代码收藏家技术教程 2025-01-25

【动手学电机驱动】STM32-FOC（8）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）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

4. 更换电机与电机参数设置

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

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。

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。

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）。

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。

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。

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

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。

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

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 “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；

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。

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。

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。

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 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。

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。

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 “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。

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 ，如下图所示。

主程序 main.c


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

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）：

  /* 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 */
  }

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

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。

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.

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。

4. 更换电机与电机参数设置

当更换电机时，需要根据电机参数对配置进行修改。
一种方法是在 MCSDK 中增加用户自定义的电机型号，我们将在 STM32-FOC（8）MCSDK Profiler 电机参数辨识详细介绍。另一种方法是通过 IDE 在程序中直接修改电机参数，下面对此进行介绍。

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：5

电阻：1.7 ohm

电感：0.0018 H

我们首先介绍如何在程序中设置电机参数。

打开硬件参数配置程序 mc_parameters.c，鼠标选中 “parameters_conversion.h” 后按 F3 按键打开；

/*   * @file    mc_parameters.c */

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
//cstat -MISRAC2012-Rule-21.1
#include "main.h" //cstat !MISRAC2012-Rule-21.1
//cstat +MISRAC2012-Rule-21.1
#include "parameters_conversion.h"
#include "r3_2_g4xx_pwm_curr_fdbk.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"

说明：也可以通过其它方式找到并电机参数定义文件 pmsm_motor_parameters.h，总之打开并修改电机参数定义文件 pmsm_motor_parameters.h 即可。

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 5；

将定子电阻 RS 修改为 1.7 (ohm)；

将定子电感 LS 修改为 0.0018 (H)。

如有需要，可以在该程序后续段落修改最大转速 MOTOR_MAX_SPEED_RPM、电压电流等参数。

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           5 /* Number of motor pole pairs */
#define RS                      1.69 /* Stator resistance , ohm*/
#define LS                      0.0018 /* 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。

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

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