【从零开始实现stm32无刷电机FOC】【实践】【7.2/7 完整代码编写】

目录

• stm32cubemx配置
• • 芯片选择
  • 工程配置
  • stm32基础配置
  • SPI的配置
  • 定时器的配置
  • ADC的配置
  • 中断优先级的配置
  • 生成工程
• 工程代码编写
• • FOC代码结构搭建
  • 电机编码器角度读取
  • PWM产生
  • FOC开环代码编写
  • 确定电机正负旋转方向
  • 电机旋转速度计算
  • 多圈逻辑角度
  • 电流采样
  • 极对数
  • 转子角度确定
• 闭环控制
• • 控制函数接口定义
  • CMSIS-DSP提供的PID控制器
  • 位置控制
  • 速度控制
  • 力矩（电流）控制
  • 位置-速度-力矩控制
  • PID系数调节
• 注意点

本节使用stm32cubemx配置外设，生成keil工程，代码适配本文的硬件电路板（可参考上节的硬件设计内容）。

• 点击查看本文开源的完整FOC工程https://gitee.com/best_pureer/stm32_foc。

stm32cubemx配置

芯片选择

选择stm32f103c8t6后，点击Start Project。

工程配置

切换到Projeck Manager页面，设定好项目名称、项目路径，选择生成keil工程。

stm32基础配置

• 配置时钟

这里选择晶振：

切换到Clock Configuration页面，首先选择PLLCLK，再HCLK输入72，再点击确认会自动生成72MHz的主频。

• SWD接口配置

用于烧录和调试程序

• 串口配置

用于打印一些调试信息，选择串口2，因为串口1会被定时器1的pwm通道占用

• LED灯配置

• CMSIS-DSP数学库配置

第一步：

第二步：

SPI的配置

用于读取MT6701，这里的SPI波特率不要设置太高，因为stm32f103c8t6的计算能力有限，角度读的太快算不过来。
从MT6701的数据手册中可以看到，应该在CLK的每2个脉冲时读取DO的数据，而且CLK空闲电平是低电平，因此设置CPOL为Low，CPHA为2个边沿。
由于D13先发送，因此是先高位传输，即MSB大端传输方式。

这里将SPI的模式设置为全双工Full-Duplex Master，而不设置为只读取模式Receive Only Master。虽然单片机的SPI只需要读取MT6701的数据，无需SPI写入数据，但是实测设置为只读取模式时，貌似是每读完1个字节进一次读取完成中断，而我们想要的是每读完3个字节进一次读取完成中断，全双工模式能做到这个效果。
注意不要使用硬件片选NSS（对应芯片CSN读取使能引脚），因为硬件片选NSS是单片机disable对应SPI外设后才会拉低。
这里选择手动操作SPI的片选引脚，设置片选信号所在引脚为GPIO输出模式，操作逻辑是：每次在SPI读取MT6701前拉低该引脚，在刚进入读取完成中断时拉高该引脚。

后续使用DMA读取SPI数据，全双工模式下，接收和发送DMA均需要打开：

定时器的配置

• 用于电机速度计算的定时器

首先勾选时钟来自内部时钟源，再创建一个宏定义，用于速度计算间隔。motor_speed_calc_freq是FOC代码里手动设置的宏，speed_calc_freq这个宏给cubemx用，这样就将cubemx的参数与FOC代码里的宏绑定到了一起，好处就是FOC代码与cubemx独立开，FOC代码用于其他厂商单片机不用改太多的代码。

首先设置分频为72-1，72MHz的时钟分频下来后每1us定时器计数加1。定时器计数容量为N时，定时器溢出中断频率是1秒/N微妙=1000000/N赫兹，我们想要定时器溢出中断频率等于motor_speed_calc_freq，那么需要1000000/N=motor_speed_calc_freq，因此这里的计数容量设置为N=1000000/motor_speed_calc_freq。
由于cubemx是不认识motor_speed_calc_freq的，因此这里选择No check不检查参数类型。

