STM32HAL库电机开发-速度环-位置式PID-无刷直流电机

他日若得脱身法

已于 2022-03-11 19:58:20 修改

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分类专栏： stm32hal库学习笔记电机学习基础文章标签： stm32 单片机物联网

于 2022-03-11 19:53:33 首次发布

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本文详细介绍了无刷电机的工作原理，包括霍尔传感器在电机换相中的作用，以及如何通过PID控制器实现电机速度的精确控制。在无刷电机的控制中，霍尔传感器的信号用于确定电机转子位置，进而通过调节PWM波形控制电机的转动。PID控制器根据电机的实际速度与目标速度的偏差进行调整，确保电机稳定运行。同时，文章还涉及了防止电机堵转的保护机制以及软件设计流程。

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工作原理

无刷电机和有刷电机不同，无刷电机采用三相控制，大概是这样，原理就是安培定则，也叫右手螺旋定则，电生磁来控制转子，也就是说我们需要输出的pwm波有三条通道。
在这里插入图片描述
无刷电机用到的传感器是霍尔传感器。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应：当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。

在BLDC中一般采用3个开关型霍尔传感器测量转子的位置，由其输出的3位二进制编码去控制三相六臂全桥中的6 个MOS管的导通实现换相。如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当N极逐渐靠近霍尔传感器即磁感器达到一定值时，其输出是导通状态；当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应逐渐小时，其输出仍然保持导通状态；只有磁场转变为S极便达到一定值时，其输出才翻转为截止状态。在S和N交替变化下传感器输出波形占高、低电平各占50%。如果转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期的波形。
在直流无刷电机中一般把3个霍尔传感器按间隔120度或60度的圆周分布来安装，如果按间隔120度来安装，则3个霍尔传感器输出波形相差120度电度角，输出信号中高、低电平各占180度电度角。如果规定输出信号高电平用“1”表示，低电平用“0”表示，则输出的三个信号可以用三位二进制码表示，如下图所示。
在这里插入图片描述
转子每旋转一周可以输出6个不同的信号，这样正好可以满足我们条件。只要我们根据霍尔传感器输出的值来导通MOS管即可。通常厂家也会给出真值表。一般有两个,一个是对应顺时针旋转，另一个对应的是逆时针旋转。配套电机的真值表如下。
在这里插入图片描述
上表的意思是：当检测到的3个霍尔传感器的值，则导通对应值的MOS管。例如，检测到霍尔a、霍尔b和霍尔c分别为0、0和1，则导通B-和C+对应的MOS管，其他MOS管都要处于截止状态。当导通对应的MOS管后电机就会旋转一个角度，旋转到下一个霍尔值改变为101，这时在关闭B-和C+，导通A+和B-，这样电机有将会旋转一个角度直到下一个霍尔值改变，只要我们按表中的霍尔值导通对应的MOS管电机就可按一定的方向旋转。

软件设计

基础定时器产生定时更新执行回调函数
回调函数判断是否堵转保护电路
回调函数执行pid控制函数bldcm_pid_control(）
pid控制函数获得电机转动速度，判断执行pid计算，判断运行方向，根据pid计算返回值设置电机速度函数set_bldcm_speed(）
电机控制函数输出pwm波控制函数set_pwm_pulse
pwm控制函数对通道进行占空比调整，再对三相进行换相HAL_TIM_TriggerCallback。
换相函数中调取函数get_hall_state获取霍尔传感器的状态作为换相的依据，判断正反转之后进行换相来，换相函数中进行pwm波输出。

mian.c中的控制速度是调控pwm波占空比的多少。
在这里插入图片描述
霍尔传感器采用输入捕获模式，三个通道捕获。
无刷电机的多环控制是，类比于有刷电机的多环控制。采用双环，原因是野火无刷电机驱动板上没有电流检测。

void bldcm_pid_control(void)
{
  int32_t location_actual = get_motor_location();   // 电机旋转的当前位置

	
  if (bldcm_data.is_enable)
  {
    float cont_val = 0;    // 当前控制值

		cont_val = location_pid_realize(&pid_location, location_actual);    // 进行 PID 计算
		
		/* 目标速度上限处理 */
		if (cont_val > TARGET_SPEED_MAX)
		{
			cont_val = TARGET_SPEED_MAX;
		}
		else if (cont_val < -TARGET_SPEED_MAX)
		{
			cont_val = -TARGET_SPEED_MAX;
		}
		
		set_pid_target(&pid_speed, cont_val);    // 设定位置的目标值
		
		#if defined(PID_ASSISTANT_EN)
			int32_t temp = cont_val;
			set_computer_value(SEND_TARGET_CMD, CURVES_CH2, &temp, 1);     // 给通道 2 发送目标值
		#endif
	
		
		int32_t actual_speed = get_motor_speed();
		cont_val = speed_pid_realize(&pid_speed, actual_speed);    // 进行 PID 计算
		if (cont_val < 0)
		{
				cont_val = -cont_val;
				bldcm_data.direction = MOTOR_REV;
		}
		else 
		{
				bldcm_data.direction = MOTOR_FWD;
		}

		cont_val = (cont_val > PWM_PERIOD_COUNT) ? PWM_PERIOD_COUNT : cont_val;  // 上限处理

		set_bldcm_speed(cont_val);
		
	#if defined(PID_ASSISTANT_EN)
		set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH2, &actual_speed, 1);      // 给通道 2 发送实际值
		set_computer_value(SEND_FACT_CMD, CURVES_CH1, &location_actual, 1);     // 给通道 1 发送实际值
	#else
		printf("实际值：%d, 目标值： %.0f，控制值: %.0f\n", location_actual, get_pid_target(), cont_val);
	#endif
	}
	
}