【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

- 1. 开发环境
- 2. 硬件连接与快速运行
- 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
  - 3.2 图形化配置 ADC 和 PWM
  - 3.3 代码编辑、编译与调试
  - 3.4 上位机监控
- 4. API 函数说明
- - 4.1 状态请求函数 RCM_GetUserConvState
  - 4.2 返回ADC转换结果 RCM_GetUserConv
  - 4.3 执行用户定义的常规 ADC 转换：RCM_RequestUserConv

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

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
三相直流无刷电机
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

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：

J5 设为 ON 状态（安装 2针跳线）；
J6 设为 ON 状态（安装 2针跳线）；
NUCLEO-G431RB 控制板的跳线设置：
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。

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）。

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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。

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。

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。

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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。

在 Pinout &Configuration 选项下，从左侧下拉菜单中选择 Analog – ADC1。
从中间的 ADC1 Mode and Configuration 选项下，将 ADC1-IN8 配置为 “IN8 Single-ended”，即为单端输入。
在右侧的 Pinout view 视图中，点击 PC2 引脚，将 PC2 配置为 ADC1-IN8，用于旋钮的 ADC 输入。

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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。

输入项目名称为 “IHM03_05”，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。

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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。

(1) 在左侧 Project Explorer 中，选择 IHM03_02 – Application – User，打开主程序 main.c

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

(2) 在实例函数定义（Private function prototypes）段落之后，在（Private user code）部分添加：
- 调速功能初始化函数 void HandsOn2_Init(void)
- 调速功能处理函数 void HandsOn2(void)

/* 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 */

(3) 在 main() 函数的初始化部分，调用 HandsOn2_Init() 对 ADC进行初始化：

  /* Initialize interrupts */MX_NVIC_Init();/* USER CODE BEGIN 2 */HandsOn2_Init();/* USER CODE END 2 */

(4) 在 main() 函数的 while(1) 循环中，调用 HandsOn2() 处理调速功能。

  /* Infinite loop */while (1){/* USER CODE BEGIN WHILE */HandsOn2();/* USER CODE END WHILE */}

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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。电机控制程序启动，电机旋转。
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。

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。

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。

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。

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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。

如果状态不是空闲，则需要等待当前任务完成。
如果状态为 UDRC_STATE_EOC，表明转换已经完成，可以调用 RCM_GetUserConv 读取结果。

函数原型：

RCM_UserConvState_t RCM_GetUserConvState(void)

功能：返回上次请求的常规转换的状态。
返回值：返回类型为 RCM_UserConvState_t，表示当前转换的状态。
-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)

功能：返回用户定义的最近一次常规 ADC 转换的结果值。
参数：该函数没有输入参数。
返回值：该函数返回一个 uint16_t 类型的值
- 正常情况下，返回最近一次常规 ADC 转换的结果。
- 如果在转换过程中发生错误，则返回值为 0xFFFF，表示转换失败。
前提条件：
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）。
工作流程：
- 转换状态检查：在调用 RCM_GetUserConv 之前，需先通过 RCM_GetUserConvState 确认转换已经完成（状态为 RCM_USERCONV_EOC）。
- 获取结果：调用 RCM_GetUserConv，返回最近的 ADC 转换结果。
- 错误判断：如果返回值是 0xFFFF，表明在转换过程中发生了错误，需要进行相应的错误处理。

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：
- true：如果转换被成功调度，即当前没有正在进行的其他转换，并且转换状态为 RCM_USERCONV_IDLE。
- false：如果有其他转换正在进行或转换请求未能被调度（例如状态不是 RCM_USERCONV_IDLE）。
工作逻辑：
- 状态检查：首先检查全局变量 RCM_UserConvState 是否为 RCM_USERCONV_IDLE（表示空闲）。如果状态不是空闲，说明有其他转换正在进行，函数直接返回 false。
- 设置句柄：如果状态为空闲，将用户定义的转换配置 regConv 设置为全局变量 RCM_UserConvHandle。这相当于将当前的转换任务调度到转换管理器中。
- 更新状态：将转换状态 RCM_UserConvState 更新为 RCM_USERCONV_REQUESTED，表示转换已被调度，等待执行。
- 返回值：如果成功调度，返回 true。如果未能调度，返回 false。

（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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