开启定时器中断函数，用于计算电机速度：

• 用于产生电机PWM的高级定时器

高级定时器的使用非常关键，非常重要，对于外设配置项的说明请查看前文定时器章节。
stm32f103c8t6只有一个高级定时器：TIM1。
首先选择时钟源，然后开启3个PWM正通道，由于本文使用的集成驱动芯片DRV8313自带互补PWM功能，因此不开启PWM负通道。
这里注意不勾选Activate-Break-Input，这个只是帮你配置刹车引脚的GPIO参数，刹车功能依然是有效的。不勾选的原因是经过我的各种尝试，触发刹车后，依然进不去刹车中断函数TIM1 break interrupt，所以选择自己配置刹车引脚GPIO为外部中断。

手动设置刹车引脚为外部中断，这里不设置也没事，本文代码是因为想要触发刹车后串口打印一下告知刹车被触发了：

开启外部中断函数：

回到高级定时器的配置，再次提醒对于外设配置项的说明请查看前文定时器章节。

• PWM的频率是非常高的，我设置的20KHz，因此不进行预分频。
• 计数方式选择中心对齐方式3。
• 计数容量定义了一个cubemx宏，与FOC代码里的宏进行绑定，这样做可以使得FOC代码独立在各种平台上使用，勾选No check不检查数值类型。数值计算过程：定时器计数不分频情况下，每$\frac{1}{72\ast 1000000}$秒计数加1，计数容量为N时，计数溢出时间为$\frac{N}{72000000}$，则计数溢出频率为$\frac{72000000}{N}$，而我们设定的计数溢出频率=motor_pwm_freq，即$\frac{72000000}{N}=motor\_pwm\_freq$，因此计数容量$N=\frac{72000000}{motor\_pwm\_freq}$。
• 重复计数器设置为4，即每5个定时器溢出产生1个更新事件，更新事件会触发ADC采样，本文FOC代码是放在ADC采样完成中断里计算的，这样FOC代码的计算频率等于20KHz/5=4KHz，这个频率不要太快，因为stm32f103c8t6的算力有限，计算一次FOC代码大约需要120us。
• 输出触发事件来源选择更新事件，自动触发ADC采样。
• BRK State刹车功能可以开启，也可以关闭，建议验证FOC算法阶段先关闭，本文配套硬件有刹车引脚LED灯提示。对应DRV8313的Fault引脚信号，刹车电平选择Low低电平。
• 3个PWM Generation Channel的配置项都相同，默认值刚好是我们想要配置的值。关键项是Mode选择PWM mode 1，因为DRV8313内部是NMOS，所以CH Polarity有效电平是高电平。
  

ADC的配置

ADC的使用非常关键，非常重要，对于外设配置项的说明请查看前文ADC章节。
使用双ADC同步采样两条电机相线上采样电阻放大后的电压差，首先给ADC1和ADC2分配通道，IN0对应PA0引脚，IN0对应PA1引脚，ADC1是主ADC。

两个ADC都分配好通道后，主ADC的模式下拉框里才会出现同步采样的选项，由于只有注入式采样才能绑定到高级定时器的触发事件，因此选择注入式同步采样。

接下来配置ADC选项：

• 同步采样模式下，一定要开启Continuous连续转换模式。
• 关闭常规采样，打开注入采样。
• 每个ADC只采集一个通道，因此Number Of Conversions设置为1，ADC1的Rank序列中的Channel通道选择通道0，ADC2的Rank序列中的Channel通道选择通道1，采样时间可以设置大一点，我们代码中限制PWM占空比最高为90%即可留出充足的时间给ADC采样。
• 外部触发源选择定时器1的触发事件。
  
  
  开启ADC采样完成中断，FOC代码会放在这个中断函数里进行：
  

中断优先级的配置

读取磁编码器SPI的DMA中断优先级设置到最优先，电机角度获取一定要及时准确。
接下来速度计算的定时器中断和运行FOC代码的ADC中断其次，速度计算和FOC代码必须尽量优先。
连到刹车引脚的外部中断优先级放到最低即可，刹车功能在刹车引脚有效时被硬件触发，和中断无关，这个外部中断只是为了串口打印几句消息告知触发刹车了。

生成工程

至此，stm32cubemx相关配置已经完毕，接下来生成keil工程，这里勾选了Generate peripheral initialization as a pair of '.c/.h' files per peripheral，方便功能模块分离。

此时keil工程编译是无法通过的，编译器可能没选到verison 6，而且两个宏motor_speed_calc_freq和motor_pwm_freq我们还没写到代码里。
首先选择编译器为version 6，如果没有出现version 6，你需要下载最新keil版本。

