HC32F460 FOC电机方案开发问题和解决方法

一路上

前言

前一段时间由于全球性MCU大规模紧缺，国际环境又对国内很不友好，一直在寻找一颗相对有前途国产MCU方案来做FOC电机控制，看了小华HC32f460的资料，各种独特的设计AOS协处理灵活自动化、管脚配置极高的自由度、运放内置等等特性让习惯了stm系和各种其他国产山寨的人眼前一亮，有很多特色很适合由于bldc控制安全性提升，于是一下子入了这个资料少、例程少的深坑，相当耗时调试、模棱两可的资料都极度折磨人。

仔细想想，ST的MCU能发展得这么大规模，内有官方修正资料，价格又极度便宜，外有各种开源的设计采纳（比如ESC开源项目odrive、vesc等），这些都成就了stm32f4系列的大卖，因为很多人踩坑才越做越好。目前看下来国产，唯有小华出了个类似stm32cubemx配置软件，各种资料有在逐步补充，芯片价格也在立创降到10元以下促销，种种措施相比其他家国产MCU，亲切度一下子就让人有所好感了，虽然有很多不如意的地方，库函数也是没法看的，也还是让人愿意去尝试踩下坑，在社区提升一下芯片相关生态。这里记录一下，供后来者参考，如果后续有空会针对此平台不定期开发一套开源的foc方案出来（软件、硬件），类似odrive、moteus、vesc、simplefoc这种项目，考虑是针对hc32f460芯片性能的极致优化。

开发环境与sdk库选择

开发环境： vscode+clangd+插件作为c/c++编辑环境、cmake作为工程管理、arm gcc 12.2作为编译器，开发软件全套采用开源方案，效果如图。

选择库：

官方ddl库 优点官方例程相对较多，可以配合XHCode使用，底层配置起来配合GUI较快; 缺点代码质量极差，群里吐槽的很多，也有一些bug。

周立功ametal库开源通用MCU开发框架，目前几乎支持了华大的所有系列，代码质量高、上手速度快; 缺点是通用的东西为了追求兼容性牺牲了性能，虽然各MCU通用功能例子多，但是MCU专用功能处理方式例程少得摸索，虽然官方有ametal-bldc库应该支持hc32f460但是不开源，得自己摸索bldc电机控制相关的配置方法。

两套代码都跑通以后，发现采用ametal性能难以调优，且其主频为了兼容stm32f4最高只能配置168Mhz，很多std库一加载时间会比dll长数十倍，为了极致性能，是不可接受的，所以最终选择直接用ddl库。

问题一: C++ 全部变量构造函数调用问题

受odrive和simple影响，一直采用c++开发项目，这些项目的结构性、可读性也比vesc这种纯C的设计好很多。

代码移植完成调试，不论ametal库，还是dll库，使用后c++发现直接会进hard_fault硬件错误中断，仔细调试发现要么是c++ class的构造函数没有调用，要么是gcc 编译配置为了性能优化开了--ffast-math引起了hard_fault问题。

仔细分析了两天，对比startup_hc32f460.s文件和stm32f4的startup文件发现：

1. /* Call the clock system initialization function. */
   
2.                 bl          SystemInit
   
3.                 bl          __libc_init_array
   
4.                 /* Call the application's entry point. */
   
5.                 bl          main
   
6.                 bx          lr
   
7.                 .size       Reset_Handler, . - Reset_Handler

复制代码

stm32f4的startup文件在Systeminit和main函数调用之间还调用__libc_init_array，单步这个函数发现这个函数执行了全部c++ class的变量的构造函数，初始化了crt、ffast-math快速运算相关的内容。

对于ddl库，在main和systeminit补上__libc_init_array调用即可，keil、iar等的startup文件同样没有调用libc_init_array，也有c++一些内容初始化不会调用问题。

对于 atemal库，直接加入__libc_init_array是不行的，因为atemal库是在main函数中才开了系统的FPU支持，ffast-math的初始化必须需要先开FPU协处理器，所以__libc_init_array需要在FPU协处理开了的环境中使用。

问题二：性能优化问题

如图所示，hc32f460运行在200Mhz时，Flash可以靠着CACHE运行在200Mhz不影响系统效率，SRAM只有SRAMH的32KB才能运行在200Mhz（对比stm32f4的RAM都是高速RAM，且单独的一片CCRAM运行效率更快），其余152KB的RAM只能运行在100Mhz,而系统运行时变量、堆栈等都存储在SRAM上，特别是堆按内存配置，会在SRAMB上，这样函数调用都会引起MCU需要空等一周期的SRAM读写等，为了程序高效运转，可以直接只当这个MCU只有32KB的SRAM即可，就都是在200Mhz运行了，这里把链接脚本两块RAM分出来（原始文件是用在一起的），程序运行时的都使用SRAMH，低速日志10ms以上运行一次放在大空间低速SRAMA和SRAMB上，控制电机的实时中断速度才能跑满。

