SimpleFOC移植STM32（四）—— 閉環(huán)控制

stefanieliang 發(fā)布于2021-09-27 13:36 / 3886人閱讀

摘要：力矩控制模式電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程的電流，始終等于給定的值。設(shè)定電流為零，彈簧不被拉伸。比如機(jī)械臂從點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)，并限制揮舞過(guò)程中的最大速度和最大力矩。

說(shuō)明

??閱讀此文，可對(duì)照之前這篇文章：SimpleFOC（四）—— 閉環(huán)控制

一、電機(jī)的三種控制模式

（為保證本文可讀性，把之前寫過(guò)的搬運(yùn)到此。）

1.1、力矩控制模式

??◎電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程的電流，始終等于給定的值。
??◎比如使用電機(jī)來(lái)拉伸彈簧，設(shè)定電流值越大，彈簧被拉伸的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。設(shè)定電流越小，彈簧被拉伸的長(zhǎng)度越短。設(shè)定電流為零，彈簧不被拉伸。
??◎在SimpleFOC項(xiàng)目中，受限于Arduino UNO的運(yùn)行速度，大部分例程沒(méi)有使用電流采樣，所以設(shè)定電壓值代替設(shè)定電流值。

1.2、速度控制模式

??◎讓電機(jī)始終按照設(shè)定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，不因負(fù)載的變化而變化。
??◎速度控制一般會(huì)采用內(nèi)環(huán)電流環(huán)，外環(huán)速度環(huán)的方式，所以可以限制轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的電流不超過(guò)設(shè)定值。
??◎比如傳送帶傳送物品，給定的速度不會(huì)因?yàn)閭魉蛶鲜强蛰d或者帶載發(fā)生變化，但是當(dāng)負(fù)載過(guò)大，電流超過(guò)設(shè)定值的時(shí)候會(huì)報(bào)警或自動(dòng)停止。

1.3、位置控制模式

??◎精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定角度，
??◎位置控制一般會(huì)采用內(nèi)環(huán)電流環(huán)，外環(huán)速度環(huán)，最外環(huán)位置環(huán)的方式，所以可以限制轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的最大速度，和最大電流。
??◎比如機(jī)械臂從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，并限制揮舞過(guò)程中的最大速度和最大力矩。
?

二、硬件介紹

??本節(jié)實(shí)驗(yàn)適合運(yùn)行在SimpleMotor和STM32最小系統(tǒng)板上（Bluepill）。

2.1、硬件準(zhǔn)備

2.1.1、SimpleMotor方案

序號(hào)	名稱	數(shù)量
1	SimpleMotor	1
2	帶編碼器云臺(tái)電機(jī)	1
3	USB轉(zhuǎn)串口	1
4	12V電源	1

帶編碼器云臺(tái)電機(jī)可以是AS5600，也可以是TLE5012B。
AS5600電機(jī) 購(gòu)買鏈接：某寶購(gòu)買
TLE5012B電機(jī) 購(gòu)買鏈接：某寶購(gòu)買
SimpleMotor 購(gòu)買鏈接：某寶購(gòu)買

2.1.2、STM32方案

序號(hào)	名稱	數(shù)量
1	STM32核心板	1
2	SimpleFOCShield V2.0.3	1
3	帶磁編碼器的云臺(tái)電機(jī)	1
4	USB轉(zhuǎn)串口	1
5	5V電源	1
6	12V電源	1
7	杜邦線	若干

帶編碼器云臺(tái)電機(jī)可以是AS5600，也可以是TLE5012B。
AS5600電機(jī) 購(gòu)買鏈接：某寶購(gòu)買
TLE5012B電機(jī) 購(gòu)買鏈接：某寶購(gòu)買
simpleFOCShield V2.0.3購(gòu)買鏈接：某寶購(gòu)買
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2.2、硬件連接

2.2.1、原理圖

2.2.2、SimpleMotor接線

只拍照演示M1的接線，M2的接線根據(jù)原理圖自行連接。

2.2.3、STM32接線

對(duì)照 Shield V2.0.3 的原理圖：

STM32核心板	V2.0.3
PA0	5
PA1	9
PA2	6
PB9	8
GND	GND

如果是AS5600編碼器，如下

STM32核心板	AS5600電機(jī)
PB6	SCL
PB7	SDA
3V3	VCC
GND	GND

如果是TLE5012B編碼器，如下

STM32核心板	TLE5012電機(jī)
PB15	MOSI
PB14	MISO
PB13	SCK
PB8	CSQ
GND	GND
3V3	VCC

三、控制原理

3.1、閉環(huán)控制原理

1、力矩模式

??◎串口設(shè)定值為Uq，Ud固定為0；
??◎控制原理與開(kāi)環(huán)控制很像，核心代碼是SVPWM；
??◎開(kāi)環(huán)的θ是人為設(shè)定的，而閉環(huán)的θ來(lái)自編碼器。
?
2、速度模式

??◎力矩閉環(huán)外增加了速度環(huán)；
??◎串口設(shè)定值為期望速度（Vd）；
??◎?qū)嶋H速度和期望速度的差作為PID輸入，輸出值為SVPWM的輸入（Uq），Ud固定為0；
??◎編碼器讀到的角度為機(jī)械角度，先轉(zhuǎn)為電角度供SVPWM使用（θ）；
??◎根據(jù)最近兩次的角度差和時(shí)間差計(jì)算出當(dāng)前速度（v），速度做濾波處理（Vf），因?yàn)樗俣纫３制交荒芡蛔儯?br /> ?
3、位置模式

??◎與速度環(huán)相比多了一個(gè)位置環(huán)，相應(yīng)的要調(diào)試位置環(huán)PID，創(chuàng)作者的代碼中只使用了P參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中一般會(huì)用PD參數(shù)。
?