接下来我会使用vscode进行代码编辑，keil用来编译工程和烧录调试代码。
接下来定义motor_speed_calc_freq和motor_pwm_freq。

• 首先在Drivers文件夹下创建motor文件夹，这个文件夹专门用来放置电机FOC驱动代码。
• 然后motor文件夹下创建conf.h，这个文件专门用来放置FOC代码相关的工程配置，将Drivers文件夹添加到头文件路径中。
• 最后在main.h文件的用户代码区把conf.h文件include进来即可将工程编译通过。
  
  
  

在Src/usart.c中定义fputc，方便后续使用printf函数：

//usart.c
/* USER CODE BEGIN 1 */
#include <stdio.h>
int fputc(int c, FILE *stream)
{
  uint8_t ch[] = {(uint8_t)c};
  HAL_UART_Transmit(&huart2, ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
  return c;
}
/* USER CODE END 1 */

在Inc文件夹下创建一个全局宏定义文件global_def.h，方便调用：

//global_def.h
#pragma once
#ifndef PI
#define PI 3.14159265358979
#endif
#define deg2rad(a) (PI * (a) / 180)
#define rad2deg(a) (180 * (a) / PI)
#define max(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
#define min(a, b) ((a) < (b) ? (a) : (b))

由于本文使用的daplink是低成本版本，为了保证传输稳定性，下载程序的频率选择为1MHz。

工程代码编写

在stm32hal库中，应用逻辑的代码实现变得非常方便，基本规律就是：外设读取+读取完成中断。

FOC代码结构搭建

根据本文硬件情况补充FOC代码里的conf.h：

#pragma once

// 电机物理参数：
#define POLE_PAIRS 7 // 极对数

// 电路参数：
#define R_SHUNT 0.02           // 电流采样电阻，欧姆
#define OP_GAIN 50             // 运放放大倍数
#define MAX_CURRENT 2          // 最大q轴电流，安培A
#define ADC_REFERENCE_VOLT 3.3 // 电流采样adc参考电压，伏
#define ADC_BITS 12            // ADC精度，bit

// 单片机配置参数：
#define motor_pwm_freq 20000      // 驱动桥pwm频率，Hz
#define motor_speed_calc_freq 930 // 电机速度计算频率，Hz

// 软件参数：
#define position_cycle 6 * 3.14159265358979 // 电机多圈周期，等于正半周期+负半周期

在Drivers/motor文件夹下创建motor_runtime_param.c和motor_runtime_param.h，用于放置电机运行过程中的各种参数。
关于转子角度和电机角度的区别，前文位置控制说明了一部分，后面内容有代码上的讲解。

//motor_runtime_param.c
#include "motor_runtime_param.h"

float motor_i_u;
float motor_i_v;
float motor_i_d;
float motor_i_q;
float motor_speed;
float motor_logic_angle;
float encoder_angle;
float rotor_zero_angle;

//motor_runtime_param.h
#pragma once
#include "conf.h"
#define rotor_phy_angle (motor_logic_angle - rotor_zero_angle) // 转子物理角度
#define rotor_logic_angle rotor_phy_angle *POLE_PAIRS          // 转子多圈角度
extern float motor_i_u;
extern float motor_i_v;
extern float motor_i_d;
extern float motor_i_q;
extern float motor_speed;
extern float motor_logic_angle; // 电机多圈角度
extern float encoder_angle;     // 编码器直接读出的角度
extern float rotor_zero_angle;  // 转子d轴与线圈d轴重合时的编码器角度

在Drivers/motor文件夹下创建foc.c和foc.h，准备用于放置FOC代码。
添加好头文件路径：

添加好C文件：

电机编码器角度读取

从MT6701数据手册可知，SPI数据一共有3个字节：
采用DMA方式SPI读取3个字节，再取前14位组合成角度值，这里我不使用4bit的Status信息，也不进行crc校验，这不影响角度读取，你可自行运用这些数据提高程序健壮性。
在Src/spi.c中的USER CODE区域实现读取成功的回调函数，还要实现读取失败的回调函数，每次进入读取完毕函数后立即关闭SPI片选引脚，并且在即将退出回调函数的时候打开SPI片选引脚并启动下一次读取。

