极海APM32F035电机控制专用MCU-Toy模板网

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去年11月份一次偶然的机会，看到面包板论坛提供极海半导体针推出的低压电机测试板，此电机控制板基于专用控制芯片APM32F035基础上设计而成。APM32F035是一款基于Arm Cortex-M0+内核，集成FOC算法中常用的数学运算加速器（Cordic，Svpwm，硬件除法器等），并且集成了运放、比较器等模拟外设，以及CAN控制器的高性能电机控制专用MCU。

评估板拿到手后，第一时间用手头直流无刷电机测试了下，检查KEIL版本是否V5.23以上，安装DEVICE Package Geehy.APM32F035_DFP.1.0.0, 同时检查编译器里是否含有C99和GNU，如上都准备好以后，下载重新编译的hex文件到DEMO板里，首先直接测试有感矢量控制方案程序。启动后低速时转动有些轻微抖动，速度起来后，转速正常，抖动消除。

低压电机通用评估板介绍：
电气参数：12-72VDC 宽电压输入，最大功率100W
支持电机类型：BLDC.PMSM
支持编码器类型：霍尔，光电，磁编码器
通讯接口：SCI/SPI/I2C/C电流采样方式：单、双电阻采样，三相反电动势采样

评估板图片：

极海APM32F035电机控制专用MCU,c语言,嵌入式硬件

软件算法平台介绍：

极海APM32F035电机控制专用MCU,c语言,嵌入式硬件

具体调试步骤如下：
1. 准备工作
首先需要先核对板子的硬件是否正常，首次上电后，先拿示波器或万用表核对硬件板子上各个电压端点是否稳定（12V、5V、3.3V）等，以及测量IV、IU、IBUS等端点是否为直流偏置电（1.60V）。同时准备好无刷直流电机和烧录器。

2. 外设配置
核对电机的硬件外设管脚的配置情况，如M0CP协处理器、TMR1的PWM波形配置、TMR2的捕获配置、ADC采样端口配置、运放OPA的端口初始化、比较器COMP的配置以及核心点采用COMP与TMR1的级联使用刹车功能（即硬件过流保护功能，细节可查阅原理图）。如下所示：（注：未具体展开各个细节，需结合原理图及各个外设配置文件进行核对。）

3. 电机参数配置
前面两步骤主要是核对硬件及外设配置，先确保硬件基础的稳定及准确，而后才开始电机部分的调试。打开“parameter.h”参数配置文件，此文件是重中之重，基本大部分的修改都在此文件中进行，划重点啦！首先肯定需要先核对电机的参数嘛！此篇章主要介绍的是有感FOC的开发，因此需要核对电机的极对数、额定转速、限制电流（结合电机的功率考虑）、定标转速（结合额定转速评估）等。如下图所示。（注：此处补充下，有感FOC无需使用到观测器这块，因此无需用到电机的相电阻、相电感等参数，而若是无感FOC基本都是需要知道电机的相电阻、相电感、甚至是反电动势常数等）

4. 电流内环的PI参数进行整定确认
在Align状态中进行调试，调节DQ轴下的电流环PI参数（如下图所示，一般DQ轴采用一样的PI参数），类似其中的Q轴，通过给定Iq_cmd（可以直接给到值或者采用斜坡给定的方式设定一定加速度及数值），通过观察Vq的输出是否能快熟稳定、以及Iq_cmd及实际的Iq波形数据是否能跟随上，判断当前的PI参数是否合适。案例波形如下图所示。

