SimpleFOC（七）——STM32（Bluepill）的应用

  

说明

本文较长，内容较多，几乎把前几节Arduino UNO的例程重新演示一遍，为缩小篇幅，各示例演示步骤写的稍微粗略，大家可先熟悉前几节的关于simpleFOC的操作后再看本节。新手可分多次学习，循序渐进。
  

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本文于2021.9.2更新，
增加对新设计的电路板的支持，修改各个演示程序的IO口，使得本节示例可以同时在bluepill和SimpleMotor上运行。

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一、Bluepill介绍

1.1、最小系统板

  以前淘宝上十二三块钱一个，非常便宜，至于为什么叫Bluepill，谁给起的这个名字就不清楚了。

1.2、下载模式说明

  Arduino IDE编译STM32有好几种程序下载模式，本篇以串口下载为例。
  如下图，Boot1始终接低电平0，Boot0接0时为正常工作模式，接1时为串口下载模式。

  如下图，本人测试时发现虽然Boot0接高电平，但不能进入串口下载模式，检查后发现是电阻阻值不匹配，R3R4应该是串联在Boot0和Boot1引脚的限流电阻，阻值过大，导致上拉无效不能进入串口下载模式，可更换为1K-10K范围的电阻。

  

二、软件安装

  Arduino IDE兼容STM32有多种方法可以实现，以下为本人最熟悉的一种，
  

2.1、安装库文件和示例

  https://github.com/rogerclarkmelbourne ，下载Arduino_STM32，这个是支持STM32开发板的硬件文件。

  

2.2、放入安装文件夹

  下载后解压，修改文件名为“Arduino_STM32”放到Arduino IDE的安装文件下，

  

2.3、重新打开IDE

  关闭Arduino IDE后重新打开，会发现开发板增加许多类型，选择STM32F103C系列，

  

2.4、选择上传方式为串口，并选择端口

  注意上面这两步的配置，本节之后的所有程序都会在这两个配置下演示。
  

2.5、安装编译器

  以上安装好了示例和库文件，下面安装编译器。点击 工具—>开发板—>开发板管理器，

  

2.6、安装SAM

  什么是SAM？SAM是Arduino上使用的微控制器的体系结构，为使用SAM体系结构微控制器的Arduino板提供支持的软件包称为“Arduino SAM板”。由下图可以看出SAM应该是支持Cortex-M3的软件包。

  等待安装完毕，STM32的编译器和库文件就全部安装好了。
 
 

三、点亮LED

3.1、硬件准备

◆3.1.1、硬件清单

序号	名称	数量
1	Bluepill	1
2	USB转串口	1
3	5V电源	1

  也可以直接从USB转TTL取电5V，不过这样有时会不稳定，所以最好用手机充电器外部供电。
  
3.1.2、硬件连接

或者

  

3.2、示例演示

◆3.2.1、选择STM32配置

◆3.2.2、打开示例

◆3.2.3、修改代码

◆3.2.4、连接最小系统板，boot0的跳线帽接高电平1，然后按下复位键，STM32进入串口下载模式，

◆3.2.5、验证上传

◆3.2.6、程序上传有时会提示上传成功，但实际并没有成功，上传时留意必须有进度显示才会上传成功。

◆3.2.7上传成功后，把boot0的跳线帽恢复到低电平0，然后按下复位键。观察LED是否每隔一秒亮灭一次，

 
 

四、I2C读取编码器

  

4.1、硬件准备

◆4.1.1、硬件清单

序号	名称	数量
1	Bluepill	1
2	USB转串口	1
3	5V电源	1
4	带磁编码器的云台电机	1

如下图所示：

带编码器电机购买链接：淘宝购买
  
◆4.1.2、硬件连接
本例程演示I2C_1读取AS5600角度，

编码器VCC接3.3V，

或者

  

4.2、示例演示

◆4.2.1、打开示例

 
◆4.2.2、先确定 “工具—>开发板”为“Generic STM32F103C8T series”；
直接编译会报错，提示SDA和SCL没有定义，打开提示错误的文件"MagneticSensorI2C.h"（提示中包含这个文件的路径），简单修改如下：

修改后可永久保留，再编译Arduino UNO好像不受影响。
 
◆4.2.3、再编译上传；复位重启；转动电机观察角度输出。此时串口显示为电机累计转动角度（单位rad）和瞬时速度。

  

五、双I2C读取编码器

5.1、硬件准备

◆5.1.1、硬件清单

序号	名称	数量
1	Bluepill	1
2	USB转串口	1
3	5V电源	1
4	带磁编码器的云台电机	2

如下图所示：

◆5.1.2、硬件连接
本例程演示两个硬件I2C的操作，I2C_1和I2C_2分别读取AS5600角度，

编码器VCC接3.3V，

或者

5.2、示例演示

◆5.2.1、打开示例

◆5.2.2、修改程序
直接用官方示例，下载运行后串口没有输出，并且板载LED一直闪烁，应该是程序跑飞了。官方程序不能直接用，也可能是创作者的版本和我的不一样。

◆5.2.3、编译上传；复位重启；分别转动两个电机观察角度输出。此时串口显示为两个电机的累计转动角度（单位rad）。
注意：主程序中有200ms延时，所以转动电机的时候速度不能太快，否则会导致角度累加错误。

