SimpleFOC（二）—— 快速入门 （开环控制）

原创 2022-05-21 17:43:24 3.7w 阅读 AI写同款
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STM32搭配SimpleFOC实现直流无刷电机BLDC开环控制完整指南 直流无刷电机（BLDC）凭借高效率、长寿命等优势，已广泛应用于无人机、机器人关节和电动工具等场景。然而，传统方波换相存在转矩脉动大、低速性能差等痛点，而磁场定向控制（FOC）虽能实现平滑驱动，其复杂的坐标变换与SVPWM算法却令许多开发者望而却步。SimpleFOC作为开源电机控制库，将FOC核心算法高度封装，让开发者无需深入数学推导即可快速上手。本文从基础概念出发，讲解开环控制原理——即通过旋转电压矢量牵引转子同步运动，并重点分享基于STM32与SimpleFOC的硬件接线、PlatformIO工程配置、 阅读详情
AI摘要

本文详细介绍使用SimpleFOC进行电机开环控制的方法，包括硬件准备、软件安装配置及示例程序运行步骤。适合初学者快速掌握电机控制的基础知识。

目录


 

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

●一、硬件介绍

  

◆1、驱动板版本说明

  1、V1.3.3         2、V2.0.3        3、V0.2
在这里插入图片描述
    V1.3.3没有电流采样，这样做的好处是硬件成本低，控制程序简单，但缺点是力矩控制是开环的，直接输出电压（也就是PWM的占空比）来调节力矩。升级后的第二代V2.0.x增加了电流采样，可以做到力矩闭环，当然代价就是增加了采样电阻和运放，成本提高了。
    V2.0.x的板载驱动芯片是L6234，工作电压7-52V，峰值电流5A，官方推荐工作电压<24V，电流<3A，负载电机的内阻要>10欧姆。主要是针对小功率云台电机。
    V0.2是大功率驱动器。主要是更换了驱动芯片，其控制方法与小功率类似。板载驱动芯片是BTN8982TA，工作电压可达40V，电流55A。
    程序学习先从小功率云台电机开始。
  

◆2、驱动板跳线

    按照创作者的设计，Arduino主板可以同时控制两个电机，但是V2.0.3驱动板只能接一个电机，所以需要手动把控制引脚和驱动电路连接起来。本节只演示开环控制程序，只需要把9、5、6、8引脚连接即可。直接用焊锡短接或者0欧姆电阻连接。
在这里插入图片描述

  

◆3、硬件准备

序号名称数量
1Arduino UNO1
2simpleFOCShield V2.0.31
3云台电机1
412V电源1
5方口USB线1
在这里插入图片描述
● simpleFOCShield V2.0.3购买链接：淘宝购买
●电机购买链接：淘宝购买
  

◆4、硬件连接

    ①、SimpleFOCShield V2.0.3主板与Arduino UNO主板堆叠连接，
    ②、USB线连接Arduino UNO主板，与主板通信并提供5V电压，
    ③、12V电源连接主板TB_PWR接口，注意正负极，
    ④、电机三根相线连接至V2.0.3主板TB_M1的3个接口。三根相线不用区分，任意接在端子上。
 

  12V先不要上电，开环控制电机会发热，上电时间过久容易烧坏。最好等到程序编译上传后再上电，上电尽快操作。
  开环控制的目的主要是建立对电机控制的初步认识，以及验证电机和驱动板功能是否正常，不要停留太久！

    硬件连接如下图：
在这里插入图片描述

  
  

●二、软件操作

  

◆1、安装Arduino IDE

    SimpleFOC是完全基于Arduino的一个开源项目，所以对这个项目有兴趣的同学要先熟悉Arduino。
    Arduino IDE下载地址：https://www.arduino.cc/en/software
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
    此软件免安装，下载的文件，放到不包含中文路径的文件夹中，解压后双击图标 打开软件，如果打开失败，可能是需要安装JDK，请先安装Java的JDK。
  