极海APM32F035电机控制专用MCU,c语言,嵌入式硬件

5. HALL角度自检
当电流内环PI参数已经合适时，此时说明可以使用预定位功能，则开启HALL相序的自检功能。还是在“parameter.h”参数配置文件中，打开“HALL_PHASE_TEST”宏参，进行HALL相序的自检功能，在此先介绍下HALL相序的作用，HALL的相位角度差是60°，即其可以输出六个角度点，类似按照正转CW的方式HALL值输出如2-6-4-5-1-3。（注：可以先自行测试HALL的相序顺序是否与程序中给的一致，可以通过手动让电机其转动一圈看看实际读到的hall值，确认hall正转与反转的顺序，并将对应的hall相序进行核对，类似读出是6-4-5-1-3-2，与上述设定顺序一致则无需修改，而若出现类似6-4-1-5-2-3这种与程序中的顺序不相符的，将该顺序填入user_function.c中的u8CW_Hall_Value与u8CCW_Hall_Value数组列表中，同时也需要对应填写下CW_hall_table与CCW_hall_table数组列表。

u8CW_Hall_Value[6]：表示实际的霍尔序列，注意霍尔序列与角度序列的对应关系；
CW_hall_table[8]：前一个位置的霍尔值序列，例如程序内hall：1的前一个位置是hall：5

CW_hall_table[1] = 5，hall：2的前一个位置是hall：3，CW_hall_table[2] = 3 以此类推：u8CW_Hall_Value[6]={ 1,3,2,6,4,5},对应CW_hall_table[8]={ 0,5,3,1,6,4,2,0}; u8CW_Hall_Value[6]={ 2,3,1,6,4,5},对应CW_hall_table[8]={ 0,3,5,2,6,4,1,0}）。

其次，重点又来了哈！实际HALL传感器的安装位置与电机对应的机器角度间是会有安装角度偏差的，即机器角度偏差角，此时HALL相序的自检功能就是为了计算出该偏差角，并把HALL值对应的实际角度一一匹配上。如下图所示，开启“HALL_PHASE_TEST”宏参后进入调试模式，观察“stc_align_hall”该结构体的相关成员变量，配置函数“Align_HallCal_Phase_Init”与“Align_HallCal_Phase”实现，核心参数修改主要在于定位时间以及定位Iq电流的设定，以及偏移角度的设定（若检测角度异常可适当调节该值，常用推荐0“0°”或者5461“30°”的偏移角度）。如“stc_align_hall”中的“u8Dir”表示方向，s16CW_arr_HallPhase_Cal 与 s16CCW_arr_HallPhase_Cal是最终生成计算获取HALL相序角度表，需将其填入user_function.c中的“s16CW_arr_HallPhase”与“s16CCW_arr_HallPhase”数组列表中。

6. 速度环参数整定
当已将HALL相序角度表获取并填入后，需在“parameter.h”参数配置文件中，先关闭下“HALL_PHASE_TEST”宏参，关闭HALL自检模式，到了这一步，就准备尝试让电机开始运转测试啦！调节硬件板上的转速旋钮，正常情况下电机是可以运行起来的，若运行不起来，此时需要回头去核对前面的相应步骤按点确认异常；若可运行但是转速不稳定，则此时又到重点啦！开始记笔记！当转速不稳定时，此时需要进一步调节速度环的pi参数以及需要核对电机给定的加速度是否合理。PI的调节还是跟之前调电流环PI的模式类似，先调节Kp再加入Ki，数值从小到大进行调试验证，通过观测实际输出Iq_CMD的稳定趋势、给定的斜坡转速spd_ramp与实际转速spd_filt的跟随曲线进行判断参数的合理性。如下图所示。

极海APM32F035电机控制专用MCU,c语言,嵌入式硬件

7. 关键参数设置
此系统中所有参数均在用户层的parameter.h中进行配置，主要分为系统参数、底板相关参数、状态机相关参数、电机相关参数等。

8. 定制电机开发
自此，无刷直流电机已经成功被你运转起来啦，接下来的就是依据你实际的开发需求添加应用层逻辑等做定制化开发自己产品功能啦！！！

总体评价：

整板设计思路:
整体硬件系统是采用外部 24V 电源供电, 并经过相应的电源降压电路转换后输出稳定的12V、5V 、3.3V电压, 其中12V电压输出给到Gate driver IC、3.3V电压输出给到APM32F035系列微处理器，而功率开关管则直接使用 24V电源。同时，该方案采用可变电阻旋钮调节 0~3.3V 的电压输入作为速度命令的输入端, 以此调节电机转速。用户实际使用可直接通过转动可变电阻旋钮以此调节输入电压，同时当输入电压值超过起动阈值时，电机将会启动运行, 而当电压值低于阈值时电机将会关闭运行。当电机启动后，通过捕获HALL信号的跳变情况进而确认六个换相点，进行对应六种不同的逆变器MOS管驱动顺序实现BLDC电机的六步换相。

