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【动手学电机驱动】STM32-FOC（8）MCSDK Profiler 电机参数辨识

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

【动手学电机驱动】STM32-FOC（8）MCSDK Profiler 电机参数辨识

  • 1. 开发环境
  • 2. 硬件连接
  • 3. 创建电机控制项目
  • 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. 电机参数辨识和使用
  • 4.1 电机参数辨识
  • 4.2 使用辨识的电机参数

    • 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。

    从 MCSDK6.2.0 之后，用户需要自己生成工程编译固件（firmware）将 电机参数下载到目标板上。本节以 MCSDK 6.3 为例，详细介绍使用 MCSDK Profile 辨识电机参数的工程。

    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
    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

    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。

    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）。

    1. 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。

    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。

    3. 创建电机控制项目

    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：
    2. 在 “Project name” 输入项目名称，例如 “MotorProfiler”；
    3. 在 “Num.Motors” 选择电机数量为 单电机：1 Motor；
    4. 在 “Driving Algorithm” 选择驱动控制算法为 FOC；
    5. 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，从菜单中选择一款用使用的电机参数接近的电机型号（推荐以电压为参考进行选择），例如 GimBal GBM2804H-10。

  • 点击所选电机表单右下角 “Save as” 图标按键，将其另存为 自定义的电机型号，打开 “Save as…” 窗口如下；
  • 输入电机 Name 和 Description，例如修改 Name 为 KJ100；
  • 根据使用的电机的规格参数修改 Motor parameters，例如修改极对数为 5。

    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。

    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。

    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。

    1. 在左侧菜单 “Project Steps” 中勾选 “Application Configuration” 选项框，点击选中，再勾选 “Motor Profiler” 选项框。

    点击 “>>OK” 确认，返回电机控制项目视图。

    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. 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，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。

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

  • 输入项目名称为 “MotorProfiler”，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。

    • 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

    1. 打开 STM32CubeIDE，导入 MotorProfiler 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。

    2. 在左侧 Project Explorer 中，选择 IHM03_01 – 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。

    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 */
  }

    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。
    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 。
  • 不需要程序的运行与调试。

    • 4. 电机参数辨识和使用

    4.1 电机参数辨识

    1. 回到 电机控制软件开发套件（Motor Control WorkBench），点击菜单按钮 “Motor Pilot”，打开 ST Motor Pilot 应用程序。点击 “Launch Profiler” 。

    1. 通过串口与上位机（PC）通讯。
  • 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（如本设备串口为 COM9）。
  • 在 ST Motor Pilot 中，在 “Port” 设置 ST Link 对应的串口位置（如 COM9），再点击按键 “Connect” 连接。
  • 连接成功后，ST Motor Pilot 显示控制板和驱动板的型号和参数。如下图所示。

    1. 在窗口右侧 “Pole pairs” 输入电机的极对数（本例为 5），最大速度（本例设为 1600）及最大电流（本例设为 2.0APK）。

    2. 如果不确定所使用电机的极对数，可以点击窗口右侧 “Pole pairs” 右侧 “Detect pole pairs” 检测电机的极对数。通过将电机轴旋转一圈找到有几个稳定位置来检测电机的极对数。
      （1）弹出 “Pole pairs detection” 窗口，点击 “Start” 按键；
      （2）窗口提示输入检测电流值，建议设为最大电流的 10%（本例设为 0.2Apk）；
      （3）窗口提示在固定部分和旋转部分上做标记（便于确定“将电机轴旋转一圈”这一过程）；
      （4）窗口提示“Spin your motor manually, the number of pole pairs is the number of notches you will feel during a complete mechanical rotation of the motor.”
      用手轻轻地缓慢旋转电机（轴），手会感觉到一定的阻力（需要用一点力量才能使电机旋转），当旋转一定角度时会感觉到一个平衡点（接近该点时手上的阻力减小，远离该点时阻力变大）。将电机轴旋转一圈，一共有多少个这样的平衡点，电机的极对数就是平衡点的数量。
      （5）将检测到的极对数（电机旋转一圈的平衡点数量）输入到 Pole pairs detection。

    1. 点击“Start profile”开始辨识电机参数。

    应用程序自动进行电机参数辨识，包括启停电机和以不同的转速运行，图中的蓝色进度条会显示程序运行的过程。当进度条执行到 100%时，完成电机参数辨识过程。获得的电机电气模型参数和机械模型参数显示在图中。

    1. 点击“Save” 保存辨识获得的电机参数。
      根据提示，输入电机名（例如 KJ100），将电机参数保存在 hardware\motor 文件夹的 KJ100.json 文件中。今后就可以 MCSDK 在创建项目时选择该电机，即可自动调用该电机的参数值。

    4.2 使用辨识的电机参数

    使用辨识的电机参数，有两种方法。

  • 一种方法是从 MCSDK 新建项目，在选择电机时选中刚才添加的电机，则自动从 hardware\motor 文件夹的 KJ100.json 文件中读取电机参数。然后可以参考本系列中文（5）、文（6）实现无感方波控制或 FOC 控制。

    • 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


    该用户自定义电机 KJ100 的详细参数（参数辨识结果）如下图所示。

  • 另一种方法是对于已有的项目，在源程序中直接修改电机参数进行设置。
    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”，按照电机参数辨识结果将电机参数修改如下：

  • 将极对数 POLE_PAIR_NUM 修改为 5；

  • 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  ******************************/
/* GimBal GBM2804H-100T */
/*
#define POLE_PAIR_NUM           7 // Number of motor pole pairs
#define RS                      5.3 // Stator resistance , ohm
#define LS                      0.001058 // Stator inductance, H
*/

/* MyMotor KJ-100 */
#define POLE_PAIR_NUM           5 // Number of motor pole pairs
#define RS                      0.44 // Stator resistance , ohm
#define LS                      0.00014 // Stator inductance, H

    重新编译程序，将程序下载烧录到目标板 NUCLEO-G431RB 。

  • 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。

    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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