2. STM32硬件平台搭建：主控选型、电机驱动与传感器设计

硬件平台是机器人运动学标定的地基。地基没打好，后面算法调得再好也白搭。我个人习惯是先确定控制周期和精度需求，再反推主控和驱动方案。这一章咱们就把STM32机器人控制器的硬件选型与接口设计讲透。

2.1 主控选型：H7还是F4？

选主控说白了就是算一笔账——你的控制周期要多快？算法有多重？

我的建议：如果你做六轴机器人标定，需要同时处理6路编码器、6路电流采样、运动学正逆解和参数辨识——直接上H7。F4在168MHz下跑完一次完整标定迭代可能要2ms，而H7能压到500μs以内。

2.2 电机驱动接口设计

驱动接口设计有三个关键点：PWM分辨率、死区时间、电流采样同步。咱们一个一个说。

2.2.1 PWM与定时器配置

我习惯用高级定时器TIM1/TIM8来驱动三相逆变桥。H7的TIM1可以输出6路互补PWM，带硬件死区插入。

// H7定时器配置示例：20kHz PWM，中心对齐模式
TIM1->PSC = 0;                    // 不分频，240MHz计数
TIM1->ARR = 6000 - 1;             // 20kHz (240MHz/6000/2)
TIM1->CCR1 = 3000;                // 50%占空比
TIM1->BDTR = 72;                  // 死区时间 = 72/240MHz = 300ns
TIM1->CR1 |= TIM_CR1_CMS_1;       // 中心对齐模式2

2.2.2 电流采样接口

电流采样有两种主流方案：

• 低侧采样：成本低，但无法在PWM开关瞬间采样
• 高侧/相电流采样：精度高，需要隔离运放

我做机器人标定项目时，要求电流精度在±1%以内，所以选了INA240高侧电流检测放大器，配合STM32的ADC注入组同步采样。

// ADC注入组配置：与PWM中心对齐触发同步
ADC1->JSQR = (1 << 20) |          // 1个转换
             (ADC_SAMPLETIME_8CYCLES << 0);
TIM1->CR2 |= TIM_CR2_CCDS;        // CC事件触发ADC
TIM1->CCR1 = 3000 - 100;          // 在PWM中心点前100个时钟采样

2.3 编码器与电流传感器选型

编码器是机器人的眼睛，电流传感器是肌肉力量计。选型不对，标定结果全是错的。

2.3.1 编码器选型对比

我的选择：对于运动学标定，我强烈建议用绝对式编码器。为什么？因为增量式每次上电都要回零，而回零误差会直接污染标定数据。我在一个项目里吃过这个亏——增量式编码器回零重复性只有±5个脉冲，换算到关节角度就是0.02°，标定出来的DH参数偏差大到没法用。

2.3.2 电流传感器选型

电流传感器直接影响力矩估算精度。运动学标定需要知道关节力矩，而力矩 = 电流 × 转矩常数。

• ACS712/ACS723：霍尔效应，带宽80kHz，适合通用场景
• INA240：分流器+差分运放，带宽400kHz，适合高精度采样
• TI DRV系列集成方案：内置电流检测，节省PCB面积

2.4 硬件系统架构总览

下面这张图是我做机器人控制器时的标准架构，你可以直接拿来用。

2.5 实际项目中的接口设计清单

最后，我整理了一份硬件接口设计检查清单。每次画板子之前我都会过一遍，避免低级错误。

1. 电源完整性：模拟3.3V和数字3.3V用磁珠隔离，ADC参考电压用高精度LDO
2. 编码器接口：差分信号走等长线，终端电阻匹配（RS-422标准）
3. 电流采样：采样电阻用4端子开尔文连接，避开大电流回路
4. PWM输出：加RC滤波后再进驱动芯片，防止上电瞬间误动作
5. 保护电路：每路电机驱动加硬件过流比较器，不依赖软件

硬件平台搭建到这里就差不多了。主控选H7还是F4，看你控制周期需求；编码器选绝对式还是增量式，看你标定精度要求；电流采样带宽必须够，否则力矩估算全是错的。把这些基础打牢，后面几章的运动学标定和参数优化才能跑出真效果。