  

六、Bluepill+V2.0.3+AS5600+2804云台电机

 
  本人在调试Bluepill的过程中主要遇到两个问题：
  ◆ 第一是I2C_2读写AS5600角度的问题，查找资料后很简单的就解决了，上面《双I2C读取编码器》；
  ◆ 第二是按照官方示例驱动电机时，电机会产生啸叫声并且控制精度非常低。查找原因发现PWM引脚输出频率只有550Hz，测试了几个示例都是同样的现象。通过对代码运行追踪，找到问题并修改底层驱动代码。
  本节实验涉及修改底层代码PWM输出。
 

6.1、硬件准备

◆6.1.1、硬件清单

序号	名称	数量
1	Bluepill	1
2	SimpleFOCShield V2.0.3	1
3	USB转串口	1
4	带磁编码器的云台电机	1
5	5V电源	1
6	12V电源	1

如下图所示：

SimpleFOCShield V2.0.3购买链接：某宝购买
带编码器电机购买链接：某宝购买
 
◆6.1.2、硬件连接

或者

 

6.2、速度闭环模式

◆6.2.1、修改底层代码
  直接在示例上修改为Bluepill应用，电机运行效果非常差，示波器查看PWM，频率只有550Hz（72M/2/65536）；用示例bluepill_position_control，也是同样的问题；连专门针对bluepill的示例都有问题，我怀疑是文件版本不对，仔细看了创造者的文档，没有发现关于bluepill的特别说明。总之当前的问题应该在PWM操作上。
⑴、在Arudino IDE中安装simpleFOC的标准库以后，库文件和示例默认安装在“文档”文件夹，

⑵、跟踪PWM的初始化函数“driver.init(); ”程序并没有按照预期的调用“stm32_mcu.cpp”中的子程序，而是调用了”generic_mcu.cpp”中的子程序，可以看到_configure3PWM函数中什么都没有做，
路径：此电脑\文档\Arduino\libraries\Simple_FOC\src\drivers\hardware_specific

图片中所用软件为 sublime，查看代码非常方便，推荐大家使用

⑶、在“generic_mcu.cpp”修改这两个地方，

  pinMode(PA0, PWM);
  pinMode(PA1, PWM);
  pinMode(PA2, PWM);
  Timer2.pause();
  Timer2.setPrescaleFactor(8); // 72/8=9MHz
  Timer2.setCompare(TIMER_CH1, 0);
  Timer2.setCompare(TIMER_CH2, 0);
  Timer2.setCompare(TIMER_CH3, 0);
  Timer2.setOverflow(359);  //9M/360=25kHz
  Timer2.refresh();
  Timer2.resume();

 

  pwmWrite(pinA, 360.0*dc_a);
  pwmWrite(pinB, 360.0*dc_b);
  pwmWrite(pinC, 360.0*dc_c);

⑷、保存后关闭，底层代码修改完毕。
⑸、电机控制应该是PWM中央对齐模式，但是找到最最底层也没有这个设置，所以暂且这样用着，

◆6.2.2、打开示例

◆6.2.3、修改代码


 
◆6.2.4、编译上传，设置电机速度，观察电机运转

 

6.3、位置闭环模式

◆6.3.1、打开示例

◆6.3.2、修改代码



 
◆6.3.3、编译上传，设置电机角度，观察电机运转。
电机初始化以后会突然转动一下，大概半圈或者一圈，这个是为了角度归零，这个问题会在《移植》中解决。
 

七、Bluepill双电机控制

 

7.1、硬件准备

◆7.1.1、硬件清单

序号	名称	数量
1	Bluepill	1
2	SimpleFOCShield V2.0.3	2
3	USB转串口	1
4	带磁编码器云台电机	2
5	5V电源	1
6	12V电源	1

如下图所示：

SimpleFOCShield V2.0.3购买链接：淘宝购买
带编码器电机购买链接：淘宝购买
  
◆7.1.2、硬件连接
操作之前建议先看下《SimpleFOC（五）—— 双电机控制》这篇文章，
（1）、两个驱动板堆叠连接，背面跳线，M1接9、5、6、8，M2接3、10、11、7。

（2）、驱动板引脚定义

（3）、Bluepill接线

（4）、接线
两个编码器AS5600接3.3V，Bluepill和驱动板之间要共地，

或者

 

