STM32 的 X-CUBE-MCSDK 初體驗 (使用B-G431B-ESC1)

公司裡最近開始投入STM32的行列

特別是在馬達控制這一段

原先站長就已經蒐集了很多的相關資料

從SDK3.0，SDK4.3，SDK5.0直到現在的SDK5.4

然而從來沒有真正使用板子去完成一次馬達調適的功能

週三(9/25)是第一次使用 B-G431B-ESC1 的開發板

這幾天試下來很有心得

過程中還好幾次跟 Boss 發生超級激烈的討論

所幸結果是甘甜的

接下來把測試過程詳實記錄在此

希望可以減少新手使用上的盲點

尤其是只靠自己摸索而沒有機會去上培訓課程的人

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B-G431B-ESC1 是一片為無人機(Drone)開發的馬達驅動板

大小只有半張名片不到

上面密密麻麻都是SMD的零件

信號用電阻電容基本上都是0402的規格

總之是一片零件密度非常高的板子

但這片小小的板子卻存在非常強大且完整的功能

它可以用 FOC 驅動馬達

也可以用六步方波去驅動

可以用hall sensor或encoder去偵測角度

也可以 sensorless 驅動就好

由 PLL 或 Cordic 去推算角度

供應電壓從 DC8~28V

驅動電流可以高達40A

不過功能這麼強大的板子

使用手冊卻很陽春

如果沒有之前使用 STM32 其他系列 MC Workbench 的經驗

要自己摸索出正確的使用方式是有點門檻的


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第一次進行測試先要準備幾樣東西：

0. B-G431B-ESC1 with Vcc/Gnd/U/V/W cables

1. USB_mini cable

2. BLDC motor (Any type)

3. Power Supply (12V/24V)

4. 安裝 x-cube-mcsdk 
   (預載編譯環境 MDK5 及 STM32CubeMX)


分別說明一下這幾樣東西要怎麼準備

首先要把 B-G431B-ESC1 板子上的 Vcc/Gnd/U/V/W 接點拉線出來

可以在 UM2516 這份文件上找到接點的位置

並準備一條 mini type 的 USB cable

這種 USB cable 是在 USB3 出來之前手機最常用的充電下載線

也就是如果你有過去淘汰不用的手機所留下的充電線

直接拿來用就可以了

最好是有帶磁環(磁珠)的電纜

不然就是長度在 30cm~50cm 之間的 USB cable 比較恰當

馬達可以隨意一個你正在使用的 BLDC motor

不管高壓/低壓/電流大小

只要有 BLDC motor 就可以

電源供應器(Power Supply)最好用可以調整電壓電流的

建議可以輸出0~30V/0~5A以上的較為合適 (150W以上)

前面的工作都準備完成就可以開始安裝 x-cube-mcsdk (v5.4.1)

檔案會是zip壓縮檔，大小約112MB

由於站長是 Keil C 的愛用者

因此這裡用 MDK5 的環境來做介紹

而腳位定義與 MCU 周邊功能會使用到 STM32CubeMX

所以也要先安裝好才開始進行測試


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第一次操作 Motor Profiler 與 MC Workbench

安裝好 x-cube-mcsdk 之後

桌面會有 Motor Profiler 與 MC workbench 兩個捷徑

如果要調適馬達參數

我們要先使用 Motor Profiler 這個工具

使用前請先將 USB_mini cable 連接到 B-G431B-ESC1 開發板

將馬達三條出力線任意接上 B-G431B-ESC1 拉線出來的 U/V/W

最後將電源供應器的輸出調節在 DC12V/2A 這個條件上

並接上 Vcc/Gnd 的線

執行 Motor Profiler 會出現板子的選用

第一個出現的就是 B-G431B-ESC1

點選板子後要輸入馬達基本參數

極對數在 Motor Profiler 有提供教學

在此不多做說明

看不懂的可以留言問我

如果你完全不曉得你所使用的馬達參數

有幾個方向你可以參考看看

首先就是馬達的大小

如果比拳頭小的通常轉速很快

設定轉速條件可以 5000RPM 以上

如果比拳頭大但比兩個拳頭小

轉速條件可以設在 3000RPM 進行測試

更大的馬達通常不容易拿到

如果拿得到也通常會提供完整參數

電壓電流暫定12V/2A

這是一個最保險且不容易損壞板子與電源供應器的條件

不過如果你的馬達比大拇指還小

建議還是要調低一下電流

對低壓馬達來說，1A應該是最低限度

電流太小其實不好調適馬達

當這些條件都輸入完成後

就點選 connect 讓 Motor Profiler 與 B-G431B-ESC1 連線

連線成功就直接按 Start 進行馬達參數的調適

如果你的馬達在調適過程中完全沒有動

可以先重複調適 3~5 次

有時候是因為 USB 通訊的問題

也有可能是電腦作業系統的問題

並不是每一次連線都可以很順利的

因為馬達本來就是信號干擾源

假如你調適幾次後發現馬達都完全沒有動

可以考慮加大你的輸出電流

或是提高轉速上限

不同的轉速上限與電流峰值

會改變馬達調適的初始化開迴路驅動信號

假如動了又停住

沒辦法連續一直轉

就建議調低一下電流量

大多數的馬達在 1~2A 的電流範圍內應該都是可以調適轉起來的

只是這並不一定是馬達真正適用的參數

我們只是要先確認馬達會動的方法

如果馬達有成功連續運轉

並有慢慢減速到停止

那代表這組參數是可以用的

用 SAVE 鍵把馬達參數存起來

記住這個馬達的名字 (這裡先取名為TEST_MOTOR)

