FOC-Sensorless-EKF-STM32G474

FOC-Sensorless-EKF-STM32G474

无感FOC项目，采用EKF观测器或非线性磁链观测器(Nonlinear Flux Observer)或滑模观测器(SMO)，MCU采用STM32G474RET6，板子使用ST的X-NUCLEO-IHM07M1评估板，项目为Clion的CMAKE项目，可以使用Clion或VSCode打开。

📋 总览

参数	说明
核心板	STM32G474RET6核心板
驱动板	X-NUCLEO-IHM07M1
采样电阻	330mOhm,双电阻采样方案
永磁同步电机	型号:2804云台电机,表贴式电机,参数为额定电压12V,最大电流1A,相电阻Rs=2.75Ohm,相电感Ls=1mH,磁通flux=0.00386335(V/(rad/s)), 如果使用本项目的评估板,建议将电阻设置为4.1(要考虑MOSFET的导通电阻和采样电阻,本评估板导通电阻和采样电阻比较大,需折合到电机侧进行补偿),电感可以增加到1.4mH(根据离线参数辨识得到,离线参数辨识将在V2版本发布,V1暂不考虑发布)
SVPWM	使用HRTIM(STM32G474特有的高精度计时器)产生PWM 计时器频率:0.68Ghz(Master Timer) 1.36Ghz(Timer A,C,D) period值:34000(合Master Timer或Timer ACD 0.68Ghz/34000=20khz) PWM模式:中心对称(向上向下计数，中间为高电平,两侧为低电平) ADC触发时机:Master Timer更新时
电流环	PI控制(有抗饱和,有前馈解耦),20khz
转速环	PI控制(有抗饱和),2khz
观测器	EKF(20khz)或改进的磁链观测器(20khz)或滑模观测器(20khz) 可在ADC1中断中更改变量Observer的值切换
EKF	四维状态向量ialpha,ibeta,Espeed,Etheta
磁链观测器	我们使用了PLL，并且参考了论文:《Performance Improvement of Nonlinear Flux Observer for Sensorless Control of PMSM》
SMO/STSMO	滑模观测器不能直接闭环启动(否则有较大概率收敛到反方向最大转速-1800rad/s,其中给定为500rad/s)，需要IF启动
IF启动	我们研究了IF启动切闭环的各种方法，找到了一种"双DQ变换法"切换闭环，切换时没有顿挫感，我们将它用在所有的观测器启动中而不仅限于SMO，以保证全部观测器都能够完美地启动
与上位机通信	USB通信，VOFA+(JustFloat协议)显示波形
软件版本	CLion 2026.2.3.1,openocd 0.12.0,arm-gnu-toolchain 15.2,CUBEMX 6.18.1,CUBECLT 1.18.0,MATLAB R2024a,VOFA+ 1.4.5,操作系统版本:Fedora

🔌 接线说明

评估板接12V电源到VIN+和GND，三相输出连接到PMSM上面，G474核心板的PA5、PA6、PA7连接到了评估板的输出使能引脚C7_1、C7_2、C7_3上面。HRTIM的PWM输出PA8、PB12、PB14连接到了评估板的C10_23、C10_21、C10_33。注意评估板没有降压模块，因此3V3不是由评估板提供的，需要由核心板提供，这个电压将用于核心板的电流采样。将核心板的3V3和GND连接到评估板的C7_12、C7_20上面。核心板PA0、PA1为A、B相电流采样，接到评估板C7_28、C7_36上面。

⚠️ 注意：评估板上有VIN+直连的C7_24引脚，请勿把核心板接到该引脚上面，以免大电压损坏你的核心板。在接电前建议再次检查接线是否准确，以免损坏你的器件。

🛠️ 快速迁移到你的硬件

由于考虑到不同的硬件情况，不同PMSM对应的参数也不同，为了让代码能适配其它的硬件情况，请按以下步骤修改对应的代码：

1.PMSM的电阻，电感，磁链不同，请修改PMSM_Control_Core/PMSM_Parameter.h里对应的参数

2.PMSM的极对数不同，请修改PMSM_Control_Core/PMSM_Parameter.h里的POLE_PAIRS参数

3.直流母线电压不同，请修改PMSM_Control_Core/SVPWM.c里的Udc和DivUdc参数

4.采样电路不同（即不使用配套的评估板而是你自己的板子），请修改PMSM_Control_Core/Hardware.c里的IA_K和IB_K参数，这里的参数表示每安电流对应ADC采样端多少伏的电压，此外，上电时，会进行一次VCC_3V3，IA_REF，IB_REF离线校正，因此事实上这三个参数并不需要特意修改

