【动手学电机驱动】 STM32-FOC（7）基于 MCSDK6.0 控制与调试速度环

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
STM32-FOC（7）基于 MCSDK6.0 控制与调试速度环

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。
本节在使用 IHM03 电机控制套件开发无感速度环电机控制程序的基础上，详细介绍基于 MCSDK6.0 的速度环控制与调试方法。

1. 准备工作

1.1 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

2. 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

3. 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）

1.2 硬件连接

硬件连接的操作步骤简述如下。详细操作过程可以参见 STM32-FOC（5）基于 IHM03 的无感FOC 控制 第2部分。

1. 根据使用的 STM32 Nucleo 开发板和操作模式，检查跳线位置和安装选项。
2. 通过 ST-morpho连接器连接（CN7、CN10）X-NUCLEO-IHM16M1 驱动板与 STM32 NUCLEO 开发板。
3. 将 3-pin 插接端子插入连接器 CN1 的 3/4/5 输出端，以连接无刷电机。
4. 使用 USB 连接线将 STM32 Nucleo 开发板连接到 PC，并下载相应的预编译代码。
5. 使用 12V 直流电源为电路板供电，可以选择以下二者之一：
   – 使用连接器 CN1 的 2（VIN）和 1（接地）接入 12VDC电源；
   – 使用 J4 插孔（2.1/2.5 mm，尖端正极）接入12VDC电源。
6. 使用 STM32 电机控制 SDK（X-CUBE-MCSDK）开发和运行应用程序。

2. 基于 IHM03 的无感FOC 控制

基于 IHM03 的无感FOC 控制的操作步骤简述如下。详细操作过程可以参见 STM32-FOC（5）基于 IHM03 的无感FOC 控制 第3部分。

2.1 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，设置项目名称为 IHM03_03，选择单电机（1 Motor）、FOC驱动控制算法、Modular 模式。

2. 硬件配置。
   在 “Motors” 菜单选择电机为 GimBal GBM2804H-100T，在 “Power board” 菜单选择驱动板为 X-NUCLEO-IHM16M1 电机驱动板，在 “Control board” 菜单选择控制板为 NUCLEO-G431RB 控制板。

3. 修改配置的电路板和电机的信息。
   如果配置的硬件信息与实际产品参数有差异，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。

4. 完成项目配置后，自动生成一个电机控制项目，并显示项目视图。

5. 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。

6. 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。

2.2 图形化配置

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

7. 将PA5 管脚设置为 GPIO_Output，可以控制 LD2 灯的开关闪烁。
   LD2 闪灯与电机控制无关，但可以用来确认程序烧录和运行是否正常，帮助初学者分析和排除故障。

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

• 输入项目名称为 “IHM03_03”，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。点击“ OPEN PROJECT”，进入 STM32CubeIDE。

2.3 代码编辑、编译与调试

9. 打开 STM32CubeIDE，导入 IHM03_03 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_03 项目。

10. 在左侧 Project Explorer 中，选择 IHM03_03 – 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。

加入 LED2 闪烁功能，只要在 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 500 ms */HAL_Delay(500);

11. 程序编译与下载

• 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。
• 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
...Erasing memory corresponding to segment 0:
Erasing internal memory sectors [0 19]
Download in Progress:File download complete
Time elapsed during download operation: 00:00:01.011Verifying ...
Download verified successfully 
Shutting down...
Exit.

12. 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。

3. 使用 MCSDK Pilot 控制与调试

3.1 加载上位机 GUI

MC SDK 提供 UI 库，用于界面调试通讯使用，与 Workbench 之间的交互。

1. 打开电机控制软件开发套件（Motor Control WorkBench），单击工具栏的 “Motor Pilot” 按钮，启动电机导向应用程序 ST Motor Pilot。

2. 在 ST Motor Pilot 中，点击菜单 “GUI – Load GUI”，根据项目内容选择相应的 QML 图形界面文件，加载上位机程序。

QML（Qt Meta-Language）是一种基于JavaScript的声明性语言，用于描述用户界面和应用程序的行为。它是Qt框架的一部分，广泛应用于跨平台应用程序开发。QML由于其高度的模块化和可重用性，特别适合于嵌入式系统的开发。在QML能够帮助开发者以声明性的方式构建用户界面，这样就可以在不需要深入了解底层图形渲染机制的情况下，创建出性能良好的界面。

如下图所示，加载上位机 GUI 文件 MC_FOC_SDK.qml。

3. 连接上位机。

P-NUCLEO-IHM03 STM32电机控制套件 通过串口与上位机（PC）通讯。
3.1 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（例如下图中串口为 COM3）。

3.2 在 ST Motor Pilot 中，在 “Port” 设置 ST Link 对应的串口位置，再点击按键 “Connect” 连接。
3.3 连接成功后，ST Motor Pilot 显示电机的运行状态和参数，包括：电机转速，直流母线电压，温度，功率，运行状态，故障代码等。如下图所示，电机处于 “IDLE” 状态。

3.2 从上位机控制电机运行

在 ST Motor Pilot 的左下角的 “Control” 布局框内，设有电机运行的控制按钮。

• 控制环路包含 “SPEED”、“TORQUE” 两个选项。默认选项为 “SPEED”，采用速度环控制；可选选为 “TORQUE”，采用力矩环（电流环）控制。
• 点击 “Start” 按钮，启动电机运行；
• 点击 “Stop” 按钮，停止电机运行；
• 点击 “Stop ramp” 按钮，停止爬坡。

4. 点击 “Start” 按钮启动，电机旋转。点击 “Stop” 按钮，停止电机运行。

左侧运行状态栏 显示运行状态为 “RUN”，故障灯全灭 指示无故障；
电机转速表（Speed Control）显示当前的转速测量值；
指示计（Measures）显示电压、温度、功率值；
状态栏（Global Configuration）显示运行状态。

