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

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