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STMG4入门与电机控制实战——基于X-CUBE-MCSDK的无刷直流电机与永磁同步电机控制实现
- 出版社:电子工业出版社官方旗舰店
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- 上架时间:2024-06-30 09:38:03
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内容介绍
本书基于 STM32G4 电机控制开发套件，围绕 STM32G4 入门与电机控制实战进行了系统的介绍。STM32G4 入门部分从基础认识和操作入手，介绍 STM32G4 系列微控制器及生态资源、P-NUCLEOIHM03 电机控制套件、软件生态系统及开发工具的使用，给出了基于 NUCLEO-G431RB 开发板的基础实验例程；电机控制部分详细介绍了无刷直流电机和永磁同步电机控制技术，涵盖电机系统结构、数学模型、控制原理及电机参数测量等关键内容；在此基础上还提供了基于 P-NUCLEO-IHM03 套件的电机入门级控制实例及包括无刷直流电机有感方波控制与永磁同步电机有感 FOC 控制的电机进阶控制案例。
许少伦，博士，上海交通大学, 电子信息与电气工程学院电气工程系, *级工程师，中国机器人及人工智能大赛上海赛区组委会委员；上海交通大学电气工程学科教学指导委员会委员。
基于意法半导体STM32G4系列微控制器及基于STM32G4的P-NUCLEO-IHM03电机控制套件和软件开发环境；从*简单的外设开始，由浅入深，带大家逐步学习 STM32G4的入门使用和进阶控制。
基于意法半导体STM32G4系列微控制器及基于STM32G4的P-NUCLEO-IHM03电机控制套件和软件开发环境；从*简单的外设开始，由浅入深，带大家逐步学习 STM32G4的入门使用和进阶控制。
第 1 章 STM32G4 概述 ...................................................................................................................... 1
1.1 STM32G4 系列的特性 ........................................................................................................... 1
1.2 STM32G4 的主要应用 ........................................................................................................... 5
1.3 STM32 生态资源 ................................................................................................................... 6
第 2 章 STM32 电机控制套件 P-NUCLEO-IHM03 ....................................................................... 10
2.1 NUCLEO-G431RB 开发板 .................................................................................................. 10
2.1.1 NUCLEO-G431RB 开发板概述 .................................................................................................. 10
2.1.2 NUCLEO-G431RB 开发板的硬件构成 ...................................................................................... 12
2.2 X-NUCLEO-IHM16M1 三相驱动板 ................................................................................... 17
2.2.1 X-NUCLEO-IHM16M1 三相驱动板概述 ................................................................................... 17
2.2.2 X-NUCLEO-IHM16M1 三相驱动板的硬件构成 ....................................................................... 18
2.3 三相云台电机 GBM2804H-100T ........................................................................................ 24
2.4 DC 电源 ................................................................................................................................ 25
第 3 章 软件开发环境 ...................................................................................................................... 26
3.1 开发环境概述 ....................................................................................................................... 27
3.2 STM32CubeMX .................................................................................................................... 28
3.2.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 28
3.2.2 工具界面 ...................................................................................................................................... 32
3.3 STM32CubeIDE ................................................................................................................... 34
3.3.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 34
3.3.2 工具界面 ...................................................................................................................................... 37
3.4 Keil（MDK-ARM） ............................................................................................................ 38
3.4.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 38
3.4.2 操作简介 ...................................................................................................................................... 41
3.5 IAR EWARM ........................................................................................................................ 43
3.5.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 43
3.5.2 操作简介 ...................................................................................................................................... 49
3.6 MotorControl Workbench（MC SDK） .............................................................................. 50
3.6.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 50
3.6.2 操作简介 ...................................................................................................................................... 52
3.6.3 使用 ST Motor Profiler 获得电机参数 ........................................................................................ 56
3.6.4 ST MC SDK 5.x 固件 ................................................................................................................... 61
3.7 STM Studio ........................................................................................................................... 66
3.7.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 66
3.7.2 操作简介 ...................................................................................................................................... 69
第 4 章 NUCLEO-G431RB 基础实验 ............................................................................................. 72
4.1 LED 点灯实验 ...................................................................................................................... 72
4.2 定时器 PWM 应用实验 ....................................................................................................... 78
4.3 外部中断实验 ....................................................................................................................... 84
4.4 串行接口应用实验 ............................................................................................................... 90
4.5 数/模转换应用实验 .............................................................................................................. 96
4.6 互补 PWM 输出实验 ......................................................................................................... 104
第 5 章 无刷直流电机控制技术 .................................................................................................... 112
5.1 无刷直流电机的系统构成 ................................................................................................. 112
5.1.1 电机本体 .................................................................................................................................... 113
5.1.2 位置传感器 ................................................................................................................................ 114
5.1.3 控制驱动电路 ............................................................................................................................ 115
5.2 无刷直流电机的数学模型 ................................................................................................. 116
5.2.1 定子电压方程 ............................................................................................................................ 116
5.2.2 反电动势方程 ............................................................................................................................ 117
5.2.3 电磁转矩方程 ............................................................................................................................ 117
5.2.4 运动方程 .................................................................................................................................... 117