5.在不同的硬件上运行时，如果电机不能运行或者运行一会就停止，请调整一下PI参数，修改PMSM_Control_Core/PI_Controller.h里的GenerateFunction_PIController各项参数(可以参考一下文档,整定电流环和转速环)，修改PMSM_Control_Core/EKF.c里面的Q，R矩阵(或其它观测器的参数)

6.考虑到每个硬件版本不同，需要进行非线性补偿，包括死区补偿、导通电阻以及反向导通压降等，请根据实际情况适当增加电机的相电阻Rs以及修改DeadTimeComp进行补偿(实测补偿后12V和500rad/s给定下可以跑到5W功率，但是未补偿时只能跑到4W)

📈 运行以及波形查看

本代码使用VOFA+作为波形查看器，协议为JustFloat，由于代码中使用USB虚拟串口，所以波特率可以任意设置。在USB_JustFloat.h/.c 里调整singleDataLength和USB_data[USB_DataRecordIndex++]=xxx，可以看到你想要了解的各种运行参数，但是建议singleDataLength不能设置太大，不然发送速率跟不上数据生成的速率，MCU会卡死，电机转不起来。

注意这个评估板电流采样有一两个小的尖峰毛刺，在代码stm32g4xx_it.c的void ADC1_2_IRQHandler(void)使用五点中值滤波去除了，但是会造成波形有一点小的失真，如果你使用的硬件没有这种问题，你可以去除掉中值滤波的过程（或者改用IIR滤波，代码中已经有对应的实现，只是没有用到），以获得更准确的波形和控制效果

🖥️ 仿真验证

我们在"Simulink"文件夹里放置了我们的仿真模型，利用该仿真模型，可以快速观察到各变量的变化情况，也可以在无实物的情况下验证算法的可行性，为了验证代码的准确性，该仿真模型大部分使用S-Function Builder构建。以下是一些仿真的结果图片：

SVPWM的比较值(马鞍波):

磁链观测器观测值与实际值对比:

EKF滤波前后对比:

SMO与STSMO（待调整）估计反电动势与实际反电动势对比:

不同观测器速度估计值与实际值的阶跃响应对比:

不同观测器估计角度与实际角度对比:

📎 补充内容

·在使用仿真模型时，注意不要将运行模式切换到"加速"或"快速加速"，而是使用"普通"，因为S-Function Builder在"加速"或"快速加速"似乎有些问题。 仿真一次后，S-Function Builder里面的变量会维持仿真结束的值，如果再次仿真，建议重新编译一次代码或关闭MATLAB重新打开仿真文件，否则会出现一开始仿真，EKF的预测转速就是几百rad/s的奇怪结果(包括PI控制器保留原来的输出的问题),最新消息:目前该问题已解决，是在xxx_start_Wrapper函数中清空各变量即可。

·在Documents文件夹里有关于观测器代码推导与实现的简略说明和解释(整个文档的公式由个人整理和推导,可能有错误,不一定和主流方案一致,文档只说明了如何使用理论公式推导出代码,而理论公式如何得到,文档并没有说明,请参考相关的书籍)

·使用CLion打开项目时，不要直接打开CMakeLists.txt或整个文件夹，否则会出现可以编译，但没有下载按钮的情况，可以像新建项目那样打开该项目，如下图所示：

·仿真模型的S-function-builder在打开时，会优先打开缓存在磁盘里的.c/.h文件，因此当此项目的.slx文件更新时，你打开的新的仿真模型，点开S-function-builder看到的可能只是上一版仿真模型缓存的代码(旧代码)，请手动清理缓存文件，再打开仿真模型，这样才能看到新的代码

缓存清理方法：输入which -all Speed_PID(任意一个S-function-builder的名字都可以)

得到的路径显示缓存文件在桌面上，我们删除对应的缓存文件，重新打开MATLAB，即可看到最新的代码:

·新增keil项目迁移，现在可以使用keil打开该项目，点击下方链接即可获取:

访问keil项目

·本项目部分代码和文档内容将被用于作者的2026年本科毕业论文

⚠️ 安全须知

🔥 本项目涉及电机驱动与功率电路，请务必遵守以下安全规范：

• 切勿在通电状态下插拔或修改接线
• 首次上电建议使用限流电源（如 12V/2A）并串联保险丝
• 强电（>12V DC 或交流）环境下操作需具备专业电气知识，本项目默认在低压（≤12V）安全电压下运行
• 评估板无隔离保护，核心板与功率地共地，请避免误接高压引脚（如 C7_24）
• 调试时建议远离旋转部件，电机意外启动可能导致人身伤害
• 本代码没有过流保护，如果电机停转可能发热较大，请及时关闭电源，防止电机或板子被烧毁
• 本代码暂时未做发送修改速度的功能，上电时即给定转速，因此应注意上电时电机会自动启动

⚡ 安全第一！任何硬件损坏或人身伤害，作者概不负责。