7.2、双电机速度闭环模式

◆7.2.1、修改底层代码

void _configure3PWM(long pwm_frequency,const int pinA, const int pinB, const int pinC) {
     

  pinMode(PA0, PWM);
  pinMode(PA1, PWM);
  pinMode(PA2, PWM);
  Timer2.pause();
  Timer2.setPrescaleFactor(8); // 72/8=9MHz
  Timer2.setCompare(TIMER_CH1, 0);
  Timer2.setCompare(TIMER_CH2, 0);
  Timer2.setCompare(TIMER_CH3, 0);
  Timer2.setOverflow(359);  //9M/360=25kHz
  Timer2.refresh();
  Timer2.resume();
  
  pinMode(PA6, PWM);
  pinMode(PA7, PWM);
  pinMode(PB0, PWM);
  Timer3.pause();
  Timer3.setPrescaleFactor(8); // 72/8=9MHz
  Timer3.setCompare(TIMER_CH1, 0);
  Timer3.setCompare(TIMER_CH2, 0);
  Timer3.setCompare(TIMER_CH3, 0);
  Timer3.setOverflow(359);  //9M/360=25kHz
  Timer3.refresh();
  Timer3.resume();
  
  return;
}

◆7.2.2、打开示例

◆7.2.3、修改代码




◆7.2.4、编译上传，串口设置指令，观察电机运转。
指令“A”表示电机1，指令“B”表示电机2，比如设置电机1速度为10rad/s：A10，设置电机2速度为20rad/s：B20。
 
双电机控制演示视频（bluepill）：https://www.bilibili.com/video/BV1Wy4y1g7Ly/
双电机控制演示视频（SimpleMotor）：https://www.bilibili.com/video/BV1Mh411s7oY/
 
 

八、SPI读取编码器

8.1、硬件准备

◆8.1.1、硬件清单

序号	名称	数量
1	Bluepill	1
2	USB转串口	1
3	5V电源	1
4	带AS5047P的云台电机	1

如下图所示：

◆8.1.2、AS5047P介绍
- 14bit精度
- ABI接口输出最高1000ppr
- 最高支持28Krpm转速

◆8.1.3、硬件连接

编码器VCC接3.3V，

 

8.2、示例演示

◆8.2.1、打开示例

◆8.2.2、修改程序

◆8.2.3、编译上传；复位重启；转动电机观察角度输出。
此时串口显示为电机累计转动角度（单位rad）和瞬时速度。

实际测试，AS5047P读出角度波动比较大，性能与价格非常不匹配，在当前芯片紧缺的背景下，这很有可能是A货，用这款芯片一定要保证货源
 
 

九、Bluepill+PowerShield V0.2+AS5047P+5010大电机

9.1硬件准备

◆9.1.1、硬件清单

序号	名称	数量
1	Bluepill	1
2	PowerShield V0.2	1
3	USB转串口	1
4	AS5047P电机	1
5	5V电源	1
6	24V电源	1

如下图所示：

带编码器电机购买链接：淘宝购买
 
◆9.1.2、硬件连接
⑴AS5047P的VCC接3.3V,
⑵PB6/PB7/PB8分别接在PowerShield V0.2的5/9/6引脚，
⑶PB5做为使能控制，用1转3的排线接在PowerShield V0.2的4/7/8引脚，
关于PowerShield V0.2的详细介绍请看《SimpleFOC（六）—— PowerShield和AS5047P》，

先不要着急给24V上电，使用大功率电机，一定要非常小心！
 

9.2速度闭环模式

◆9.2.1、修改底层代码
路径：此电脑\文档\Arduino\libraries\Simple_FOC\src\drivers\hardware_specific\generic_mcu.cpp

void _configure3PWM(long pwm_frequency,const int pinA, const int pinB, const int pinC) {
     

  pinMode(PB6, PWM);
  pinMode(PB7, PWM);
  pinMode(PB8, PWM);
  Timer4.pause();
  Timer4.setPrescaleFactor(8); // 72/8=9MHz
  Timer4.setCompare(TIMER_CH1, 0);
  Timer4.setCompare(TIMER_CH2, 0);
  Timer4.setCompare(TIMER_CH3, 0);
  Timer4.setOverflow(359);  //9M/360=25kHz
  Timer4.refresh();
  Timer4.resume();

  return;
}

◆9.2.2、打开示例

◆9.2.3、修改代码


◆9.2.4、编译上传，设置电机转速，观察电机运行。
 
速度闭环模式的演示视频：https://www.bilibili.com/video/BV1ow411d76a/
 

9.3位置闭环模式

◆9.3.1、打开示例

◆9.3.2、修改代码



◆9.3.3、编译上传，设置角度，观察电机运转。
 
位置闭环模式的演示视频：https://www.bilibili.com/video/BV1XU4y157kV/
 
我感觉效果不是很好，有点转不到位的样子，不知道是PID参数设置的不合适还是因为PWM不能设置中央对齐模式。
 

写后感

这篇文章太长了，程序上还有难点，花费了将近一个月的时间。
有人觉得用keil就够了，用Arduino IDE调试STM32多此一举，而且从调试的过程来看，Arduino IDE对STM32的兼容做的也不够好。但是我觉得用C++编写单片机代码的理念很先进，应该是未来的发展方向。
 
(完)
 
 
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请继续阅读相关文章：
SimpleFOC（一）—— 简介（附有文件下载链接）
SimpleFOC（二）—— 快速入门 （开环控制）
SimpleFOC（三）—— AS5600角度读取
SimpleFOC（四）—— 闭环控制
SimpleFOC（五）—— 双电机控制
SimpleFOC（六）—— PowerShield和AS5047P
SimpleFOC（八）—— 理论+实践 深度分析SVPWM