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简介：基于STM32G431的三相无刷电机驱动与PI调速项目源码包，面向嵌入式开发者和电机控制学习者，重点覆盖定时器配置、ADC采样、PWM输出以及闭环速度调节等关键环节。压缩包共1524个文件，体积43.48MB，其中C源码与头文件占比最高，另有启动汇编、链接脚本、工程配置和HAL库文件，便于直接导入工程查看外设初始化与调用关系；包内还附带ARM Cortex-M4数学库、STM32G4系列HAL驱动、编译过程文件以及HEX/AXF烧录镜像，方便核对生成流程。工程内目录划分清晰，从底层寄存器初始化到上层控制逻辑均有对应源码，PI调速部分可结合注释快速理解速度环参数作用；包内还提供完整外设库与链接配置，可帮助缩短环境搭建时间，调试记录和编译输出文件也有助于排查工程异常。目前已有2063人学习下载，被不少开发者用作无刷电机驱动项目起步模板。除可直接使用的源码外，PI调速部分还包含速度环参数整定与调试思路，结合映射文件和镜像文件，可在二次开发时减少前期排查工作量。

1. 从 stm32G431 到三相无刷电机驱动：PI调速的真正难点不在PI

驱动三相无刷电机是个“看着简单、做起来处处被卡”的活。很多人以为拿到 stm32G431，输出几路 PWM，再把速度反馈接进 PI 调速就行；实际上第一版固件往往连电机都不转，或者转起来一顿一顿、一加载就过流。拆开“基于 stm32G431 驱动三相无刷电机并实现 PI 调速”这个工程，硬件连接、六步换向、PWM 死区、转速采样、PI 调节是一条完整链路。stm32G431 是电机控制向 Cortex-M4F，HRTIM、运放、比较器都很全，但外设越专用，错法越隐蔽。下面按最小可行方案推进，从硬件接线讲到换向表、PI 闭环和验证手段，适合带霍尔 BLDC 入门，也适合后续转无感 FOC。真正难的不是 PI 参数，而是让电机可靠转起来。

2. stm32G431 驱动三相无刷电机的硬件连接与 CubeMX 配置

2.1 为什么选 stm32g431：HRTIM、OPAMP 和 COMP 才是关键

普通 MCU 驱动电机也不是不行，但 stm32g431 最大的区别在专用外设。它跑到 170MHz，带 FPU，做 PI 调速完全够用；真正提升体验的是 HRTIM，它有高分辨率 PWM、独立死区、斩波和故障保护，FOC 里想要高频高精度 PWM 时优势很大。对于本标题里的带霍尔六步换向，TIM1 高级定时器其实也够了，所以如果你手上的板子没有引出 HRTIM 引脚，也不用卡在这里，TIM1 足够跑通整个方案。

内置 OPAMP 和 COMP 通常被忽略，但对电机控制很关键。电流采样一般要放大采样电阻上毫伏级压降，G431 的 OPAMP 可以配置成可编程增益放大器，省掉外部运放；COMP 则可以直接拿母线电流和阈值比较，触发 TIM 的刹车引脚 BKIN 关断 PWM，这是秒级软件保护之外的硬件保护。我的建议是：即使 PI 调速只需要速度反馈，也把电流采样和一路过流比较留下来，否则第一次把占空比调满时，炸管概率不低。选型边界也要说清楚：只做方波调速，G431 是有余量，不是必须；但后续想上无感 FOC，G431 的 CORDIC、FMAC 和 HRTIM 能直接复用。

2.2 三相逆变桥和霍尔接口的硬件接线

电路拓扑没有新东西：六颗 NMOS 组成三个半桥，每相高边和低边都由栅极驱动芯片驱动，常见驱动是 IR2101、EG2134 或带 LDO 的 DRV8323。以低压 12V/24V 实验板为例，母线电容至少要 220uF/50V，高边自举电容选 100nF 到 1uF，死区时间和自举电容尺寸直接相关。电机三根电源线接到三个半桥中点，三根霍尔线分别接 GPIO，加 10kΩ 上拉到 3.3V。