5. 寄存器
   点击菜单栏中的 “Registers” 按钮，切换到寄存器显示界面，显示设定的寄存器参数的实时值。

3.3 从上位机监控电机运行

5. 实时监控

在 寄存器显示界面，选择需要实时监控的参数，点击该参数所在行的 “Configure” 按钮，可以绘制实时变化图。

• 选择速度参考值 SPEED_REF（ID=153），点击对应的 “Configure” 按钮，选择 “Send to new plot” 后按 “Apply”，自动建立绘图框 plot1，将 SPEED_REF 绘制到 plot1 绘图框。
• 选择速度测量值 SPEED_MEAS（ID=89），点击对应的 “Configure” 按钮，选择 “plot1” 后按 “Apply”，将 SPEED_MEAS 也绘制到 plot1 绘图框。

点击 “Start” 按钮启动，点击 “Stopt” 按钮停止，plot1 绘图框实时显示 速度参考值 SPEED_REF、速度测量值 SPEED_MEAS 的运行曲线如下图所示。

6. 调节电机运行速度

在上位机调节电机运行的速度参考值，通过电流环可以控制电机转速。

在 ST Motor Pilot 的转速表下方的 “Speed Ramp” 布局框内，用户可以设置电机速度参考值（Target Speed RPM）和斜坡时间（Speed ramp duration），控制电机运行。

6.1 在电机运行过程中，在 “Target Speed RPM” 选框输入转速参考值，斜坡时间不修改（默认值为0），在 plot1 绘图框观察实时显示的 速度参考值 SPEED_REF、速度测量值 SPEED_MEAS 的运行曲线，如下图所示。

6.2 在电机运行过程中，在 “Target Speed RPM” 选框输入转速参考值，同时在 “Duration” 选框输入斜坡时间，在 plot1 绘图框观察实时显示的 速度参考值 SPEED_REF、速度测量值 SPEED_MEAS 的运行曲线。

如下图所示，斜坡时间（Duration）主要影响转速参考值的变化时间，相应地也会影响速度参考值变化时的速度测量值的超调量。

7. 调节速度环控制器参数

在 ST Motor Pilot 中，用户可以调整速度环、力矩环、磁链环的 PI 控制器参数。

• 在 ST Motor Pilot 左下方点击 “Advanced Configuration”，打开右侧的状态栏。
• 状态栏选择 Currents_Speed 状态，显示速度环 PI 控制器（Speed PI regulator）的参数 Kp、Ki。
• 本项目中 Kp 默认值为 2730，将其修改为 300，Ki 默认值为 562 不变。

点击 “Start” 启动电机。在 plot1 绘图框观察实时显示的 速度参考值 SPEED_REF、速度测量值 SPEED_MEAS 的运行曲线，如下图所示。

减小 Kp 后，速度环的超调量较大。相应地，电流过冲大，容易触发过流保护。由此，速度环 控制器参数，对于电机的运行非常重要。下节将简单介绍速度环参数整定的基本原则和方法。

减小 Kp，超调量较大。电流过冲大，容易过流保护。

8. 故障显示与处理

当电机运行发生故障保护时，自动停止运行，并在状态栏显示故障状态，如下图所示。

如果故障可以自动恢复，点击状态栏 “Ack Faults” 按钮可以使故障复位，进入空闲状态 “IDLE”。如果故障不能自动恢复，则需要断电重启。

4. 速度环控制器

本节是对电机控制速度环和参数整定的介绍。

4.1 电流环 PI 控制器

电流闭环控制，可以精确的控制电机的 Id、Iq 电流值。

电流环的主要作用是在电机启动过程中能够以最大的电流启动，同时对电网电压的波动起及时抗扰的作用，加快动态系统的响应速度，提高系统的稳定性。

4.2 速度电流双闭环 PI 控制器

实际应用通常期望控制电机以设定的转速变化，仅靠电流闭环不能实现。需要加入转速闭环，实现对转速的控制。转速控制器的输出为电流控制器的给定，转速控制器的输出要进行限幅，因为转速控制器的输出限幅值决定了所用电机的最大允许电流。

速度控制系统的拓扑结构，是速度外环、电流内环的双闭环控制系统，如下图所示。

增加𝐾𝑖对电机控制系统的影响与增加弹簧常数相似。系统的阻尼由⻓𝑝增益控制。增加阻尼将减少振荡。

### 4.3 电流环路带宽

电流回路带宽过高会导致电机承受过度的压力，因为高频电流瞬变和噪声会转化为高频扭矩瞬变和噪音。电流环路带宽还有另一个限制：采样频率。

在模拟系统中，电机反馈信号的任何变化都会立即开始对输出控制电压产生影响。但是，使用如图所示的数字控制系统，在PWM周期开始时通过ADC对电机信号进行采样，执行控制计算，并将得到的控制电压存入双缓冲PWM寄存器。这些值在PWM寄存器中处于未使用状态，直到它们在下一个PWM周期开始时被时钟记录到PWM输出。

由于电流控制器处理的带宽比速度回路高，因此通常是电流回路受 PWM 模块的 SH 效应影响最大。由于PWM 模块 SH与电流回路的信号路径串联，其幅度和相位贡献直接增加了电流控制器的开环响应。

在大多数设计中，可以保留$\frac{K_p^s}{2\pi L}$至少比采样频率低一个数量级。利用这一假设以及速度环调谐过程的约束，可以编写一个通用的“经验法则”表达式：

$$\frac{10L}{\delta \tau }<K_p^s<\frac{2\pi L}{10T_s}$$

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. UM3027 - How to use STM32 motor-control SDK v6.0 workbenc, STMicroelectronics/意法半导体, 2022
5. 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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