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本书基于 STM32G4 电机控制开发套件，围绕 STM32G4 入门与电机控制实战进行了系统的介绍。STM32G4 入门部分从基础认识和操作入手，介绍 STM32G4 系列微控制器及生态资源、P-NUCLEOIHM03 电机控制套件、软件生态系统及开发工具的使用，给出了基于 NUCLEO-G431RB 开发板的基础实验例程；电机控制部分详细介绍了无刷直流电机和永磁同步电机控制技术，涵盖电机系统结构、数学模型、控制原理及电机参数测量等关键内容；在此基础上还提供了基于 P-NUCLEO-IHM03 套件的电机入门级控制实例及包括无刷直流电机有感方波控制与永磁同步电机有感 FOC 控制的电机进阶控制案例。

第 1 章 STM32G4 概述 ...................................................................................................................... 1 
1.1 STM32G4 系列的特性 ........................................................................................................... 1 
1.2 STM32G4 的主要应用 ........................................................................................................... 5 
1.3 STM32 生态资源 ................................................................................................................... 6 
第 2 章 STM32 电机控制套件 P-NUCLEO-IHM03 ....................................................................... 10 
2.1 NUCLEO-G431RB 开发板 .................................................................................................. 10 
2.1.1 NUCLEO-G431RB 开发板概述 .................................................................................................. 10 
2.1.2 NUCLEO-G431RB 开发板的硬件构成 ...................................................................................... 12 
2.2 X-NUCLEO-IHM16M1 三相驱动板 ................................................................................... 17 
2.2.1 X-NUCLEO-IHM16M1 三相驱动板概述 ................................................................................... 17 
2.2.2 X-NUCLEO-IHM16M1 三相驱动板的硬件构成 ....................................................................... 18 
2.3 三相云台电机 GBM2804H-100T ........................................................................................ 24 
2.4 DC 电源 ................................................................................................................................ 25 
第 3 章 软件开发环境 ...................................................................................................................... 26 
3.1 开发环境概述 ....................................................................................................................... 27 
3.2 STM32CubeMX .................................................................................................................... 28 
3.2.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 28 
3.2.2 工具界面 ...................................................................................................................................... 32 
3.3 STM32CubeIDE ................................................................................................................... 34 
3.3.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 34 
3.3.2 工具界面 ...................................................................................................................................... 37 
3.4 Keil（MDK-ARM） ............................................................................................................ 38 
3.4.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 38 
3.4.2 操作简介 ...................................................................................................................................... 41 
3.5 IAR EWARM ........................................................................................................................ 43 
3.5.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 43 
3.5.2 操作简介 ...................................................................................................................................... 49 
3.6 MotorControl Workbench（MC SDK） .............................................................................. 50 
3.6.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 50 
3.6.2 操作简介 ...................................................................................................................................... 52 
3.6.3 使用 ST Motor Profiler 获得电机参数 ........................................................................................ 56 
3.6.4 ST MC SDK 5.x 固件 ................................................................................................................... 61 
3.7 STM Studio ........................................................................................................................... 66 
3.7.1 下载和安装 .................................................................................................................................. 66 
3.7.2 操作简介 ...................................................................................................................................... 69 
第 4 章 NUCLEO-G431RB 基础实验 ............................................................................................. 72 
4.1 LED 点灯实验 ...................................................................................................................... 72 
4.2 定时器 PWM 应用实验 ....................................................................................................... 78 
4.3 外部中断实验 ....................................................................................................................... 84 
4.4 串行接口应用实验 ............................................................................................................... 90 
4.5 数/模转换应用实验 .............................................................................................................. 96 
4.6 互补 PWM 输出实验 ......................................................................................................... 104 
第 5 章 无刷直流电机控制技术 .................................................................................................... 112 
5.1 无刷直流电机的系统构成 ................................................................................................. 112 
5.1.1 电机本体 .................................................................................................................................... 113 
5.1.2 位置传感器 ................................................................................................................................ 114 
5.1.3 控制驱动电路 ............................................................................................................................ 115 
5.2 无刷直流电机的数学模型 ................................................................................................. 116 
5.2.1 定子电压方程 ............................................................................................................................ 116 
5.2.2 反电动势方程 ............................................................................................................................ 117 
5.2.3 电磁转矩方程 ............................................................................................................................ 117 
5.2.4 运动方程 .................................................................................................................................... 117 
5.3 无刷直流电机的控制原理 ................................................................................................. 117 
5.3.1 方波控制原理 ............................................................................................................................ 118 
5.3.2 无感反电动势控制原理 ............................................................................................................. 120 
第 6 章 永磁同步电机控制技术 .................................................................................................... 125 
6.1 三相 PMSM 的结构 ........................................................................................................... 125 
6.2 三相 PMSM 的数学模型 ................................................................................................... 126 
6.2.1 三相 PMSM 的坐标变换 ........................................................................................................... 127 
6.2.2 同步旋转坐标系（d-q 坐标系）下的数学模型 ....................................................................... 130 
6.2.3 静止坐标系（α-β 坐标系）下的数学模型 ............................................................................... 131 
6.2.4 用传统测量方法获取电机参数 ................................................................................................. 131 
6.2.5 ST-MC-SDK Motor Profiler 测量电机参数的原理................................................................... 134 
6.3 SVPWM 控制技术 ............................................................................................................. 137 
6.3.1 三相电压的空间矢量表示 ......................................................................................................... 137 
6.3.2 SVPWM 算法的合成原理 ......................................................................................................... 138 
6.3.3 SVPWM 算法的实现 ................................................................................................................. 142 
6.4 三相永磁同步电机的矢量控制 ......................................................................................... 143 
6.4.1 PMSM 矢量控制基本原理 ........................................................................................................ 143 
6.4.2 PMSM 的电流环 PI 控制 ........................................................................................................... 145 
6.4.3 PMSM 的速度环 PI 控制 ........................................................................................................... 146 
第 7 章 基于 P-NUCLEO-IHM03 套件的电机入门控制实例 ...................................................... 147 
7.1 无感 FOC 快速控制实例 ................................................................................................... 147 
7.2 无感方波控制实例 ............................................................................................................. 153 
7.3 无感速度模式控制实例 ..................................................................................................... 157 
7.4 旋钮控制电机运行速度实例 ............................................................................................. 162 
7.5 故障处理及恢复实例 ......................................................................................................... 165 
7.6 API 函数应用实例 ............................................................................................................. 169 
第 8 章 基于 P-NUCLEO-IHM03 套件的有感电机控制案例 ...................................................... 176 
8.1 无刷直流电机的有感方波控制案例 ................................................................................. 176 
8.2 永磁同步电机的有感 FOC 控制案例 ............................................................................... 188 
参考文献 ............................................................................................................................................ 220 
附录 .................................................................................................................................................... 221

