【极海 APM32M3514 电机通用评估板测评】介绍、工程测试

lijinlei

【极海 APM32M3514 电机通用评估板测评】介绍、工程测试

本文介绍了极海 APM32M3514 电机驱动开发板的资源等相关信息、软件开发环境搭建、工程测试。

1 简介

介绍了主控和开发板的相关信息和资源等。

主控

开发板主控为 AMP32M3514 电机控制专用SoC 。产品基于 Arm® Cortex®-M0+ 内核，32位高性能 SoC，工作频率可达 72MHz。内置协处理器，支持和 TMR1进行交互，提高 PWM参数的计算速度，从而提高 PWM的配置速度。内置高速存储器（高达 64KB 的 Flash 和 10KB的 SRAM），芯片管脚复用了大量增强的外设和 I/O。提供标准的通信接口： I2C接口、 SPI I2S 接口、 USART接口、 CAN接口。在芯片安全方面，支持 96位唯一 UID。工作环境温度范围：-40℃ 至 +105℃（精度为 3℃），电压范围： 2.0-3.6V ，多个省电模式保证了低功耗应用的要求。

封装和引脚

QFN 封装

引脚定义

APM32M3514×8 系统框图

产品特性

系统与架构

32位 Arm® Cortex®-M0+ 内核最高 72MHz 工作频率，支持单周期 32 位硬件乘法器
M0CP协处理器，其硬件包括：移位单元、 32bit/32bit除法器、可选带饱和的乘加运算、开方（寄存器形式）、三角函数、 SVPWM（移相功能由软件实现）

存储器

Flash 64KB
SRAM 10KB（8KB + 2KB 协处理器专用空间）

通信接口

1个 I2C接口
2个 U(S)ART接口，支持全双工通信
1个 SPI接口，支持 I2S功能
1个 CAN接口

定时器

1个 16位高级控制定时器 TMR1，有 7个通道可提供给 PWM输出，其中 6个通道实现互补 PWM输出，支持刹车功能，支持与 M0CP协处理器交互
1个 32位通用定时器 TMR2 2个 16位通用定时器 TMR3/4
2个 16位基本定时器 TMR6/7
2个看门狗定时器： 1个独立看门狗 IWDT和 1个窗口看门狗 WWDT
1个 24位自减型 SysTick
支持红外接收功能，用于遥控

时钟

HSECLK：支持 4-32MHz外部晶振
LSECLK：支持 32.768KHz外部晶振（仅 F035支持）
HSICLK 内部 8MHz RC振荡器
HSICLK14 内部 14MHz RC振荡器
LSICLK 内部 40KHz RC振荡器
PLL：锁相环，支持 2-16倍

电源与电源管理

外部供电电压： VDD=2.0-3.6V
模拟供电电压： VDDA=VDD-3.6V
支持上电 /掉电复位（POR/PDR）

模拟外设

1个 12位 ADC，支持可编程转换分辨率、提高转换速率，最多支持 16 个外部通道（M3514 最多 13 个），支持内部 3个通道，转换范围 0-3.6V 独立模拟电源输入： 2.4-3.6V
2个可编程模拟比较器
4个通用运算放大器，可通过外接电阻调整运放增益，也可以通过设置选择内部预设的增益档位。转换速率高达 10v/us，增益带宽积高达 10MHz
内置 1个温度传感器

实时时钟 RTC

支持日历功能
在停机、待机模式下可用于警报和周期唤醒

BootLoader

支持 USART升级

启动配置

APM32M3514 芯片功能和外设资源

硬件

硬件框图

时钟树

时钟源按速度分为高速时钟、低速时钟，高速时钟有 HSICLK、HSICLK14、HSECLK，低速时钟有LSECLK、LSICLK；按片内/外分为个、外部时钟，内部时钟有 LSICLK、HSICLK、HSICLK14，外部时钟有HSECLK、LSECLK，其中 HSICLK 在出厂时会校准。

软件

整体代码架构可划分为4 层，用户层、外设驱动层、电机控制驱动层、电机算法层。

参数配置

USER 用户

main.c：主函数入口，负责初始化电机参数、底层外设、中断优先级、while 循环及低速状态机环路的切换；
APM32M3514_int.c：所有的中断处理函数，重点包括 TMR1 中断函数、ADC 中断处理函数；
user_function.c：包括电机参数的初始化配置、参数复位等处理函数；
parameter.h：包括了所有的需要配置参数信息；

