AxDr_L_Motor 项目介绍

简介

  AxDr_L_Motor 是我个人开发的永磁同步电机（PMSM）控制固件工程，主要用于学习、实现和验证电机控制算法。

  最开始只是想把 FOC 的基本控制流程跑起来，后来随着开发和测试，逐渐加入了速度环、位置环、无感观测器、电机参数辨识、运动轨迹规划以及数据采集等功能。

  这个项目没有预定的最终形态，主要根据实际需要增加功能、测试算法、修改存在的问题。有些算法已经经过实机验证，有些仍然处于实验阶段。源码已经公开，相关测试记录和使用工具也保存在仓库中。

硬件

  当前使用的是基于 STM32G474RET6 的 AxDrive-L V1.3 电机驱动板。

• MCU：STM32G474RET6
• 电机类型：永磁同步电机（PMSM）
• 控制方式：三相逆变器 + FOC
• 电流反馈：ADC 同步采样
• 编码器：SPI 编码器 MT6816、MT6835
• 通信：USB CDC

  AxDrive-L 是已有的开源硬件，相关项目地址：

• AxDrive-L 硬件工程
• AxDrive-L 原软件参考工程

  我的固件是在这块硬件上开发和测试的，并不是 AxDrive-L 原项目的官方固件。目前只针对自己实际使用的开发板进行维护，不主动规划其他开发板或平台的适配；以后如果使用新的硬件，再根据实际情况调整。

固件功能架构

  固件围绕 FOC 底层控制实现有感闭环控制、无感控制、电机参数辨识和状态估计等功能，并通过通信与参数接口进行配置和测试。

  图中展示固件的主要功能模块及其关系，具体控制流程与实现可查看对应源码。

已实现的主要功能

FOC 与有感闭环控制

  FOC 底层控制主要位于 Motor/，以 20 kHz 的频率运行。电流反馈采用两相 ADC 同步采样，测量 A、B 两相电流，并根据三相电流之和为零的关系重构 C 相电流。

  采样电流经过 Clarke/Park 变换后，得到旋转坐标系下的 d、q 轴电流。电流环使用 PI 控制器，默认采用 Id=0 控制策略。PI 输出可叠加 dq 轴交叉耦合补偿及反电动势前馈，最后经过二维电压矢量限幅、反 Park 变换和 SVPWM，生成三相 PWM 指令。

  工程在此基础上实现了三种基于编码器反馈的闭环控制方式：

• Torque：将目标转矩通过转矩常数换算为 q 轴电流参考，支持可配置的转矩变化率限制。
• Speed：速度闭环通过 PI 控制器生成 q 轴电流参考，支持线性速度斜坡和两种五次速度 S 曲线。
• Position：位置控制采用轨迹规划速度前馈与位置反馈修正相结合的结构，支持梯形位置轨迹和两种 S 曲线。

  三种模式共用底层 FOC，主要控制环路运行频率如下：

控制环路	运行频率	主要作用
电流环	20 kHz	dq 电流调节与电压指令生成
速度环	2 kHz	根据速度误差生成转矩电流参考
位置环	1 kHz	计算位置反馈修正速度

  Observer/ 中的机械扩张状态观测器（ESO）根据编码器位置等信号估计机械转速和扰动转矩。当前有感速度环使用机械 ESO 的速度估计作为反馈。

  电流环和速度环支持两种参数配置方式：根据电机参数与目标带宽计算 PI 增益，或者直接设置 PI 增益。电流环还提供可选的 dq 解耦与反电动势前馈开关，便于对照不同控制方法的实际表现。

  运动规划位于 Motion/。其中 S 曲线提供保持原梯形加减速时间、保持设定峰值加速度两种模式。前者在标准过渡段的峰值加速度达到设定值的 1.875 倍；后者通过延长过渡时间控制峰值加速度。

  上述转矩斜坡、S 曲线、解耦前馈和相关调参功能参考固件的 feat/current-frf-injection 开发分支，尚未全部合入 main。

电机参数辨识

  电机参数辨识主要位于 Identification/，用于获取控制和电机模型所需的参数。目前包含：

• Rs/Ls 辨识：定子电阻和等效电感。
• Flux 辨识：永磁体磁链。
• J/B 辨识：转动惯量和粘性阻尼。

  辨识功能通过控制动作启动。完成后，可以读取结果有效性状态及相应参数，再决定是否将辨识结果应用到当前电机模型。

  不同辨识功能相互独立，辨识结果不会仅因为测量成功就自动保存到 Flash。这样可以先检查测量结果，再决定是否更新当前配置。

  辨识算法已完成部分实机及重复性测试，但结果会受到电机、测试工况和激励条件等因素影响，需要结合具体实验数据判断其有效性。

无感控制与观测器

  无感启动与控制逻辑主要位于 Sensorless/，相关磁链观测器与 PLL 位于 Observer/。目前包括：

• 电机转子初始对齐
• I/F 开环启动
• 非线性磁链观测器
• PLL 电角度、电角速度估计
• I/F 与 Observer 之间的控制接管

  目前已实现无感启动、闭环运行及加减速测试，低速运行、观测器角度纹波等问题仍在分析中。

其他功能

• 编码器相位标定
• 电流、电压等保护机制
• 通过 Parameter/ 统一读写参数，并由 Storage/ 负责 Flash 非易失性存储
• USB 通信与实时波形采集
• Python 自动化测试与数据记录

