BLDC控制实验：方波、霍尔、开环、定速、正转

本文记录博主学习BLDC控制软件的过程。

文章目录

1 概述

本文是博主第一次做BLDC控制实验，内容只是写代码让BLDC转起来，而暂时不考虑其他复杂的需求。

控制的方法是比较简单的六步换相法。利用电机内部的霍尔传感器，通过参考电机厂家给出的二二导通换相表，生成方波来控制电机。第一次实验为了简化需求，只考虑开环、定速、正转的情况：

  • 开环：不考虑速度反馈，直接给PWM让电机转起来；
  • 定速：不考虑速度调节，换相的时候给的PWM都是相同的值；
  • 正转：只参考换相表中正转的部分，不考虑反转；

所以，实验目标为，通过按下开发板上的Key1按键使BLDC低速运转，按下Key2按键使BLDC停止运转。

本实验需要BLDC六步换相的理论作为知识储备。

2 软件架构及工具链

2.1 软件架构

博主根据自己的工作习惯和经验，制订出实验的软件架构如下：
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其中，各个板块的含义如下：

  • ASW：应用层软件，包含电机控制策略和算法；
  • BSW：底层软件，包含驱动Stm32的寄存器配置；
  • Interface：接口层软件，为底层和应用层之间的接口函数；
  • UI：调试开发板所用的代码；

2.2 工具链

对于架构中不同的板块，博主也根据经验选择合适的工具链进行开发。

  • Matlab/Simulink：基于模型开发的利器，非常适用于应用层软件开发。首先在Simulink中创建控制策略的模型，再用Embedded Coder组件生成C代码；
  • CubeMX：ST公司开发的用于配置STM32的工具，通过配置时钟和外设引脚，可以生成标准的HAL库，可用于BSW代码的生成；
  • MDK：STM32的编译环境，用于编译、调试软件并下载到控制器中，Interface的手写代码也在其中完成；
  • 串口调试助手：用于监测程序运行过程中的一些变量值；

3 底层代码生成

本章节会结合原理图，研究配置CubeMX生成底层代码。

3.1 时钟配置

博主用的开发板是STM32F405RGT6，在CubeMX中将时钟源设置为外部晶振。
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时钟数配置如下图。
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由于后续的低频任务会运行在系统定时器中断里，所以这里需要留意一下系统定时器的频率为168MHz，也就是1秒钟计数168000000次。

3.2 按键输入配置

在本实验中，开发板上的按键是用于告诉单片机启动或停止电机的请求。开发板上焊接了5个按键模块，如下图。本实验只需要用SW1和SW2两个。
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以SW1为例，它的左端接地，右端连接到单片机的PC13引脚，如下图。
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所以在CubeMX中配置PC13引脚的模式为输入模式，并配置为上拉。
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这样的配置表示，PC13引脚接收到低电平时，按键SW1被按下，接收到高电平时，按键SW1没有被按下。SW2的按键引脚配置类似。

3.3 串口通信配置

串口通信可以将单片机运行过程中的全局变量发送到PC上，然后通过串口调试助手读取信息，是一种验证问题的常规方式。

从原理图可以看出，PB10和PB11引脚是串口3发送和接收的引脚。
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首先将串口模式设置为Asynchronous，也就是异步通信。
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然后是一些参数设置，包括波特率、字长度等。这里的设置将和PC上的串口调试助手相对应。
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最后是NVIC中断优先级设置，这里暂时设置为如下图。
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3.4 霍尔信号外部中断配置

六步换相法控制BLDC需要根据霍尔传感器信号输入来判断导通哪些MOS管，因此需要配置3个引脚来分别接收A相,B相,C相三个霍尔信号。
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从原理图中可以看出，PB6,PB7,PB8这三个引脚分别对应着A相,B相,C相，所以接下来需要在CubeMX中配置这三个引脚。以PB6为例，在CubeMX中如下。
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首先，GPIO_EXTI表示用于GPIO的外部中断。GPIO mode配置成了上升或下降沿触发的外部中断，也就是说，当电机转动导致了霍尔信号变化的时候，会触发外部中断。这一点很重要，因为在该中断回调函数里，会执行换相逻辑。

