【动手学电机驱动】STM32-FOC（6）基于 IHM03 的无感方波控制

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 的无感方波控制

【动手学电机驱动】STM32-FOC（6）基于 IHM03 的无感方波控制

- 1. 开发环境
- 2. 硬件连接
- 3. 无感方波电机控制
- - 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
- 4. 电机参数设置

P-NUCLEO-IHM03 STM32电机控制套件，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。此前我们已经学习了使用 IHM03 电机控制套件开发无感 FOC 电机控制程序的基础操作。
本节从 STM32 电机控制包配置开始，详细介绍使用 IHM03 电机控制套件开发无感方波电机控制程序的方法。

1. 开发环境

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

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

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

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

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。
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

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。
在这里插入图片描述

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）。

3. 无感方波电机控制

3.1 配置电机控制包

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_02；
- 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 6步方波：6-Step；
- 在 “Hardware Mode” 选择 Modular 模式。

在这里插入图片描述

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

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

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

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

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。

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 Sensorless - ADC，即采用无传感器（基于ADC 采样检测过零点）进行控制。

六步方波的驱动方式，就是在同一时刻只有两相绕组通电，一相输入、另一相输出、第三相悬空，以此类推换向 6步，分别是U+V-,U+W-,V+W-,V+U-,W+U-,W+V-。一个周期内每一相的导通时间保持120度的电角度。
当 BLDC 电机转动时，反电势过零点发生在浮空相。通过检测各相各相对地电压，并与直流母线电压对比。当端电压等于直流母线电压一半时，即发生过零事件。在基于ADC的过零点检测方案中，同时测量端电压与直流母线电压并进行对比，获得过零信号。
检测到过零发生并延迟30度，等待转子转过“死点”时进行换向，就能保证电机的持续运行。

在这里插入图片描述

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。

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_02”，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。

3.3 代码编辑、编译与调试

打开 STM32CubeIDE，导入 IHM03_02 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_02 项目。
在左侧 Project Explorer 中，选择 IHM03_02 – Application – User，打开主程序 main.c ，中断服务程序 tm32g4xx_it.c，stm32g4xx_mc_it.c ，如下图所示。

在这里插入图片描述

主程序 main.c


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

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.
  ******************************************************************************/

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

  /* Infinite loop */
  while (1)
  {
    /* USER CODE BEGIN WHILE */
	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA,GPIO_PIN_5);
	/* Insert delay 500 ms */
	HAL_Delay(500);
    /* USER CODE END WHILE */
  }

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

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
        InitWhile                  : 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_a24036.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_a24036.srec
  File          : ST-LINK_GDB_server_a24036.srec
  Size          : 35.75 KB 
  Address       : 0x08000000 

Erasing memory corresponding to segment 0:
Erasing internal memory sectors [0 17]
Download in Progress:
File download complete
Time elapsed during download operation: 00:00:00.944

Verifying ...
Download verified successfully

在这里插入图片描述

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，电机开始运行。
- 按下黑色按键 B2，电机停止运行。

实验结果如下：

在这里插入图片描述

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

4. 电机参数设置

我们更换另一种型号的直流电机 KJ230F，该电机的主要参数为：

极对数：6
电阻：3.4ohm
电感：0.54mH

在这里插入图片描述

我们首先介绍如何在程序中设置电机参数。

打开中断处理程序 stm32g4xx_mc_it.c，鼠标选中 “parameters_conversion.h” 后按 F3 按键打开；

/*   * @file    stm32g4xx_mc_it.c */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "mc_config.h"
#include "mc_type.h"
//cstat -MISRAC2012-Rule-3.1
#include "mc_tasks.h"
//cstat +MISRAC2012-Rule-3.1
#include "parameters_conversion.h"

打开包含文件 parameters_conversion.h，鼠标选中 “pmsm_motor_parameters.h” 后按 F3 按键打开；

/*     * @file    parameters_conversion.h */
/* Define to prevent recursive inclusion -------------------------------------*/
#ifndef PARAMETERS_CONVERSION_H
#define PARAMETERS_CONVERSION_H

#include "mc_math.h"
#include "parameters_conversion_g4xx.h"
#include "pmsm_motor_parameters.h"
#include "drive_parameters.h"
#include "power_stage_parameters.h"

打开电机参数定义文件 pmsm_motor_parameters.h，找到其中的电机电气参数定义部分 “MOTOR ELECTRICAL PARAMETERS”，修改如下：

将极对数 POLE_PAIR_NUM 修改为 6；
将定子电阻 RS 修改为 3.4 (ohm)；
将定子电感 LS 修改为 0.00058 (H)。

修改后的程序如下。

  * @file    pmsm_motor_parameters.h
/*     * @file    parameters_conversion.h */

/* Define to prevent recursive inclusion -------------------------------------*/
#ifndef PMSM_MOTOR_PARAMETERS_H
#define PMSM_MOTOR_PARAMETERS_H

/************************
 *** Motor Parameters ***
 ************************/

/***************** MOTOR ELECTRICAL PARAMETERS  ******************************/
#define POLE_PAIR_NUM           6 /* Number of motor pole pairs */
#define RS                      3.4 /* Stator resistance , ohm*/
#define LS                      0.00058 /* Stator inductance, H
                                                 For I-PMSM it is equal to Lq */
/* When using Id = 0, NOMINAL_CURRENT is utilized to saturate the output of the
   PID for speed regulation (i.e. reference torque).
   Transformation of real currents (A) into int16_t format must be done accordingly with
   formula:
   Phase current (int16_t 0-to-peak) = (Phase current (A 0-to-peak)* 32767 * Rshunt *
                                   *Amplifying network gain)/(MCU supply voltage/2)
*/

#define MOTOR_MAX_SPEED_RPM     1572 /*!< Maximum rated speed  */
#define MOTOR_VOLTAGE_CONSTANT  5.0 /*!< Volts RMS ph-ph /kRPM */
#define NOMINAL_CURRENT_A       2.160

重新编译程序，将程序下载烧录到目标板 NUCLEO-G431RB 。

对照 2.1 检查 IHM03 套件硬件连接和电源连接。
驱动板、控制板上电后：
- LED2 灯闪烁（如果加入闪灯程序）。
- 按下蓝色按键 B1，电机开始运行。
- 按下黑色按键 B2，电机停止运行。

至此，我们就完成了对新电机的参数设置。
如果电机运行异常，例如噪音大，卡顿，则需要进一步调节控制环路的 PI 参数，对此将在后文介绍。
请添加图片描述

参考资料：

P-NUCLEO-IHM03 STM32电机控制套件
UM2505 - STM32G4 Nucleo-64 boards (MB1367), STMicroelectronics/意法半导体, 2021
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
许少伦等，STM32G4入门与电机控制实战，电子工业出版社，2023