【动手学电机驱动】STM32-FOC（5）基于 IHM03 的无感 FOC 控制

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FOC 控制
STM32-FOC（6）基于 IHM03 无感方波控制

【动手学电机驱动】STM32-FOC（5）基于 IHM03 的无感 FOC 控制

    • 1. 开发环境
    • 2. 硬件连接与快速运行
      • 2.1 硬件连接
      • 2.2 快速运行
      • 2.3 跳线配置
    • 3. 无感 FOC 电机控制程序开发
      • 3.1 配置电机控制包
      • 3.2 图形化配置
      • 3.3 代码编辑、编译与调试

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，介绍使用 IHM03 电机控制套件开发无感 FOC 电机控制程序的基础操作。


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
  • 三相无刷电机
  • USB Type-A 或 Type-c 至 Micro-B 连接线缆
  1. 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
  1. 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

P-NUCLEO-IHM03 STM32电机控制套件已经将演示软件预装在STM32 Flash 中，便于在外设独立模式下进行演示。对于新购买的 IHM03 电机控制套件（没有烧录过其它程序），连接硬件系统后就可以快速运行。


2.1 硬件连接

IHM03 电机控制套件硬件连接的操作步骤如下。

  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。

在这里插入图片描述

  1. 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。

  2. 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）。

在这里插入图片描述

  1. 配置 X-NUCLEO-IHM16M1 电机驱动板上的跳线，以选择所需的控制算法（如 FOC）：
  • J5 设为 ON 状态（安装 2针跳线）；
  • J6 设为 ON 状态（安装 2针跳线）；
  • 对于 FOC 控制，将跳线设置为：
    • NUCLEO-G431RB 控制板上的 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。
在这里插入图片描述

  1. 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（IHM03 套件中标配的云台电机的最大电压为12 VDC）。

2.2 快速运行

由于 IHM03 电机控制套件在出厂时已经将演示软件预装在STM32 Flash 中，可以在外设独立模式下进行演示。对于新购买的 IHM03 电机控制套件（没有烧录过其它程序），连接硬件系统后就可以快速运行，具体操作步骤如下。

  1. 按下 NUCLEO-G431RB 控制板上的蓝色按钮 B1，电机就开始转动。

  2. 调节 X-NUCLEO-IHM16M1 电机驱动板上的电位器，可以调节电机的转速。

注意：对于已使用过的 IHM03 电机控制套件，可能 Flash 中已烧录其它程序（例如上节中的生成 PWM 实验），则不能采用该方式快速运行，而需要按本文内容开发无感 FOC 电机控制程序，才能实现电机控制。


2.3 跳线配置

X-NUCLEO-IHM16M1 电机驱动板上的跳线配置，如下图所示。根据跳线选择，可以选择单分流器或三分流器电流传感模式、带上拉的霍尔传感器或编码器，或NUCLEO-G431RB板的外部电源。

在这里插入图片描述

注意 JP4 和 JP7 必须具有相同的配置：对于三分流配置，JP4 和 JP7 都是打开的；对于单分流配置，JP4 和 JP7 都是关闭的。在 PCB 上三分流器或单分流器的正确位置与默认位置一起显示。

P-NUCLEO-IHM03 板上的主要连接端子的功能如下表所示。

在这里插入图片描述

P-NUCLEO-IHM03 堆叠在 ST-morpho 连接器上，可从控制板的两侧访问公引脚头（CN7和CN10）。它们可用于将 X-NUCLEO-IHM16M1 电源驱动板连接到 NUCLEO-G431RB 控制板。ST morpho连接器上提供MCU的所有信号和电源引脚。


3. 无感 FOC 电机控制程序开发

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，如下图所示。

在这里插入图片描述


  1. 在 “General Info” 菜单中进行设置：
    • 在 “Project name” 输入项目名称；
    • 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 磁场定向控制：FOC；
    • 在 “Hardware Mode” 选择 Modular 模式；

  1. 进入 “Motors” 菜单，根据 IHM03 电机控制套件的配置，选择电机为 GimBal GBM2804H-100T。

在这里插入图片描述


  1. 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。

在这里插入图片描述


  1. 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。

在这里插入图片描述


  1. 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。

在这里插入图片描述


  1. 修改配置的电路板和电机的信息。
    如果配置的电路板或电机的信息与实际使用产品有差异，可以点击相应的模块（蓝色模块），进入该模块的参数配置页面进行修改。
    在本例中，电机 GimBal GBM2804H-100T 的默认设置（具体参数与SDK版本有关）为最大电压 10Vdc、最大电流 0.8Apk。这与本套件的配置不一致，因此要点击图中 Motor 蓝色模块，进入电机参数设置页面，将最大电压设为 14.8Vdc、最大电流设为 2.1Apk。