//spi.c
/* USER CODE BEGIN 1 */
#include <stdio.h>
#include "motor/motor_runtime_param.h"
#include "motor/foc.h"	
#include "arm_math.h"
uint8_t mt6701_rx_data[3];
void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
  if (hspi->Instance == SPI1)
  {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
    int angle_raw = (mt6701_rx_data[1] >> 2) | (mt6701_rx_data[0] << 6);
    encoder_angle = 2 * 3.1415926 * angle_raw / ((1 << 14) - 1);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);

    HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, mt6701_rx_data, mt6701_rx_data, 3);
    return;
  }
}

void HAL_SPI_ErrorCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
  printf("HAL_SPI_ErrorCallback:%d\n", hspi->ErrorCode);
  if (hspi->Instance == SPI1)
  {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, mt6701_rx_data, mt6701_rx_data, 3);
  }
  return;
}
/* USER CODE END 1 */

在main函数的while(1)之前调用一次DMA方式的SPI读取，即可自动连续获取角度值，然后在while(1)里面打印一下角度验证一下代码，手动旋转一下电机，结果会在$0$到$2\pi$弧度值之间变化：

//main.c
//......
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
#include "motor/motor_runtime_param.h"
#include "motor/foc.h"
#include "global_def.h"
/* USER CODE END Includes */
//......
/* USER CODE BEGIN 2 */
extern uint8_t mt6701_rx_data[3];
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, mt6701_rx_data, mt6701_rx_data, 3);
HAL_Delay(100);//延时一会，让角度变量被赋值，不然角度会是0
/* USER CODE END 2 */
//......
while(1)
{
//......
	/* USER CODE BEGIN 3 */
    printf("%f\n", encoder_angle);
    HAL_Delay(100);
//......

在此再提醒：读取角度的SPI中断优先级一定要最高，否则片选信号可能没有及时关闭，导致角度读取无法接续。

PWM产生

开启PWM输出：

//main.c
//......
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2);
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3);
  /* USER CODE END 2 */
//......

自己定义一个函数set_pwm_duty，方便设置PWM占空比。htim1.Instance->ARR是定时器计数容量。
有两个细节：

• 限制占空比最高为90%，留出一个电流稳定的时段，有利于减少电机抖动以及给后续ADC采样提供稳定电流时段。原因是：占空比接近100%时，会出现mos关闭后瞬间开启的情况，而且此时是电流通过，导致电流非常不稳定；不必要限制最低占空比，因为q轴为0时，由于SVPWM中的000矢量和111矢量两个零力矩矢量平分了一个PWM周期，因此FOC控制下的PWM最低占空比就是50%。
  

• 操作3个通道时关闭了中断，防止通道不同步。

//main.c
/* USER CODE BEGIN 0 */
void set_pwm_duty(float d_u, float d_v, float d_w)
{
  d_u = min(d_u, 0.9);
  d_v = min(d_v, 0.9);
  d_w = min(d_w, 0.9);
  __disable_irq();
  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, d_u * htim1.Instance->ARR);
  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, d_v * htim1.Instance->ARR);
  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_3, d_w * htim1.Instance->ARR);
  __enable_irq();
}
/* USER CODE END 0 */

FOC开环代码编写

FOC开环就是实现一下SVPWM代码，输入目标d轴q轴强度和旋转的目标转子位置，输出电机相线pwm占空比，前文已经实现了SVPWM纯C语言代码，这里将其放到单片机中，也就是要将纯C的数学函数换做CMSIS-DSP里的函数：

//foc.c
#include "foc.h"
#include "arm_math.h"
#include "motor_runtime_param.h"
#include <stdbool.h>
#define rad60 deg2rad(60)
#define SQRT3 1.73205080756887729353
#define deg2rad(a) (PI * (a) / 180)
#define rad2deg(a) (180 * (a) / PI)
#define max(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
#define min(a, b) ((a) < (b) ? (a) : (b))

static void svpwm(float phi, float d, float q, float *d_u, float *d_v, float *d_w)
{
    d = min(d, 1);
    d = max(d, -1);
    q = min(q, 1);
    q = max(q, -1);
    const int v[6][3] = {{1, 0, 0}, {1, 1, 0}, {0, 1, 0}, {0, 1,