  这些功能主要用于电机调试和算法验证，不代表所有功能都已在各种工况下验证完成。

实测与验证

  项目中的部分控制算法已经通过实机测试、参数采集与数据分析进行验证。下面选取两项实验作简要说明；完整测试条件和结果保存在固件仓库的 docs/ 目录中。

S 曲线运动规划

  在梯形轨迹基础上，工程实现了两种五次速度 S 曲线，并分别对速度模式和位置模式进行了实机测试。

  测试内容包括短行程、正反转、运动过程中修改目标、调整速度上限、Stop/Run，以及较高速的位置运动。

  2026 年 10 月 7 日的五圈位置测试中，母线电压约 24.4～25.0 V，电机空载，目标速度为 1000 RPM，加减速度设置为 500 rad/s²。两种 S 曲线的规划结果如下：

指标	保持时间	保持峰值加速度
规划峰值速度	1000 RPM	874 RPM
规划运动时间	约 0.510 s	约 0.686 s
规划加速度峰值	937.49 rad/s²	500.00 rad/s²
位置环动态误差峰值	3.046°	1.644°

  保持峰值加速度的 S 曲线由于过渡时间更长，在本次五圈行程中未能达到设定的 1000 RPM。

  这两种模式的主要区别并不是简单的平滑程度，而是时间和加速度约束的不同。S 曲线也不一定在所有工况下都比梯形轨迹具有更小的跟踪误差。以上高速结果每种曲线只测试了一次，不能据此推断重复定位精度。

  详细测试过程见：轨迹规划测试记录。

电流环频率响应

  为了检查电流环实际频率响应与控制器设计参数之间的关系，工程增加了 d 轴正弦信号注入功能。

  固件以 20 kHz 频率生成激励并采集实际电流，PC 端完成数据拟合和 Bode 幅频、相频曲线分析。

  2026 年 10 月 8 日的实验在静止、零转矩目标条件下，分别测试了 500 Hz、1000 Hz、2000 Hz 三组电流环设计带宽设置，扫频范围为 20～5000 Hz。

PI 带宽设置	实测闭环 −3 dB 频率
500 Hz	约 485 Hz
1000 Hz	约 3519 Hz
2000 Hz	测试频率范围内未找到

  其中，2000 Hz 设置在约 4～4.5 kHz 出现约 +2.4 dB 的闭环幅值隆起。

  这说明控制器设置的设计带宽不能直接视为实际闭环带宽。除了 −3 dB 截止点，还需要结合完整的幅频、相频响应和电流噪声判断控制器的实际表现。

  本次结果对应特定电机、控制参数和静止工作点，不代表其他电机或运行工况下能够获得相同结果。

  详细测试数据见：电流环频响测试。

如何使用

  固件代码和编译说明位于 AxDr_L_Motor GitHub 仓库。

  工程使用 STM32CubeMX 管理部分底层配置，基于 CMake 构建，使用 ThreadX、USBX 等组件；相关第三方依赖位于 ThirdParty/。提供 GNU Arm GCC 和 ST Arm Clang 两套构建配置。克隆仓库时需要同时拉取子模块：

git clone --recursive https://github.com/BJKJKZHOU/AxDr_L_Motor.git
cd AxDr_L_Motor

  如果使用 GNU Arm GCC，需要预先安装 CMake（3.22 或更新版本）、Ninja 和 Arm GNU Toolchain，然后执行：

cmake --preset gcc-release
cmake --build --preset gcc-release

  也可以使用 ST Arm Clang 构建：

cmake --preset Release
cmake --build --preset Release

通信与基本操作

  通信协议与数据采集功能主要位于 Comm/。固件通过 USB CDC 与计算机通信，使用 AxDr CAN-FD 风格的应用层消息，支持参数读写、控制动作、运行状态查询和实时波形采集。

  Parameter/ 提供统一的参数访问接口。主机通过 Parameter ID 读写参数，通过 Action ID 执行控制动作。参数写入 RAM 与保存到 Flash 是不同操作，部分参数也存在运行状态限制。

操作	作用
Parameter Read	读取参数、运行状态或反馈数据
Parameter Write	修改允许写入的参数
Save	将需要持久化的参数保存到 Flash
Enable	使能控制器
Run	按当前模式开始执行指令
Stop	停止当前运动或控制过程
Disable	禁用控制器