电机是将电能转化为机械能的设备，被广泛应用于国防、航空航天、汽车、工农业生产和日常生活等各个领域。电机控制技术是一项传统而又不断革新的技术。随着现代电子技术的进步，电机控制综合算法、计算机、新材料等多种学科，呈现出多元化增长趋势，且逐步向智能化方向发展。
STM32G4 高性能微控制器是意法半导体有限公司独特打造的新一代数模混合微控制器，是STM32F3 的升级版。与 STM32F3 系列相比，STM32G4 在性能、内置数模外设、功能安全与信息安全，以及完整的产品等 4 个方面都有创新和技术优势。STM32G4 针对电机控制建立了完善的生态系统，提供了完整的硬件、软件、工具、资料等资源，包括矢量控制、方波控制、无传感器控制等先进的电机驱动算法，可以让使用者快速上手，加快应用开发的进度。
本书基于 STM32G4 电机控制开发套件，围绕 STM32G4 入门与电机控制实战两部分内容进行编排，共 8 章。第 1 章对意法半导体有限公司的 STM32G4 系列微控制器和 STM32 生态资源进行介绍。第 2 章对 STM32 的 P-NUCLEO-IHM03 电机控制套件进行阐述，介绍了 NUCLEOG431RB 开发板、X-NUCLEO-IHM16M1 三相驱动板、三相云台电机 GBM2804H-100T 的规格参数和 DC 电源。第 3 章着重介绍了软件开发环境及开发工具的下载、安装和入门使用。第 4章基于 NUCLEO-G431RB 开发板介绍了 6 个基础实验例程，帮助读者掌握与电机控制相关的单片机编程实践的基础实验。第 5 章介绍了无刷直流电机控制技术的相关内容，包括无刷直流电机的系统构成、数学模型和控制原理等。第 6 章介绍了永磁同步电机控制技术的相关内容，包括三相 PMSM 的结构和数学模型、SVPWM 控制技术及三相永磁同步电机的矢量控制等内容。
第 7 章基于 P-NUCLEO-IHM03 套件介绍了 6 个电机入门控制实例，旨在帮助读者利用 X-CUBEMCSDK 实现电机的基础控制功能。第 8 章详细介绍了无刷直流电机的有感方波控制案例和永磁同步电机的有感 FOC 控制案例，帮助读者进一步掌握两种电机的有感控制实现方法。
本书可作为电气工程及其自动化专业“电机控制技术”“STM32 电机应用控制”“运动控制系统综合实验”等课程的实践教材，也可作为其他相关专业教师、研究生及工程技术人员的参考工具书。
本书由许少伦、齐文娟、徐青菁编写，姜睿丞、刘承锐同学进行了基础实验例程的调试和文档编辑工作，居鹏飞、贺荣栋同学完成了电机控制部分案例程序的编写和调试工作。在编写过程中，本书得到了意法半导体（中国）投资有限公司的大力支持，汪韧冬工程师提供了部分素材和宝贵的建议。电子工业出版社的钱维扬编辑提出了诸多宝贵的修改建议。在此向指导帮助本书编写的各位专家致以衷心的感谢。
由于编写时间仓促，加之编者学术水平及实践经验有限，疏漏和不当之处在所难免，敬请读者和同行给予批评指正。联系电子邮箱：slxu@sjtu.edu.cn。

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STM32G4入门与电机控制实战——基于X-CUBE-MCSDK的无刷直流电机与永磁同步电机控制实现