3.2、零點(diǎn)檢測(cè)

??一般的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器會(huì)有個(gè)學(xué)習(xí)模式，用撥碼開(kāi)關(guān)切換，第一次使用先撥到學(xué)習(xí)模式，檢測(cè)電機(jī)參數(shù)后保存到內(nèi)部flash。然后切換到工作模式，驅(qū)動(dòng)器每次上電都會(huì)導(dǎo)入存儲(chǔ)的參數(shù)，執(zhí)行控制。
??SimpleFOC上電后也會(huì)檢測(cè)電機(jī)參數(shù)，但是沒(méi)有保存的動(dòng)作，所以每次上電都要檢測(cè)，對(duì)于帶磁編碼器的電機(jī)，需要檢測(cè)機(jī)械角度和電角度的偏差（zero_electric_angle），和電機(jī)極對(duì)數(shù)（pole_pairs）。
??機(jī)械角度零點(diǎn)和電角度的零點(diǎn)，在實(shí)際操作中基本是不可能對(duì)齊的，所以同學(xué)們不要有通過(guò)調(diào)整編碼器角度，把零點(diǎn)對(duì)齊的這個(gè)想法。

代碼位置在：BLDCMotor.c，

?

四、程序演示

注意：如果檢測(cè)到的極對(duì)數(shù)與實(shí)際不符，停止繼續(xù)操作，否則電機(jī)會(huì)堵轉(zhuǎn)
?

4.1、力矩模式

1、選擇力矩模式，其它參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置

2、編譯下載
??可以串口下載或者SWDIO下載；
??如果是串口下載，Boot加上跳線帽，下載完畢后拿掉跳線帽，按復(fù)位鍵重啟或者斷電重啟。
??注意：復(fù)位重啟只能重啟單片機(jī)，編碼器沒(méi)有重啟，這可能會(huì)導(dǎo)致重啟后的I2C接口編碼器不能正確讀出，SPI接口編碼器不受影響。
3、等待初始化完成
4、串口發(fā)送指令，此時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)表示電壓值Uq
??注意：設(shè)置的電壓值不能超過(guò)voltage_power_supply/√3，比如電源電壓12V，設(shè)置不能超過(guò)6.92V。

5、給電機(jī)施加阻力，感受不同電壓對(duì)應(yīng)不同的力矩
?
注意：力矩模式不涉及PID，所以比較簡(jiǎn)單，大功率電機(jī)設(shè)置電壓值不能太大。
?

4.2、速度模式

1、選擇速度模式

注意：PID參數(shù)根據(jù)電機(jī)實(shí)際情況自行設(shè)置，不了解PID設(shè)置的請(qǐng)百度。
2、編譯下載
3、重新上電，等待電機(jī)初始化完成
4、串口發(fā)送指令T6.28，觀察電機(jī)是否以1圈/秒的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。

5、設(shè)置不同速度，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)變化。給電機(jī)施加阻力，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)

演示視頻：
1、5010電機(jī)：https://www.bilibili.com/video/BV1cL4y1h7RL/
2、X4108S電機(jī)：https://www.bilibili.com/video/BV1Wq4y1o7q9/
3、2804電機(jī)：https://www.bilibili.com/video/BV1j64y187qp/
?

4.3、位置模式

1、選擇位置模式

注意：本例中，位置模式包含了位置PID和速度PID，根據(jù)電機(jī)實(shí)際情況自行設(shè)置，不了解PID的請(qǐng)百度。
2、編譯下載
3、重新上電，等待電機(jī)初始化完成
4、串口發(fā)送指令T6.28，觀察電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)一圈
??上電后為了保證電機(jī)為靜止?fàn)顟B(tài)，設(shè)置初始化后的目標(biāo)角度為當(dāng)前角度，所以第一次設(shè)置角度6.28，電機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)一圈。第一次可以設(shè)置目標(biāo)角度為0。

?
(完)
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本文只講了M1電機(jī)的操作，源碼中包含M1和M2兩個(gè)工程，M2的操作可比照M1，不再贅述！

本節(jié)源碼下載：
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1HYhEYYBlKC9BJmZXo8Ngbg
提取碼：ih65
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SimpleFOC移植STM32（四）—— 閉環(huán)控制

目錄

說(shuō)明

一、電機(jī)的三種控制模式

1.1、力矩控制模式

1.2、速度控制模式

1.3、位置控制模式

二、硬件介紹

2.1、硬件準(zhǔn)備

2.1.1、SimpleMotor方案

2.1.2、STM32方案

2.2、硬件連接

2.2.1、原理圖

2.2.2、SimpleMotor接線

2.2.3、STM32接線

三、控制原理