下面是一份 LQFP48 封装的常用引脚映射，注意不同封装和驱动板丝印可能不同，核对数据手册后再接线：

电流采样一般把 0.01Ω 采样电阻放在三相全桥的低边母线处，差分信号经过 G431 内置 OPAMP 放大后进 ADC。PCB 布线时，驱动芯片的功率地和 MCU 信号地要单点连接，霍尔线和 PWM 线不要平行走太长，否则换向信号会被斩波噪声干扰。

2.3 CubeMX 生成工程时最容易忽略的三个配置

CubeMX 里先从时钟开始，用外部或内部 PLL 配到 170MHz。接着配置 TIM1，这里有三个位置特别容易错。第一是时基：如果 PWM 频率想要 20kHz，时钟 170MHz、Prescaler 设 0 时，ARR 写成 8499，而不是 8500；ARR 写错一计数，频率会漂到 19.988kHz，短时间内看不出来，但后续 PI 输出和占空比换算不够整齐。第二是死区：CubeMX 里 Dead time 的单位是计数，170MHz 下每个周期约 5.88ns，500ns 死区就填 85。填太小，高低边会重叠导通；填太大，重载时相电流畸变明显。第三是霍尔引脚的中断触发，三个霍尔信号要分别使能 EXTI3/EXTI4/EXTI5 的上升和下降沿，否则霍尔状态一变，状态机无法及时换向。

死区配置代码在 CubeMX 自动生成的函数里长这样，手动调整时不要漏掉 Break 部分：

/* TIM1 死区和刹车配置，170MHz 时钟下的参考值 */ TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig = {0}; sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_ENABLE; sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_ENABLE; sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF; sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 85; /* 约 500ns 死区 */ sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_ENABLE; sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_HIGH; sBreakDeadTimeConfig.BreakFilter = 0; HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig);

这里BreakState开启后，一旦 BKIN 引脚出现有效电平，TIM1 所有输出会立刻进入复位状态，硬件关断 PWM。这个引脚不能悬空，不使用时把 BreakPolarity 设成 HIGH，再通过外部 10kΩ 电阻把 BKIN 拉低。死区时间不是越小越好，要大于栅极驱动和 MOS 管关断延迟之和，通常 200ns 到 2us 之间。

提示：PB1 同时可能是 TIM1_CH3N 的复用脚，配置 PWM 和刹车引脚时注意别冲突，过流保护引脚尽量选择 TIM1_BKIN 复用，并加一挡 BreakFilter 滤波，防止上电瞬间毛刺误关断。

3. 三相无刷电机六步换向与互补 PWM 输出

3.1 六步换向表的建立：霍尔和导通相位的对齐

带霍尔的 BLDC 用六步换向是最容易上手的驱动方式。每个电周期分 6 步，每步导通三相中的两相：一个高边、一个低边，第三相悬空；电流从高边相流入绕组，从低边相流出，转子每走过 60 度电角度换一次相。所谓对齐，就是让霍尔信号的 6 种组合和这 6 个导通状态一一对应。

网上能搜到很多现成换向表，比如霍尔 001、101、100、110、010、011 的顺序，但直接抄会翻车，因为霍尔安装角度、三相输出线顺序和驱动板半桥标号都可能不同。常见做法是先用低压限流来判断：把母线电压限制到比额定值低很多，比如 24V 电机用 5V、限流 0.1A，依次强制导通 AB、AC、BC、BA、CA、CB 六种状态，观察转子朝哪个方向走，同时记下每个状态对应的霍尔编码。这样得到的表再按驱动方向取顺序。我一般会让电机先空载转起来，再统一核对方向。

