【动手学电机驱动】 STM32-FOC（1）STM32 电机控制的软件开发环境

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
STM32-FOC（10）使用旋钮调节电机转速

【动手学电机驱动】 STM32-FOC（1）STM32 电机控制的软件开发环境

1. STM32 电机控制的 工作流

2. STM32 图形化配置工具（STM32CubeMX）

2.1 下载和安装

2.2 安装固件支持包

3. STM32 集成开发环境（STM32CubeIDE）

3.1 下载和安装

3.2 新建工程

4. 电机控制软件开发套件（MCSDK）

4.1 下载和安装

4.2 创建新项目

4.3 导入已有的项目

4.4 项目视图

4.5 生成项目

5. MCSDK 电机控制组件

5.1 X-Cube-MCSDK_5.X 中的组件

5.2 电机控制API

本系列从零开始，针对小白介绍使用 STM32 单片机实现 PMSM 电机的 FOC 控制，帮助读者快速上手电机控制。

本节我们首先介绍 STM32 电机控制的工作流，然后安装电机控制开发所需的软件环境。

STM32CubeMX：STM32 图形化配置工具

STM32CubeIDE：STM32 集成开发环境

MCSDK：电机控制软件开发套件

已经完成软件开发环境安装和配置的同学，可以跳过本节。

1. STM32 电机控制的 工作流

STM32 电机控制 SDK 工作流：

1. 使用 MotorControl Workbench（MCSDK） 创建工程；
2. 在 STM32CubeMX 中生成代码；
3. 在 CubeIDE 或 Keil 中打开代码，进行调试、编译与下载；
4. 使用 MCSDK 可以实现对电机的在线调试、波形观测与状态监测。

2. STM32 图形化配置工具（STM32CubeMX）

STM32CubeMX 是ST公司推出的图形化配置工具，通过傻瓜化的操作便能实现相关配置，自动创建单片机工程及初始化代码。

STM32CubeMX工具可简化硬件和外设配置过程，而且用于开发的Nucleo板也拥有较高的性价比。同时也提供了丰富的部件供用户选择。

STM32CubeMX集成了HAL库和LL库，生成的代码也是基于这两个库。HAL库是ST标准库后推出的，设计采用高分层思想，当工程更改主控芯片后，所有函数几乎不需要任何更改。HAL库和LL库按外设模块设计，配置时可选择响应模块用不同的库。

STM32CubeMX 可以作为 eclipse 插件形式安装，也可以单独运行，需要安装JAVA运行环境。通过插件式安装，可以将STM32CubeMX 集成在一个IDE，使用十分方便。

2.1 下载和安装

1. 下载 图形化配置工具（STM32CubeMX）安装程序。
   打开 ST 官网，用户登录，进入CubeMX 下载页面，选择所需的版本进行下载。
   官方下载地址：https://www.st.com.cn/content/st_com/zh/stm32cubemx.html

2. 双击运行下载的安装程序（例如：SetupSTM32CubeMX-6.12.1-Win.exe，需要 1.2G 空间），根据提示进行安装。
   注意安装路径中不要有中文。
   建议不要安装在系统盘中。

3. 安装完成后，以管理员身份运行 STM32CubeMX，主界面如下。分为：菜单栏、现有工程（Existing Projects）、新建工程（New Project） 和 软件管理（Manage software installations）。

菜单按钮，用于文件管理、切换视图和帮助等。

现有工程，用于加载近期的工程文件。

新建工程，用于创建新的工程文件。

软件管理，用于检查 STM32CubeMX 的更新机固件包的下载与安装。

2.2 安装固件支持包

为了实现在STM32系列MCU之间的无缝移植，ST公司推出了硬件抽象层 HAL（Hardware Abstraction Layer） 固件库。随着 HAL 库的推出，ST 公司逐渐停止了对标准固件库的更新，加入了很多第三方的中间件，如RTOS，USB，TCP/IP和图形。