程序设计架构主要划分为4层，用户层、外设驱动层、电机控制驱动层以及电机算法层，具体功能描述如下：
1. 用户层（USER层）
main.c：主函数入口，负责初始化电机参数、底层外设、中断优先级、while循环及低速状态机
环路的切换；
apm32f035_int.c：所有的中断处理函数，重点包括捕获中断函数、ADC中断处理函数；
user_function.c：包括电机参数的初始化配置、参数复位等处理函数；
paramete.h：包括了所有的需要配置参数信息；

2.   外设驱动层（HARDWARE层）
外设驱动层主要负责APM32F035芯片的外设驱动函数及配置，主要涉略包括GPIO、PWM、ADC、OPA、COMP、M0CP协处理器等
3.   电机控制驱动层（MOTOR_CONTROL层）
电机控制驱动层主要负责电机的控制运行逻辑及核心处理算法调用。
4.   电机算法层（Geehy_MCLIB层）
电机算法层包含坐标变换，矢量控制等相关函数，数学库，HALL角度估算等库函数。
经过测试发现，此测试板为黑色油墨，电路简单实用，版面设计简洁明了，布局合理，能满足中小功率无刷直流电机的驱动要求，在上电启动后，转速很慢时，明显有卡顿的情况，转速起来后，卡顿情况消失，这点可能因电机个体参数差异，需要调整PID参数优化控制过程，至于程序代码部分采用了主状态机嵌套子状态机的结构，同时主状态RUN的六个子状态轮流切换工作。如需开发自己的项目功能，需要增加自己的功能函数模块。

另外在调试仿真过程中，不能够连续读取变量参数，不能设置断点连续运行，经常停止或死机，由于时间问题，没有详细查找原因，不知是芯片底层驱动的问题还是KEIL 仿真参数没设置正确，但是使用STM32的芯片仿真调试时，没有出现如上同样问题。以上是个人测试使用过程中遇到的问题，仅代表个人观点，仅供参考。欢迎各位工程师一起学习交流。调试时，没有出现如上同样问题。以上是个人测试使用过程中遇到的问题，仅代表个人观点，仅供参考。欢迎各位工程师一起学习交流。

代码部分：

#ifndef __PARAMETER_H_
#define __PARAMETER_H_

/*System setting*/
#define SYS_REFV 3.3f // unit:v MCU VCC must be 5.0V or 3.3V
#define SYSCLK_HSE_72MHz 72000000 // unit:Hz

#define PWMFREQ 16000 // unit:Hz
#define PWM_PERIOD (SYSCLK_HSE_72MHz/PWMFREQ/2)
#define DEAD_TIME (1.0f * SYSCLK_HSE_72MHz/1000000) // unit:us
#define SLOWLOOP_FREQ 1000 // unit:Hz
#define SLOWLOOP_FREQ_KHZ 1 // uint:Khz
#define TS_Q21 (2097152/PWMFREQ) // 8kHz:262
/* timer2 parameter */
#define TIM2_TCY 1 //Time base unit of TIM2(us)
#define TIM2_PSC_LOAD (SYSCLK_HSE_72MHz/1000000*TIM2_TCY-1) //TIM2 Load Value
#define TIM2_PRIOD 99999 //TIM2 Period Value
/*Board parameter setting*/
/*Current Sampling*/
#define ADC_REFV SYS_REFV
#define R_SHUNT (0.02f) // unit:ohm
#define CURRENT_OPA_GAIN (4.86f) // unit:ohm 使用2K/10K电阻组合，结合内部耦合电阻计算得出
#define I_MAX (16.46f) // 偏置1.6V，I_MAX=1.6/Gain/Rs

