2026.08.02
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X-CUBE-MCSDK

从工程生成到 Motor Pilot 与 Motor Profiler

FOC

目录

1. 简介

X-CUBE-MCSDK 是 ST（意法半导体）面向 STM32 的电机控制软件开发套件（Motor Control Software Development Kit，MCSDK）。完成电机、功率板和控制参数配置后，可以生成 FOC 或六步换相工程，从而减少底层初始化和控制框架的搭建工作。

生成的项目可继续通过 STM32CubeMX 配置其他外设，并使用 STM32CubeIDE、Keil MDK 或 IAR 等工具编译和调试。

1.1 参考资料

2. 软件工具

MCSDK 开发流程主要使用 Motor Control Workbench 和 Motor Pilot。Motor Profiler 集成在 Motor Pilot 中，用于测量电机参数。

2.1 Motor Control Workbench

Motor Control Workbench 用于完成以下工作：

  • 选择 ST 官方板卡或建立自定义板卡；
  • 配置电机、电源、功率级和位置反馈；
  • 选择 FOC 或六步换相算法；
  • 调用 STM32CubeMX 生成初始化代码和电机控制工程；
  • 启动 Motor Pilot，连接目标板并调试电机。

2.2 Motor Pilot（电机调试台）

Motor Pilot 用于在线控制和监视目标板，主要功能包括：

  • 启动或停止电机；
  • 设置目标转速或目标转矩；
  • 查看并清除故障；
  • 实时绘制转速、电流和电压等变量；
  • 在线调整 PI/PID 参数及其他可写变量。

2.3 Motor Profiler（电机分析仪）

Motor Profiler 是 Motor Pilot 中的电机参数测量工具，可用于估算 PMSM/BLDC 的电气参数。开始测量前通常需要填写：

  • 极对数（Pole Pairs）；
  • 最大允许电流；
  • 目标或最大转速。

输出参数通常包含定子电阻 \(R_s\) 、定子电感 \(L_s\) 、反电动势常数 \(K_e\) ，以及部分机械模型参数。

Motor Profiler 界面

3. 参考硬件

3.1 B-G431B-ESC1

记录参数：

  • 工作电压：8～28 V；
  • 额定电流：40 A；
  • 外部晶振：8 MHz。

B-G431B-ESC1

板载按键可用于启动或停止电机，电位器可用于调速。具体功能取决于生成工程中的用户接口配置。

3.2 X-NUCLEO-IHM08M1

X-NUCLEO-IHM08M1 是三相电机驱动扩展板，记录配置如下：

  • L6398 半桥栅极驱动器与 STL220N6F7 功率 MOSFET 组成三相功率级；
  • 直流工作电压：10～48 V；
  • 峰值电流：3～30 A；
  • 当前搭配的控制板 MCU：STM32F446RETx。

4. 开发流程

建议按以下顺序建立工程：

  1. 在 Motor Control Workbench 中选择控制板和功率板，并填写已知或近似的电机参数。
  2. 生成并烧录可供 Motor Profiler 使用的工程。
  3. 在 Motor Pilot 中启动 Motor Profiler，测量电机参数并导出 JSON 配置文件。
  4. 新建正式工程，导入已测得的电机参数。
  5. 核对电源、电流采样、位置反馈、保护阈值和 PWM 配置。
  6. 生成代码，并在 STM32CubeMX 中补充其他外设。
  7. 编译、烧录后，通过 Motor Pilot 进行低压、限流调试。

首次调试应限制母线电压、相电流和目标转速，并确保硬件过流、过压保护能够正常动作。

5. Motor Control Workbench

5.1 新建工程

  1. 创建新工程。

    新建工程

  2. 选择电机。

    选择电机

  3. 导入已有电机配置，或复制参数接近的电机模板，再修改名称和参数。

    导入或复制电机配置

  4. 选择控制板和功率板。

    选择电路板

  5. 选择控制算法和位置反馈方式。

    选择算法

5.2 电机与电源参数

电机页面中的额定电压和电流描述电机自身允许的工作范围，应根据电机规格和散热条件填写。电机不必始终工作在最大额定电压下，可以在更低母线电压下运行，但高速和带载能力会相应下降。

