STM32G4入门与电机控制实战 课件 第1、2章 STM32G4 概述、STM32 电机控制套件 P-NUCLEO-IHM03

第二章P-NUCLEO-IHM03STM32电机控制套件NUCLEO-G431RB开发板1234X-NUCLEO-IHM16M1三相驱动板三相云台电机DC电源套件组成套件包括NUCLEO-G431RB开发板、X-NUCLEO-IHM16M1驱动板、云台直流无刷电机GBM2804H-100T、以及直流电源STSPIN830是一款紧凑型三相电机驱动器，适合磁场定向控制（FOC）方案图2-1P-NUCLEO-IHM03STM32电机控制套件组成NUCLEO-G431RB开发板011.1概述STM32G431RB是一款32位微控制器基于高性能Arm®Cortex®-M432位RISC内核其最高频率可达170MHz且带有浮点单元内嵌高级模拟外设集1.1概述NUCLEO-G431RB板通用功能如下：•采用LQFP64封装的STM32微控制器•与ARDUINO®共享的1个用户LED•1个用户按钮和1个复位按钮•32.768kHz的晶体振荡器•板连接器：ARDUINOUnoV3扩展连接器意法半导体的morpho延长引脚头，用于完全访问所有STM32I/O•灵活的电源选项：ST-LINK、USBVBUS或外部电源•具有USB重新枚举功能的板上STLINK-V3E调试器/编程器：大容量存储器、虚拟COM端口和调试端口•提供了全面的免费软件库和例程，可从STM32CubeMCU软件包获得•支持多种集成开发环境（IDE），包括IAREmbeddedWorkbench®、MDK-ARM，以及STM32CubeIDE•STM32CubeMCU软件包提供全面的自由软件库和例程图2-2NUCLEO-G431RB开发板实物图1.1概述NUCLEO-G431RB板特有功能如下：•外部SMPS生成Vcore逻辑电源•24MHzHSE（高速外部时钟信号）•板连接器：外部SMPS实验专用连接器Micro-AB或Mini-ABUSB连接器（用于ST-LINK）MIPI®调试连接器•兼容Arm®

MbedEnabled™图2-2NUCLEO-G431RB开发板实物图1.2NUCLEO-G431RB开发板硬件构成（1）硬件设计框图图2-3NUCLEO-G431RB开发板的硬件设计框图1.2NUCLEO-G431RB开发板硬件构成（2）元器件的布局图2-4正面元器件布局图2-5反面元器件布局1.2NUCLEO-G431RB开发板硬件构成（3）电源供应通过USB电缆连接到CN1的主机PC（默认设置）连接到CN7引脚24的外部7V-12V（VIN）电源连接到CN7引脚6的外部5V（E5V）电源一个连接到CN1的外部5VUSB充电器（5V_USB_CHGR）连接至CN7引脚16的外部3.3V电源（3V3）图2-6电源拓扑图1.2NUCLEO-G431RB开发板硬件构成（4）NUCLEO-G431RB开发板与Arduino的连接图2-7开发板的Arduino连接器示意图图2-8Arduino和STmorpho连接引脚图1.2NUCLEO-G431RB开发板硬件构成（5）NUCLEO-G431RB开发板IO口的分配表2-1开发板IO口分配X-NUCLEO-IHM16M1三相驱动板022.1概述

X-NUCLEO-IHM16M1是基于STSPIN830面向BLDC/PMSM电机的三相驱动板，为三相低电压低电流无刷直流电机提供电机控制方案，其规格参数和主要功能如下：•标称工作电压范围为：直流7V~45V•输出电流可达1.5A（有效值）•过流保护和互锁功能•过热保护和欠电压保护•反电动势（BEMF）感应电路•支持三电阻或单电阻电流采样检测•基于霍尔效应的传感器或编码器输入连接器•可用于调速的电位计•配有STmorpho连接器•可选择3个或6个PWM直接驱动输入进行驱动•可调节阈值的限流器•Bus电压和PCB温度的感应•待机模式2.2X-NUCLEO-IHM16M1三相驱动板硬件构成