下面是示意换向表，霍尔码以 PA3-PA5 读出的二进制值为准，实际项目以测出来的为准：

表里霍尔码的位序要和代码里的读取顺序一致，如果把 PA3 和 PA5 读反，电机转不到完整一圈。反方向旋转只要把表从 0 到 5 映射成 5、4、3、2、1、0 执行。

3.2 用 TIM1 产生互补 PWM：为什么换相不能直接 Stop/Start

TIM1 配置成 PWM1 模式后，CHx/CHxN互补输出自带死区，这是六步换向的硬件基础。但要注意，六步换向并不是六对引脚同时输出。以第一步 AB 导通为例，实际应该是 A 高边以 20kHz PWM 斩波，B 低边常通，其他引脚全部关断。如果每次换相都用 HAL 的HAL_TIM_PWM_Start/Stop去启停，定时器重新初始化，输出会先掉到无效电平再重建，虽然只有几微秒，但对电机端电流冲击和 EMI 都不好。

我一般不用 Stop/Start，而是直接改写CCER寄存器，只切换输出使能位。PWM 时基一直跑，换向只是改变哪几路输出被连接到引脚上：

/* 以 2-2 导通为例，换相时只改 CCER，不停定时器 */ void bldc_set_step(uint8_t step) { TIM_TypeDef *tim = TIM1; uint32_t ccer = 0; switch (step) { case 0: /* A+ B- */ ccer = TIM_CCER_CC1E; /* A 高边 PWM 输出 */ ccer |= TIM_CCER_CC2NE; /* B 低边常通 */ break; case 1: /* A+ C- */ ccer = TIM_CCER_CC1E; ccer |= TIM_CCER_CC3NE; break; case 2: /* B+ C- */ ccer = TIM_CCER_CC2E; ccer |= TIM_CCER_CC3NE; break; case 3: /* B+ A- */ ccer = TIM_CCER_CC2E; ccer |= TIM_CCER_CC1NE; break; case 4: /* C+ A- */ ccer = TIM_CCER_CC3E; ccer |= TIM_CCER_CC1NE; break; case 5: /* C+ B- */ ccer = TIM_CCER_CC3E; ccer |= TIM_CCER_CC2NE; break; default: ccer = 0; break; } __HAL_TIM_DISABLE_IT(&htim1, TIM_IT_UPDATE); tim->CCER = ccer; __HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim1, TIM_IT_UPDATE); }

这里CC1E使能通道 1 主输出，即 A 相高边；CC2NE使能通道 2 互补输出，即 B 相低边。互补输出仍保留死区，所以即使同一个半桥的 CHx 和 CHxN 都被使能，也不会同时导通超过死区时间。CC1NE是 A 相低边，CC2NE是 B 相低边，CC3NE是 C 相低边，别把CC2E和CC1NE搞混。用中断保护CCER写入，防止换向中断和霍尔中断同时发生时出现中间状态。

3.3 霍尔采集与换向时机：在中断里只做一件事

霍尔信号变化时，必须尽快更新换向状态。把 PA3、PA4、PA5 配成 EXTI 上升和下降沿触发，在回调里读取电平、查表并执行bldc_set_step：

volatile uint32_t hall_edge_count; void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) { uint8_t hall; uint8_t step; if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_3 || GPIO_Pin == GPIO_PIN_4 || GPIO_Pin == GPIO_PIN_5) { hall = (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_3) << 2) | (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_4) << 1) | HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_5); step = hall_to_step[hall]; if (step < 6) { bldc_set_step(step); hall_edge_count++; } } }

这段代码的要点是中断里不做 PI 计算、不打印日志，只读三个 GPIO 并查表。霍尔信号受 PWM 斩波影响会出现抖动脉冲时，硬件上加 RC 滤波。hall_edge_count是只增不减的计数器，供后面的转速测量使用。如果某次读到的霍尔码不在表里，保持当前输出不动作，不要关闭所有 PWM，否则电机在某个角度会突然失去力矩。