5.3 无刷直流电机的控制原理 ................................................................................................. 117
5.3.1 方波控制原理 ............................................................................................................................ 118
5.3.2 无感反电动势控制原理 ............................................................................................................. 120
第 6 章 永磁同步电机控制技术 .................................................................................................... 125
6.1 三相 PMSM 的结构 ........................................................................................................... 125
6.2 三相 PMSM 的数学模型 ................................................................................................... 126
6.2.1 三相 PMSM 的坐标变换 ........................................................................................................... 127
6.2.2 同步旋转坐标系（d-q 坐标系）下的数学模型 ....................................................................... 130
6.2.3 静止坐标系（α-β 坐标系）下的数学模型 ............................................................................... 131
6.2.4 用传统测量方法获取电机参数 ................................................................................................. 131
6.2.5 ST-MC-SDK Motor Profiler 测量电机参数的原理................................................................... 134
6.3 SVPWM 控制技术 ............................................................................................................. 137
6.3.1 三相电压的空间矢量表示 ......................................................................................................... 137
6.3.2 SVPWM 算法的合成原理 ......................................................................................................... 138
6.3.3 SVPWM 算法的实现 ................................................................................................................. 142
6.4 三相永磁同步电机的矢量控制 ......................................................................................... 143
6.4.1 PMSM 矢量控制基本原理 ........................................................................................................ 143
6.4.2 PMSM 的电流环 PI 控制 ........................................................................................................... 145
6.4.3 PMSM 的速度环 PI 控制 ........................................................................................................... 146
第 7 章 基于 P-NUCLEO-IHM03 套件的电机入门控制实例 ...................................................... 147
7.1 无感 FOC 快速控制实例 ................................................................................................... 147
7.2 无感方波控制实例 ............................................................................................................. 153
7.3 无感速度模式控制实例 ..................................................................................................... 157
7.4 旋钮控制电机运行速度实例 ............................................................................................. 162
7.5 故障处理及恢复实例 ......................................................................................................... 165
7.6 API 函数应用实例 ............................................................................................................. 169
第 8 章 基于 P-NUCLEO-IHM03 套件的有感电机控制案例 ...................................................... 176
8.1 无刷直流电机的有感方波控制案例 ................................................................................. 176
8.2 永磁同步电机的有感 FOC 控制案例 ............................................................................... 188
参考文献 ............................................................................................................................................ 220
附录 .................................................................................................................................................... 221
内容介绍
本书基于 STM32G4 电机控制开发套件，围绕 STM32G4 入门与电机控制实战进行了系统的介绍。STM32G4 入门部分从基础认识和操作入手，介绍 STM32G4 系列微控制器及生态资源、P-NUCLEOIHM03 电机控制套件、软件生态系统及开发工具的使用，给出了基于 NUCLEO-G431RB 开发板的基础实验例程；电机控制部分详细介绍了无刷直流电机和永磁同步电机控制技术，涵盖电机系统结构、数学模型、控制原理及电机参数测量等关键内容；在此基础上还提供了基于 P-NUCLEO-IHM03 套件的电机入门级控制实例及包括无刷直流电机有感方波控制与永磁同步电机有感 FOC 控制的电机进阶控制案例。
作者介绍
许少伦，博士，上海交通大学, 电子信息与电气工程学院电气工程系, *级工程师，中国机器人及人工智能大赛上海赛区组委会委员；上海交通大学电气工程学科教学指导委员会委员。
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媒体评论
基于意法半导体STM32G4系列微控制器及基于STM32G4的P-NUCLEO-IHM03电机控制套件和软件开发环境；从*简单的外设开始，由浅入深，带大家逐步学习 STM32G4的入门使用和进阶控制。
目录
第 1 章 STM32G4 概述 ...................................................................................................................... 1
1.1 STM32G4 系列的特性 ........................................................................................................... 1
1.2 STM32G4 的主要应用 ........................................................................................................... 5
1.3 STM32 生态资源 ................................................................................................................... 6
第 2 章 STM32 电机控制套件 P-NUCLEO-IHM03 ....................................................................... 10
2.1 NUCLEO-G431RB 开发板 .................................................................................................. 10
2.1.1 NUCLEO-G431RB 开发板概述 .................................................................................................. 10
2.1.2 NUCLEO-G431RB 开发板的硬件构成 ...................................................................................... 12
2.2 X-NUCLEO-IHM16M1 三相驱动板 ................................................................................... 17
2.2.1 X-NUCLEO-IHM16M1 三相驱动板概述 ................................................................................... 17
2.2.2 X-NUCLEO-IHM16M1 三相驱动板的硬件构成 ....................................................................... 18
2.3 三相云台电机 GBM2804H-100T ........................................................................................ 24
2.4 DC 电源 ................................................................................................................................ 25
第 3 章 软件开发环境 ...................................................................................................................... 26
3.1 开发环境概述 ....................................................................................................................... 27
3.2 STM32CubeMX .................................................................................................................... 28
3.2.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 28
3.2.2 工具界面 ...................................................................................................................................... 32
3.3 STM32CubeIDE ................................................................................................................... 34
3.3.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 34
3.3.2 工具界面 ...................................................................................................................................... 37
3.4 Keil（MDK-ARM） ............................................................................................................ 38
3.4.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 38
3.4.2 操作简介 ...................................................................................................................................... 41