HAL 固件库可以通过在线安装或离线安装。

在线安装

1. 以管理员身份运行 STM32CubmeMX。

2. 点击 Help – Embedded software packages manager，弹出如下图所示的 MCU 包管理窗口，根据使用的 MCU 型号选择对应的处理器和固件版本。

3. 选择 “Install”，在线安装 HAL 固件支持包。

安装完成后，MCU 包管理器 Embedded software packages manager 中对应的模块前的方框变成绿色，表明安装成功。

离线安装

离线安装需要下载安装包。

1. 根据使用的 MCU 型号，从 ST 官网下载 HAL 库 选择对应的处理器和固件版本，下载 HAL 固件支持包。

2. 点击 Help – Manage embedded software packages，选择 “From Local…” 离线安装下载的 HAL 固件支持包。

3. STM32 集成开发环境（STM32CubeIDE）

STM32CubeIDE是一体式多操作系统开发工具，是一种高级C/C++开发平台，具有STM32微控制器和微处理器的外设配置、代码生成、代码编译和调试功能。

STM32CubeIDE集成了STM32CubeMX的STM32配置与项目创建功能，以便提供一体化工具体验，并节省安装与开发时间。在通过所选板卡或示例选择一个空的STM32 MCU或MPU，或者预配置微控制器或微处理器之后，将创建项目并生成初始化代码。

STM32CubeIDE还具有标准和高级调试功能，其中包括CPU内核寄存器、存储器和外设寄存器以及实时变量查看、串行线传输监测器接口或故障分析器的视图。

3.1 下载和安装

1. 下载 STM32 集成开发环境（STM32CubeIDE）安装程序。
   打开 ST 官网，用户登录，进入 STM32CubeIDE 下载页面，选择所需的版本进行下载。
   官方下载地址：https://www.st.com.cn/zh/development-tools/stm32cubeide.html

2. 双击运行下载的安装程序（例如：st-stm32cubeide_1.16.1_22882_20240916_0822_x86_64.exe），根据提示进行安装。
   注意安装路径中不要有中文。
   建议不要安装在系统盘中。

3. 安装完成后，打开 STM32 集成开发环境（STM32CubeIDE），主界面如下。

从上向下依次是 菜单按钮区、最近项目区和例程区。

菜单按钮区，由于创建新项目、加载已有项目或启动 ST电机参数测量工具。

最近项目区，用于加载近期的项目。

例程区，用于加载项目示例。

3.2 新建工程

首次双击打开软件，将自动进入工程路径配置界面，注意工程的保存路径不能带有中文字符。

新建工程的基本操作如下：

点击 Strat new STM32 project，进入工程主界面；

输入芯片型号，进行对应工程的配置；

设置工程名称和路径；

选择芯片固件包的版本；

选择下载器类型（推荐使用ST-LINK）；

安装固件支持包（需要登陆账号）；
完成各项配置后，保存工程文件。

关于 STM32CubeIDE 的使用，将在后文详细介绍。

4. 电机控制软件开发套件（MCSDK）

STM32微控制器提供工业标准Arm® Cortex®-M内核的性能，可运行矢量控制控制或FOC模式，广泛应用于空调、家用电器、无人机、建筑和工业自动化、医疗和电动自行车等高性能驱动的应用领域。

4.1 下载和安装

1. 下载 电机控制软件开发套件（MCSDK）安装程序。
   打开 ST 官网，用户登录，进入MCSDK 下载页面，选择所需的版本进行下载。
   官方下载地址：https://www.st.com.cn/zh/embedded-software/x-cube-mcsdk.html

2. 双击运行下载的安装程序（例如：en.X-CUBE-MCSDK-FUL_6.3.1.exe，需要 1.2G 空间），根据提示进行安装。
   注意安装路径中不要有中文。
   建议不要安装在系统盘中。