电源页面中的 Application Voltage 表示实际施加到驱动板的直流母线电压。MCSDK 会据此配置或建议欠压、过压等保护阈值。因此需要区分：

  • 电机额定电压： 电机允许承受的电气条件；
  • 应用电压： 当前系统实际使用的母线电压。

两者可以相同，也可以在电机额定范围内使用更低的应用电压。

电机与应用电压配置

5.3 位置反馈与观测器

方案Workbench 选项说明
无位置传感器 FOCSTO-PLL状态观测器结合锁相环估算转子位置和速度
无位置传感器 FOCSTO-CORDIC状态观测器结合 CORDIC 角度计算
霍尔 FOCHall Sensors使用三路霍尔信号获得转子区间位置
正交编码器 FOCQuadrature Encoder使用 A/B 正交信号获得转子位置

STO-PLL 和 STO-CORDIC 都是无位置传感器估算方案，并非简单的“闭环”和“开环”之分。具体选择应结合 MCU、MCSDK 版本、电机速度范围和官方示例；初次使用时可优先沿用对应参考板的默认方案。

5.4 生成代码

选择目标开发环境和代码生成选项，例如 Keil MDK 与 LL 库。LL 接口开销通常较低，但是否选择 LL 仍应结合现有工程结构、维护成本和 MCSDK 版本支持情况决定。

生成代码

6. Motor Pilot

6.1 连接目标板

可通过 Motor Control Workbench 中的专用按钮启动 Motor Pilot。

启动 Motor Pilot

在连接页面中搜索目标板并建立通信：

查找目标板

6.2 波形观察

Motor Pilot 的 Plot 窗口可作为软件示波器使用：

示波器窗口

在变量区域右键，可将需要观察的变量添加到波形窗口：

添加波形变量

6.3 运行注意事项

部分无感 FOC 配置不适合在运行中直接将目标速度从正值切换为负值。较稳妥的操作顺序为：

  1. 发送 Stop 命令；
  2. 等待电机停止或进入安全状态；
  3. 设置负向目标速度；
  4. 重新发送 Start 命令。

是否支持不停机反转取决于生成的状态机、速度斜坡、启动策略和 MCSDK 版本，不能只依赖上位机目标值完成方向切换。

7. Motor Profiler

7.1 启动与参数填写

Motor Profiler 用于自动测量 PMSM/BLDC 的电气参数。它不是生成项目的必需工具；当电机参数未知或需要重新测量时，可以使用该功能。

在 Motor Pilot 中选择并加载 Motor Profiler：

加载 Motor Profiler

填写以下电机信息：

  • 极对数：必填；
  • 最大电流：必填；
  • 最大转速：根据工具要求填写。

填写电机参数

7.2 测量与保存

完成测量后保存电机参数。当前使用记录显示，简介字段填写中文可能出现乱码，建议使用英文或 ASCII 字符。

保存电机参数

若首次测量无法覆盖目标工作区间，可在电机和功率板安全范围内逐步提高测试电流或转速，再重新测量。不得为获得结果而超过电机、电源或功率级的额定值。

调整 Profiler 测试范围

7.3 参数示例

以下为一次 Profiler 测量结果记录。 \(R_s\) 和 \(L_s\) 的相值/线值定义应以当前 MCSDK 版本的界面和文档为准。

电气模型参数（Electrical Model）：

参数数值单位含义
\(R_s\)0.2Ω定子电阻（Stator Resistance）
\(L_s\)0.05mH定子电感（Stator Inductance）
\(V_{bus}\)14.23V直流母线电压（Bus Voltage）
\(I_{max}\)5.2A peak最大峰值电流（Maximum Peak Current）
\(K_e\)0.86Vrms/krpm反电动势常数（Back-EMF Constant）

机械模型参数（Mechanical Model）：

参数数值单位含义
摩擦系数0.4µN·m·s粘性摩擦系数（Viscous Friction Coefficient）
转动惯量0.36µN·m·s²转动惯量（Inertia）
最大转速10700rpm测量或配置的最大转速

8. 火柴 FOC 驱动板配置

8.1 硬件概览

火柴 FOC 是一块基于 STM32G431CBU6 的无刷电机驱动板，当前硬件记录如下：

  • 主控单元： STM32G431CBU6，48 引脚；
  • 三相逆变桥： 6 个 MOSFET 和栅极驱动芯片；
  • 电源系统： 标称 24 V 输入，生成 10 V、5 V 和 3.3 V 电源；
  • 通信与调试： UART、CAN 和 SWD；
  • 采样电路： 三相电流、母线电压、温度和电位器输入；
  • 工作电压记录： 8～48 V；
  • 相电流记录： 建议持续使用不超过 5 A，散热良好时记录值为 10 A，瞬时记录值为 20 A。