◆2、安装SimpleFOC library

    ◎打开软件后，点击 工具—>管理库
在这里插入图片描述
    ◎在打开的小窗口中输入Simple FOC，选择最新版本，点击安装。
在这里插入图片描述
    安装完以后关闭软件，重新打开Arduino IDE。
  

◆3、打开示例程序

在这里插入图片描述
  

●三、电机控制

 

◆1、程序下载

motor.voltage_limit 控制开环时的电流，对于大功率航模电机设置小一点（0.5-1）否则电机发热严重；对于小功率云台电机设置大一点（1-3）否则电机无力转不动。
 
◎例程打开后程序不需要做任何改动，只要驱动板的跳线是按照《2、驱动板跳线》9、5、6、8连接，电机极对数虽然不一定刚好正确，但是开环情况下并没有影响。
在这里插入图片描述
  
◎点击 工具，查看端口是Arduino所用接口（主要针对电脑上连接有多个USB转串口）。
在这里插入图片描述
  
◎点击“上传”，等待上传成功，
在这里插入图片描述
  

◆2、开环速度控制

◎开环速度控制需要通过串口发送指令，所以先打开“串口监视器”，
在这里插入图片描述
◎修改波特率为115200，Arduino初始化后会上传信息，如下图：
在这里插入图片描述
◎输入速度“T5”（T表示这是一个速度指令，5的单位是rad/s），然后点击“发送”，
在这里插入图片描述
◎收到指令后电机开始转动，并回复当前速度，
在这里插入图片描述
◎输入不同的速度指令，可观察到电机转速随指令变化，速度不能设置太快，会导致电机失步，由转动变成震动。
  
开环速度演示视频：https://www.bilibili.com/video/BV1KK4y1R7dm/
  
注意：
1、不同电机KV值不同，可以设置的最大速度不同，
2、开环控制时间不能太久，电机会发热。此程序主要为演示，正常使用一般采用闭环模式。
  

◆3、开环位置控制

◎打开示例程序
在这里插入图片描述
◎修改电机极对数，当前所用电机极对数为7。极对数就是电机的外转子中的磁钢数，当前电机有14片磁钢，也就是7对。simpleFOC的程序可以自动检测极对数，在稍后章节中会给大家讲解。
在这里插入图片描述
◎编译，上传。示例代码为只读文件，修改后的程序不能保存，如需保存要另存为。
在这里插入图片描述
◎打开 串口监视器，
在这里插入图片描述
◎等待程序完成初始化，
在这里插入图片描述
◎输入位置信息，点击 发送
在这里插入图片描述
◎可以看到电机转了一圈后停止，并回复位置信息。
在这里插入图片描述
◎输入不同的位置指令，可观察到电机转动到不同位置。
  
开环位置演示视频：https://www.bilibili.com/video/BV1q44y1z7jj/
  

◆4、程序说明

  ⑴、SimpleFOC中，所有的速度、角度和位置信息都是弧度制，180°=π=3.14，所以360°=6.28。
  ⑵、在开环速度例程中：
  因为电机极对数不正确，可能会导致设置速度与实际速度不一致，如果修改为当前使用的电机极对数7，输入6.28，电机会按照6.28rad/s的速度转动，也就是一秒一圈。
  ⑶、在开环位置例程中：
  上电后电机复位为0度（电角度），角度计算采用累加的方式，比如输入角度为10，电机转动10rad到指定位置，再输入11，则沿着刚才的方向再转动1rad到11rad，再输入0，电机反转回到起始位置。
  如果电机极对数设置不正确，比如当前使用的电机极对数为7，程序中为11，输入6.28，电机会转动11个极对数，也就是一圈半多一点。关于电角度和机械角度的区别请自行百度。
 
 
（完）
 
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请继续阅读相关文章：
SimpleFOC（一）—— 简介（附有文件下载链接）
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SimpleFOC（四）—— 闭环控制
SimpleFOC（五）—— 双电机控制
SimpleFOC（六）—— PowerShield和AS5047P
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SimpleFOC（八）—— 理论+实践 深度分析SVPWM
SimpleFOC（九）—— 霍尔电机控制

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