图2-9X-NUCLEO-IHM16M1及STSPIN830的位置2.2X-NUCLEO-IHM16M1三相驱动板硬件构成图2-10STSPIN830功能框图图2-11X-NUCLEO-IHM16M1电机驱动器连接图2.2X-NUCLEO-IHM16M1三相驱动板硬件构成（2）X-NUCLEO-IHM16M1驱动板上的TSV994运算放大器，可将采样电阻上的电压进行放大和偏移到可采样的范围，并把得到的信号输入到MCU的ADC端口，完成了电流的采样。可以选择三电阻或单电阻的采样方式。TSV994原理图如图2-12所示，TSV994在X-NUCLEO-IHM16M1板的位置如图2-13所示。图2-12TSV994原理图图2-13TSV994在X-NUCLEO-IHM16M1板的位置2.2X-NUCLEO-IHM16M1三相驱动板硬件构成图2-14X-NUCLEO-IHM16M1电流检测、调节电路其电流检测、调节电路如图2-14所示。2.2X-NUCLEO-IHM16M1三相驱动板硬件构成

图2-15X-NUCLEO-IHM16M1传感器及其它相关电路图(a)温度传感电路(b)转速给定电路(c)母线电压检测电路(d)位置传感电路2.2X-NUCLEO-IHM16M1三相驱动板硬件构成（3）BEMF感应电路通过旋转电机的BEMF来进行位置估算。电机的BEMF与磁场和电机速度的乘积成正比，且电机位置是磁场的函数。借助BEMF可以知道和控制BLDCM的位置和速度。通过采集三相电压之后输入到观测器以实现位置检测。BEMF感应电路原理如图2-16所示，其中S1751-46RTP6、S1751-46RTP7、S1751-46RTP8是测试点。图2-16BEMF感应电路原理图2.2X-NUCLEO-IHM16M1三相驱动板硬件构成（4）与STM32Nucleo开发板相连

X-NUCLEO-IHM16M1驱动板上集成了Arduino和STmorpho连接器，因此可以与STM32Nucleo开发板相连并与其他的STM32Nucleo扩展板兼容。CN7、CN10这两个公引脚头在板子的两面都有突出，可以用来将X-NUCLEO-IHM16M1驱动板与NUCLEO-G431RB板相连。所有MCU的信号和电源脚位在STmorpho连接器上都有效，MCU的详细引脚分布如图2-17所示。跳线接口如图2-18所示。图2-17X-NUCLE-IHM16M1MCU引脚分布图2.2X-NUCLEO-IHM16M1三相驱动板硬件构成X-NUCLEO-IHM16M1驱动板跳线配置如表2-2所示，其中JP4和JP7必须同步配置，同时开时，为三电阻电流采样；同时关时，为单电阻电流采样。驱动板元件功能描述如表2-3所示。跳线相关配置默认状态J5FOC控制算法的选择关J6FOC控制算法的选择关J2HW限流的模式选择（在三分流模式下默认关闭）[2-3]关J3固定或可调整的限流临界值的选择（默认为固定的）[1-2]关JP4&JP7单分流/三分流架构选择（默认模式为三分流）开元件部位功能描述CN7,CN10STmorpho连接器CN5,CN6,CN9,CN8Arduino,Uno连接器U1STSPIN830驱动器U2TSV994IPT运算放大器J4电源插孔连接器CN1电机和供电插口J1霍尔编码器传感器连接口D1LED状态指示器表2-2X-NUCLEO-IHM16M1驱动板跳线表2-3X-NUCLEO-IHM16M1驱动板元件图2-18X-NUCLEO-IHM16M1驱动板跳线接口图三相云台电机03三相云台电机

