STM32G4 电机控制的硬件架构

核心资源
STM32G4 系列基于 ARM Cortex-M4 内核，具备以下特点，适合电机控制：

DSP 指令集支持：加速一些复杂的数字信号处理操作，特别适用于电机控制算法中的滤波、解调等处理。
浮点运算单元（FPU）：加速浮点运算，特别在控制算法中对角度、速度等物理量进行处理时，FPU 提供了极大的性能提升。

关键外设
定时器（Timers）：STM32G4 配备了多个 16 位和 32 位的定时器，支持 PWM 输出、输入捕捉、输出比较 和 定时事件生成，这些都在电机控制中扮演重要角色。
模拟外设（ADC 和 DAC）：电机控制需要实时获取电流、电压等传感器数据，STM32G4 提供高精度的 12 位 ADC 和 DAC，非常适合实时反馈控制。
比较器和运算放大器：内置比较器和运放可用于监测电机电流或电压，提供闭环控制所需的反馈信号。
高速运算和数字滤波：STM32G4 支持硬件加速的 数字滤波，特别在电机控制中常见的 卡尔曼滤波器 或 低通滤波器。

STM32G4 配备了多个高性能的定时器16 位和 32 位，这些定时器在电机控制中具有重要作用。它们不仅能够生成 PWM脉宽调制信号，还支持多种输入捕捉、输出比较和定时事件生成功能。

闭环控制算法
为了高效地控制电机的速度、位置和电流，闭环控制算法是必不可少的。常见的闭环控制算法包括：

PI 控制器（比例-积分控制）：主要用于速度控制和位置控制。
PID 控制器（比例-积分-微分控制）：适用于更加精确的控制场景，比如负载变化较大的情况下，PID 控制能较好地保持稳定性。
FOC（场定向控制）：用于无刷直流电机（BLDC）的精准速度和位置控制，能够实现非常精确的电流和电压控制。

电流与电压反馈控制
3.1. 电流采样
电流是电机控制中的关键反馈参数，电机驱动板上通常会使用 霍尔传感器 或 电流互感器 来实时监控电流的变化，STM32G4 的 高精度 ADC 可用于采样电流数据。

电流采样
电流是电机控制中的关键反馈参数，电机驱动板上通常会使用 霍尔传感器 或 电流互感器 来实时监控电流的变化，STM32G4 的 高精度 ADC 可用于采样电流数据。

霍尔传感器（Hall Effect Sensor）：
霍尔传感器可以感知通过导体的电流产生的磁场变化，并输出与电流成正比的电压信号。该信号通常是模拟信号，需要通过 ADC 进行采样。

通常，电流传感器，如霍尔传感器或电流互感器，用于检测电流变化，然后通过 STM32 的 ADC 获取这些模拟信号，进行数字化后，进一步用于控制算法中。

电压控制
通过测量电机的端电压，结合所需的电流，使用电压控制算法可以优化电机的启动、运行效率等。STM32G4 具有 高精度的电压采样，支持快速采样和准确的反馈控制。

传感器反馈
除了电流和电压的反馈，电机控制系统中还会用到其他类型的传感器，如：

编码器：用于实时检测电机的转速和位置。
霍尔传感器：在无刷电机控制中，霍尔传感器提供电机的相位信息，帮助定向控制。

编码器通常用于检测电机的转速和位置信息。它通过将电机的旋转角度转换为数字信号，从而反馈给控制系统。这对于精确控制电机的速度和位置非常重要，尤其在需要精密定位的应用中，如机器人、CNC 机床等。

增量式编码器：它输出的是相对于上一位置的变化信息，适合用于测量转速和方向。控制系统需要定期读取编码器信号，以计算当前位置和速度。

在 STM32 MCU 中，可以利用**定时器的编码器模式（Encoder Interface Mode）**来直接读取编码器的脉冲信号，并通过定时器捕获到的计数值来确定电机的当前位置和速度。

在无刷直流电机（BLDC）控制中，霍尔传感器用于检测电机的相位信息。霍尔传感器可以提供电机转子的位置反馈，用于确定每一相的驱动时序，从而实现电机的定向控制。

霍尔传感器通过感知电机内部的磁场变化，输出与转子相对位置有关的信号。通常，BLDC 电机使用三个霍尔传感器来检测转子的位置信息。
控制器根据霍尔传感器的信号来决定哪个相应该被驱动，以确保电机的稳定旋转。

运动控制与速度控制
电机控制的另一个关键点是如何精准地控制电机的运动轨迹和速度。常见的运动控制模式包括：

速度闭环控制：通过获取电机的实际速度，并与目标速度进行比较，调整电机的驱动电流或电压。
位置闭环控制：使用编码器反馈信号来调整电机的位置。
加减速控制：根据需求，平滑地改变电机的加速度，避免剧烈的启动或停止，延长电机使用寿命。

数字信号处理与滤波
在电机控制中，数字信号处理（DSP）和滤波非常重要，因为我们需要从传感器获取准确的信号，并去除噪声。常见的滤波方法包括：

低通滤波器：常用于电流、电压、速度的信号处理，去除高频噪声。
卡尔曼滤波器：适用于更复杂的信号处理，能够结合预测模型和测量数据得到最优估计。
PID 控制器的数字实现：STM32G4 采用硬件加速的乘法和加法操作，可以非常高效地实现 PID 控制。

电机控制应用实例
以下是一些常见的电机控制应用，STM32G4 可以在这些应用中发挥重要作用：

6.1. BLDC 电机控制（无刷直流电机）
BLDC 电机控制通常依赖于 FOC（场定向控制） 算法，这是一种闭环控制算法，能够同时控制电机的电流和电压，使电机运行更加平稳且高效。STM32G4 提供了 硬件 PWM、ADC 和 数字滤波 支持，非常适合这类应用。

步进电机控制
步进电机的控制比较简单，可以通过开关顺序来控制电机的步进。STM32G4 可以通过多个 PWM 输出通道来精确控制每个相的电流，从而实现精准的步进控制。

伺服电机控制
伺服电机控制要求高度精确的定位控制，通常需要使用 PID 控制算法 或 FOC 来实现。STM32G4 支持高速的 PWM 输出 和精确的 位置反馈，可以很好地应用于伺服电机控制。