STM32G4 入門與電機控制實戰 — 基於 X-CUBE-MCSDK 的無刷直流電機與永磁同步電機控制實現

本書基於 STM32G4 電機控制開發套件，圍繞 STM32G4 入門與電機控制實戰進行了系統的介紹。STM32G4 入門部分從基礎認識和操作入手，介紹 STM32G4 系列微控制器及生態資源、P-NUCLEOIHM03 電機控制套件、軟件生態系統及開發工具的使用，給出了基於 NUCLEO-G431RB 開發板的基礎實驗例程；電機控制部分詳細介紹了無刷直流電機和永磁同步電機控制技術，涵蓋電機系統結構、數學模型、控制原理及電機參數測量等關鍵內容；在此基礎上還提供了基於 P-NUCLEO-IHM03 套件的電機入門級控制實例及包括無刷直流電機有感方波控制與永磁同步電機有感 FOC 控制的電機進階控制案例。

第 1 章 STM32G4 概述 ...................................................................................................................... 1
1.1 STM32G4 系列的特性 ........................................................................................................... 1
1.2 STM32G4 的主要應用 ........................................................................................................... 5
1.3 STM32 生態資源 ................................................................................................................... 6
第 2 章 STM32 電機控制套件 P-NUCLEO-IHM03 ....................................................................... 10
2.1 NUCLEO-G431RB 開發板 .................................................................................................. 10
2.1.1 NUCLEO-G431RB 開發板概述 .................................................................................................. 10
2.1.2 NUCLEO-G431RB 開發板的硬件構成 ...................................................................................... 12
2.2 X-NUCLEO-IHM16M1 三相驅動板 ................................................................................... 17
2.2.1 X-NUCLEO-IHM16M1 三相驅動板概述 ................................................................................... 17
2.2.2 X-NUCLEO-IHM16M1 三相驅動板的硬件構成 ....................................................................... 18
2.3 三相雲台電機 GBM2804H-100T ........................................................................................ 24
2.4 DC 電源 ................................................................................................................................ 25
第 3 章 軟件開發環境 ...................................................................................................................... 26
3.1 開發環境概述 ....................................................................................................................... 27
3.2 STM32CubeMX .................................................................................................................... 28
3.2.1 下載和安裝 .................................................................................................................................. 28
3.2.2 工具界面 ...................................................................................................................................... 32
3.3 STM32CubeIDE ................................................................................................................... 34
3.3.1 下載和安裝 .................................................................................................................................. 34
3.3.2 工具界面 ...................................................................................................................................... 37
3.4 Keil（MDK-ARM） ............................................................................................................ 38
3.4.1 下載和安裝 .................................................................................................................................. 38
3.4.2 操作簡介 ...................................................................................................................................... 41
3.5 IAR EWARM ........................................................................................................................ 43
3.5.1 下載和安裝 .................................................................................................................................. 43
3.5.2 操作簡介 ...................................................................................................................................... 49
3.6 MotorControl Workbench（MC SDK） .............................................................................. 50
3.6.1 下載和安裝 .................................................................................................................................. 50
3.6.2 操作簡介 ...................................................................................................................................... 52
3.6.3 使用 ST Motor Profiler 獲得電機參數 ........................................................................................ 56
3.6.4 ST MC SDK 5.x 固件 ................................................................................................................... 61
3.7 STM Studio ........................................................................................................................... 66
3.7.1 下載和安裝 .................................................................................................................................. 66
3.7.2 操作簡介 ...................................................................................................................................... 69
第 4 章 NUCLEO-G431RB 基礎實驗 ............................................................................................. 72
4.1 LED 點燈實驗 ...................................................................................................................... 72
4.2 定時器 PWM 應用實驗 ....................................................................................................... 78
4.3 外部中斷實驗 ....................................................................................................................... 84
4.4 串行接口應用實驗 ............................................................................................................... 90
4.5 數/模轉換應用實驗 .............................................................................................................. 96
4.6 互補 PWM 輸出實驗 ......................................................................................................... 104
第 5 章 無刷直流電機控制技術 .................................................................................................... 112
5.1 無刷直流電機的系統構成 ................................................................................................. 112
5.1.1 電機本體 .................................................................................................................................... 113
5.1.2 位置傳感器 ................................................................................................................................ 114
5.1.3 控制驅動電路 ............................................................................................................................ 115
5.2 無刷直流電機的數學模型 ................................................................................................. 116
5.2.1 定子電壓方程 ............................................................................................................................ 116
5.2.2 反電動勢方程 ............................................................................................................................ 117
5.2.3 電磁轉矩方程 ............................................................................................................................ 117
5.2.4 運動方程 .................................................................................................................................... 117
5.3 無刷直流電機的控制原理 ................................................................................................. 117
5.3.1 方波控制原理 ............................................................................................................................ 118
5.3.2 無感反電動勢控制原理 ............................................................................................................. 120
第 6 章 永磁同步電機控制技術 .................................................................................................... 125
6.1 三相 PMSM 的結構 ........................................................................................................... 125
6.2 三相 PMSM 的數學模型 ................................................................................................... 126
6.2.1 三相 PMSM 的坐標變換 ........................................................................................................... 127
6.2.2 同步旋轉坐標系（d-q 坐標系）下的數學模型 ....................................................................... 130
6.2.3 靜止坐標系（α-β 坐標系）下的數學模型 ............................................................................... 131
6.2.4 用傳統測量方法獲取電機參數 ................................................................................................. 131
6.2.5 ST-MC-SDK Motor Profiler 測量電機參數的原理................................................................... 134
6.3 SVPWM 控制技術 ............................................................................................................. 137
6.3.1 三相電壓的空間矢量表示 ......................................................................................................... 137
6.3.2 SVPWM 算法的合成原理 ......................................................................................................... 138
6.3.3 SVPWM 算法的實現 ................................................................................................................. 142
6.4 三相永磁同步電機的矢量控制 ......................................................................................... 143
6.4.1 PMSM 矢量控制基本原理 ........................................................................................................ 143
6.4.2 PMSM 的電流環 PI 控制 ........................................................................................................... 145
6.4.3 PMSM 的速度環 PI 控制 ........................................................................................................... 146
第 7 章 基於 P-NUCLEO-IHM03 套件的電機入門控制實例 ...................................................... 147
7.1 無感 FOC 快速控制實例 ................................................................................................... 147
7.2 無感方波控制實例 ............................................................................................................. 153
7.3 無感速度模式控制實例 ..................................................................................................... 157
7.4 旋鈕控制電機運行速度實例 ............................................................................................. 162
7.5 故障處理及恢復實例 ......................................................................................................... 165
7.6 API 函數應用實例 ............................................................................................................. 169
第 8 章 基於 P-NUCLEO-IHM03 套件的有感電機控制案例 ...................................................... 176
8.1 無刷直流電機的有感方波控制案例 ................................................................................. 176
8.2 永磁同步電機的有感 FOC 控制案例 ............................................................................... 188
參考文獻 ............................................................................................................................................ 220
附錄 .................................................................................................................................................... 221