HARDWARE 硬件

外设驱动层主要负责 APM32M3514 芯片的外设驱动函数及配置，主要包括 GPIO 、P WM 、ADC 、OPA 、COMP 、M0CP 协处理器等。

MOTOR_CONTROL 电机控制

电机控制驱动层主要负责电机的控制运行逻辑及核心处理算法调用。

Geehy_MCLIB 极海电机算法层

电机算法层包括坐标变换、矢量控制等相关函数，数学库，滑模观测器等库函数。

开发板

性能特点

12V 至 72V 直流 DC 宽电压输入
最大功率 100W
支持电机类型: BLDC、PMSM
支持编码器类型: 霍尔、光电、磁编码器
通讯接口: SCI、SPI、I2C、CAN
单/双电阻采样、三相反电动势采样
芯片优势：内置 200V 6N Gate Driver 和 3.3V LDO

原理图

MCU

供电

Bemf & 霍尔

霍尔

MOS

通信

硬件接口

（1）电源输入接口（接入24V24V，注意正负）
（2）三相电机接口（相序只会影响旋转方向）
（3） HALL 输入接口
（4） S WD 调试接口
（5） USB type c 接口

调试步骤

1.参数预配置

测量电机的相关参数（可通过电桥及万用表等设备），包括相电阻、电感、极对数、额定转速等，并在parameter.h文件中修改相关参数，并结合“3.5章节关键参数设置”进行配置。

需注意的点，结合实际电机的额定功率确认额定电流大小，需选取合适的三相采样电阻，确认电流基准。

2.硬件验证

板子确认上电后系统各个电压稳定（12V、5、3.3V），同时包括母线电压、运放偏置电压1.6V（上下波动±0.05V），PWM驱动芯片供电电压12V，同时可以先不接电机进行PWM输出验证（duty&deadtime），确认死区及死区时间是否与预期设定相符合（修改PWM duty发50%duty零矢量，验证上下互补波形及死区时间），以及硬件过流保护功能验证（模拟过流信号发生，观察PWM是否自动开启硬件过流保护）等。

过流保护：1 、采用比较器硬件过流保护；2 、采用运放比较器硬件过流保护；3 、采用IPM 的FO 信号硬件过流保护。具体结合实际硬件进行分析验证。

3.预定位及电流环PI调试

在给定固定Q轴电流，且对电机初始定位0°，定位电流结合电机额定电流参考从小到大逐渐调节，并在此预定位Align状态下调节DQ轴电流环PI参数，可结合实际设定定位电流的斜波加减速，同时观察Vq以及Iq波形是否稳定，PI调节器从小到大，先调节Kp后再加入Ki。所需调试参数及实际效果图如下图所示。

4.开环加速运行

在Startup开环阶段，给定固定Q轴电流，沿着预先设定斜率加速，此处核心点在于固定Q轴电流与斜率加速度需要适配，不同电机情况不一致，具体得测试验证确认，常规方式是先确认好斜率加速度，而后再设定给定Q轴电流，从小到大逐渐测试确认电机已运行。同时，可以开启观测器，并在当前Startup开环阶段调节观测器参数及锁相环PLL的PI参数，观察对应的角度及速度是否与开环给定接近。所需调试参数如下图所示。

5.闭环运行

软件中支持2种闭环切换逻辑，即软件过渡切换模式以及直接过渡切换，默认采用软件过渡切换模式（本质两种切换逻辑没有优劣之分，结合不同应用参数需求选用）。切换闭环运行的最低转速要求是电机额定的10%以上，切换闭环后同步观察转速及给地转速的跟随情况，调节速度环PI参数，进而调节速度跟踪响应。

6.报错处理

若运行过程中程序报错，则可以通过观测 “M1FaultID_Record” 故障标识确认报错代码，进而定位到问题所在，进行分析及排查。参数如下图所示。

7.测试

至此，电机已可以闭环运行，核心的几个点主要也在于电机核心参数、电流环PI、速度环PI、观测器参数、锁相环PLL参数等。

2 开发环境搭建

介绍了 IDE 编译环境的搭建流程，编译工程并上传固件。

编译器安装

使用 Keil MDK IDE 作为编译软件，步骤如下

1.下载并安装 Keil MDK IDE 软件；

2.下载并安装芯片的 Keil 设备支持包 APM32M35xx_DFP.pack ；

3.下载 APM32M35xx_SDK_V1.0.0 开发例程（包含 Demo 工程）；

4.下载 APM32M3514_FOC 电机驱动工程示例。

3 工程测试

介绍了示例工程的代码及编译、工程调试、固件烧录等流程。

代码

打开 GPIO 示例工程 APM32M35xx_SDK_V1.0.0\Examples\Board_APM32M35XX\GPIO\GPIO_Toggle

#include "main.h"
#include "bsp_delay.h"
#include "apm32m35xx_rcm.h"
#include "apm32m35xx_gpio.h"
#include "apm32m35xx_misc.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define DEBUG_USART             USART1

void APM_MINI_Init(void);
void GPIO_Init(void);

int main(void)
{
    APM_MINI_Init();

