代码收藏家 【动手学电机驱动】STM32-FOC（10）使用旋钮调节电机转速
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（10）使用旋钮调节电机转速
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，在基于 IHM03 电机控制套件的无感 FOC 电机控制基础上，介绍使用 Nucleo 开发板上的旋钮对电机进行调速，学习 ADC 的配置和调用。
1. 开发环境
- 硬件要求
- 系统要求：
- 开发工具
2. 硬件连接与快速运行
-
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：
- 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：
NUCLEO-G431RB 控制板的跳线设置：
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。
3. 使用旋钮调节电机转速程序的开发
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。
在 “General Info” 菜单中进行设置： - 在 “Project name” 输入项目名称，例如 “IHM03_05”；
- 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 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，从菜单中选择电机型号，套件中的电机是 GimBal GBM2804-100T 直流无刷电机。
本例使用 KJ230F 直流无刷电机，则从电机选项卡中选择 KJ230F（用户自定义电机的操作参见 STM32-FOC（8）MCSDK Profiler 电机参数辨识）。
-
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。
点击 “>>OK” 确认，返回电机控制项目视图。 -
项目生成。
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 ADC 和 PWM
在 Motor Control WorkBench 中生成项目，点击 “RUN STM32CubeMX” 按键，打开 STM32CubeMX，对 ADC 进行配置以使用 旋钮。
- ADC 配置。
-
参考点灯实验程序，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。
加载完毕后，弹出 “Code Generation” 代码生成提示窗口。点击“ Open Project” 按键，进入 STM32CubeIDE。
3.3 代码编辑、编译与调试
-
打开 STM32CubeIDE，导入 IHM03_05 项目。
如果是从 CubeMX 代码生成提示窗口点击“ Open Project” 按键，则进入 STM32CubeIDE 后自动打开 IHM03_05 项目。
注意如果在 STM32CubeIDE 中还有其它打开的项目，要点击鼠标右键选择 “Close Project” 关闭其它项目。 -
修改主程序 main.c，添加使用 ADC 实现旋钮调速的代码。
/******************************************************************************
* @file : main.c
* @brief : Main program body
******************************************************************************/
/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
/* Hand On 2 -用户ADC控制速度 */
#include "regular_conversion_manager.h"
#define MIN_SPEED 200 //最低转速 200rpm
#define MAX_SPEED 1200 //最高转速 1200rpm
//定义用户ADC
RegConv_t ADC_Userconv;
uint8_t ADC_UserHandle;
uint16_t ADC_UserValue;
uint16_t Set_Speed;
void HandsOn2_Init(void)
{
ADC_Userconv.regADC=ADC1;
ADC_Userconv.channel=MC_ADC_CHANNEL_8;
ADC_Userconv.samplingTime=ADC_SAMPLETIME_92CYCLES_5;
RCM_RegisterRegConv(&ADC_Userconv); // 注册ADC转换
ADC_UserHandle = ADC_Userconv.convHandle; // 获取转换句柄
//启动电机
MC_StartMotor1();
}
void HandsOn2(void)
{
HAL_Delay(200);
//检查常规转换状态
if (RCM_GetUserConvState()==RCM_USERCONV_IDLE)
{
// 请求用户转换，传递描述转换的结构体指针
RCM_RequestUserConv(&ADC_Userconv);
}
else if (RCM_GetUserConvState()==RCM_USERCONV_EOC)
{
ADC_UserValue=RCM_GetUserConv();
}
//计算设定速度值
Set_Speed=(ADC_UserValue>>4)/8+MIN_SPEED;
if(Set_Speed>MAX_SPEED)
