APM32F035_MOTOR EVAL有感矢量控制方案深度解析
一、方案概述 APM32F035_MOTOR EVAL是极海半导体基于APM32F035芯片设计的一套有感矢量控制(FOC)电机驱动方案，主要针对需要精确控制的电机应用场景。该方案采用双电阻采样和霍尔传感器反馈，实现了高性能的磁场定向控制。 二、硬件系统深度解析 1. 核心硬件架构 硬件系统采用24V电源供电，通过多级电源转换提供12V(栅极驱动)、5V和3.3V(MCU)电压。整体硬件框图如下： ``` 24V电源 → 电源调节 → 12V → 栅极驱动 → 功率MOSFET → 电机 ↓ 3.3V → APM32F035 ← 电流检测 ↑ 霍尔传感器 ``` 2. 关键硬件电路设计 2.1 电源电路 - 采用电阻分压网络测量母线电压：VBUS = VM × (210K/10K) = VM × 21 - 12位ADC采样范围0-3.3V对应0-4096，最大可测电压69.3V(3.3V×21) 2.2 相电流采样电路 - 采用双电阻采样方案(节省成本) - 采样电阻0.02Ω，运放增益5倍 - 电流计算公式：IU = UI×5 + 1.65V - 最大峰值电流：(3.3V-1.65V)/5/0.02Ω = 16.5A 2.3 霍尔检测电路 - 直接接口电路，通过六次霍尔跳变计算转子角速度We - 采用插值补偿算法估算转子位置及转速 2.4 过流保护电路 - 使用内置运放OPA4采样母线电流 - 比较器COMP1设置3V阈值，对应最大电流13.5A - 触发TMR1的刹车输入(BKIN)实现硬件保护 2.5 最小系统 - 8MHz外部晶振 - SWD调试接口 - 48/32引脚LQFP封装选择 3. 硬件接口资源 - 电源输入接口(24V) - 三相电机接口(相序影响旋转方向) - HALL传感器接口 - SWD调试接口 - 功能跳线帽端口 三、软件系统深度解析 1. 软件架构设计 采用四层架构设计： 1.1 用户层(USER层) - main.c：主程序入口，负责初始化 - apm32f035_int.c：中断处理函数 - user_function.c：电机参数配置 - parameter.h：所有配置参数 - board.c：板级外设初始化 1.2 外设驱动层(HARDWARE层) - 负责GPIO、PWM、ADC、OPA、COMP、M0CP等外设驱动 1.3 电机控制驱动层(MOTOR_CONTROL层) - 电机运行逻辑和核心算法调用 - 包括状态机切换、HALL处理、FOC算法执行等 1.4 电机算法层(Geehy_MCLIB层) - 坐标变换、矢量控制函数库 - 数**算库和角度估算算法 2. 状态机设计 采用主状态机嵌套子状态机结构： 主状态机： - INIT：变量初始化 - STOP：等待启动命令，关闭PWM - FAULT：错误处理状态 - RUN：运行状态(包含6个子状态) RUN子状态机： - run-callb - run-ready - run-align - run-startup - run-spin - run-freewheel 3. 关键外设配置 3.1 PWM配置 - 频率8kHz，死区时间1.0μs - 中心对齐模式2(计数器上下计数) - 互补PWM输出，带刹车功能 - 配置要点： ```c TIM_TimeBaseInitStructure.period = PWM周期值; TIM_TimeBaseInitStructure.counterMode = TMR_CENTER_ALIGNED_MODE2; TIM_BDTRInitStructure.deadTime = 死区时间; TIM_BDTRInitStructure.breakState = TMR_BREAK_STATE_ENABLE; ``` 3.2 ADC配置 - DMA模式传输采样数据 - TMR1的CC4作为触发源 - 12位分辨率，右对齐 - 采样通道：相电流、母线电压等 3.3 OPA与COMP配置 - OPA配置为外部电阻网络模式 - COMP用于过流保护，输出连接TMR1的BKIN - 低电平触发刹车 4. 关键参数设置 4.1 系统参数 - PWM频率：8kHz - 死区时间：1.0μs - 慢速环控制频率：1kHz 4.2 硬件参数 - 采样电阻：0.02Ω - 运放增益：5.0 - 最大电流：16.5A - 最大电压：69.0V 4.3 电机参数 - 相电阻(Rs)：0.15Ω - 相电感(Ls)：0.37mH - 极对数：2 - 电流环KP(Q15格式)：25000 - 电流环KI(Q15格式)：8 - 速度环KP(Q15格式)：16384 - 速度环KI(Q15格式)：163 四、核心技术解析 1. 有感FOC控制技术 - 采用霍尔传感器获取转子位置 - 六扇区划分，插值补偿算法估算精确位置 - SVPWM调制方式 - 双电阻采样相电流(节省成本) 2. 高性能数**算 - 利用APM32F035内置的Cordic、SVPWM、硬件除法器等加速器 - Q15格式定点数运算优化 3. 实时控制策略 - 快速电流环(8kHz) - 慢速速度环(1kHz) - 分层状态机管理 4. 保护机制 - 硬件过流保护(COMP+TMR1刹车) - 软件过流保护 - 过压/欠压保护 - 故障状态机处理 五、调试与测试方法 1. 硬件检查：确认电机、驱动器和控制器连接正确 2. 参数配置：根据电机规格设置参数(极对数、额定电流等) 3. 空载测试：验证HALL信号顺序和基本功能 4. 负载测试：评估电机在负载下的性能 5. PID调试：优化电流环和速度环参数(在parameter.h中修改) 6. 性能测试：测量最大速度、扭矩和效率 六、方案特点总结 1. 高性能MCU：Cortex-M0+@72MHz，集成数学加速器 2. 高集成度：内置运放、比较器等模拟外设 3. 精确控制：霍尔插值补偿算法提高位置精度 4. 高可靠性：多重保护机制 5. 易用性：分层软件架构，参数集中配置 6. 低成本：双电阻采样方案节省BOM成本 该方案特别适合需要精确控制的中小功率电机应用，如电动工具、家电、工业驱动等场景。
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