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怎么实现基于STM32的反电动势无传感BLDC控制？

998 STM32

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2021-11-22 06:43:45　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × heks 该类别下有 50 个回答。邀请回答 hgimtk 该类别下有 44 个回答。邀请回答新星之火12138 该类别下有 42 个回答。邀请回答 wang21cj 该类别下有 41 个回答。邀请回答 chm5 该类别下有 40 个回答。邀请回答 hjfjsdgfjdsf 该类别下有 37 个回答。邀请回答 fdjslkjd 该类别下有 35 个回答。邀请回答 uvysdfydad 该类别下有 35 个回答。邀请回答 werywer 该类别下有 35 个回答。邀请回答 h1654155957.9520 该类别下有 35 个回答。邀请回答 jenny042 该类别下有 34 个回答。邀请回答 dfzvzs 该类别下有 34 个回答。邀请回答维生素B2 该类别下有 34 个回答。邀请回答凤毛麟角该类别下有 34 个回答。邀请回答 hfgdzc 该类别下有 33 个回答。邀请回答 ggfvxv 该类别下有 33 个回答。邀请回答刘洋该类别下有 33 个回答。邀请回答 meihuacg 该类别下有 33 个回答。邀请回答储蓄叛逆该类别下有 32 个回答。邀请回答尼克wo 该类别下有 32 个回答。邀请回答举报 douyin8 相关推荐 • 反电动势法控制BLDC电机的原理是什么 5532 • 如何对梯形波反电动势无刷直流电机（BLDC）进行仿真？ 3197 • STM32 BLDC反电动势控制 6189 • 如何在MotorControl Workbench 5.4.4中配置设计以利用反电动势反馈到ADC引脚？ 356 • 如何去检测无刷电机的反电动势？有哪些方法？ 4805 • 求一种BLDC无位置传感器的控制方案 1605 • 反电动势过零检测法的基本原理是什么？ 6810 • 什么是反电动势？反电动势的危害有哪些？ 6483 • 三相BLDC电机的无霍尔控制理论是什么？其控制过程是怎样的？ 2676 • 电动机里的反电动势如何处理？ 3680 1个回答

Microchip 的应用笔记 AN1083 详细地讲述了一种无传感器无刷直流电机的控制算法，其配套的开源算法采用 dsPIC® 数字信号控制器实现，此前在淘宝购入了一块基于 STM32 的无刷直流电机开发板，于是试着将该开源代码移植至手上这块开发板上。开发板如下图所示：

因硬件平台不同，故需要对硬件相关部分的代码做修改，主要涉及定时器和 AD 转换器，又由于其 IIR 滤波算法采用汇编代码编写，在此用 CMSIS DSP Software Library 中相应的算法替换。对移植过程中的主要改动做了如下笔记。

定时器
定时器计数频率选定为 4MHz，则最大计时时间为 65535 / 4000000 = 0.0164s。在低速实现方案中，定时器测量 60° 电角度的时间应小于 0.0164s，则电机转过 360° 电角度的时间应小于 0.0984s，即每分钟电气旋转次数应大于 610RPMElec。
此款开发板配套的电机为 4 对极，则每分钟机械旋转次数应大于 610RPMElec / 4 = 152RPMMech，才能保证在测得 60° 电角度前计数器不溢出。
AD 采样
与原程序相同，低速时对电机的所有三个相进行采样，高速时仅采样和滤波一相的信号。在移植的程序中，低速时的采样频率为 43.9kHz，高速时的采样频率为 73.2kHz。值得一提的是，STM32参考手册中指出ADC的输入时钟不得超过14MHz。
数字滤波
滤波器参数参考应用笔记 AN1083 表1，考虑到 STM3210x 系列性能有限，滤波器阶数选定为 2 阶。以低速实现方案为例，滤波器各参数如下表所示：
[tr]参数值[/tr]

滤波器类型低通 Butterworth IIR
采样频率 43900Hz
截止频率 6000Hz
滤波器阶数 2阶

指定这些参数后，使用 MATLAB 计算 IIR 滤波器的系数如下：

在此有一点要非常留意，即 a1 和 a2 的符号，在 CMSIS DSP Software Library 的文档中对此进行了说明：

Pay careful attention to the sign of the feedback coefficients. Some design tools use the difference equation
y[n] = b0 * x[n] + b1 * x[n-1] + b2 * x[n-2] - a1 * y[n-1] - a2 * y[n-2]
In this case the feedback coefficients a1 and a2 must be negated when used with the CMSIS DSP Library.

查阅 CMSIS DSP Software Library 的文档可知，需要将滤波器的系数做缩放处理，原文如下：

Scaling of coefficients: Filter coefficients are represented as fractional values and coefficients are restricted to lie in the range [-1 +1). The fixed-point functions have an additional scaling parameter postShift which allow the filter coefficients to exceed the range [+1 -1). At the output of the filter’s accumulator is a shift register which shifts the result by postShift bits.

postShift 的值选定为1，此时各系数需除以2，可满足各参数在[-1 +1)区间内。而后，需要将系数转换为Q15格式，计算如下：

滤波器各个系数存储在数组中，数组索引和系数序列的关系在 CMSIS DSP Software Library 的文档中已有说明：

The coefficients are stored in the array pCoeffs in the following order:
{b10, 0, b11, b12, a11, a12, b20, 0, b21, b22, a21, a22, …}
where b1x and a1x are the coefficients for the first stage, b2x and a2x are the coefficients for the second stage, and so on. The pCoeffs array contains a total of 6*numStages values.

此外，也可通过阅读其源代码判定数组索引和系数序列的关系：

可以看出数组索引0、2、3对应b0、b1、b2；索引4、5对应a1、a2。
综上所述，系数数组代码如下：

最后，依照选定的滤波器参数在 MATLAB 的 Filter Design & analysis 工具中绘制群延迟曲线。观察群延迟曲线，在 1666Hz 至 0Hz 时，相位延迟差别较小约为 37µs，在计算相位延迟时间时需将滤波器的延迟时间包含在内。

/* fs = 43900, fc = 6000 */
q15_t IIR_coefficients[FILTER_NUM_STAGES * 6] =
{ 1849, 0, 3699, 1849, 13945, -4959 };
/* Read the b0 and 0 coefficients using SIMD */
b0 = *__SIMD32(pCoeffs)++;
/* Read the b1 and b2 coefficients using SIMD */
b1 = *__SIMD32(pCoeffs)++;
/* Read the a1 and a2 coefficients using SIMD */
a1 = *__SIMD32(pCoeffs)++;
round(b*32768/2)
ans =
1849 3699 1849
round(a*32768/2)
ans =
16384 -13945 4959
[b,a] = butter(2,6000/21950)
b =
0.112882132982239 0.225764265964478 0.112882132982239
a =
1.000000000000000 -0.851149844168585 0.302678376097542

其他
该开发板所选用的 STM32F103RB 不具备 DAC 外设，故将其替换为 STM32F105RC 以便通过 DAC 输出相关波形用示波器观察。此外，所用的开发环境为 Keil uVision5。
为方便操作增加了必要的按键功能，FUN 键对应无传感运行，UP 键对应霍尔传感器运行，运行时按下 FUN 键或 UP 键都能停止运行。
已知的 bug，当无传感启动由开环运行切换到闭环运行时，有可能因为误进入高速实现方案，而导致启动失败。