3.5 MOS管导通开关配置

STM32通过控制引脚输出PWM或GPIO电平，来导通MOS管，从而实现了BLDC的换相控制。由于采用了H PWM-L ON的控制方式，上桥由PWM驱动，下桥由高低电平驱动。

以A相为例，原理图如下。左边的TIM1_CH是PWM，TIM1_CHN是高低电平。
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然后顺藤摸瓜找到对应的引脚，TIM1_CH对应PA8，TIM1_CHN对应PB13。
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接着就可以在CubeMX分别配置PWM输出和GPIO输出。
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这里博主将上桥PWM配置为Up向上计数，重装载值为12000。也就是说后面进行输出比较的时候，范围是0~12000。
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下桥的GPIO配置为推挽输出，初始为低电平。

以上配置完成后，就可以生成Keil工程了。

4 接口及配置代码

本章节会在Keil中手写一些代码，作为两方面用处。一方面是为应用层软件配置好输入输出接口函数，另一方面是调用Hal库函数对底层进一步配置。

4.1 系统定时器重装载值

在main文件的初始化代码段加上如下函数：

HAL_SYSTICK_Config(168000U);

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该函数用于配置系统定时器重装载值为168000。结合前文将系统时钟配置为168MHz，重装载值配置为168000就意味着通过系统定时器产生1ms中断。在中断函数SysTick_Handler中将执行低频任务。

4.2 按键输入接口函数

在main文件中配置如下按键输入接口函数，调用该函数可以返回按键状态（1或0）。

// Get Key State
uint8_t Get_Key1State(void)
{
	return((uint8_t)(!HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_13)));
}

uint8_t Get_Key2State(void)
{
	return((uint8_t)(!HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_0)));
}

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博主习惯于将输入的接口函数以Get_开头，其实相当于封装了一层统一的命名，并简化传参。这里的Get函数中调用了Hal库的读取GPIO pin脚的函数，并对返回值取反，使得返回1代表按键按下，0代表按键没有按下。

4.3 重定向printf函数

在main文件中重新定义fputc 函数：

int fputc(int ch, FILE *f)
{
	HAL_UART_Transmit(&huart3, (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
	return (ch);
}

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通过这种方式，就可以用printf函数将全局变量打印到PC上。本文的实验比较简单，没有做UI上位机，就用串口调试助手查看电机运行的实时数据了。

4.4 霍尔信号状态函数

在main文件中配置霍尔信号状态接收函数，调用该函数可以返回霍尔传感器状态（1或0）。

// Get Hall State
uint8_t Get_HallAState(void)
{
	return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_6);
}

uint8_t Get_HallBState(void)
{
	return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_7);
}

uint8_t Get_HallCState(void)
{
	return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_8);
}

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应用层调用霍尔信号状态函数可以获取当前的A,B,C三相的霍尔传感器状态，然后查阅换相表得到导通的MOS管。

4.5 MOS管导通控制函数

在main文件中配置MOS管导通控制函数，调用该函数可以设置MOS管的开关或者PWM。

// Mos
void Set_T1PWM(uint32_t PWMValue)
{
	__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,TIM_CHANNEL_1,PWMValue);
}

void Set_T3PWM(uint32_t PWMValue)
{
	__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,TIM_CHANNEL_2,PWMValue);
}

void Set_T5PWM(uint32_t PWMValue)
{
	__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,TIM_CHANNEL_3,PWMValue);
}

void Set_T2Status(uint8_t State)
{
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13,(GPIO_PinState)State);
}

void Set_T4Status(uint8_t State)
{
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14,(GPIO_PinState)State);
}

void Set_T6Status(uint8_t State)
{
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_15,(GPIO_PinState)State);
}

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其中，T1,T3,T5是上桥，在CubeMX配置为定时器PWM，因此传入的是输出比较值；T2,T4,T6是下桥，配置为GPIO输出，因此传入0或1的状态，来控制导通与断开。这里传入的PWMValue是0~12000，因为CubeMX中配置重装载值为12000。

4.6 电机启停函数

在main文件中配置电机启停函数，调用该函数可以启动或停止定时器通道，从而达到启停电机的效果。

// Set_StartStopMotor
void Set_StartStopMotor(uint8_t State)
{
	if(State == 0) //Stop Motor
	{
		HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1,TIM_CHANNEL_1);
		HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1,TIM_CHANNEL_2);
		HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1,TIM_CHANNEL_3);
	}
	else
	{
		HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_1);
		HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_2);
		HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_3);
	}
	