电流能力必须结合 MOSFET、采样电阻、PCB 铜厚、接口和散热实测确认，不能只按器件标称电流使用。

8.2 引脚分配

8.2.1 三相半桥 PWM（TIM1）

引脚复用功能信号名说明
PA8TIM1_CH1PWM_CHU_HU 相上桥臂
PA9TIM1_CH2PWM_CHV_HV 相上桥臂
PA10TIM1_CH3PWM_CHW_HW 相上桥臂
PC13TIM1_CH1NPWM_CHU_LU 相下桥臂
PA12TIM1_CH2NPWM_CHV_LV 相下桥臂
PB15TIM1_CH3NPWM_CHW_LW 相下桥臂

8.2.2 电流检测与内置运放

引脚复用功能信号名说明
PA1OPAMP1_VINP / COMP1_INPCURRENT_SHUNT_UPU 相电流正端（运放与比较器输入）
PA3OPAMP1_VINM0CURRENT_SHUNT_UNU 相电流负端
PA2OPAMP1_OUT / ADC1_IN3OPAMP1_OUTU 相运放输出，内部连接 ADC1
PA7OPAMP2_VINP / COMP2_INPCURRENT_SHUNT_VPV 相电流正端
PA5OPAMP2_VINM0CURRENT_SHUNT_VNV 相电流负端
PA6OPAMP2_OUT / ADC2_IN3OPAMP2_OUTV 相运放输出，内部连接 ADC2
PB0OPAMP3_VINP / COMP4_INPCURRENT_SHUNT_WPW 相电流正端
PB2OPAMP3_VINM0CURRENT_SHUNT_WNW 相电流负端
PB1 / VPOPAMP3OPAMP3_OUT / ADC1_IN12 / ADC2_IN_VPOPAMP3OPAMP3_OUTW 相运放输出，可由 ADC1/ADC2 采样

8.2.3 模拟量采集（ADC）

引脚ADC 通道信号名说明
PA0ADC1_IN1VBUS母线电压检测
PB14ADC1_IN5TEMPERATURE_NTCNTC 温度检测
PB12ADC1_IN11POTENTIOMETER_LEVEL电位器调速输入

8.2.4 通信接口

引脚复用功能信号名
PB3USART2_TXUART_TX
PB4USART2_RXUART_RX

8.2.5 时钟与调试

引脚复用功能说明
PF0RCC_OSC_IN8 MHz 外部高速晶振输入
PF1RCC_OSC_OUT外部高速晶振输出
PA13SYS_JTMS-SWDIOSWD 调试数据
PA14SYS_JTCK-SWCLKSWD 调试时钟

8.2.6 数字输入

引脚功能信号名
PC10GPIO_InputBUTTON_TRIGGER

8.3 TIM1 配置记录

当前记录值：

参数数值说明
计数模式中心对齐计数器上、下计数形成对称 PWM
定时器时钟170 MHzTIM1 输入时钟
PSC0计数器不分频
ARR98自动重装载值，需复核
CKD2\(t_{DTS}=2t_{CK\_INT}\)
DTG63第一编码区间内的死区计数值
死区时间约 741 ns接近目标值 750 ns

中心对齐模式下，PWM 频率近似为：

\[ f_{PWM}=\frac{f_{TIM}}{2(PSC+1)(ARR+1)} \]

代入 \(f_{TIM}=170\text{ MHz}\) 、 \(PSC=0\) 、 \(ARR=98\) ，得到：

\[ f_{PWM}\approx858.6\text{ kHz} \]

该频率明显高于常见电机控制 PWM 频率，因此 ARR = 98 很可能是抄录错误或并非最终运行配置，需要回到 CubeMX/Workbench 工程复核。若目标频率为 20 kHz，在相同计数模式和时钟下，ARR 应接近 4249。

CKD 不直接改变 TIM1 计数器时钟，但会影响死区发生器使用的 \(t_{DTS}\) 。当 \(CKD=2\) 时：

\[ t_{DTS}=\frac{2}{170\text{ MHz}}\approx11.76\text{ ns} \]

在 DTG 的第一编码区间内， \(DTG=63\) 对应：

\[ t_{dead}=63t_{DTS}\approx741\text{ ns} \]

最终死区值仍需结合栅极驱动器传播延迟、MOSFET 开关时间和实测波形确认。

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