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基于GD32的直流无刷电机控制算法实现和验证

news 2026/3/26 20:01:33

1 项目概述

1.1 项目背景

1.2 系统功能介绍

1.3 系统使用的技术要点

2 系统硬件框架结构

2.1 电机PWM接口

2.2 电流采样接口

2.3 编码器接口

3 驱动程序实现

3.1 PWM 功能实现

3.1.1 PWM接口配置

3.1.2 验证PWM输出波形

3.2 AS5600的驱动

3.2.1 AS5600与MCU之间的电路结构

3.2.2 驱动程序实现

3.2.3 验证角度值

3.3 读取电流值驱动

3.3.1 MCU的ADC与驱动板接口

3.3.2 电流数据验证

3.4 RT-Thread Nano版本在GB32上的移植

4 控制算法实现

4.1 FOC控制算法

4.1.1 FOC控制算法的模型

4.1.2 Clarke和Park变换数学原理

4.2 PID算法实现原理

4.2.1 闭环控制系统模型

4.2.2 PID算法模型

5 功能验证

5.1 开环控制(设置Vq)

5.2 速度环实现和PID调参验证

5.2.1 电机加速-PID算法验证

5.2.2 电机减速-PID算法

5.2.3 kd参数对速度环的影响

测试视频：

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1 项目概述

1.1 项目背景

如果要问当下那个行业最火，当属人形机器人行业。而机器人最核心的执行设备为关节，控制关节的动力来源一般为电机，而直流无刷电机控制需要专门的控制电路和软件控制算法，以实现其精确的位置，速度控制。

本项目主要是基于 GD32F527I-EVAL开发板，应用RT-Thread软件操作系统，设计一套直流无刷电机的控制算法，实现闭环速度、位置等功能的控制和参数验证。

1.2 系统功能介绍

基于GD32F527I-EVAL开发板实现如下功能：

1）移植RT-Thread Nano，管理整个系统资源

2）实现FOC控制算法，并计算个输出PWM控制波至BLCD直流无刷电机驱动驱动模块。

3）BLCD通过转换电路将PWM

4) 编码器模块

-- 1） GD32F527I驱动AS5600芯片获取编码器的角度值
-- 2）将机械角度转换为电角度，在FOC算法中使用该角度计算SVPWM的值

5）电机控制算法实现的主要功能：

--1）开环控制：该环主要验证FOC算法的是否能满足驱动电机的功能，无需加上PID算法
--2）闭环控制（速度环）：使用编码器测试电机的转动角度，并根据该值计算速度值。基于该值使用PID算法形成闭环控制。
--3）闭环控制（位置环）：使用编码器测试电机的转动角度，并根据该值计算电机当前转过的线性值。基于该值使用PID算法形成闭环控制。

