基于STM32实现三相电机驱动的解决方案

一、硬件架构

1. 主控选型方案

型号	核心架构	关键特性	适用场景
STM32G431CB	Cortex-M4F	170MHz主频，3个硬件加速器，集成运放，支持三电阻采样	高性能电机控制
STM32G484VE	Cortex-M4F	双ADC 3.6Msps，支持ST专利电流重构技术，内置过流保护电路	工业级高精度控制
STM32F407ZGT	Cortex-M4F	经济型方案，支持三相逆变器控制，需外接运放	低成本应用

2. 功率驱动电路

三相逆变桥拓扑：
+-----+     +-----+     +-----+
|     |     |     |     |     |
| Q1  ├─●─┤ Q4  ├─●─┤ Q7  |
|     |     |     |     |     |
+-----+     +-----+     +-----+
|     |     |     |     |     |
| Q2  ├─●─┤ Q5  ├─●─┤ Q8  |
|     |     |     |     |     |
+-----+     +-----+     +-----+
|     |     |     |     |     |
| Q3  ├─●─┤ Q6  ├─●─┤ Q9  |
|     |     |     |     |     |
+-----+     +-----+     +-----+

驱动芯片：L6387E（半桥驱动）或 DRV8301（三相全桥驱动）

3. 电流采样方案对比

方案	硬件复杂度	精度	成本	适用电流范围
三电阻	高	±0.5%	高	5A-50A
单电阻	中	±1.5%	中	1A-20A
霍尔传感器	低	±0.1%	最高	100A+

单电阻采样电路示例：

V_dc
├───Rshunt───┬── GND
│           │
│           ▼
└── OP07───ADC

• 采样电阻：0.002Ω 1% 1W
• 运放配置：差分放大电路（增益10x）

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二、FOC算法实现

1. 核心数学变换

// Clark变换（3→2相静止坐标系）
i_alpha = i_a;
i_beta = (i_b - i_c) / sqrt(3);

// Park变换（静止→旋转坐标系）
i_d = i_alpha * cos(theta) + i_beta * sin(theta);
i_q = -i_alpha * sin(theta) + i_beta * cos(theta);

// PI调节器
V_d = Kp_d * (i_d_ref - i_d) + Ki_d * integral_d;
V_q = Kp_q * (i_q_ref - i_q) + Ki_q * integral_q;

// 逆Park变换
V_alpha = V_d * cos(theta) - V_q * sin(theta);
V_beta = V_d * sin(theta) + V_q * cos(theta);

// SVPWM生成
SVPWM_Generate(V_alpha, V_beta);

2. 关键参数配置

#define PWM_FREQ        20000    // 20kHz开关频率
#define PWM_DEADTIME    2.5e-6   // 死区时间2.5μs
#define ADC_SAMPLING    1.0e-4   // 100kHz采样率
#define CURRENT_LOOP    1000     // 电流环1kHz
#define SPEED_LOOP      100      // 速度环100Hz

3. STM32硬件加速配置

// 使能FPU和DSP指令
SCB_EnableICache();
SCB_EnableDCache();
HAL_RCCEx_EnableMSIPLLDivider(RCC_MSIRANGE_6);

// 配置DMA双缓冲
hdma_adc.Instance = DMA1_Channel1;
hdma_adc.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
hdma_adc.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
hdma_adc.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
HAL_DMA_Init(&hdma_adc);

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三、三电阻采样实现

1. 电路拓扑

三相逆变桥
├── Rshunt1 (A相)
├── Rshunt2 (B相)
└── Rshunt3 (C相)
     │
     ▼
运放电路 → ADC输入

2. 采样时序控制

void HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if(htim->Instance == TIM1) {
        // 上桥臂关断时采样
        if (current_channel == 0) {
            ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)&adc_buffer, 6);
            current_channel++;
        }
        // ...其他通道处理
    }
}

3. 电流重构算法

// 基于ST专利的电流重构
float reconstruct_current(uint16_t adc_val, float offset) {
    float voltage = (adc_val / 4095.0f * 3.3f) - 1.65f; // 偏置处理
    return (voltage / 0.002f) * 0.01f; // 转换为电流值
}

// 三相电流重构
i_a = reconstruct_current(adc_buffer[0], 0.0f);
i_b = reconstruct_current(adc_buffer[2], 0.0f);
i_c = reconstruct_current(adc_buffer[4], 0.0f);

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四、单电阻采样方案

1. 时序控制策略

PWM周期划分：
|-----|-----|-----|-----|-----|-----|-----|-----|
0    T1   T2   T3   T4   T5   T6   T7   T8
↑    ↑    ↑    ↑    ↑    ↑    ↑    ↑    ↑
采样点1 采样点2 采样点3

// 有效采样窗口配置
#define SAMPLING_WINDOW  1500  // 1.5μs (对应15%占空比)

2. 电流计算算法

// 基于对称分量法
float i_a = (V_shunt[0] - V_shunt[3]) / (2 * Rshunt);
float i_b = (V_shunt[1] - V_shunt[4]) / (2 * Rshunt);
float i_c = (V_shunt[2] - V_shunt[5]) / (2 * Rshunt);

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五、STM32资源优化

1. 外设复用配置

// 复用TIM1_CH1作为编码器接口
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_ALL);

// 复用TIM2_CH1作为PWM输出
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

2. 存储优化

// 使用Q格式定点数运算
typedef struct {
    int16_t q15_iq;  // Q15格式
    int16_t q15_id;  // Q15格式
} FOC_Data;

参考代码 STM32驱动三相电机 www.youwenfan.com/contentcnl/71704.html

六、扩展功能实现

1. 无传感器控制

   // 基于反电动势观测器的位置估算
   float estimate_position(float iq_ref, float id_ref) {
       float est_theta = theta + (iq_ref * Lq * omega) / (3 * Psai);
       return est_theta;
   }
   

2. OTA升级

   void OTA_Update() {
       HAL_UART_Receive_DMA(&huart2, ota_buffer, 1024);
       while(OTA_Progress < 100%);
       NVIC_SystemReset();
   }
   

3. 故障保护

   void Fault_Handler() {
       if(overcurrent_flag) {
           HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1);
           HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET); // 红灯报警
       }
   }