三相云台电机GBM2804H-100T的外观如图2-19所示，电机结构与尺寸如图2-20所示。电机引出的三根接线分别对应于U、V、W相，使用时连接到X-NUCLEO-IHM16M1功率板CN1对应的U、V、W处。图2-19电机外观三相云台电机三相云台电机GBM2804H-100T的规格参数如下：•最大直流电压：14.8V•最高转速：2180rpm•最大扭矩：0.981N·m•最大直流电流：5A•极对数：7图2-20电机结构及尺寸DC电源04DC电源DC电源的规格参数如下：•标称输出电压：直流12V•最大输出电流：2A•输入的工作电压范围：交流100V至240V•频率范围：50Hz~60Hz感谢聆听第一章STM32G4概述2024年6月27日STM32G4系列特性123STM32G4主要应用STM32生态资源意法半导体（ST）集团及其产品意法半导体（ST）集团于1987年6月成立，由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。1998年5月，SGS-THOMSONMicroelectronics将公司名称改为意法半导体有限公司。2007年发布了第一款STM32产品，在十余年的时间里累计推出多条产品线，产品系列不断完善。STM32G4分为三大产品系列：入门型、性能型、高精度PWM型，对应的产品分别是STM32G4x1、STM32G4x3、STM32G4x4。图1-1STM32产品平台阵营STM32G4系列特性01迭代和延续STM32G4并不是从零开始的新产品线。它是2012年发布的STM32F3产品线的延续版本，它继承了很多STM32F3的理念和基因，带来更强劲的性能和数模效果。STM32G4是STM32F3的升级，但并不是完全取代，因为它各方面的配置会比F3更高级，资源也会更丰富。迭代与延续2012年发布了首款混合信号微控制器STM32F32014年又发布了STM32F343，进入到原来被DSP垄断的数字电源市场2019年推出一款性能更强大的产品STM32G4来满足不断升级的市场需求图1-2STM32F3到STM32G4的迭代和延续迭代与延续与STM32F3系列相比，STM32G4在性能、丰富的内置数模外设、功能安全与信息安全以及完整的产品四个方面有创新和技术优势。图1-3STM32F3和STM32G4性能对比（1）性能示例：在电机控制应用中遇到三角函数计算，会交给数学加速器来处理，这样不仅可以减轻CPU的负担，而且还可以提高计算效率，比原来由CPU处理时的效率提升了5倍。数字滤波加速器，可被用于生成三极点三零点3p3z补偿器、SigmaDelta调频器和噪音整形器，用于数字电源设计中非常具有优势。内核170MHz高主频增加了3种不同的硬件加速器ART加速器（动态缓存），实现全部代码加速，帮助用户提高代码综合执行效率关键程序加速器CCM-SRAM（静态缓存），预配置确定性保障数学加速器涉及三角函数和数字滤波器（2）丰富的内置数模外设器件名称主要参数值ADC(upto5)拓扑SAR12-bit+硬件过采样

16-bit采样率Upto4Msps(15ksps16-bit)输入单端输入与差分输入偏移与降噪补偿自动校准以降低噪音与偏移DAC(upto7)采样率15Msps(内部输出)1Msps(带缓冲输出)稳定时间16ns运放(upto6)带宽13MHZ斜率45V/us偏置可编程放大倍数（精度）2,4,8,16,-1,-3,-7,-15(1%)32,64,-31,-63(2%)比较器(upto7)电压范围1.62..3.6V传播延迟16.7ns偏置-6..+2mV滞回补偿8种:0,9,18,27,36,45,54,63mV集成化的设计，拥有丰富的内置数模外设不仅减小了PCB尺寸，而且节约了项目开发成本使电机控制板面设计更加简洁，BOM成本更加优化（3）功能安全与信息安全STM32G4产品采用了双BankFlash机制，这一创新应用主要是考虑到信息的安全性STM32G4内部有两块用户Flash区域，支持同时在两个不同的Bank上加载应用程序，一个Bank用来运行程序，另一个可以在线升级固件程序在这两个Flash区域中，可以设定一块安全存储区域（4）完整的产品目录STM32G4产品拥有一个完整的平台，共分为入门型、性能型、高精度PWM型三个系列，10余种类型的开发板，覆盖从入门到高端不同需求。参数STM32G474高精度PWM型STM32G473性能型STM32G431入门型内核，主频ArmCortex-M4,170MHzFlash(max)128KbytessinglebankRAM(upto)96Kbytes22KbytesCCM-SRAM(code-SRAM)32Kbytes10Kbytes12-bitADCSAR比较器74运放1%精度6312-bitDAC74高级电机控制定时器CAN-FD12通道高精度定时器--供电范围1.72to3.6V图1-4STM32G4产品系列构成图1-5STM32G4产品系列STM32G4主要应用02STM32G4主要应用STM32G4作为一款基于ArmCortex-M4架构的产品，定位为主流型MCU，主要针对电机控制、工业设备与测量仪器、高端消费类应用和数字电源等应用场景。针对电机控制，建立了完整的生态系统，提供完整的硬件、软件、工具、资料等资源。STM32G4并不是完整取代STM32F334，而是在STM32F334的基础上做了提升，去覆盖更复杂的一些数字电源应用场景STM32G4主要应用性能配置电机控制（家电、电动自行车，空调）工业设备与测量仪器高端消费类应用（可再充电设备，无人机，玩具）数字电源（服务器，通讯电源，EV充电桩与充电站）高速CPU170MHz●●●●数字加速器（三角函数）●●