}

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Set函数会根据传入的State参数来判断调用Stop或是Start的Hal库函数。

5 应用层模型及代码生成

本实验的电机控制应用层软件采用Simulink建模并生成代码。

5.1 基于模型设计(MBD)方案

Matlab/Simulink软件的灵活性很强，可以定制化生成各式各样的代码。博主按照自己的建模习惯，制定了本小节的MBD方案，但不是Matlab/Simulink的唯一用法。

首先，将所有控制策略做在一个模型文件和数据字典中，命名为MotorControl，如下图所示。
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数据字典中定义了枚举量、Signal对象等，并根据需要设定Storage Class和头文件。
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模型的顶层调用了两个function-call子系统，分别对应系统定时器中断中运行的低频任务，和霍尔传感器外部中断中运行的换相任务。在代码生成的时候会生成SystickTask和HallExitTask两个函数。

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下面博主会叙述自己设计的BLDC控制策略，如有不当之处，希望能够交流探讨。

5.2 低频任务子系统

本实验中的低频任务只做两件事，电机状态机建模、启动停止控制。输入为按键状态、霍尔传感器状态，输出为电机状态。

1）首先是按键输入监测，调用了Get_Key1State()接口函数，并通过延时两个周期判断产生了上升沿。
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这部分做了两个延时，也就是，第一个周期Key1State为0，然后连续两个周期为1的情况时，视为一次启动电机的请求（StartMotorReq置为1）。

2）电机状态机，Stateflow中共有4个状态：Init，Start，Run，Stop。
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电机状态机的输入为启动或停止电机的请求。默认进入Init初始化状态，如果产生了启动电机请求（StartMotorReq）则跳转到Start状态。如果在Start状态停留了10个周期（StartCount == 10），则进入Run状态。当产生了停止电机请求（StopMotorReq），无论当前为Start状态还是Run状态都会跳入Stop状态。

进入Start或是Stop状态的时候，会产生一个事件（Event）用于触发外面的子系统。

每个状态进入时，都会输出MotorState，作为状态机外面的逻辑判断的依据。

3）电机启动的时候还未进入霍尔传感器引起的中断，在该状态中也需要进行启动时的换相函数。首先通过Get_HallXState函数获取三个霍尔传感器的状态，再通过移位进行组装合成。
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A相左移2位，B相左移1位，C相不移位。例如A,B,C三相分别是1，0，1时，

HallState = (A << 2) + (B << 1) + C = 4 + 0 + 1 = 5

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后面的模型会通过HallState 输入到查表模块（1D Lookup Table）中来判断哪些MOS管需要导通。然后通过调用Set函数导通Mos管。
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PWMValue的值在数据字典中定义为2000。这是因为本实验做开环定速旋转，设的过高会引起启动时的抖动。

5.3 霍尔中断子系统

霍尔中断子系统中的模型中没有电机状态机的部分，其余的和5.2 低频任务子系统相似，也是根据霍尔传感器的状态判断导通MOS管。但是有一点区别在于该子系统需要输出HallExtiFlag，也就是霍尔激活标志位。
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5.4 代码生成及调用

将模型MotorControl.slx配置好Embedded Coder后，Ctrl + B生成代码。
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顶层的两个子系统分别生成了HallExtiTask.c和SystickTask.c两个c文件，并且其中包含了同名的函数。这两个函数就是上文两个子系统对应的代码。
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MotorControl.c中生成了一个初始化函数MotorControl_initialize()，用于将模型中定义的全局变量初始化为0。

将所有的C文件和头文件拷贝到Keil工程中，然后在三个地方分别调用。
1）在main函数中调用初始化函数MotorControl_initialize()；
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2）在系统定时器中断函数中调用SystickTask();
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3）在霍尔传感器中断回调函数中调用HallExtiTask();
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另外，调用函数需要加上对应的头文件，否则编译无法通过。

最后在Keil中编译软件，并通过ST-Link下载到单片机中。尝试按下按键1和按键2，验证是否可以启动和停止。

6 总结

博主第一次做电机控制实验，感觉还是很有意思的。后面会按照本文的方法论去继续研究BLDC的控制。

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