接下來在 MC workbench 中會用到

如果您想試試看馬達運轉的情況

用 PLAY 鍵進入簡易測試環境

這裡可以設定馬達緩啟動的條件

也可以測試轉速的穩定度

如果測試起來不滿意可以一直重新調適

直到跑出一組覺得還蠻順的馬達參數

但原則上只要能轉就算OK了

因為進入Workbench後還有很多細節可以調整

這裡只是先抓個馬達的基本參數

讓程式有調整的方向而已

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進入Workbench後要點選New Project

在Inverter選單中會出現B-G431B-ESC1這片板子

稍微說明一下

官方的板子有幾種類型

第一種是 All in One 的類型 (主控與驅動做在同一片板子上)

這一類會放置在 Inverter 中

第二種是組合套件且有附馬達的類型 (主控板與驅動板分開)

這一類會放置在 MC kit 中

第三種是組合套件沒有附馬達的類型 (主控板與驅動板分開)

這一類會放置在 Power & Control 中

而我們所使用的B-G431B-ESC1是All in One的板子

所以在Inverter中可以找到

不管你選用哪一種類型的板子

在頁面的最下方要記得選擇剛剛你所調適好的馬達

也就是選 TEST_MOTOR (使用你剛剛存起來的名字)

再來就讓 Workbench 自動幫你建立專案了

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專案建立之後要做的事很簡單

如果你想先試試看馬達的動作

而你的 B-G431B-ESC1板子從剛剛調適之後就一直沒有拔除USB cable的話

可以 open Monitor 進入通訊調適介面

選擇 B-G431B-ESC1 的VCP (例如 COM 3)

執行Connect動作後便可以對板子連線操作

在Basic畫面中可以啟動馬達、停止馬達、改變馬達轉速、馬達正反轉

在Advanced畫面中可以調整馬達的PID參數、緩啟動設定

在Registers畫面中更可以看到所有馬達在運行中的參數變化

如果現在馬達的運轉方式是你所滿意的條件

便可以回到前一個畫面將程式碼 Generation

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使用 Generation 功能時需要先建立專案名稱 (副檔名會是.stmcx)

然後會要求指定編譯軟體

除了常見的 Keil C 、IAR C

也支援 SW4 以及 CubeIDE

假如你跟我一樣都習慣使用 Keil C 或 IAR C

也不用刻意要改用官方提供的 SW4 或 CubeIDE

因為實測從Keil C轉出來的Code與CubeIDE所轉出來的Code

程式空間(Code size)差了將近一倍

如果Keil C轉出來是35KB好了

CubeIDE轉出來差不多是 68KB

但奇怪的是

兩個檔案資料夾是Keil C的專案夾比較占空間

而且編譯時間比CubeIDE長了不只一倍

我猜是FOC運算函式庫在Keil C有用特別的硬體加速函式

讓程式碼大幅縮小

可是因為不是標準庫的編譯方式

導致時間上變長了

如果知道這一段怎麼處理的

應該也可以在CubeIDE上做到同樣的效果

不過那就是以後才要研究的新目標

當下還是先能夠調好馬達動作比較重要

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產生程式碼之後還會跳進CubeMX再確認一次所有的IO設定

如果你有個人想做的額外動作

比方說把預留的Hall Sensor Port拿來當做Display的控制線

因為Sensorless驅動時不需要用 Hall Sensor Port

所以在此可以先做一個小小的變化

然後再GenCode一次

轉出來的專案可以直接下載到 B-G431B-ESC1

然後如果你按照預設的程式都沒有改變

下載後按一下板子上的按鍵

馬達就自己轉起來了

當然也可以用VCP跟他連線

只要打開Workbench中剛剛建立好的專案.stmcx

進入Monitor中就可以連線操作馬達了

不過這時候的連線跟剛剛調適時的連線有點不太一樣唷！

剛剛調適時的連線

是Motor Profile預載一個空馬達參數的架構

透過Motor Profile的調適流程將馬達參數計算出來

所有的參數都是可以即時修正的

但是只要斷電重來

所有的參數就遺失了

必須重新調適

然而經過燒錄後的程式

是將調適好的參數當成預設參數填入MCU中

每次重新上電就會自動執行這組參數

某些板子還支援兩顆馬達同時運作

此時就是放入兩組不同的馬達參數

以同樣的FOC架構去運行

假如你想要一片板子可以同時讓很多不一樣的馬達使用

當然也可以自己將各組馬達參數寫在程式中

以IO切換或通訊更新的方式來切換馬達參數

這樣就可以讓一片板子運行很多不一樣的馬達

但前提要板子的驅動能力是可以應付的

也就是瓦數相近且電壓範圍也相近的馬達才能這樣用

畢竟一顆馬達會用到的參數很多

如有任一參數引用錯誤的話

是非常有可能發生災難的

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上面的調適流程如果夠熟悉

而板子的驅動能力又跟馬達有匹配的話

基本上只要10分鐘不到就可以讓一個馬達順利運轉起來

不過調適馬達並不是只要會轉

還要加載測試及各種意外狀況的模擬

這些就要額外多花時間去調整了

但這套工具真的大幅縮短了馬達前期調適的時間

讓馬達驅動可以快速進入應用階段的測試

對電機工程師來說真的是一個很大的福音

重點是價格還不貴

軟體又通通在官網就可以下載得到

強烈推薦給大家試用看看唷～～