2.2.zip提供的源代码进行测试.打开工程（基于MDK5）如下：

状态机介绍状态机介绍
本案例中采用了主状态机嵌套子状态机的结构，如下所示：
四个主状态：INIT、STOP、FAULT、RUN；
同时主状态 RUN 的六个子状态：run-calib、run-ready、run-align、run-spin、run-freewheel。
对主状态机的描述如下：
Fault：当系统有错误发生时一直处于此状态，直到错误的标志位被清除。而后会延时一段时间，然后从 Fault 状态跳转到 STOP 状态等待起动命令。
Init：此主状态执行变量初始化。
Stop：系统完成初始化等待速度命令。此状态内下关闭 PWM 输出。
Run：当在运行状态时，若有 Stop 指令下发，便会执行系统停止运行操作。当运行在 Run 状态时，其子状态会相应被调用并执行：
Run-Calib：可以执行电流偏置 ADC 自校准功能。执行完此状态后系统将切 Ready 状态，同时
禁止 PWM 输出。
Ready：使能 PWM 输出，同步采样电流，并执行异常状态检查。

Align：执行采样电流，调用预定位算法，同时更新 PWM。在指定时间内执行态，同时采样直流
母线电压并滤波处理。
Spin：采样电流，调用观测器估计转子转速和位置，调用相应算法，更新 PWM，电机开始切入
闭环运行。
Freewheel：使能 PWM 输出，并采用短接制动的方式进行停机，由于转子惯性，需等待到电机
停止运行后在进行状态的切换，进而切换到 Ready 状态。如果有错误发生则将进入 Fault 状态。

四、电机调试

1、电机参数配置

电机我使用的是硬石开发板配套的4对极直流无刷电机

根据官方提供的方案调试介绍，因此需要核对电机的极对数、额定转速、限制电流（结
合电机的功率考虑）、定标转速（结合额定转速评估）等。如下图所示。

2、电流内环的 PI 参数进行整定确认

在 Align 状态中进行调试，调节 DQ 轴下的电流环 PI 参数（如下图所示，一般 DQ 轴采用一
样的 PI 参数），类似其中的 Q 轴，通过给定 Iq_cmd（可以直接给到值或者采用斜坡给定的方式
设定一定加速度及数值），通过观察 Vq 的输出是否能快熟稳定、以及 Iq_cmd 及实际的 Iq 波形数
据是否能跟随上，判断当前的 PI 参数是否合适。

3、HALL 角度自检

当电流内环 PI 参数已经合适时，此时说明可以使用预定位功能，则开启 HALL 相序的自检功能。还是在“parameter.h”参数配置文件中，打开“HALL_PHASE_TEST”宏参，进行 HALL相序的自检功能，在此先介绍下 HALL 相序的作用，HALL 的相位角度差是 60°，即其可以输出六个角度点，类似按照正转 CW 的方式 HALL 值输出如 2-6-4-5-1-3。（注：可以先自行测试HALL 的相序顺序是否与程序中给的一致，可以通过手动让电机其转动一圈看看实际读到的 hall值，确认 hall 正转与反转的顺序，并将对应的 hall 相序进行核对，类似读出是 6-4-5-1-3-2，与上述设定顺序一致则无需修改，而若出现类似 6-4-1-5-2-3 这种与程序中的顺序不相符的，将该顺序填入 user_function.c 中的 u8CW_Hall_Value 与 u8CCW_Hall_Value 数组列表中，同时也需要对应填写下 CW_hall_table 与 CCW_hall_table 数组列表。u8CW_Hall_Value[6]：表示实际的霍尔序列，注意霍尔序列与角度序列的对应关系；CW_hall_table[8]：前一个位置的霍尔值序列，例如程序内 hall：1 的前一个位置是 hall：5，CW_hall_table[1] = 5，hall：2 的前一个位置是 hall：3，CW_hall_table[2] = 3以此类推：u8CW_Hall_Value[6]={ 1,3,2,6,4,5},对应 CW_hall_table[8]={ 0,5,3,1,6,4,2,0};u8CW_Hall_Value[6]={ 2,3,1,6,4,5},对应 CW_hall_table[8]={ 0,3,5,2,6,4,1,0}）。

其次，实际 HALL 传感器的安装位置与电机对应的机器角度间是会有安装角度偏差的，即机器角度偏差角，此时 HALL 相序的自检功能就是为了计算出该偏差角，并把HALL 值对应的实际角度一一匹配上。如下图所示，开启“HALL_PHASE_TEST”宏参后进入调试模式，观察“stc_align_hall”该结构体的相关成员变量，配置函数“Align_HallCal_Phase_Init”与“Align_HallCal_Phase”实现，核心参数修改主要在于定位时间以及定位 Iq 电流的设定，以及偏移角度的设定（若检测角度异常可适当调节该值，常用推荐 0“0°”或者 5461“30°”的偏移角度）。如“stc_align_hall”中的“u8Dir”表示方向，
s16CW_arr_HallPhase_Cal 与 s16CCW_arr_HallPhase_Cal 是最终生成计算获取 HALL 相序角度表，需将其填入 user_function.c 中的“s16CW_arr_HallPhase”与“s16CCW_arr_HallPhase”数组列表中。