详细讲解G4在电机控制中的应用

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此文的主要评测对象是基于NUCLEO-G431RB 开发板实现电机控制的软硬件环境。 硬件环境：控制板：Nucleok-G431RB；功率控制板：X-NUCLEO-IHM07M1；受控电机：BR2804-1700KV-1无刷电机； 软件环境：电机参数设置及配置工具：ST Motor Control SDK 5.4.3工程代码的生成工具：STM32CubeMX；应用功能开发工具：STM32CubeIDE 一、硬件介绍 本次电机控制的功率板是X-NUCLEO-IHM07M1，板载两颗主要的集成电路器件是 L6230PD和TSV994IPT, 分别提供无刷电机的功率控制和电机运转信号的放大，提供给ADC采样分析。 ▲ X-NUCLEO-IHM07M1正面照 该功率板带有CN7和CN10各38PIN（双排）的插座，用于实现与Nucleo系列的控制板连接，二者扣合在一起组合成电机控制的实验板。X-NUCLEO-IHM07M1主要可连接的控制板有STM32F302R8、STM32F303RE、STM32G431RB等。 下图是Nucleo-G431RB控制板与X-NUCLEO-IHM07M1扩展板的主要功能引脚标识，电机程序控制的时候，可以参考这两图进行引脚的矫正与配置。 ▲ X-NUCLEO-IHM07M1 ▲ Nucleo-G431RB    ▲ 控制板、功率板、电机实验实物连接 ▲ 功率板下的Nucleo-G431RB控制板 二、MCSDK 5.4.3 电机参数配置工具 1、ST Motor Profiler，是一个电机配置工具，通过它可以快速配置所控制电机的相关参数，在“Select Boards”按钮中，选择控制板和功率板的组合，在右侧输入电机的磁对数（Pole Pairs）、最大转速（Max Speed）、最大电流（Max Current）、供电电压（VBus），以及电机磁场类型（magnetic）是表面贴式（SM-PMSM），还是内嵌式（I-PMSM）： 电机是表贴式与内嵌式的区分方式如下图： 软件主要界面如下图： ▲ ST Motor Profiler 系统主界面 本次实验的板卡组合方式在“Select Boards”选择响应的板卡，或在功率板查询框内输入” IHM07” 查询相关的Nucleo组合。这里我们选择第三个组合。 选择好板卡后输入相关参数，并连接板卡，如果这板卡是第一次连接，会提示下载电机参数配置的测试固件。下载好后，点击“Start Profile”根据输入的参数（转速、最大电流以及I-PMSM的Ld/Lq比值）对电机的运行进行配置，并自动分析出电机的各项运行参数，例如：最大转速、最大扭矩、最大加速度等。电机运行参数调校得是一个漫长得过程，根据需要的场景可利用这个功能进行相关参数的粗调。如下图： 电机参数配置好后，点击“Save”按钮进行保存，待” MotorControl Workbench”工具中进行使用。保存窗体中输入电机参数的文件名和描述即可。         保存窗体                                覆盖同名文件提示 点击“Play”可对点击的正转、反转、最大转速、低速性能有一个大致的了解，如果这些体验都满意，可以进行后期的电机控制板的配置和相关代码生成，这些工作是在“MotorControl Workbench”中实现。 顺便说一下：离开“Motor Profiler”工具，最好将工具与开发板的固件断开，方便其他应用程序使用，恢复到下图状态即可。 2、MotorControl Workbench 5.4.3 相关参数的设定及电机控制代码生成。 第一步：新建项目 在新建项目窗体中，选择控制板、功率板信号以及运行的电机名称，这里的电机名称实际上是包含了一些列电机参数的文件，下图是工具中默认的电机参数配置。 也可以选择之前用“Motor Profiler”生成的电机参数文件。在开发阶段，建议优选“Motor Profiler”生成的电机参数，这样电机的就指标能达到最优，当然也可以选择默认的电机参数，在生成的代码中，这类电机参数适应性更好。 ▲ 新建项目窗体 通过“Motor Profiler”创建的电机参数，下拉框旁边的垃圾图标 可对“Motor Profiler”生成的参数文件进行删除。 项目创建好后，会根据控制板、功率板和电机的信息生成项目信息提示。 ▲ 新建项目信息 新建项目好后，可通过主窗体中的“监控面板按钮”（下图红框）进入监控台对电机运行转台检查，方便验证电机相关性能。 ▲ 控制面板按钮的菜单位置 电机监控台操控面板，可以实现软件电子状态的显示（Status）、异常的提示（Faults）；控制板的连接与断开（红框）、电机启停（Start Motor、Stop Motor）、异常状态的消除（Fault Ack）；以及电机基础信息、高级信息、寄存器、配置参数等内容，并且可以通过输入/调节转盘实现电机转速的控制。 ▲ 控制操控面板 若需要对电机配置参数进行设定，需要关闭监控台窗体，回到主界面，调节各个模块的内容。 一般的调节顺序是，先调节电机自身参数，然后调节温度传感器、电流传感器、过载电流保护、速度传感器、电源控制器等功率板电路及参数，最后调节控制板电路及参数（从右至左）。通过“Motor Profiler”的电机参数生成的项目电机参数可以不用调整，这都是实际测得的；功率板电路的接口对照功率板的电路原理图进行调整，功率阈值等内容根据电路原理的电器电路进行设定；控制板的相关参数参考单路原理图、板间接口进行调整，详细的描述请异步电堂电机相关课程，有详细的功能描述和电机控制原理知识。 特别说明一下，在 “MotorControl Workbench 5.4.3”中，自动生成的控制板引脚与实际的不符，这会让项目生成的代码无法正确驱动电机，这里需要对照原理图逐一检查。避免控制板的电路和芯片出现异常。 X-Nucleo-IHM07M1-3Sh 的电机驱动控制方案搭配有F302R8和G431RB的控制板，二者使用的引脚几乎一致，只有少部分区别，主要的DAC、ADC、温度等配置是一样的，在用G431RB控制板搭建电机驱动方案时，可参考F302R8方案中的配置内容。 ▲ Nucleo-F302R8电机驱动控制方案 ▲ Nucleo-G431RB电机驱动控制方案 在各项参数配置好后，即可保存“MotorControl Workbench”项目文件（注意不要覆盖项目案例的文件，最好选择项目个人目录，方便管理和后期的代码生成）。在Cubemx功能里自动生成电机相关的项目代码和项目文件。如需要添加电机控制之外的，如：配置电机周边的显示、控制与人机交互等功能。可在Cubemx工具中修改“.IOC”项目文件，实现周边功能的配置与初始化。 ▲ 代码生成按钮 第一次生成的代码时“UPDATE”按钮是灰色的，选择Cubemx版本、选择开发工具、选择固件库版本，以及驱动方式，点击“GENERATE”按钮后就会在项目保存目录下生成该项目的代码。这里选择的开发工具是ST STM32CubeIDE。 ▲ 项目代码生成与更新 ▲ 代码生成中的提示 ▲ 代码生成完成后 三、用STM32CubeMX生成用户应用代码 在项目代码生成目录有一个“MCSDK543_G431RB.ioc”的项目文件，可用CubeMX工具打开该文件，添加修改对电机控制之外内容，用Cubemx自动生成其相关初始化配置代码。 这里验证Nucleo-G431RB对功率板的电机控制，暂不加入相关设备（略过），有兴趣的请观看电堂精心准备的《STM32电动机控制应用系列讲座》专题进行学习。因为篇幅有限不在这里深入描述。 四、用STM32CubeIDE对整体项目代码生成及验证 在“MotorControl Workbench”工具中生成的工程代码类型是“ST STM32CubeIDE”，在ST STM32CubeIDE导入相关工程即可实现代码的编译与下载验证（位置：FileàImport）按钮。 ▲ Import菜单功能位置 选择“Existing Projects into Workspace”进行外部工程项目的导入； ▲ 选择导入外部工程到工作区 选择外部工作区的目录，系统会在目录中搜索相应的工程项目。 ▲ 选择项目导入目录，ST STM32CubeIDE会在其子目录下搜索出项目工程 当工程文件导入后，工程文件的结构如下图：Application是应用代码，Drivers是G431RB的各类片内设备驱动，电机控制文件在Middlewares目录下。当系统编译后会生成Debug目录，存放各类.O文件。 ▲ 项目的工程结构 工程的main函数及入口在main.c文件中，芯片引脚、设备驱动相关的初始化和功能应用在此文件中。跟普通的STM32工程文件结构相似，流程相同。 ▲ 选择Main.c文件 通过“MotorControl Workbench”生成的工程项目，只有相应的结构，并没有电机的启动停止的操作（按键电机停止运转除外），可以在用户代码区添加这么两行指令。 1、 设置以速度模式运行1号电机2、 启动1号电机 ▲ 添加的电机启动代码 程序经过编译、下载到Nucleo-G431RB控制板，接通电机电源，重启控制板，这时功率板连接的电机开始运转，按下控制板的用户按键，电机停止转动，按下Reset键，电机重新运转。 ▲ 电机运行效果图 至此Nucleo-G431RB的电机应用项目软硬件环境搭建及功能验证结束了，不过这才是电机控制的开始，后续很多关于无刷电机控制理论的实验内容需要进行，例如上位机控制通讯、电机启动优化、其他无刷电机及功率板的验证、无刷电机低速率转矩的理论和实验、无刷电机的加减速控制等等，无刷电机相关的控制的知识盛宴已准备就绪，有了ST的这套开发工具，控制论的学习不再仅限于理论，还有实验与发现。