{
Set_Speed=MAX_SPEED;
}
MC_ProgramSpeedRampMotor1(Set_Speed/6, 500);
}
/* USER CODE END 0 */
/* Initialize interrupts */
MX_NVIC_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
HandsOn2_Init();
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
while (1)
{
/* USER CODE BEGIN WHILE */
HandsOn2();
/* USER CODE END WHILE */
}
- 程序编译
- 程序下载烧录到目标板
- 程序的运行与调试
3.4 上位机监控
为了更清楚的监测电机运行状态和转速，可以使用 MCSDK6.0 Pilot 上位机进行控制与监测，本节介绍具体操作。
关于 MCSDK6.0 Pilot 上位机控制与调试方法，可以详见： STM32-FOC（7）MCSDK Pilot 上位机控制与调试。下面介绍本例的具体操作。
-
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。
-
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 GUI 文件 MC_FOC_SDK.qml。
-
连接上位机。
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。
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。 -
建立实时监控速度曲线图
4.1 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。
4.2 在寄存器显示界面，选择需要实时监控的参数，生成实时变化图。
- 监控程序运行
通过 STM32CubeIDE 的工具栏中 “Resume” 按键 或 F8 快捷键运行程序，或按下开发板黑色按钮（复位键）运行程序，在上位机通过 ST Motor Pilot 监测程序运行状态。
用螺丝刀调节 X-NUCLEO-IHM16M1 电机驱动板上的 R17 蓝色旋钮，可以调节电机的转速。电机运行速度的参考值 SPEED_REF、速度测量值 SPEED_MEAS 的曲线，实时显示在 ST Motor Pilot 的会图框 plot1，如下图所示。
4. API 函数说明
API 函数是 电机控制SDK的高级编程接口，位于 MC SDK 中的电机应用层，处于 用户层 与 电机库 之间。API 函数基于电机库构建，就像是行为描述操作，便于用户调用。使用 API 函数，可以完成基于MCSDK 应用程序的各种电机基本操作。
在本例程中，从 MC SDK 调用了几个 基本的 API 函数：
RCM_GetUserConvState();
RCM_GetUserConv();
RCM_RequestUserConv();
4.1 状态请求函数 RCM_GetUserConvState
函数 RCM_GetUserConvState 的作用是返回最近一次用户定义的常规 ADC 转换的状态。这是用于跟踪转换请求状态的重要函数，帮助用户判断是否可以发起新的转换或读取已有的转换结果。
RCM_UserConvState 由转换管理器（如 RCM_RequestUserConv 和 RCM_GetUserConv）动态更新。
在请求新的转换之前，用户需要调用 RCM_GetUserConvState 确保当前状态为 UDRC_STATE_IDLE。
函数原型：
RCM_UserConvState_t RCM_GetUserConvState(void)
-UDRC_STATE_IDLE：空闲状态，表示没有任何挂起的常规转换请求，可以请求新的转换
-UDRC_STATE_REQUESTED：表示常规转换已被请求，但尚未完成。转换器正在处理当前任务，暂时无法接受新的转换请求。
-UDRC_STATE_EOC：常规转换已完成，但尚未读取。表示常规转换已经完成，但结果尚未被用户读取。
4.2 返回ADC转换结果 RCM_GetUserConv
RCM_GetUserConv 是一个用来获取最近一次 ADC 转换结果的函数。在实时系统中，通过结合 RCM_RequestUserConv 和 RCM_GetUserConvState，可以实现对 ADC 转换任务的有效管理和结果读取。
函数原型：
uint16_t RCM_GetUserConv(void)
调用此函数前，需要通过 RCM_GetUserConvState 检查当前转换状态，确认状态为 RCM_USERCONV_EOC（End of Conversion，表示转换完成）。
4.3 执行用户定义的常规 ADC 转换：RCM_RequestUserConv
RCM_RequestUserConv 是一个调度函数，用于管理用户定义的常规 ADC 转换。它的作用是将用户配置的转换任务注册到转换管理器中，并确保调度与状态一致。通过正确使用此函数，可以实现高效的 ADC 转换管理，并避免资源竞争。
函数原型：
bool RCM_RequestUserConv(RegConv_t *regConv)
功能：请求执行一个用户定义的常规 ADC 转换。
参数：
RegConv_t *regConv：指向 RegConv_t 类型的指针。表示用户定义的常规转换的配置（包含 ADC 配置、通道、采样时间等信息）。
返回值：
工作逻辑：
（本节完）
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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