4. PI 调速闭环：从转速测量到 PI 参数整定

4.1 用霍尔边沿计数计算三相无刷电机转速

PI 调速的前提是有可靠速度反馈。带霍尔电机最简单的是 M 法测速：统计固定时间窗口内的霍尔边沿数，再换算成 RPM。一个电周期产生 6 个霍尔状态，也就是 6 个边沿；极对数为 p 时，转子每转一圈产生 p 个电周期，所以每转边沿数为 6 乘以 p。

速度计算放在 5ms 定时器中断里：

#define POLE_PAIRS 4 /* 8 极电机，极对数就是 4 */ #define CTRL_PERIOD_MS 5 volatile uint16_t hall_edge_count; float speed_rpm; void speed_tick_handler(void) { static uint16_t last_count = 0; uint16_t diff = (uint16_t)(hall_edge_count - last_count); last_count = hall_edge_count; /* diff 是 5ms 内霍尔边沿数，*1000/5 得到每秒边沿频率 */ speed_rpm = (float)diff * 1000.0f / CTRL_PERIOD_MS; speed_rpm = speed_rpm / (6.0f * POLE_PAIRS); speed_rpm = speed_rpm * 60.0f; }

diff除以 5ms 再乘以 1000 得到每秒边沿数；除以6*POLE_PAIRS得到每秒转数；乘以 60 得到 RPM。极对数不要填错，常见 8 极电机极对数是 4。M 法在低速时性能差，比如 300RPM、极对数 4 时，5ms 窗口平均只有 0.6 个边沿，速度读数跳变很大。改进办法是拉长窗口到 10ms 或 20ms，或者改用 T 法测量相邻霍尔边沿时间。

4.2 PI 调速代码实现：积分限幅比 P 参数更重要

速度反馈有了以后，PI 输出用占空比百分比表示。位置式 PI 的好处是积分项直观、限幅容易做：

typedef struct { float kp; float ki; float error_integral; float output_limit; float sample_time; } SpeedPi; float pi_calc(SpeedPi *pi, float target_rpm, float current_rpm) { float error = target_rpm - current_rpm; float p_out = pi->kp * error; pi->error_integral += error * pi->sample_time; if (pi->error_integral > pi->output_limit) pi->error_integral = pi->output_limit; if (pi->error_integral < -pi->output_limit) pi->error_integral = -pi->output_limit; float i_out = pi->ki * pi->error_integral; float output = p_out + i_out; if (output > pi->output_limit) output = pi->output_limit; if (output < 0.0f) output = 0.0f; return output; }

这个实现把积分器储能和最终输出都限制在output_limit，输出最小值限制为 0，防止负占空比。output_limit建议设 95% 而不是 100%，因为互补 PWM 需要时间给高边自举电容充电，输出 100% 占空比时高端 MOS 一直导通，自举电容反而充不进去。调用时sample_time取 0.005f，对应 5ms 控制周期。

占空比更新也要在定时器中断里做，计算完duty = pi_calc(...)后，再写对应高边通道的 CCR：

#define ARR_VALUE 8499 /* 与 TIM1 ARR 一致 */ void bldc_set_duty(float duty_percent) { uint32_t ccr = (uint32_t)(ARR_VALUE * duty_percent / 100.0f); /* 当前高边在 A、B、C 中的哪一相，就写哪个 CCR */ if (current_step == 0 || current_step == 1) { TIM1->CCR1 = ccr; } else if (current_step == 2 || current_step == 3) { TIM1->CCR2 = ccr; } else { TIM1->CCR3 = ccr; } }

current_step是第 3 章里bldc_set_step记录下来的当前步。写 CCR 时只更新导通相上管的占空比，下管是常通状态，不需要 CCR 值。

4.3 PI 参数怎么定：从临界比例度到一组可用初值

不要凭空猜 PI 参数。先把ki设为 0，只留kp，从 0.05 开始，电机空载给一个中速目标，比如 1000RPM，看转速曲线。逐渐增大kp直到转速开始持续等幅振荡，记录此时的临界增益 Ku 和振荡周期 Tu，再用 Ziegler-Nichols 方法整定：kp=0.45*Ku，ki=0.54*Ku/Tu。这个方法在 BLDC 速度环上很好用，因为速度环通常没有纯滞后，稳定裕度要求也不高。

