無刷馬達 FOC 實戰與 STM32G431

Description

無刷馬達 FOC 實戰與 STM32G431

內容介紹:

  各式各樣的無刷馬達控制應用已經在我們的生活周遭出現，你知道嗎？光是馬達相關的電力消耗就佔了世界電力總消耗的四成半以上，這絕對是個很重要的課題，每天我們都看到要節能減碳的口號和標語，其實節能就要從改善馬達的效能開始。這些年來，我們陸陸續續完成許多無刷馬達的應用案例，大家都知道這會比較省電，然後呢？有機會更省電嗎？有機會改得更好嗎？這就是我們出版這本書的原因之一，讓這些馬達控制寶貴的經驗可以流傳下去。

本套書是屬於工程師的參考書，內容涵蓋廣泛，我們把書分成三冊五大主題，並加上價值滿滿的附錄：

▌硬體整合篇

★【軟硬體整合操作】：說明 STM32G431 MCU 以及 ST 開發工具的使用、注意事項，經驗分享與程式範例。
★【馬達驅動器的使用與認識】：無刷馬達低壓驅動器與高壓驅動器的使用與電路分析，還加上無刷壓縮機專章，說明變頻控制與冷媒系統知識。

▌知識篇

★【設計知識】：說明 ADC、UART、EXTI、DAC 等 MCU 周邊功能，讓我們可以加入 VR、按鈕等控制介面方便測試，或是搭配 ST Motor Control Workbench、示波器、電表等觀察輸出訊號。
★【基本應用例】：作者十幾年來無感/有感馬達驅動、帶 Hall/Encoder 驅動開發設計案例分享解析，馬達故障分析、以及開發過程常會用到的小工具。

▌系統篇

★【系統知識】：實務解析馬達控制所需要知道的 FOC、SVPWM、PID 關鍵知識與波形觀察技巧，以及 MOSFET、Rshunt 等相關零組件的挑選，規格書中 SOA 的解讀，電路板 Layout 重點。
★【附錄】：包含用照片分享 12 個案例故事、CORDIC 計算方法與應用、故障原因解析、FOC 公式總整理、以及參考文獻，都是不可不翻閱的精彩內容。

寫馬達控制程式沒有碰到任何困難是不可能的。我們常會遇到類似的狀況，無刷馬達轉了 5 秒後停止？對了一半？！其實馬達只要不正常停止，就表示程式的內容有欠周詳。明明看到馬達在轉了，可是我們沒有叫它停，它卻自己就停了！這一定是哪一個突發的錯誤發生，如何做故障分析呢？這都是在考驗你的耐心和分析能力。經驗告訴我們稍作分析就大約可以知道方向，可是如果你還沒有這方面的相關經驗時，本書應該就是指引你方向的明燈，我們會告訴你大概的方向和方法，最後解決的正式方法還是要靠你自己去發掘的。

如果一本書 100% 只寫對的部分，只寫過去成功的歷史，這對工程師或讀者反而是一種另類的工程傷害，因為你少了提醒，你少了失敗的說明，你也少了告訴別人做錯了接下來該怎麼做。所以，在書中我們會不吝惜公開我們失誤的地方，我們失敗的照片，失敗了如何重來的方法和步驟。我們希望看書的人站在我們肩膀上繼續前進，你一定要比我們強，這才是我們要的目的。

本書特色:

  從實務淬鍊的馬達控制精髓
The Essence of Motor Control Refined Through Practice

．全書分為硬體整合篇、知識篇、系統篇三冊不分售
．硬體整合篇涵蓋 STM32G431 軟硬體整合與馬達驅動器的使用與認識
．知識篇涵蓋 MCU 周邊功能與馬達驅動設計案例
．系統篇涵蓋 FOC、SVPWM、PID 關鍵理論以及零件挑選、電路板 Layout
．附錄還有 CORDIC 與馬達驅動故障解析