3. 安装完成后，打开 电机控制软件开发套件（MCSDK），主界面如下。从上向下依次是 菜单按钮区、最近项目区和例程区。

菜单按钮区，由于创建新项目、加载已有项目或启动 ST电机参数测量工具。

最近项目区，用于加载近期的项目。

例程区，用于加载项目示例。

4.2 创建新项目

1. 创建新项目（以IHM03 电机控制套件为例）。

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；

在 “Num.Motors” 选择电机数量为 单电机 或 双电机；

在 “Driving Algorithm” 选择驱动控制算法为 FOC 或 6-step；

在 “Hardware Mode” 选择 Modular 模式；

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；

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；

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；

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。

有效地完成项目配置后，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。

4.3 导入已有的项目

在 MCSDK 主视图中单击 LoadProject 按钮，出现一个系统对话框窗口，用户可以选择要加载的项目文件（.stwb6）。
加载的项目出现在 project 视图中，用户可以在其中对其进行细化或修改。

4.4 项目视图

项目视图由以下部分组成：

工具栏区域，用于控制应用程序导航、项目保存和生成；

硬件区域信息，当前项目的硬件信息显示在该区域。

MCU引脚使用和冲突
鼠标移动到 MCU 型号的位置，会在窗口中显示所选MCU的信息：

产品文件夹：单击将打开所选MCU的产品文件夹页面。

引脚使用和冲突：控制MCU的引脚分配，并接收有关引脚冲突的反馈。

控制板（主控板）
鼠标移动到控制板型号的位置，会在窗口中显示所选控制板的信息：

数据简介文件夹：单击将打开相关控制板的数据简介。

产品文件夹：点击打开相关产品文件夹页面。

电源板（驱动控制板）
鼠标移动到驱动控制板型号的位置，会在窗口中显示所选驱动板的信息：

数据简介文件夹：单击将打开相关控制板的数据简介。

产品文件夹：点击打开相关产品文件夹页面。

项目步骤区域，显示需要配置参数的硬件，包括：电机，电源，PWM发生器和其它参数。

硬件配置详细信息区域，用于微调所选硬件功能，方便查看所有主要信息和保护。

4.5 生成项目

单击工具栏区域的 “Generate the project” 会生成用户应用程序项目文件。

弹出一个窗口，允许用户选择目标工具链、固件包版本、驱动器类型，并生成电机控制固件应用程序。

如果项目文件尚未保存，则会弹出一个信息窗口，指示此项目需要先保存才能生成。使用“Save&Generate ”按钮进行保存和生成。

5. MCSDK 电机控制组件

ST MCSDK 以 STM32Cube 的外部组件方式提供给用户，主要包含三部分：
三相永磁同步电动机固件库（Motor Control FirmWare），ST Motor Control Workbench（ST电机工作台，简称“ST MC WB”），以及由ST MC WB从后台调用的 STM32CubeMX。

ST MCSDK 固件主要由 电机控制座舱（Motor Control Cockpit）、电机控制库（Motor Control Library）和用户界面库（UI Library）组成。电机控制库是底层的组件库，是 ST MCSDK 固件的核心，由一组组件组成，每个组件实现一项特定功能。电机控制座舱将这些组件集成起来，实现完整的电机控制功能。用户界面用于调试通信。