新电机配置与运行

  首次使用新电机时，需要核对供电、接线、硬件保护、电机极对数和电流限值。对于未知电机，可以通过 Rs/Ls、Flux 等辨识动作获取电气参数，检查辨识结果后再决定是否应用或保存。使用编码器进行闭环控制时，还需要配置编码器并完成相位标定。

  完成配置后，可以选择 Torque、Speed 或 Position 模式，设置目标转矩、转速或位置及运动参数，再执行 Enable 和 Run。运行时可以读取实际电流、速度、位置和控制器状态，或通过波形采集观察控制效果。测试结束后执行 Stop；Stop 和 Disable 并非同一操作，停止过程取决于当前控制模式。

Python 通信示例

  固件通过 USB CDC 进行通信。以 Linux 中的 /dev/ttyACM0 为例，可以使用 Python 读取当前电机的极对数。

  首先安装 pyserial：

python3 -m pip install pyserial

  下面的程序使用固件的 Parameter Read 协议，读取 Parameter ID 为 0x0101 的电机极对数：

import struct
import time
import serial

MAGIC = b"AXDR"
NODE_ID = 1

MSG_PARAMETER = 0x07
MSG_RESPONSE = 0x02
PARAM_READ = 0x01
PARAM_MOTOR_PP = 0x0101
PARAM_U8 = 0

TXN = 1


def read_exact(ser, count, deadline):
    data = bytearray()
    while len(data) < count:
        if time.monotonic() >= deadline:
            raise TimeoutError("USB read timeout")
        data.extend(ser.read(count - len(data)))
    return bytes(data)


def read_frame(ser, deadline):
    sync = b""

    while time.monotonic() < deadline:
        sync = (sync + ser.read(1))[-4:]
        if sync != MAGIC:
            continue

        msg_id, length = struct.unpack(
            "<HB", read_exact(ser, 3, deadline)
        )
        if length not in (
            *range(9), 12, 16, 20, 24, 32, 48, 64
        ):
            raise ValueError("Invalid frame length")

        return msg_id, read_exact(ser, length, deadline)

    raise TimeoutError("No response frame")


request_id = (MSG_PARAMETER << 6) | NODE_ID
response_id = (MSG_RESPONSE << 6) | NODE_ID

payload = struct.pack(
    "<BBH", TXN, PARAM_READ, PARAM_MOTOR_PP
)
frame = MAGIC + struct.pack(
    "<HB", request_id, len(payload)
) + payload

with serial.Serial(
    "/dev/ttyACM0", 115200,
    timeout=0.1, write_timeout=1
) as ser:
    ser.write(frame)
    deadline = time.monotonic() + 2.0

    while time.monotonic() < deadline:
        msg_id, data = read_frame(ser, deadline)

        if msg_id != response_id or len(data) < 4:
            continue

        txn, msg, op, status = struct.unpack_from(
            "<BBBB", data
        )
        if (txn, msg, op) != (
            TXN, MSG_PARAMETER, PARAM_READ
        ):
            continue

        if status != 0:
            raise RuntimeError(
                f"Parameter read failed: {status}"
            )

        if len(data) < 8:
            raise ValueError("Incomplete parameter data")

        param_id, param_type, pole_pairs = (
            struct.unpack_from("<HBB", data, 4)
        )
        if (param_id, param_type) != (
            PARAM_MOTOR_PP, PARAM_U8
        ):
            raise ValueError("Unexpected parameter")

        print(f"Motor pole pairs: {pole_pairs}")
        break
    else:
        raise TimeoutError("Parameter response timeout")

  若固件中配置的极对数为 7，程序将输出：

Motor pole pairs: 7

  该程序只读取参数，不修改控制器配置，也不会触发电机运动。

  这里展示的是一个独立通信示例。实际进行连续参数访问、波形采集或电机控制时，可以参考固件仓库 tools/sensorless_test.py 中已有的通信解析实现。该测试脚本不保证始终兼容最新固件，使用前仍需审查。

  VOFA+ 的 JustCANFD 协议支持可参考 Vodka / JustCANFD。

  注意： 固件直接控制电机功率级。实际运行前需要确认电源、电机接线、电流限制、PWM 配置及硬件保护措施，不建议直接使用未经检查的默认参数驱动未知电机。

测试脚本

  仓库 tools/ 目录下保存了一些 Python 脚本，主要用于电机参数辨识、控制算法测试、数据采集和问题排查。

  这些脚本是我在开发和调试过程中，根据当时的测试需求编写和修改的，不会随着固件功能和接口的变化同步更新，也不保证与当前固件版本兼容。

  每次使用前都需要先审查脚本的具体实现，确认通信接口、参数定义、控制流程和测试条件是否符合当前固件及实际硬件配置，必要时需要自行修改。

  我自己在使用时，也通常会根据当前需要验证的问题调整脚本，而不是直接重复运行以前的测试脚本。因此，tools/ 更适合作为测试方法和实验代码的参考，而不是可以直接使用的固定工具集。

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项目地址： AxDr_L_Motor - GitHub

开源协议： Apache-2.0（第三方组件遵循各自许可证）