1.3 系统使用的技术要点

1）主控模块基于RT-Thread 软件架构设计

2）使用的MCU: GD32F527I

硬件开发板： GD32F527I-EVAL,
开发软件和工具： RT-Studio ， Keil, Visual Code ，VOFA

3）开发语言： C语言，

6）控制算法： PID控制技术，FOC控制算法，SVPWM

7）编码器测试技术

8） I2C总线挂载多个设备，实时进行数据传输

9）控制：PWM调速，运动方向控制，直流无刷电机控制原理

10）RT-Thread Nano版本在GD32F527I上的移植

2 系统硬件框架结构

2.1 电机PWM接口

1） MCU上 IO接口位置： pwm波频率：20 K hz , 对应的时间为： 20 000 Hz 近似 5us

2）其对应摄像头上的插针接口位置

3）原理图上位置：

2.2 电流采样接口

1） MCU上 IO接口位置

2）其对应摄像头上的插针接口位置

3）原理图上位置：

2.3 编码器接口

1） MCU上 IO接口位置

2）其对应摄像头上的插针接口位置

3）其对应摄像头上的插针接口位置

3 驱动程序实现

3.1 PWM 功能实现

3.1.1 PWM接口配置

1) 直流无刷电机的驱动板与MCU之间的通过PWM信号进行控制，其接口电路框架结构如下：

3）通过定时器配置PWM输出功能

3.1.2 验证PWM输出波形

配置PWM的的占空比，使用逻辑分析仪观察波形的占空比，其具体波形如下：

1）程序中配置占空比参数如下：

2）逻辑分析仪测试的波形

PWM-U路波形

PWM-V路波形

PWM-W路波形

3.2 AS5600的驱动

3.2.1 AS5600与MCU之间的电路结构

AS5600与MCU之间通过I2C接口连接，其与磁环和电机一起集成在电机控制单元中。具体连接结构图如下：

3.2.2 驱动程序实现

3.2.3 验证角度值

电机模块与开发板的连接结构图如下：

用手拨动电机旋转，使用VOFA接收编码器的数据，并显示波形数据

使用定时器单次读取AS5600的角度值数据所需要的时间为：

3.3 读取电流值驱动

3.3.1 MCU的ADC与驱动板接口

使用GB32的PA4和PA6接口采样电流值

电机驱动板上的电流输入接口位置如下图：

3.3.2 电流数据验证

电路连接方式如下：

驱动电机转动，并使用VOFA显示数据的波形，具体波形如下：

数据log如下：

3.4 RT-Thread Nano版本在GB32上的移植

笔者使用GB32板卡作为电机的控制模块，为了更好的利用GB32的资源，这里选用RT-Thread Nano版本作为该MCU的操作系统。在使用该系统之前，需要移植该系统，其具体步骤如下：

Step -1:在Keil IDE上选择RTOS（笔者已经安装了RT-Thread packet）

Step-2: 配置相关的代码

1）在board.c文件中添加MCU的时钟初始化函数

2）在rtconfig.h文件中使能RT_USING_CONSOLE

3) 实现console的相关接口

4）控制台命令接口

5） SysTick_Handler函数调用rt_os_tick_callback函数

step-3: 测试RT-Thread运行情况，当系统打印如下log信息，说明RT-Thread在板卡上已经移植成功。

4 控制算法实现

4.1 FOC控制算法

4.1.1 FOC控制算法的模型

模型介绍：

测量：通过电流传感器测量电机的两相或三相电流，通过编码器测量转子角度 (θ)。
Clarke变换：将三相电流转换为两相静止坐标系下的。
Park变换：利用转子角度 θ，将转换为旋转坐标系下的直流分量。
PI控制：将测量到的与给定的目标值进行比较，通过PI控制器计算出需要施加的电压。
Park逆变换：将控制器的输出利用角度 θ 反变换回静止坐标系下的
SVPWM：利用 () 生成驱动三相逆变器的PWM信号，最终产生所需的三相电压施加到电机上。

4.1.2 Clarke和Park变换数学原理

矢量控制（FOC）中的完整流程如下：

1) Clarke变换数学原理

Clarke变换是将坐标系从三相静止坐标系（a, b, c）变换到两相静止坐标系（α, β）。

假设三相电流是平衡的，即。

等幅值变换（变换前后矢量幅值不变）：

为了计算方便，通常假设:, 所以, 上式可以简化为：

等功率变换（变换前后功率不变）：矩阵系数会有所不同，但在FOC中常用等幅值变换。

2) Park变换数学原理

Park变换是将坐标系从两相静止坐标系（α, β）变换到两相旋转坐标系（d, q）。 Park变换需要一个关键参数：转子当前的电角度 θ。这个角度通常通过编码器等位置传感器获得。

其逆变换（Park反变换）为：

4.2 PID算法实现原理

4.2.1 闭环控制系统模型

闭环（Closed Loop）：控制器输出值给被控对象，同时获取被控对象的反馈，控制器知道被控对象的执行状态，可以根据反馈修改输出值以优化控制。其控制模型如下：

4.2.2 PID算法模型

核心思想：根据系统的“当前误差”（P）、“过去累积的误差”（I）和“未来误差的变化趋势”（D）这三个因素，通过线性组合的方式计算出控制量，从而让被控对象（电机转速）快速、准确、稳定地达到并维持在目标值（Setpoint）。PID算法是一种常用的反馈控制算法，全称为Proportional-Integral-Derivative。它根据测量值与设定值的差距，经过比例、积分和微分的处理，得到控制器的输出。其定义如下：

具体控制模型如下图：

离散化的PID控制算法（位置式）公式如下：