    GPIO_Init();

    printf("This is an example of GPIO toggle \r\n");

    while (1)
    {
        /* Turn LED2 on */
        GPIO_ClearBit(LED2_GPIO_PORT, LED2_PIN);
        /* Turn LED3 off */
        GPIO_SetBit(LED3_GPIO_PORT, LED3_PIN);
        APM_DelayMs(200);

        /* Turn LED2 off */
        GPIO_SetBit(LED2_GPIO_PORT, LED2_PIN);
        /* Turn LED3 on */
        GPIO_ClearBit(LED3_GPIO_PORT, LED3_PIN);
        APM_DelayMs(200);
    }
}

void APM_MINI_Init(void)
{
    /* Init delay function */
    APM_DelayInit();

    APM_MINI_PBInit(BUTTON_KEY1, BUTTON_MODE_GPIO);
    APM_MINI_COMInit(COM1);
}

void GPIO_Init(void)
{
    GPIO_Config_T gpioConfig;

    RCM_EnableAHBPeriphClock(LED2_GPIO_CLK | LED3_GPIO_CLK);
    /* LED2 GPIO configuration */
    gpioConfig.pin = LED2_PIN;
    gpioConfig.mode = GPIO_MODE_OUT;
    gpioConfig.outtype = GPIO_OUT_TYPE_PP;
    gpioConfig.speed = GPIO_SPEED_50MHz;
    gpioConfig.pupd = GPIO_PUPD_NO;
    GPIO_Config(LED2_GPIO_PORT, &gpioConfig);

    /* LED3 GPIO configuration */
    gpioConfig.pin = LED3_PIN;
    GPIO_Config(LED3_GPIO_PORT, &gpioConfig);
}

#if defined (__CC_ARM) || defined (__ICCARM__) || (defined(__ARMCC_VERSION) && (__ARMCC_VERSION >= 6010050))

int fputc(int ch, FILE* f)
{
    /* send a byte of data to the serial port */
    USART_TxData(DEBUG_USART, (uint8_t)ch);

    /* wait for the data to be send  */
    while (USART_ReadStatusFlag(DEBUG_USART, USART_FLAG_TXBE) == RESET);

    return (ch);
}

#elif defined (__GNUC__)

int __io_putchar(int ch)
{
    /* send a byte of data to the serial port */
    USART_TxData(DEBUG_USART, ch);

    /* wait for the data to be send  */
    while (USART_ReadStatusFlag(DEBUG_USART, USART_FLAG_TXBE) == RESET);

    return ch;
}

int _write(int file, char* ptr, int len)
{
    int i;
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        __io_putchar(*ptr++);
    }

    return len;
}

#else
#warning Not supported compiler type
#endif

根据开发板原理图， PA12 为用户 LED，

将工程中的 GPIO 输出引脚修改为 PA12

#define LEDn                             2
#define LED2_PIN                         GPIO_PIN_12
#define LED2_GPIO_PORT                   GPIOA
#define LED2_GPIO_CLK                    RCM_AHB_PERIPH_GPIOC

#define LED3_PIN                         GPIO_PIN_1
#define LED3_GPIO_PORT                   GPIOC
#define LED3_GPIO_CLK                    RCM_AHB_PERIPH_GPIOC

延时控制芯片的 GPIO 输出电平反转，即可实现板载 LED 的闪烁。

工程编译

打开工程，修改代码，点击 Rebuild 按钮

固件上传

点击魔术棒，进入 Debug 调试设置界面，选择 J-LINK 调试，点击 Setting 识别目标芯片

点击 Download 按钮实现固件烧录；

调试运行

点击 Start/Stop Debug Session 按钮实现调试。

效果

板载 LED 闪烁，间隔为 200 ms

4 总结

本文介绍了开发板和主控芯片的基本信息，包括芯片性能、特点、开发板资源、原理图等；完成开发环境的搭建，结合板载资源实现 Demo 工程编译、固件上传、工程调试等测试，为后续电机驱动的实现打好基础。