▌硬體整合篇

．STM32 MCU 的認識與使用
．Motor Profiler 與 Workbench 進階
．STM32 馬達程式範例
．STM32G431 MCU 控制板的使用與電路
．高/低壓馬達驅動器的使用
．GaN 馬達驅動器的使用
．無刷壓縮機的驅動與冷媒知識

▌知識篇

．VR 與 ADC 的使用
．串列通訊的認識與使用
．外部中斷 EXTI 的使用
．DAC 的使用與除錯
．無感測馬達、霍爾感測馬達的驅動
．帶 Encoder 的有感馬達驅動
．無刷馬達設計案例解析
．馬達故障分析與 AI 預測
．馬達開發的小工具與相關儀器設備

▌系統篇

．驅動器的波形觀察
．STM 系統程式與函式說明
．PWM 信號分析
．細說 FOC 與 SVPWM
．PID 的實務和理論
．零件選用與 LAYOUT 佈局
．馬達實務案例故事分享
．CORDIC 的認識與使用
．各種故障解析
．FOC 重要公式整理與參考文獻

目錄

目錄:

  ▌硬體整合篇

第 1 章 STM32 MCU 的認識與使用

1-1 STM32G431 的腳位認識
1-2 STM32G431 的功能設定
1-3 STM32G431 腳位功能整理
1-4 STM32G431 基本電路
1-5 STM32G431 驅動應用電路

第 2 章 進階 Motor Profiler 與 Workbench

2-1 無刷馬達 FOC 開發環境分析
2-2 Motor Profiler 進階
2-3 Motor Workbench 進階
2-4 真的，FOC 壞透了 !

第 3 章 STM32 馬達程式範例

3-1 基本應用 I：時間延遲
3-2 基本應用 II：七段顯示器的加入
3-3 基本應用 III：顯示馬達轉速和狀態值
3-4 基本應用 IV：DIPSW 設定多段馬達轉速
3-5 進階運用： 數位濾波

第 4 章 CS-G431 MCU 的使用

4-1 STM NUCLEO-G431RB 的認識
4-2 CS-G431 MCU 的導入
4-3 CS-G431 MCU 板的基本操作步驟

第 5 章 CS-G431 電路說明

5-1 CS-G431 電路解說
5-2 34Pin 接頭信號說明
5-3 CS-G431 MCU IO 規劃表
5-4 CS-G431 MCU 線路圖

第 6 章 CS-2410 操作說明

6-1 CS-2410 驅動器的用途
6-2 CS-2410 的規格
6-3 CS-2410 硬體功能檢查步驟
6-4 CS-2410 實體操作
6-5 驅動器上 MOSFET 損壞的檢查方法

第 7 章 CS-2410 驅動器電路說明

7-1 CS-2410 驅動器的外觀
7-2 CS-2410 驅動器的功能
7-2 低壓穩壓部分
7-3 Rshunt 電流放大部分
7-4 Gate Driver 閘驅動與準位提升部分
7-5 MOSFET 大電流驅動部分

第 8 章 GaN 馬達驅動器

8-1 GaN 低壓馬達驅動器
8-2 GaN 馬達驅動器的安裝
8-3 GaN 馬達驅動器基本測試
8-4 GaN 馬達驅動器的 deadtime 觀察
8-5 GaN 馬達驅動器的溫升觀察
8-6 高壓的 GaN 馬達驅動器

第 9 章 HV6822 高壓驅動器的測試與使用

9-1 高壓操作特別注意事項
9-2 HV6822 電路分析
9-3 高壓驅動要準備的工具
9-4 HV6822 通高壓電前的檢查
9-5 IPM6822 的檢測
9-6 Jumper 的使用
9-7 增加測試點 TP 的焊接
9-8 HV6822 導熱膠與散熱片的安裝
9-9 連接 MCU 和馬達輸出 UVW、Hall 信號線
9-10 重要 LED 燈的狀態觀察
9-11 Download 下載程式
9-12 HV6822 的低壓 24V 測試
9-13 HV6822 低壓 48V 測試
9-14 HV6822 高壓 155V 測試
9-15 HV6822 高壓 310V 測試

