【航顺HK32F103A开发板试用】+无刷电机6拍驱动程序

1.产品概述

HK32F103xCxDxE 系列使用ARM® Cortex®-M3 内核，最高工作频率120 MHz。

HK32F103xCxDxE 内置了大容量存储器：最高512Kbyte Flash、64 KbyteSRAM。此外，可通过FSMC 模块外挂最多1 Gbyte 容量的NOR/PSRAM/NAND/PC Card 存储器，其中有256 Mbyte 的空间可以存放指令，并且可以被片内1 Kbyte 指令Cache 缓存。

HK32F103xCxDxE 内置的CRC 模块提供了数据完整性的检查能力。

HK32F103xCxDxE 内置了丰富的通信接口满足多种通信应用场景：5 路USART/UART、3 路SPI（SPI2/3支持I2S 协议）、1 路SDIO、2 路I2C、1 路CAN 2.0 A/B 和1 路FS USB。

HK32F103xCxDxE 内置2 个高级16 位PWM 计时器（共8 路PWM 输出，其中6 路带死区互补输出），4 个通用16 位PWM 计时器（共16 路PWM 输出），2 个16 位的基本定时器。

HK32F103xCxDxE 提供独立的VBAT 电池电源域，当VDD 主电源掉电时，RTC 模块可在VBAT 供电下继续工作；另外，VBAT 电池电源域提供了84 Byte 的备份寄存器。

HK32F103xCxDxE 内置了丰富的模拟电路：3 个12 位ADC（支持最多16 路外部模拟输入通道同时使用，其中2 路弱驱动信号输入通道和1 路5V 高压信号输入通道）、2 个12 位DAC、1 个温度传感器、1个0.8V 内部参考电压源、1 个可编程电压检测器（PVD）、1 个上电/下电复位（POR/PDR）电路和1 个VBAT电源电阻分压器（分压器输出在片内与ADC 相连）。

HK32F103xCxDxE 支持丰富的功耗模式；在最低功耗模式下，芯片的典型漏电电流小于 100nA。 HK32F103xCxDxE 工作于-40°C 至+105°C 的温度范围，供电电压2.0V 至3 .6V，可满足绝大部分应用环境条件的要求。

完整的HK32F103xC、HK32F103xD 和HK32F103xE 系列产品包括从64 脚至100 脚的两种不同封装。根据不同的封装形式，器件中的外设配置有差异。

由于拥有丰富的外设配置，HK32F103xCxDxE MCU 可适用于多种应用场景：

• 工业应用，如可编程控制器、打印机、扫描仪等

• HMI 人机音视频多媒体交互

• 图形显示设备，如广告显示

• 语音识别设备

• 安全监控设备

• 电机驱动和调速控制

• 物联网低功耗传感器终端，如运动手环等

• 无人机飞控、云台控制

• 玩具产品

• 家用电器

• 智能机器人

• 智能手表

2.产品特性

• ARM® Cortex®-M3 内核

◦ 最高时钟频率：120 MHz

◦ 24 位System Tick 定时器

◦ 支持CPU Event 信号输入至MCU 引脚，实现与板级其它Soc CPU 的联动。

• 工作电压范围

◦ 双电源域：

- 主电源VDD 为2.0 V ~ 3.6 V

- 备份电源VBAT 为1.8 V ~ 3.6 V

◦ 当主电源掉电时，RTC 可继续工作在VBAT 电源下。

◦ VBAT 电源域提供84 byte 备份寄存器。

• 工作温度范围：-40°C ~ +105°C

• VDD 典型工作电流

◦ 运行（Run）模式：19.3 mA@120MHz@3 .3V

◦ 睡眠（Sleep）模式：5.6mA@120MHz@3 .3V（唤醒时间：1 个机器时钟周期）

◦ 停机（Stop）模式

- LDO 低功耗模式：89.4 μA@3 .3V（唤醒时间：10µs）

- LDO 全速工作模式：303 μA@3 .3V

◦ 待机（Standby）模式：3.3 μA@3 .3V（唤醒时间：150µs）

• VBAT 典型工作电流（VDD 掉电）

◦ VBAT RTC 开启模式：2.6 μA@3 .3V

◦ VBAT RTC 关闭模式：2.1 μA@3 .3V

• 存储器

◦ 最高512 Kbyte 的Flash 存储器

- 当CPU 主频不高于24 MHz 时，支持0 等待总线周期。

- 具有代码安全保护功能，可分别设置读保护和写保护。

◦ 64Kbyte 片内SRAM

◦ FSMC 模块可外挂1 Gbyte NOR/PSRAM/NAND/PC Card 存储器（其中，256 Mbyte 的空间可以存放指令，可用于片内Cache 缓存）