如果不想做振荡试验，我一般给 24V 小功率无刷电机一个相对保守的起点：

按表里第一行启动后，实际转速一直差几十转，就保持kp不变，把ki每次加 0.05；转速过冲超过 20%，优先降ki。一个常见问题是积分饱和：电机堵转时 PI 输出冲到最大值，恢复后积分项攒得太高，转速会过冲很久。上面代码里积分限幅和输出限幅共用output_limit，如果把它设成 100%，饱和现象会明显加重。堵转保护最好单独做：连续 200ms 转速低于 50RPM 且占空比大于 80%，直接停 PWM。

4.4 速度反馈低通滤波和低速精度

PI 参数调不出来时，反馈信号往往已经坏了。M 法测速在低速窗口内只有几个霍尔边沿，转速值像台阶一样跳变，PI 会跟着抖动。加一阶低通滤波是最便宜的办法：

float speed_filtered; #define ALPHA 0.30f speed_filtered = ALPHA * speed_rpm + (1.0f - ALPHA) * speed_filtered;

这段滤波放在 5ms 控制周期开头，算出speed_filtered后再去参与 PI。ALPHA越大响应越快，但滤波效果差；0.3 对小功率无刷电机是折中。低速时建议把控制周期从 5ms 拉到 10ms，让每个周期至少有两次霍尔边沿参与测速，反馈就不至于频繁跳变到 0。滤波会给速度环增加相位滞后，ALPHA低于 0.2 时，PI 的ki要相应调小，否则闭环容易低频振荡。

5. 验证 stm32G431 三相驱动与 PI 调速的几个诊断技巧

5.1 用手转电机诊断换向表和三路霍尔

上电之前，先用手慢慢转动电机轴，把霍尔状态打印到串口。正常的霍尔组合会按格雷码顺序循环，所以日志中看到的先是 1、5、4、6、2、3 这样的序列，说明霍尔接线和读数顺序没问题。接着强制给六个换向状态通电，用限流很低的低压电源，转子应该每次稳定停在同一个位置附近；有跳步说明换向表与霍尔码对不上。这个阶段不要开 PI 闭环，直接给固定 20% 以下占空比即可。

5.2 用逻辑分析仪确认 PWM 与死区

六步换向下，重点看三对互补输出：PA8/PA7、PA9/PB0、PA10/PB1。用逻辑分析仪同时测一个半桥的上下管和一路霍尔信号，一帧至少抓 2ms，能看到上管 PWM 与下管 PWM 在任何时刻都不重合，并且从高到低切换时有一段低电平间隔，就是死区。死区时间应约等于 CubeMX 里DeadTime=85换算出的 500ns。如果看到上下管同时为高，说明CCER输出使能位或互补极性配错了，立即断电调极性，不能指望软件保护。

5.3 串口打印速度曲线排除 PI 振荡

调 PI 时，把 target、raw speed、filtered speed、duty 四个变量通过串口打印，格式用逗号分隔，每 10ms 一行。电机恒速后，转速曲线在半分钟内持续在一个窄带内波动是正常的；如果出现 1 到 2Hz 甚至更慢的大幅振荡，先检查是不是 M 法测速在低速跳变太大，其次才是 PI 参数。有一个实用技巧是把ki临时设成 0，转速若有稳态误差，用手加减负载看反馈曲线；若此时出现等幅振荡，问题不在积分，而在换向表和电流过流保护。把采样电阻上的电流波形叠加到速度曲线上看，换向表错一位时电流波形会出现一个持续几毫秒的缺口，这比调 PI 参数之前更值得修。

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