第 10 章 無刷壓縮機的驅動

10-1 冷凍空調原理
10-2 認識無刷壓縮機
10-3 無刷壓縮機的驅動器設計
10-4 冷凍空調的基本控制
10-5 控制波形觀察
10-6 冷凍空調常見的工具
10-7 冷凍空調的現象觀察

第 11 章 驅動板的電路圖整理

11-1 CS-G431 MCU 電路圖及零件位置圖
11-2 CS-2410 馬達驅動板電路圖及零件位置圖
11-3 CS-G431A MCU 板零件位置圖
11-4 CS-2412A 馬達驅動板電路圖及零件位置圖
11-5 HV-6822 馬達驅動板電路圖及零件位置圖
11-6 LV-GaN-RT10002 馬達驅動板電路圖及零件位置圖

▌知識篇

第 12 章 VR 與 ADC 的使用

12-1 CubeMX 的設定
12-2 CubeIDE 的程式修改
12-3 AD 轉換與 chipware_RCM 內容
12-4 溫度量測的寫法

第 13 章 串列通訊的認識與使用

13-1 USART 和 UART 的分別
13-2 Workbench 的串列功能設定
13-3 CubeIDE 串列程式解說
13-4 Workbench 連線觀察
13-5 通訊命令小整理
13-6 增加 UART 新功能的示範

第 14 章 外部中斷 EXTI 的使用

14-1 馬達啟動鍵的動作探討
14-2 外部中斷的加入
14-3 外部中斷的波形觀察

第 15 章 DAC 的使用與除錯

15-1 DAC 的設定
15-2 開發常見的除錯方式
15-3 Workbench 中的 DAC 除錯功能
15-4 DAC 的設定與信號觀察

第 16 章 無感測馬達驅動

16-1 無感測馬達的啟動步驟
16-2 無感測馬達啟動過程解說
16-3 無感測驅動程式的調整與修正
16-4 無感測鼓風機
16-5 無感測無人機馬達驅動
16-6 冷氣空調專用的無感測熱排風機
16-7 無感測的冷媒壓縮機驅動

第 17 章 霍爾感測馬達的驅動

17-1 HALL 感測元件的認識
17-2 無刷馬達與 HALL 感測元件
17-3 配置 HALL 感測元件
17-4 建立專案並產生程式碼
17-5 編譯程式並下載到驅動器
17-6 驗證鼓風機的動作
17-7 由程式去調整鼓風機的運轉
17-8 HALL 感測元件在 Workbench 中的定義
17-9 HALL 安裝位置觀摩
17-10 轉子磁力對 HALL 的影響
17-11 常見問題與解決方法
17-12 HALL 驅動總結

第 18 章 有感驅動 Encoder 篇

18-1 光學 Encoder 編碼器
18-2 配備 Encoder 的馬達
18-3 增量型 Encoder 的硬體規劃
18-4 增量型 Encoder 的信號觀察
18-5 Workbench 的設定
18-6 速度控制程式例與位置控制例
18-7 Encoder 的新趨勢
18-8 磁感應 Encoder 應用實例

第 19 章 無刷馬達設計案例解析

19-1 大樓專用無刷排風扇
19-2 台灣高鐵的底盤檢修車
19-3 電動卡丁車
19-4 可樂罐壓縮機的開發

第 20 章 馬達故障分析與 AI 預測

20-1 無刷馬達的故障總整理
20-2 電氣參數的監測
20-3 轉速與扭矩監測
20-4 溫度監測
20-5 振動與噪音分析
20-6 預測性維護技術（AI & 機器學習）

第 21 章 馬達驅動器的開發歷程

21-1 HV GaN 的使用
21-2 HV GaN 電路確定
21-3 PCB Layout 重點
21-4 HV GaN 電路板測試
21-5 HV GaN 馬達驅動器的溫升測試