• 数据安全

◦ CRC32 校验硬件单元

• 时钟

◦ 外部高速时钟（HSE）：支持4 ~ 32 MHz，典型8 MHz

◦ 外部低速时钟（LSE）：32.768 kHz

◦ 片内高速时钟（HSI）：8 MHz/28 MHz/56 MHz 可配置

◦ 片内低速时钟（LSI）：40 kHz

◦ PLL 输出时钟：120MHz（最大值）

◦ GPIO 外部输入时钟：1 ~ 64 MHz

• 复位

◦ 外部管脚复位

◦ 电源复位（POR/PDR）

◦ 软件复位

◦ 看门狗（IWDG和WWDG）复位

◦ 低功耗管理复位

• 可编程电压检测器（PVD）

◦ 8 级检测电压门限可调

◦ 上升沿和下降沿检测可配置

• 通用输入输出端口（GPIO）

◦ 64 脚封装提供51 个GPIO 引脚，100 脚封装提供80 个GPIO 引脚

◦ 所有GPIO 引脚可配置为外部中断输入

◦ 内置可开关的上、下拉电阻

◦ 支持开漏（Open-Drain）输出

◦ 支持施密特（Schmitt）迟滞输入

◦ 输出驱动能力超高、高、中、低四档可选

• 数据通讯接口

◦ 5 路USART/UART（USART1/2/3，UART4/5）

◦ 3 路SPI（SPI2/3 支持I2S 协议）

◦ 2 路I2C

◦ 1 路SDIO

◦ 1 路CAN 2.0 A/2.0B

◦ 1 路全速USB2.0

• 定时器及PWM 发生器

◦ 高级定时器：TIM1/TIM8（带死区互补PWM 输出）

◦ 通用定时器：TIM2/TIM3/TIM4/TIM5

◦ 基本定时器：TIM6/TIM7（支持CPU 中断、DMA 请求和DAC 转换触发）

• 片内模拟电路

◦ 3 个12 位1 MSPS ADC（支持最多16 路外部模拟输入通道同时使用）；支持双ADC 模式，采样率最高2 MSPS。

◦ 2 个12 位DAC

◦ 1 个温度传感器

◦ 1 个0.8 V 内部参考电压源

◦ 1 个VBAT 电源电阻分压器（分压器输出在片内与ADC 相连，实现VBAT 电源电压监控）

• DMA 控制器

◦ 2 个独立DMA：DMA1 和DMA2

◦ DMA1 提供7 路通道

◦ DMA2 提供5 路通道

◦ 支持Timer、ADC、SPI、I2C、USART、UART 等多种外设触发

• CPU 调试及跟踪接口

◦ SW-DP 两线调试端口

◦ JTAG 五线调试端口

◦ ARM DWT、FPB、ITM、TPIU 调试追踪模块

◦ 单线异步跟踪数据输出接口（TRACESWO）

◦ 四线同步跟踪数据输出接口（TRACEDO[3:0]、TRACECKO）

◦ 自定义DBGMCU 调试控制器（低功耗模式仿真控制、调试外设时钟控制、调试及跟踪接口分配）

3. 硬件原理图

4. 测评内容

产生6拍无刷电机控制开关波形：

无刷直流电机的换向控制原理

如下图示例 (A+ C-) \text{(A+ C-)}(A+ C-) 极通电导通时, 电流由 A 极流向 C 极, 这样形成了定子合成磁场. 永磁体转子会根据定子合成磁场的方向进行旋转. 下图仅示例一极对, 多极对利用电角度概念类比实现. (电角度等于机械角度乘以极对数.)

通过对三相交替通电 (A+ C-) \text{(A+ C-)}(A+ C-), (A+ B-) \text{(A+ B-)}(A+ B-), (C+ B-) \text{(C+ B-)}(C+ B-), (C+ A-) \text{(C+ A-)}(C+ A-), (B+ A-) \text{(B+ A-)}(B+ A-), (B+ C-) \text{(B+ C-)}(B+ C-), 完成磁场旋转. 每一步只改变其中一极的导通状态, 共六步来完成定子合成磁场旋转一周, 即每步磁场旋转 60° —— 该方法被称为 “六步换向法”. 如下图所示六步换向法的基本原理:

为了实现定子磁场的旋转 (即六步换向), 需要交替有序地导通定子的三相电极. 而实现三相电极交替导通的驱动电路为三相全桥逆变电路, 控制上按照六步换向时序进行控制.

无刷直流电机的六步换向时序

六步换向法时序, 同一时间只有两相导通 (120° 导通), 另一相不导通 (悬空).

转子每转过 60° 电角度, 定子换向一次, 定子旋转磁场在一次换向后也变化 60° 电角度, 实现同步控制.

(我们这里演示的都是一极对, 电角度和几何角度一致)

每次换向只切换一个桥臂 (只切换一相), 使得切换控制较平稳. 故换向也有人称作换相.

如下所示是转子逆时针旋转时的六步换向时序图 (顺时针旋转时, 雷同).

无刷直流电机要实现六步换向时序控制, 需要通过检测 (反馈) 手段, 进行换向同步驱动控制.这里因为没有无刷电机驱动板，所以只进行了6拍控制波形生成测评；程序使用嘀嗒定时器产生com中断，进而在com中断函数中进行换相切换，切换开关状态如下：

The following Table describes the TIM1 Channels states:

-----------------------------------------------

----------------------------------------------------------

|Channel1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |

----------------------------------------------------------

|Channel1N | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |

----------------------------------------------------------

|Channel2 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |

----------------------------------------------------------

|Channel2N | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |

----------------------------------------------------------

|Channel3 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |

----------------------------------------------------------

|Channel3N | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |

定时器配置代码如下：

/* Time Base configuration */

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 4095;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;

TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);

/* Channel 1, 2,3 and 4 Configuration in PWM mode */

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_Timing;

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;

TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 2047;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Set;

TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);

TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 1023;

TIM_OC2Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);

TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 511;

TIM_OC3Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);

/* Automatic Output enable, Break, dead time and lock configuration*/

TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable;

TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable;

TIM_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_OFF;

TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = 1;

TIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Enable;

TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High;

TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable;

TIM_BDTRConfig(TIM1, &TIM_BDTRInitStructure);

TIM_CCPreloadControl(TIM1, ENABLE);

TIM_ITConfig(TIM1, TIM_IT_COM, ENABLE);

/* TIM1 counter enable */

TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);

/* Main Output Enable */

TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);

Com中断函数如下：

void TIM1_TRG_COM_IRQHandler(void)

{

/* Clear TIM1 COM pending bit */

TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_COM);

if (step == 1)

{

/* Next step: Step 2 Configuration ---------------------------- */

/* Channel3 configuration */

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_CCx_Disable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_CCxN_Disable);

/* Channel1 configuration */

TIM_SelectOCxM(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_OCMode_PWM1);

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_CCx_Enable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_CCxN_Disable);

/* Channel2 configuration */

TIM_SelectOCxM(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_OCMode_PWM1 );

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_CCx_Disable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_CCxN_Enable);

step++;

}

else if (step == 2)

{

/* Next step: Step 3 Configuration ---------------------------- */

/* Channel2 configuration */

TIM_SelectOCxM(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_OCMode_PWM1);

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_CCx_Disable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_CCxN_Enable);

/* Channel3 configuration */

TIM_SelectOCxM(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_OCMode_PWM1);

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_CCx_Enable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_CCxN_Disable);

/* Channel1 configuration */

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_CCx_Disable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_CCxN_Disable);

step++;

}

else if (step == 3)

{

/* Next step: Step 4 Configuration ---------------------------- */

/* Channel3 configuration */

TIM_SelectOCxM(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_OCMode_PWM1);

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_CCx_Enable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_CCxN_Disable);

/* Channel2 configuration */

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_CCx_Disable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_CCxN_Disable);

/* Channel1 configuration */

TIM_SelectOCxM(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_OCMode_PWM1);

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_CCx_Disable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_CCxN_Enable);

step++;

}

else if (step == 4)

{

/* Next step: Step 5 Configuration ---------------------------- */

/* Channel3 configuration */

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_CCx_Disable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_CCxN_Disable);

/* Channel1 configuration */

TIM_SelectOCxM(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_OCMode_PWM1);

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_CCx_Disable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_CCxN_Enable);

/* Channel2 configuration */

TIM_SelectOCxM(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_OCMode_PWM1);

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_CCx_Enable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_CCxN_Disable);

step++;

}

else if (step == 5)

{

/* Next step: Step 6 Configuration ---------------------------- */

/* Channel3 configuration */

TIM_SelectOCxM(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_OCMode_PWM1);

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_CCx_Disable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_CCxN_Enable);

/* Channel1 configuration */

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_CCx_Disable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_CCxN_Disable);

/* Channel2 configuration */

TIM_SelectOCxM(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_OCMode_PWM1);

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_CCx_Enable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_CCxN_Disable);

step++;

}

else

{

/* Next step: Step 1 Configuration ---------------------------- */

/* Channel1 configuration */

TIM_SelectOCxM(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_OCMode_PWM1);

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_1, TIM_CCx_Enable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_CCxN_Disable);

/* Channel3 configuration */

TIM_SelectOCxM(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_OCMode_PWM1);

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_CCx_Disable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_3, TIM_CCxN_Enable);

/* Channel2 configuration */

TIM_CCxCmd(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_CCx_Disable);

TIM_CCxNCmd(TIM1, TIM_Channel_2, TIM_CCxN_Disable);

step = 1;

}

下面是逻辑分析仪显示的部分6拍波形（PA8/9/10引脚波形）：