SimpleFOC移植STM32（四）—— 闭环控制_2804 5010

 

SimpleFOC的教程比较多，做了一个总链接，欢迎点击阅读：SimpleFOC教程链接汇总
 

一、电机的三种控制模式

（为保证本文可读性，把之前写过的搬运到此。）

1.1、力矩控制模式

  ◎电机在运行过程的电流，始终等于给定的值。
  ◎比如使用电机来拉伸弹簧，设定电流值越大，弹簧被拉伸的长度越长。设定电流越小，弹簧被拉伸的长度越短。设定电流为零，弹簧不被拉伸。
  ◎在SimpleFOC项目中，受限于Arduino UNO的运行速度，大部分例程没有使用电流采样，所以设定电压值代替设定电流值。

1.2、速度控制模式

  ◎让电机始终按照设定的速度运转，不因负载的变化而变化。
  ◎速度控制一般会采用内环电流环，外环速度环的方式，所以可以限制转动过程中的电流不超过设定值。
  ◎比如传送带传送物品，给定的速度不会因为传送带上是空载或者带载发生变化，但是当负载过大，电流超过设定值的时候会报警或自动停止。

1.3、位置控制模式

  ◎精确控制电机转动到指定角度，
  ◎位置控制一般会采用内环电流环，外环速度环，最外环位置环的方式，所以可以限制转动过程中的最大速度，和最大电流。
  ◎比如机械臂从A点运动到B点，并限制挥舞过程中的最大速度和最大力矩。
 

二、硬件介绍

  本节实验适合运行在SimpleMotor和STM32最小系统板上（Bluepill）。

2.1、原理图

2.2、SimpleMotor方案

2.2.1、准备清单

驱动板103 购买链接：https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=656368067494，图锐科技
电机 购买链接：https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=643573104607，图锐科技

2.2.2、接线

只展示M1的接线，M2的接线根据原理图自行连接。

2.3、STM32方案

2.3.1、准备清单

驱动板103 购买链接：https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=656368067494，图锐科技
电机 购买链接：https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=643573104607，图锐科技

2.3.2、接线

对照 Shield V2.0.3 的原理图：

只展示M1的接线，M2的接线根据原理图自行连接。
 

三、控制原理

3.1、闭环控制原理

1、力矩模式

  ◎串口设定值为Uq，Ud固定为0；
  ◎控制原理与开环控制很像，核心代码是SVPWM；
  ◎开环的θ是人为设定的，而闭环的θ来自编码器。
 
2、速度模式

  ◎力矩闭环外增加了速度环；
  ◎串口设定值为期望速度（Vd）；
  ◎实际速度和期望速度的差作为PID输入，输出值为SVPWM的输入（Uq），Ud固定为0；
  ◎编码器读到的角度为机械角度，先转为电角度供SVPWM使用（θ）；
  ◎根据最近两次的角度差和时间差计算出当前速度（v），速度做滤波处理（Vf），因为速度要保持平滑不能突变；
 
3、位置模式

  ◎与速度环相比多了一个位置环，相应的要调试位置环PID，创作者的代码中只使用了P参数，实际应用中一般会用PD参数。
 

3.2、零点检测

  一般的无刷电机驱动器会有个学习模式，用拨码开关切换，第一次使用先拨到学习模式，检测电机参数后保存到内部flash。然后切换到工作模式，驱动器每次上电都会导入存储的参数，执行控制。
  SimpleFOC上电后也会检测电机参数，但是没有保存的动作，所以每次上电都要检测，对于带磁编码器的电机，需要检测机械角度和电角度的偏差（zero_electric_angle），和电机极对数（pole_pairs）。
  机械角度零点和电角度的零点，在实际操作中基本是不可能对齐的，所以同学们不要有通过调整编码器角度，把零点对齐的这个想法。


代码位置在：BLDCMotor.c，


 

3.3、零点检测代码简单说明

本小节20220814更新
 
关于代码中为什么要加 _3PI_2 的原因：

磁场方向为d轴，垂直于转子磁场方向为q轴，d轴建立磁场，q轴做功，
因为q轴是垂直磁场的，假如设置 θ=0°，电机最终停留在90°位置，所以要想让电机停留在0°，需设置 θ=270°。
而d轴是磁场方向，设置θ=0°，电机就停留在0°。
所以设置Uq=x，θ=270°，其效果等同于Ud=x，θ=0°。

以开环的方式实际测试，证明了确实是这样。

 

3.4、跳过零点检测说明

• 1、设置(0,UNKNOWN)，烧写代码，
  

• 2、运行后电机会进行零点校准，获取两个参数，
  

• 3、把获取的两个参数写入代码，编译后重新烧写，
  

• 4、运行后电机将跳过零点检测。
  

• 不同电机的零点参数不同，所以每个电机都要校准；

• 电机三相线如果有调整，需要重新校准。

 

四、程序演示

注意：如果检测到的极对数与实际不符，停止继续操作，否则电机会堵转
 

4.1、力矩模式

1、选择力矩模式，其它参数根据实际情况设置

2、编译下载
  可以串口下载或者SWDIO下载；
  如果是串口下载，Boot加上跳线帽，下载完毕后拿掉跳线帽，按复位键重启或者断电重启。
  注意：复位重启只能重启单片机，编码器没有重启，这可能会导致重启后的I2C接口编码器不能正确读出，SPI接口编码器不受影响。
3、等待初始化完成
4、串口发送指令，此时发送的数据表示电压值Uq
  注意：设置的电压值不能超过voltage_power_supply/√3，比如电源电压12V，设置不能超过6.92V。

5、给电机施加阻力，感受不同电压对应不同的力矩
 
注意：力矩模式不涉及PID，所以比较简单，大功率电机设置电压值不能太大。
 

4.2、速度模式

1、选择速度模式

注意：PID参数根据电机实际情况自行设置，不了解PID设置的请百度。
2、编译下载
3、重新上电，等待电机初始化完成
4、串口发送指令T6.28，观察电机是否以1圈/秒的速度转动。

5、设置不同速度，观察电机转动变化。给电机施加阻力，观察电机转动

演示视频：
1、5010电机：https://www.bilibili.com/video/BV1cL4y1h7RL/
2、X4108S电机：https://www.bilibili.com/video/BV1Wq4y1o7q9/
3、2804电机：https://www.bilibili.com/video/BV1j64y187qp/
 

4.3、位置模式

1、选择位置模式

注意：本例中，位置模式包含了位置PID和速度PID，根据电机实际情况自行设置，不了解PID的请百度。
2、编译下载
3、重新上电，等待电机初始化完成
4、串口发送指令T6.28，观察电机是否转动一圈
  上电后为了保证电机为静止状态，设置初始化后的目标角度为当前角度，所以第一次设置角度6.28，电机不会转一圈。第一次可以设置目标角度为0。

 
(完)
 
 
本文只讲了M1电机的操作，源码中包含M1和M2两个工程，M2的操作可比照M1，不再赘述！

本节源码下载：
链接：https://pan.baidu.com/s/1HYhEYYBlKC9BJmZXo8Ngbg
提取码：ih65
 
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SimpleFOC移植STM32（五）—— 电流采样及其变换