t ramp_s16(int16_t s16_Cmd,ramp_para_t *pstc)
{
int32_t s32_RefIn;
int16_t s16_Out;
if(s16_Cmd > pstc->s16_Max)
{
s32_RefIn = pstc->s16_Max << 5;
} else if(s16_Cmd < pstc->s16_Min)
{
s32_RefIn = pstc->s16_Min << 5;
} else
{
s32_RefIn = s16_Cmd << 5;
}

if (s32_RefIn != pstc->s32q20_OutTemp)
{
if (pstc->s32q20_OutTemp > 0 )
{
if (s32_RefIn > pstc->s32q20_OutTemp)
{
// 加速
pstc->s32q20_OutTemp += pstc->s16q20_Inc;

if ( s32_RefIn < pstc->s32q20_OutTemp )
pstc->s32q20_OutTemp = s32_RefIn;

}else
{
// 减速
pstc->s32q20_OutTemp -= pstc->s16q20_Dec;

if ( s32_RefIn > pstc->s32q20_OutTemp )
pstc->s32q20_OutTemp = s32_RefIn;

}
}else if(pstc->s32q20_OutTemp < 0)
{
if (s32_RefIn < pstc->s32q20_OutTemp){
// 加速
pstc->s32q20_OutTemp -= pstc->s16q20_Inc;

if ( s32_RefIn > pstc->s32q20_OutTemp )
pstc->s32q20_OutTemp = s32_RefIn;

}else
{
// 减速
pstc->s32q20_OutTemp += pstc->s16q20_Dec;

if ( s32_RefIn < pstc->s32q20_OutTemp )
pstc->s32q20_OutTemp = s32_RefIn;

}
}else
{
if (s32_RefIn < pstc->s32q20_OutTemp)
{
// 加速
pstc->s32q20_OutTemp -= pstc->s16q20_Inc;
if ( s32_RefIn > pstc->s32q20_OutTemp )
pstc->s32q20_OutTemp = s32_RefIn;
}else
{
// 加速
pstc->s32q20_OutTemp += pstc->s16q20_Inc;

if ( s32_RefIn < pstc->s32q20_OutTemp )
pstc->s32q20_OutTemp = s32_RefIn;

}
}
}
s16_Out = pstc->s32q20_OutTemp >> 5;
return s16_Out;
}

int main(void)
{
__disable_irq();
/* config peripherals */
MC_SystemClockInit();
/* M0CP */
M0CP_Firmware_Init();
RCM_EnableAHBPeriphReset(RCM_AHB_PERIPH_M0CP);
RCM_DisableAHBPeriphReset(RCM_AHB_PERIPH_M0CP);
RCM_EnableAHBPeriphClock(RCM_AHB_PERIPH_M0CP);
M0CP_HardInit();
*(volatile unsigned int*)(0x40024000+0x10) = 0;
/* TIMER1 */
Drv_Pwm_Init(PWM_PERIOD,DEAD_TIME);
PWM_CompareConfig(PWM_PERIOD, PWM_PERIOD, PWM_PERIOD);
/* TIMER2 for hall capture */
timer2_init(TIM2_PRIOD, TIM2_PSC_LOAD); //100ms
/* ADC */
Drv_Adc_Init();
/* OPA */
OPA_Init();
/* COMP */
COMP_Init();
/* GPIO */
IO_Init();
/* SYSTICK */
Systick_Init(SystemCoreClock / 1000);
/* Initialize motor control parameters */
Init_Parameter(&Motor_type);
/* Initialize interrupts */
Interrupt_Init();
/* Wait until ADC is ready */
while (!ADC_ReadStatusFlag(ADC_FLAG_ADRDY));
ADC_StartConversion();
WWDTInit();
__enable_irq(); //Enable all interrupts
TMR_EnablePWMOutputs(TMR1);

while (1)
{
if(Motor_type.User.bSlowLoopFlag)
{
WWDTFeedDog();
/* Slow Loop Statemachine */
s_STATE_SLOW[eM1_MainState]();
Motor_type.User.bSlowLoopFlag = 0;
}
}
}