5.1 X-Cube-MCSDK_5.X 中的组件

以源程序提供的组件：

bus_voltage_sensor.c，总线电压

circle_limitation.c，电压极限限制

enc_align_ctrl.c，编码器初始定位控制

encoder_speed_pos_fdbk.c，编码器传感器相关

hall_speed_pos_fdbk.c，Hall 传感器相关

inrush_current_limiter.c，浪涌电流限制

mc_math.c，数学计算

mc_interface.c，马达控制底层接口

motor_power_measurement.c，平均功率计算

ntc_temperature_sensor.c，NTC 温度传感

open_loop.c，开环控制

pid_regulator.c，PID 环路控制

pqd_motor_power_measurement.c，功率计算

pwm_common.c，TIMER 同步使能

pwm_curr_fdbk.c，SVPWM， ADC 设定相关接口

r_divider_bus_voltage_sensor.c，实际总线电压采集

virtual_bus_voltage_sensor.c，虚拟总线电压

ramp_ext_mngr.c，无传感开环转闭环控制

speed_pos_fdbk.c，速度传感接口

speed_torq_ctrl.c，速度力矩控制

state_machine.c，电机状态相关

virtual_speed_sensor.c，无传感开环运行相关

以库文件提供的组件：

fast_div.c，快速软件除法

feed_forward_ctrl.c，前馈控制

flux_weakening_ctrl，弱磁控制

max_toque_per_ampere，最大转矩控制

sto_cordic_speed_pos_fdbk.c，速度和位置反馈Cordic

sto_pll_speed_pos_fdbk.c，速度和位置反馈PLL

revup_ctrl.c，启动控制

在简单的电机控制应用中通常不需要修改这部分代码，如果在Application MC API层不能满足应用需求时才会需要修改这部分代码。

5.2 电机控制API

在mc_api.c中有各种可以供用户使用的API接口，对于普通的电机控制用户可以不用关心底层的实现，只需要使用这些API就可完成电机控制。
电机库可以支持两个电机，在函数中使用后缀 Motor1 和 Motor2 来区分是电机1还是电机2。 下面以控制电机1 为例来说明API接口的含义。

电机控制API说明

函数名称	函数形参	函数返回值	函数功能
MC_StartMotor1	void	bool	启动电机
MC_StopMotor1	void	bool	停止电机
MC_ProgramSpeedRampMotor1	hFinalSpeed、hDurationms	void	设定目标速度以及持续时间
MC_ProgramTorqueRampMotor1	hFinalTorque、hDurationms	void	设定目标力矩以及持续时间
MC_SetCurrentReferenceMotor1	Iqdref	void	设定 Iq,Id 参考
MC_GetCommandStateMotor1	void	MCI_Command State_t	返回指令执行状态
MC_StopSpeedRampMotor1	void	bool	停止速度指令执行,速度指令保存为执行停止前速度指令
MC_StopRampMotor1	void	void	停止执行电机正在运行的斜坡
MC_HasRampCompletedMotor1	void	bool	指令是否执行完成
MC_GetMecSpeedReferenceMotor1	void	int16_t	返回机械参考速度
MC_GetMecSpeedAverageMotor1	void	int16_t	返回平均机械速度
MC_GetLastRampFinalSpeedMotor1	void	int16_t	返回上次指令速度
MC_GetControlModeMotor1	void	STC_Modality_t	返回控制模式
MC_GetImposedDirectionMotor1	void	int16_t	返回电机转动方向
MC_GetSpeedSensorReliabilityMotor1	void	bool	返回当前速度传感器可信度
MC_GetPhaseCurrentAmplitudeMotor1	void	int16_t	返回电流值
MC_GetPhaseVoltageAmplitudeMotor1	void	int16_t	返回电压值
MC_GetIabMotor1	void	ab_t	返回 a,b 相电流
MC_GetIalphabetaMotor1	void	alphabeta_t	返回 clark 变换后的 Iα,Iβ
MC_GetIqdMotor1	void	qd_t	返回 park 变换后的 Id,Iq
MC_GetIqdrefMotor1	void	qd_t	返回 Id, Iq 参考
MC_GetVqdMotor1	void	qd_t	返回变换电压量 Vd, Vq
MC_GetValphabetaMotor1	void	alphabeta_t	返回变换电压量 Vα, Vβ
MC_GetElAngledppMotor1	void	int16_t	返回电角度 DPP 数据
MC_GetTerefMotor1	void	int16_t	返回电流参考
MC_SetIdrefMotor1	hNewIdref	void	设定电流 Id 参考
MC_Clear_IqdrefMotor1	void	void	Iq,Id 数据回到默认值
MC_AcknowledgeFaultMotor1	void	bool	清除异常状态
MC_GetOccurredFaultsMotor1	void	uint16_t	得到发生了的故障状态
MC_GetCurrentFaultsMotor1	void	uint16_t	得到当前的故障状态
MC_GetSTMStateMotor1	void	State_t	得到电机状态

至此，我们就完成了 STM32 电机控制的软件开发环境的安装和配置。

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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