SimpleFOC移植STM32（四）—— 閉環控制

stefanieliang 發布于2021-09-27 13:36 / 3147人閱讀

摘要：力矩控制模式電機在運行過程的電流，始終等于給定的值。設定電流為零，彈簧不被拉伸。比如機械臂從點運動到點，并限制揮舞過程中的最大速度和最大力矩。

說明

一、電機的三種控制模式

（為保證本文可讀性，把之前寫過的搬運到此。）

1.1、力矩控制模式

??◎電機在運行過程的電流，始終等于給定的值。
??◎比如使用電機來拉伸彈簧，設定電流值越大，彈簧被拉伸的長度越長。設定電流越小，彈簧被拉伸的長度越短。設定電流為零，彈簧不被拉伸。
??◎在SimpleFOC項目中，受限于Arduino UNO的運行速度，大部分例程沒有使用電流采樣，所以設定電壓值代替設定電流值。

1.2、速度控制模式

??◎讓電機始終按照設定的速度運轉，不因負載的變化而變化。
??◎速度控制一般會采用內環電流環，外環速度環的方式，所以可以限制轉動過程中的電流不超過設定值。
??◎比如傳送帶傳送物品，給定的速度不會因為傳送帶上是空載或者帶載發生變化，但是當負載過大，電流超過設定值的時候會報警或自動停止。

1.3、位置控制模式

??◎精確控制電機轉動到指定角度，
??◎位置控制一般會采用內環電流環，外環速度環，最外環位置環的方式，所以可以限制轉動過程中的最大速度，和最大電流。
??◎比如機械臂從A點運動到B點，并限制揮舞過程中的最大速度和最大力矩。
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二、硬件介紹

??本節實驗適合運行在SimpleMotor和STM32最小系統板上（Bluepill）。

2.1、硬件準備

2.1.1、SimpleMotor方案

序號	名稱	數量
1	SimpleMotor	1
2	帶編碼器云臺電機	1
3	USB轉串口	1
4	12V電源	1

帶編碼器云臺電機可以是AS5600，也可以是TLE5012B。
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SimpleMotor 購買鏈接：某寶購買

2.1.2、STM32方案

序號	名稱	數量
1	STM32核心板	1
2	SimpleFOCShield V2.0.3	1
3	帶磁編碼器的云臺電機	1
4	USB轉串口	1
5	5V電源	1
6	12V電源	1
7	杜邦線	若干

帶編碼器云臺電機可以是AS5600，也可以是TLE5012B。
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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的接線根據原理圖自行連接。

2.2.3、STM32接線

對照 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
PB6	SCL
PB7	SDA
3V3	VCC
GND	GND

如果是TLE5012B編碼器，如下

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

三、控制原理

3.1、閉環控制原理

1、力矩模式

??◎串口設定值為Uq，Ud固定為0；
??◎控制原理與開環控制很像，核心代碼是SVPWM；
??◎開環的θ是人為設定的，而閉環的θ來自編碼器。
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2、速度模式

??◎力矩閉環外增加了速度環；
??◎串口設定值為期望速度（Vd）；
??◎實際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械角度，先轉為電角度供SVPWM使用（θ）；
??◎根據最近兩次的角度差和時間差計算出當前速度（v），速度做濾波處理（Vf），因為速度要保持平滑不能突變；
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3、位置模式

??◎與速度環相比多了一個位置環，相應的要調試位置環PID，創作者的代碼中只使用了P參數，實際應用中一般會用PD參數。
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3.2、零點檢測

??一般的無刷電機驅動器會有個學習模式，用撥碼開關切換，第一次使用先撥到學習模式，檢測電機參數后保存到內部flash。然后切換到工作模式，驅動器每次上電都會導入存儲的參數，執行控制。
??SimpleFOC上電后也會檢測電機參數，但是沒有保存的動作，所以每次上電都要檢測，對于帶磁編碼器的電機，需要檢測機械角度和電角度的偏差（zero_electric_angle），和電機極對數（pole_pairs）。
??機械角度零點和電角度的零點，在實際操作中基本是不可能對齊的，所以同學們不要有通過調整編碼器角度，把零點對齊的這個想法。

代碼位置在：BLDCMotor.c，

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四、程序演示

注意：如果檢測到的極對數與實際不符，停止繼續操作，否則電機會堵轉
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4.1、力矩模式

1、選擇力矩模式，其它參數根據實際情況設置

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，按復位鍵重啟或者斷電重啟。
??注意：復位重啟只能重啟單片機，編碼器沒有重啟，這可能會導致重啟后的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、串口發送指令，此時發送的數據表示電壓值Uq
??注意：設置的電壓值不能超過voltage_power_supply/√3，比如電源電壓12V，設置不能超過6.92V。

5、給電機施加阻力，感受不同電壓對應不同的力矩
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注意：力矩模式不涉及PID，所以比較簡單，大功率電機設置電壓值不能太大。
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4.2、速度模式

1、選擇速度模式

注意：PID參數根據電機實際情況自行設置，不了解PID設置的請百度。
2、編譯下載
3、重新上電，等待電機初始化完成
4、串口發送指令T6.28，觀察電機是否以1圈/秒的速度轉動。

5、設置不同速度，觀察電機轉動變化。給電機施加阻力，觀察電機轉動

演示視頻：
1、5010電機：https://www.bilibili.com/video/BV1cL4y1h7RL/
2、X4108S電機：https://www.bilibili.com/video/BV1Wq4y1o7q9/
3、2804電機：https://www.bilibili.com/video/BV1j64y187qp/
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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，根據電機實際情況自行設置，不了解PID的請百度。
2、編譯下載
3、重新上電，等待電機初始化完成
4、串口發送指令T6.28，觀察電機是否轉動一圈
??上電后為了保證電機為靜止狀態，設置初始化后的目標角度為當前角度，所以第一次設置角度6.28，電機不會轉一圈。第一次可以設置目標角度為0。

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

本節源碼下載：
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1HYhEYYBlKC9BJmZXo8Ngbg
提取碼：ih65
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