3.5 IAR EWARM ........................................................................................................................ 43
3.5.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 43
3.5.2 操作简介 ...................................................................................................................................... 49
3.6 MotorControl Workbench（MC SDK） .............................................................................. 50
3.6.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 50
3.6.2 操作简介 ...................................................................................................................................... 52
3.6.3 使用 ST Motor Profiler 获得电机参数 ........................................................................................ 56
3.6.4 ST MC SDK 5.x 固件 ................................................................................................................... 61
3.7 STM Studio ........................................................................................................................... 66
3.7.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 66
3.7.2 操作简介 ...................................................................................................................................... 69
第 4 章 NUCLEO-G431RB 基础实验 ............................................................................................. 72
4.1 LED 点灯实验 ...................................................................................................................... 72
4.2 定时器 PWM 应用实验 ....................................................................................................... 78
4.3 外部中断实验 ....................................................................................................................... 84
4.4 串行接口应用实验 ............................................................................................................... 90
4.5 数/模转换应用实验 .............................................................................................................. 96
4.6 互补 PWM 输出实验 ......................................................................................................... 104
第 5 章 无刷直流电机控制技术 .................................................................................................... 112
5.1 无刷直流电机的系统构成 ................................................................................................. 112
5.1.1 电机本体 .................................................................................................................................... 113
5.1.2 位置传感器 ................................................................................................................................ 114
5.1.3 控制驱动电路 ............................................................................................................................ 115
5.2 无刷直流电机的数学模型 ................................................................................................. 116
5.2.1 定子电压方程 ............................................................................................................................ 116
5.2.2 反电动势方程 ............................................................................................................................ 117
5.2.3 电磁转矩方程 ............................................................................................................................ 117
5.2.4 运动方程 .................................................................................................................................... 117
5.3 无刷直流电机的控制原理 ................................................................................................. 117
5.3.1 方波控制原理 ............................................................................................................................ 118
5.3.2 无感反电动势控制原理 ............................................................................................................. 120
第 6 章 永磁同步电机控制技术 .................................................................................................... 125
6.1 三相 PMSM 的结构 ........................................................................................................... 125
6.2 三相 PMSM 的数学模型 ................................................................................................... 126
6.2.1 三相 PMSM 的坐标变换 ........................................................................................................... 127
6.2.2 同步旋转坐标系（d-q 坐标系）下的数学模型 ....................................................................... 130
6.2.3 静止坐标系（α-β 坐标系）下的数学模型 ............................................................................... 131
6.2.4 用传统测量方法获取电机参数 ................................................................................................. 131
6.2.5 ST-MC-SDK Motor Profiler 测量电机参数的原理................................................................... 134
6.3 SVPWM 控制技术 ............................................................................................................. 137
6.3.1 三相电压的空间矢量表示 ......................................................................................................... 137
6.3.2 SVPWM 算法的合成原理 ......................................................................................................... 138
6.3.3 SVPWM 算法的实现 ................................................................................................................. 142
6.4 三相永磁同步电机的矢量控制 ......................................................................................... 143
6.4.1 PMSM 矢量控制基本原理 ........................................................................................................ 143
6.4.2 PMSM 的电流环 PI 控制 ........................................................................................................... 145
6.4.3 PMSM 的速度环 PI 控制 ........................................................................................................... 146
第 7 章 基于 P-NUCLEO-IHM03 套件的电机入门控制实例 ...................................................... 147
7.1 无感 FOC 快速控制实例 ................................................................................................... 147
7.2 无感方波控制实例 ............................................................................................................. 153
7.3 无感速度模式控制实例 ..................................................................................................... 157
7.4 旋钮控制电机运行速度实例 ............................................................................................. 162
7.5 故障处理及恢复实例 ......................................................................................................... 165
7.6 API 函数应用实例 ............................................................................................................. 169
第 8 章 基于 P-NUCLEO-IHM03 套件的有感电机控制案例 ...................................................... 176
8.1 无刷直流电机的有感方波控制案例 ................................................................................. 176
8.2 永磁同步电机的有感 FOC 控制案例 ............................................................................... 188
参考文献 ............................................................................................................................................ 220
附录 .................................................................................................................................................... 221