数字加速器（数字滤波器3p3z补偿器）

●高级电机控制定时器●

高速比较器（17ns）●

●4MSPSADC-12bit+硬件过采样●

●可编程放大器（PGA）●

DAC-12bit●

1%精度RC时钟●

●

支持CAN-FD

●

●

高级定时器

●

RTC实时时钟支持备份寄存器

●

Dualbankflash支持在线升级

●

●AES&信息安全

●

●超薄封装，小尺寸

●

●

内置丰富模拟外设

●●SAI（音频接口）

●

USBtype-CPowerDelivery3.0

●

12通道高精度定时器（184ps）

●STM32生态资源03（1）网址、公众号AI电堂：/AI电堂微信公众号：

公众号小程序STM32全球网页：/stm32STM32中文官网：/STM32社区：/STM3221ic社区：/stm32/ST中国大学计划主页：/universitySTM32中文技术支持邮箱：mcu.china@STM32大学计划联系邮箱：edu.china@ST微信公众号：

订阅号服务号视频号线上课程入口（2）STM32G4电机控制相关技术文档STM32G4产品介绍：/Product/pro_detail/STM32G4/productSTM32G4相关设计文件：/Product/pro_detail/STM32G4/design_resource数据手册、参考手册、开发板介绍、选型手册、编程手册、应用笔记、用户手册等相关资源均可进入相应页面下载。STM32G4产品主页如图1-6所示。电机培训资料下载：/电机控制方案查询：/st-mc-suite/home/#/index图1-6STM32G4产品主页（3）STM32G4电机控制相关视频资源①《STM32G4系列产品特性以及电机领域应用》本课程从ST生态系统介绍和使用展开，结合当前热门的电机控制领域应用，把产品特性深入到实际应用，点面结合下让大家更能够熟悉和掌握STM32G4优秀的特性，为未来的产品使用打下基础；同时还结合了STM32Cube生态，以及电机FOC控制生态，可让大家全方位熟悉使用ST所打造的完整的生态环境，为电机领域的开发带来便利条件。课程内容：1）STM32G4特性和市场介绍2）STM32工具介绍与使用3）使用STM32Cube工具上手STM32G44）内核介绍：ART，CCMSRAM，浮点运算，乘加指令5）VREFBUF，Timer&ADC介绍，以及两者在电机应用中的联动机制6）特别外设：CORDIC，FMAC，运放，比较器，DAC7）结合STM32CubeMX，MCSDKV5.4移植STM32G4电机矢量控制代码8）STM32G4特别外设应用于电机控制课程学习链接：网页版：/columndetail?id=5c5cfa8517394c09b6f67d8fa486ad62手机版：扫码观看（3）STM32G4电机控制相关视频资源②《基于MCSDKV5.4电机库的STM32电机控制理论与实践》随着无刷直流电机（BrushlessDirectCurrentMotor，简称BLDCM）和永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMoto