【FOC无刷电机控制】六步换向、FOC，STM32cubemx从零开始搭建BLDC六步换相代码、FOC代码（基于霍尔传感器）

O、前言

• 用作备忘录，也希望能帮助正在入门摸索的朋友少走弯路，从外设开始，到开环，到闭环。
• 参考文章代码：正点原子、野火、硬石，三家文档几乎一样。（个人感觉原子文档写的好）

1 个人经验

• 刚开始学无刷电机控制时是直接去看的FOC，网上理论一大堆，看了几天，理论大概明白了，想去实践编程，发现都是大多都是电机库，或者一些别人的完整代码，没有步骤教学。经过一顿摸索，我的结论是把理论化为单片机代码实际去控制电机的过程，某种程度上比学习理论更困难。
• 我个人做一些单片机小项目的习惯是从头开始做。从一个空白工程开始，一个外设一个外设的调，调通一个测试一个，要用的所有外设调完再去加入控制代码，由开环到闭环，一步一步的来。直接用别人写好的一套代码总感觉心里没底。
• 对于无刷电机控制，我的步骤是这样的：1调霍尔传感器，2调PWM，3调开环控制，4调闭环

2 软硬件介绍

• 软件：STM32cubemx+keil5
• 硬件：网上买的一块无刷电机驱动板，芯片是STM32G070。要注意的是我的电机是BLDC，2对极，间隔60度安装的霍尔传感器。所以我现在实现的都是 基于霍尔传感器的开闭环控制。暂时没整过基于编码器的、基于无感的。

一、六步换相

• 六步换向用到的单片机外设：（根据个人板子引脚要做一些修改）
  • TIM3：选择霍尔传感器模式，用于获取3个霍尔值。
  • TIM1：通道123，普通PWM模式，用于驱动半桥电路的3个上半桥。（因为我这边用的是HPWM-LON的控制。）
  • 普通IO：3个，推挽输出，用于驱动半桥电路的3个下半桥。
  • USART2：用于调试用。
  • RTC：用于闭环控制。（这个用RTC中断可能不太合适，但是暂时这样…）
• 代码整体的调用流程：
  • 开环：电机转动换相时，触发霍尔中断，在霍尔中断回调函数里读取当前的相位值，然后根据相位值进行换相。
  • 闭环：在开环的基础上，再开一个定时器，在里边做PID运算，更改占空比设定值。
• 六步换向-开环控制代码：https://github.com/wyfroom/BLDC_LiuBu_KaiHuan_hall
• 六步换向-闭环控制代码：

1 新建cubemx工程

2 工程基础配置

（1）RCC时钟配置

• 选择时钟源，我这块板子只有外部8M晶振。
  
• 手动输入最大时钟频率，然后回车。我这块板子是64M。
  

（2）SYS 调试接口

• 我的下载器是SWD两根线的，所以我选这个。
  

（3）工程设置，生成MDK工程

• 点击生成代码
  

3 串口

• 这快板子没显示屏，调试中串口还是很有必要。
• 我这块板子是串口2，看好引脚，串口自动配置的引脚不一定是板子上的。比如我这块板子，就不是这两引脚。

（1）cubemx配置

（2）printf重映射

• 添加如下代码到工程的 usart.c 文件中的 /* USER CODE BEGIN 0 / 和 / USER CODE END 0 */之间。

#include <stdio.h>
#ifdef __GNUC__
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif
PUTCHAR_PROTOTYPE
{
    //具体哪个串口可以更改huart1为其它串口
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)&ch, 1 , 0xffff);
    return ch;
}

• 在main.c里添加头文件 #include <stdio.h>
  
• 之前忘记说了，这个printf重映射要在keil里也设置一下，不然一使用printf单片机就会卡死。抱歉抱歉（2023.3.30）
  

（3）测试

• 在main的while里加入如下代码

printf("hello\r\n");
HAL_Delay(1000);

4 霍尔传感器

（1）Cubemx配置

• 32定时器有一种霍尔模式，专门为无刷电机霍尔控制整的叭。
  
• 打开定时器中断
  
• 更改引脚名称（可选），为了编程方便
  

（2）初始化启动

在main中加入下面启动代码。

__HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim3,TIM_IT_TRIGGER);  //触发：有某个信号触发。 
__HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim3,TIM_IT_UPDATE);   //更新：有某个寄存器被更新。
HAL_TIMEx_HallSensor_Start_IT(&htim3);

（3）测试定时中断

• 在工程里新建两个文件：hall.c、hall.h。在main里加头文件。
• 加入下面中断回调函数，先测基本定时器中断，串口助手看现象。

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	printf("tim\r\n");
}

（4）测试霍尔中断

• hall.c 加入如下代码

uint8_t state = 0;
//换相中断
void HAL_TIM_TriggerCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	state = get_hall_state();
	printf("%d\r\n",state);
}

//获取霍尔传感器值
uint8_t get_hall_state(void)
{
  uint8_t state = 0;
  
#if 1
  /* 读取霍尔传感器 U 的状态 */
  if(HAL_GPIO_ReadPin(hallu_GPIO_Port, hallu_Pin) != GPIO_PIN_RESET)
  {
    state|= 0x01U << 0;
//		printf("u1\r\n");
  }
  
  /* 读取霍尔传感器 V 的状态 */
  if(HAL_GPIO_ReadPin(hallv_GPIO_Port, hallv_Pin) != GPIO_PIN_RESET)
  {
    state |= 0x01U << 1;
//		printf("v1\r\n");
  }
  