性能优化后，使用200Mhz主频，使用segger Systemview测量，电机高速运行时效果如下图。ADC2中断是FOC实时控制中断（周期62.5微秒)，SPI是电机绝对编码器读写中断，TIM0中断是1ms应用层实时控制中断。可以看到优化后，FOC控制时间大约20.7微秒左右，暂用了33%左右的CPU运算资源。

问题三: 互补死区TIM4 PWM配置问题

一般而言，bldc电机控制需要可以设置死区的三组互补PWM来驱动全桥电路来控制旋转，且在测试项目中电流采用电阻下桥采样，需要保证ADC在PWM下桥开的时刻来采样。

华大的各种外设配置都非常灵活，支持各种特殊的使用场景，但是不管是手册还是示例代码都没有写清楚，每种不同的配置方式，具体的差异和实际的情况是怎么样的，这导致要达到理想的效果，几乎把所有的配置都调测了一遍，相当耗时，这边直接上调通的配置，具体细节是啥含义，这得等官方后续完善手册来解释。

比较难的TIM4的OCMR配置，用例程提供的配置根本跑不通，如下图可以看到配置这个寄存器配置可以弄成任意效果的PWM输出。

这里不纠结含义了，直接上跑通了的配置

1. /* TMR4_1_VL OC channel: compare mode OCMR */
   
2.     unTmr4OcOcmrl.OCMRx = (uint32_t)0x0690069f;
   
3.     TMR4_OC_SetLowChCompareMode(CM_TMR4_1, TMR4_OC_CH_VL, unTmr4OcOcmrl);

复制代码

将OCMRL.OCMR 支持配置成 0x0690069f

1. /* TMR4_1_U PWM: initialize */
   
2.     (void)TMR4_PWM_StructInit(&stcTmr4PwmInit);
   
3.     stcTmr4PwmInit.u16Mode = TMR4_PWM_MD_DEAD_TMR;
   
4.     stcTmr4PwmInit.u16ClockDiv = TMR4_PWM_CLK_DIV1;
   
5.     stcTmr4PwmInit.u16Polarity = TMR4_PWM_OXH_HOLD_OXL_HOLD;
   
6.     (void)TMR4_PWM_Init(CM_TMR4_1, TMR4_PWM_CH_U, &stcTmr4PwmInit);

复制代码

然后PWM输出改成死区模式，硬件互补PWM输出。

然后测试开环输出正弦电压，发现电流波形如下图:

初步出来一个正弦波的样子了，但是有相当多的毛刺。
起初以为ADC配置问题，后续终于找方向，OC配置的时候要将

1. /* TMR4_1_WL OC channel initialize */
   
2.     stcTmr4OcInit.u16CompareValue = (uint16_t)1562;
   
3.     stcTmr4OcInit.u16OcInvalidPolarity = TMR4_OC_INVD_LOW;
   
4.     stcTmr4OcInit.u16CompareValueBufCond = TMR4_OC_BUF_COND_IMMED;
   
5.     stcTmr4OcInit.u16CompareModeBufCond = TMR4_OC_BUF_COND_IMMED;
   
6.     stcTmr4OcInit.u16BufLinkTransObject = 0;
   
7.     (void)TMR4_OC_Init(CM_TMR4_1, TMR4_OC_CH_WL, &stcTmr4OcInit);

复制代码

改为:

1. /* TMR4_1_WL OC channel initialize */
   
2.     stcTmr4OcInit.u16CompareValue = (uint16_t)1562;
   
3.     stcTmr4OcInit.u16OcInvalidPolarity = TMR4_OC_INVD_LOW;
   
4.     stcTmr4OcInit.u16CompareValueBufCond = TMR4_OC_BUF_COND_VALLEY;
   
5.     stcTmr4OcInit.u16CompareModeBufCond = TMR4_OC_BUF_COND_VALLEY;
   
6.     stcTmr4OcInit.u16BufLinkTransObject = 0;
   
7.     (void)TMR4_OC_Init(CM_TMR4_1, TMR4_OC_CH_WL, &stcTmr4OcInit);

复制代码

IMMED输出模式会造成，PWM上下桥同时打开短路，需要使用BUF_VALLEY，缓冲波谷更新模式。

匀速运行终于出现一个正常的电机电流正弦波形了，跑一个自检程序查看日志终于正常了，调试了一周有余。

其它问题

1.移植stm32f4的官方flash模拟eeprom程序，hc32f460写只能按照4字节颗粒度，stm32f4是可以2字节颗粒度写的，库是按2字节读写来做的，需要改为4字节读写。

2.spi、uart配合DMA发送时，第一字节无法用DMA来发？

作者：cking616