第 22 章 馬達開發的小工具介紹

22-1 FLASH 下載轉換接頭
22-2 USB 隔離器
22-3 差動隔離測棒
22-4 VI 監視顯示器
22-5 磁力偵測片
22-6 三相 PWM RC 過濾器
22-7 三相 PWM DA 波形觀察器
22-8 隔離變壓器
22-9 七段顯示器

第 23 章 馬達開發相關的儀器設備

23-1 示波器的選擇與使用
23-2 差動隔離測棒的使用
23-3 驅動器功率的觀測：三相功率計
23-4 簡易動力計的解說

▌系統篇

第 24 章 驅動器的波形觀察

24-1 量測前的提醒
24-2 驅動器三相 UVW 輸出點的觀察
24-3 相電流信號的觀察
24-4 HALL 信號的觀測
24-5 Rshunt 電流放大信號 Iu,Iv,Iw 觀察
24-6 六個 PWM 信號和 deadtime 的時間觀察
24-7 Gate Driver 上臂電容充電觀察
24-8 FOC 執行時間的觀看
24-9 UVW 三相輸出信號的觀察

第 25 章 STM 系統程式與函式說明

25-1 STM 增加一個輸出點的示範
25-2 系統的運作與 State Machine
25-3 API 函式說明
25-4 CubeIDE 基本應用
25-5 Workbench 馬達設定值的追蹤

第 26 章 PWM 信號分析

26-1 PWM Duty 與電壓的關係
26-2 馬達線圈與六臂的關係
26-3 PWM 的頻率
26-4 PWM 中的 deadtime
26-5 PWM 的波形置中
26-6 PWM 的有效狀態
26-7 PWM 的波形觀察
26-8 Workbench 中 PWM 的設定
26-9 CubeMX 中 PWM 的設定
26-10 CubeIDE 中 PWM 的設定

第 27 章 細說 FOC 與 SVPWM

27-1 FOC 控制方塊
27-2 FOC 控制的座標軸轉換
27-3 馬達 FOC 相關公式整理
27-4 馬達控制最重要的公式
27-5 認識 SVPWM
27-6 SPWM 與 SVPWM 的比較
27-7 SVPWM 波形觀察
27-8 SVPWM 的程式
27-9 FOC 理論與 SVPWM 參考資料

第 28 章 PID 的實務和理論

28-1 為什麼需要 PID？
28-2 PID 控制的三個部分
28-3 PID 控制程式實例
28-4 PID 常數是如何決定的
28-5 PI 值與馬達的關係
28-6 PID 的深度解說

第 29 章 零件選用與 LAYOUT 佈局

29-1 MOSFET 功率晶體
29-2 Gate Driver
29-3 IPM 整合功率模組
29-4 Rshunt 電流偵測用電阻
29-5 零件佈局與 PCB LAYOUT

附錄 A 一張照片 一個故事

A-1 無刷馬達吊車
A-2 無刷馬達隧道風扇
A-3 無刷馬達大吊扇
A-4 熱泵用熱排風扇
A-5 無刷馬達割草機
A-6 電動機車用無刷馬達
A-7 PMSM 變頻壓縮機
A-8 無刷馬達水車
A-9 無刷馬達吸塵器
A-10 冷氣室外機熱排風扇
A-11 無刷鼓風機
A-12 學習路上的無線對講機

附錄 B CORDIC 的認識與使用

B-1 CORDIC 的計算方法推導
B-2 CORDIC 的由來（歷史條件與背景）
B-3 CORDIC 的運作原理
B-4 CORDIC 在馬達應用上所扮演的角色
B-5 CORDIC 的程式應用
B-6 結語

附錄 C 故障解析

C-1 驅動器不動作的檢查步驟
C-2 軟體下載後不動作的檢查步驟
C-3 長時間工作後失效的檢查步驟
C-4 如何確認程式碼是 100% 測試過

附錄 D FOC 重要公式整理
附錄 E 參考文獻
附錄 F 馬達驅動套件說明

书名简译:无刷马达 FOC 实战与 STM32G431