  /* 读取霍尔传感器 W 的状态 */
  if(HAL_GPIO_ReadPin(hallw_GPIO_Port, hallw_Pin) != GPIO_PIN_RESET)
  {
    state |= 0x01U << 2;
//		printf("w1\r\n");
  }
#else
  state = (GPIOH->IDR >> 10) & 7;    // 读 3 个霍尔传感器的状态
#endif
	//printf("stateL:%d\n",state);
  return state;    // 返回传感器状态
}

• 把电机霍尔接口接到板子上，用手转动电机，能看到串口打印出此时电机对应的霍尔编码值。
  
  
• 这个时候霍尔的状态值读回来了，也就是什么时候换相可以知道了，下一步就是驱动全桥电路，用3个普通PWM+3个普通IO口。

4 开环控制

（1）普通PWM cubemx配置

• 更改引脚名字
  
• 测试PWM是否正常输出，加入PWM启动代码和初始化占空比。
  用万用表电压档，去测对应引脚电压是否符合占空比值。
• 在main里加入下面代码：

	HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_1);
	HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_2);
	HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_3);
	__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_3,800);	//U
	__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_2,0);	//V
	__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_1,0);	//W

（2）普通GPIO配置

• cubemx
  
• 测试，在main中加入下代码
• 用电压档，测对应引脚是否正常输出电压。

//普通IO初始化，驱动3个下桥臂
	HAL_GPIO_WritePin(PWMUL_GPIO_Port,PWMUL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//UL//GPIO_PIN_SET   GPIO_PIN_RESET
	HAL_GPIO_WritePin(PWMVL_GPIO_Port,PWMVL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//VL
	HAL_GPIO_WritePin(PWMWL_GPIO_Port,PWMWL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//WL

（3）开环控制

• 我的电机是2对极，60度霍尔，所以能用下面这个换相表。同类型电机可以用，不同的话就要网上找一下对应的换相表，然后改下对应代码。
  
• 在hall.c里加入换相代码

uint16_t state=0;
uint16_t pwm_pulse=0
void HAL_TIM_TriggerCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	state = get_hall_state();
//	printf("%d\r\n",state);

	//513264
	switch(state)
	{
		case 1:    /* U+ W- */

			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_3,pwm_pulse);	//U+
			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_2,0);	//V+
			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_1,0);	//W+
			HAL_GPIO_WritePin(PWMUL_GPIO_Port,PWMUL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//U-	//GPIO_PIN_SET   GPIO_PIN_RESET
			HAL_GPIO_WritePin(PWMVL_GPIO_Port,PWMVL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//V-
			HAL_GPIO_WritePin(PWMWL_GPIO_Port,PWMWL_Pin,GPIO_PIN_SET);//W-
//			printf("%d\r\n",pwm_pulse);
			break;
		
		case 2:     /* V+ U- */

			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_3,0);	//U+
			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_2,pwm_pulse);	//V+
			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_1,0);	//W+
			HAL_GPIO_WritePin(PWMUL_GPIO_Port,PWMUL_Pin,GPIO_PIN_SET);//U-	//GPIO_PIN_SET   GPIO_PIN_RESET
			HAL_GPIO_WritePin(PWMVL_GPIO_Port,PWMVL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//V-
			HAL_GPIO_WritePin(PWMWL_GPIO_Port,PWMWL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//W-
			break;
		
		case 3:    /* V+ W- */

			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_3,0);	//U+
			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_2,pwm_pulse);	//V+
			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_1,0);	//W+
			HAL_GPIO_WritePin(PWMUL_GPIO_Port,PWMUL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//U-	//GPIO_PIN_SET   GPIO_PIN_RESET
			HAL_GPIO_WritePin(PWMVL_GPIO_Port,PWMVL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//V-
			HAL_GPIO_WritePin(PWMWL_GPIO_Port,PWMWL_Pin,GPIO_PIN_SET);//W-
			break;

		case 4:     /* W+ V- */

			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_3,0);	//U+
			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_2,0);	//V+
			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_1,pwm_pulse);	//W+
			HAL_GPIO_WritePin(PWMUL_GPIO_Port,PWMUL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//U-	//GPIO_PIN_SET   GPIO_PIN_RESET
			HAL_GPIO_WritePin(PWMVL_GPIO_Port,PWMVL_Pin,GPIO_PIN_SET);//V-
			HAL_GPIO_WritePin(PWMWL_GPIO_Port,PWMWL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//W-
			break;

		case 5:     /* U+  V -*/

			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_3,pwm_pulse);	//U+
			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_2,0);	//V+
			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_1,0);	//W+
			HAL_GPIO_WritePin(PWMUL_GPIO_Port,PWMUL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//U-	//GPIO_PIN_SET   GPIO_PIN_RESET
			HAL_GPIO_WritePin(PWMVL_GPIO_Port,PWMVL_Pin,GPIO_PIN_SET);//V-
			HAL_GPIO_WritePin(PWMWL_GPIO_Port,PWMWL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//W-
			break;
		
		case 6:     /* W+ U- */

			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_3,0);	//U+
			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_2,0);	//V+
			__HAL_TIM_SetCompare(&htim1,TIM_CHANNEL_1,pwm_pulse);	//W+
			HAL_GPIO_WritePin(PWMUL_GPIO_Port,PWMUL_Pin,GPIO_PIN_SET);//U-	//GPIO_PIN_SET   GPIO_PIN_RESET
			HAL_GPIO_WritePin(PWMVL_GPIO_Port,PWMVL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//V-
			HAL_GPIO_WritePin(PWMWL_GPIO_Port,PWMWL_Pin,GPIO_PIN_RESET);//W-
			break;

	}
}

• 更改pwm_pulse占空比值。然后就可以上电测试。！注意，上电前，一定确保你的这个换相逻辑和你的板子是对应起来的，别一上电上下桥同时导通，烧毁一切。

二、FOC