在这里插入图片描述

完成电机参数修改后，点击 “>>OK” 确认，返回电机控制项目视图。如下图所示，此时 Motor 蓝色模块中的电机参数已经被修改为 “14.8Vdc/2.1Apk” 。

在这里插入图片描述

在这个界面，还可以对电机直接进行控制，具体使用方法将在以后的文章中介绍。


  1. 配置速度位置控制方案。

点击项目视图中的 “Speed Sensing” 蓝色模块，进入速度位置管理界面。

在 Main Sensor – Sensor Selection 选项中，选择 Sensor-less(Observer+PLL)，即采用无传感器（使用位置观测器+PLL获取实时的转子位置）进行控制。

在这里插入图片描述


  1. 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。

在这里插入图片描述

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。

  1. 项目生成完成后，点击 “RUN STM32CubeMX” 按键，打开 STM32CubeMX 进行图形化配置。

在这里插入图片描述


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，如下图所示。

参考点灯实验程序，可以将PA5 管脚设置为 GPIO_Output——这与电机控制无关，只供参考。
在这里插入图片描述


点击 “Project Manager” 菜单按钮，进入工程配置界面。

  • 输入项目名称为 “IHM03_01”，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。

在这里插入图片描述


加载完毕后，弹出代码生成提示窗口，如下图所示。点击“ OPEN PROJECT”，进入 STM32CubeIDE。

在这里插入图片描述


3.3 代码编辑、编译与调试

  1. 打开 STM32CubeIDE，导入 IHM03_01 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_01 项目。

  2. 在左侧 Project Explorer 中，选择 IHM03_01 – Application – User，打开主程序 main.c ，如下图所示。

  • 主程序 main.c

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

在这里插入图片描述

如果要加入 LED2 闪烁功能，则要在 while(1) 循环中添加以下程序（这与电机控制无关，只供参考）：

    /* USER CODE BEGIN 3 */
	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA,GPIO_PIN_5);
	/* Insert delay 200 ms */
	HAL_Delay(200);

打开中断服务程序 tm32g4xx_it.c，stm32g4xx_mc_it.c。

  • 中断服务程序 tm32g4xx_it.c
  /******************************************************************************
  * @file    stm32g4xx_it.c
  * @brief   Interrupt Service Routines.
  ******************************************************************************/
  • 中断服务程序 stm32g4xx_mc_it.c，
  /******************************************************************************
  * @file    stm32g4xx_mc_it.c
  * @author  Motor Control SDK Team, ST Microelectronics
  * @brief   Main Interrupt Service Routines.
  *          This file provides exceptions handler and peripherals interrupt
  *          service routine related to Motor Control for the STM32G4 Family.
  ******************************************************************************/

  1. 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。

在这里插入图片描述

  1. 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 。

程序烧录完成后，显示内容如下。

STMicroelectronics ST-LINK GDB server. Version 7.8.0
Copyright (c) 2024, STMicroelectronics. All rights reserved.

Starting server with the following options:
        Persistent Mode            : Disabled
        Logging Level              : 1
        Listen Port Number         : 61234
        Status Refresh Delay       : 15s
        Verbose Mode               : Disabled
        SWD Debug                  : Enabled

Waiting for debugger connection...
Debugger connected
Waiting for debugger connection...
Debugger connected
Waiting for debugger connection...
      -------------------------------------------------------------------
                       STM32CubeProgrammer v2.17.0                  
      -------------------------------------------------------------------

Log output file:   C:\Users\huang\AppData\Local\Temp\STM32CubeProgrammer_a12524.log
ST-LINK SN  : 003E00363432511230343838
ST-LINK FW  : V3J15M7
Board       : NUCLEO-G431RB
Voltage     : 3.28V
SWD freq    : 8000 KHz
Connect mode: Under Reset
Reset mode  : Hardware reset
Device ID   : 0x468
Revision ID : Rev X
Device name : STM32G43x/G44x
Flash size  : 128 KBytes
Device type : MCU
Device CPU  : Cortex-M4
BL Version  : 0xD4

Memory Programming ...
Opening and parsing file: ST-LINK_GDB_server_a12524.srec
  File          : ST-LINK_GDB_server_a12524.srec
  Size          : 38.10 KB 
  Address       : 0x08000000 

Erasing memory corresponding to segment 0:
Erasing internal memory sectors [0 19]
Download in Progress:

File download complete
Time elapsed during download operation: 00:00:01.011

Verifying ...
Download verified successfully 
Shutting down...
Exit.

在这里插入图片描述

  1. 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。
    • LED2 灯闪烁（如果加入闪灯程序）。
    • 按下蓝色按键 B1，电机控制程序启动。电机指示灯亮，电机旋转。

实验结果如下：
请添加图片描述


至此，我们就完成了使用 IHM03 电机控制套件开发基本的无感 FOC 电机控制程序。


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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