- 一、原理说明
- 1.1、电流采样
- 1.1.1、为什么要采样电流
- 1.1.2、电流采样方式
- 1.1.2.1、低侧电流采样
- 1.1.2.2、高侧电流采样
- 1.1.2.3、内置电流采样
- 1.2、电流变换
- 1.2.1、AD转换
- 1.2.2、clark变换
- 1.2.3、Park变换
- 1.2.4、LPF运算
- 1.2.5、PID运算
- 二、电流采样参数设置
- 2.1、SimpleFOC V2.0.3 的参数
- 2.2、PowerShield V0.2 的参数
- 2.3、SimpleMotor 的参数
- 2.4、电流实际波形
- 三、扭矩模式
- 3.2.1、电压模式(Voltage mode)
- 3.2.2、直流模式(DC current mode)
- 3.2.3、FOC模式(FOC current mode)
- 3.2.4、三种模式对比
- 四、硬件介绍
- 4.1、原理图
- 4.2、SimpleMotor方案
- 4.2.1、准备清单
- 4.2.2、接线
- 4.3、STM32方案
- 4.3.1、准备清单
- 4.3.2、接线
- 五、程序演示
- 5.1、力矩模式
- 5.2、速度模式
- 5.3、位置模式
一、原理说明 1.1、电流采样 1.1.1、为什么要采样电流
FOC（Field-Oriented Control），即磁场定向控制，磁场大小与绕组中的电流成正比，所以对磁场的控制在程序上就是对电流的控制。前几节的程序并没有使用电流环，而是直接使用电压值，确实可以达到还行的效果。但是这样做有两个问题：
-
1、不能保证i_d为零，i_q等于目标值，因此电机并不能工作在效率最高的状态，力矩控制也是不准确的。
-
2、相电压施加在电感上产生相电流，电压和电流有相位差且并不恒定，低速运行时相位差对电机的影响不明显，但是当速度快了或者速度变化率高了以后，相位差的影响就会非常明显。
电流采样主要有三种方式：
- 低侧电流采样
- 高侧电流采样
- 内置电流采样
低侧电流检测可能是最常见的电流检测技术，主要是因为它既不需要高性能的PWM抑制运放（如内置），也不需要支持高压的运放（如高侧），采样电阻在低侧MOS和GND之间，确保了运放输入端的电压非常低。这种方法的缺点是，必须在下桥臂MOS打开时检测电流，PWM频率通常为20k～50khz，这意味着低侧MOS的开关频率为每秒20k～50k次，因此PWM设置与ADC采集之间的同步非常重要。
高侧电流检测可能是最不常见的电流检测技术，因为它需要支持高压的运放，采样电阻在高侧MOS和直流电源电压之间，使放大器的输入端始终有高电压。 这种方法的另一个缺点和低侧电流采样一样，需要同步PWM和ADC。
内置电流检测（InlineCurrentSense）是使用起来最简单但是最精准的技术。 采样电阻串联在电机相线上，检测的电流始终都是电机相电流，因为电感中的电流不会突变，所以无论PWM占空比的状态如何，采样到的电流都是连续稳定的。
这种方法非常适合Arduino，采样程序变得简单了，这应该是考虑到了MEGA328P微弱的性能以及跨平台时程序的适配。内置电流检测的缺点主要在于芯片，需要比常规放大器更好的PWM抑制功能的高精度双向运放，简单的说就是硬件成本高。
1.2、电流变换本节增加电流环，主要增加了以下功能，
- 1、AD转换获取电流值Ia和Ib，
- 2、通过Clark变换得到Iα和Iβ ，
- 3、获取电机角度，通过Park变换得到Id和Iq，
- 4、Id、Iq不能突变，同时为减少干扰，做平滑滤波，
- 5、Id、Iq与设定值比较，通过PID运算得到Vd 和Vq,
为了与官方代码保持一致，AD转换采用简单的单通道转换模式，主程序循环一次获取一次A/B相的电流。
Park变换中的“θ”是电角度，由读出的编码器角度转变而来
- dc_current模式只有 Iq 的LPF运算
- foc_current模式有 Iq 和 Id 的LPF运算
官方的LPF运算比较复杂，本人在移植过程中做了简化
- dc_current模式只有q轴电流的PID运算
- foc_current模式有q轴电流和d轴电流两个变量的PID运算
- 电流环使用 P、I 两个参数。
- 采样电阻0.01 Ω
- 运放为INA240A2，放大倍数50
- 背面需分别短接A0/A2至输出
- C1_OUT=INA_VCC/2 + 0.01 * I * 50
- 如果INA_VCC=3.3V，C1_OUT=1.65 + 0.01 * I * 50，电流范围（-3.3A,3.3A）
- 如果INA_VCC=5.0V，C1_OUT=2.50 + 0.01 * I * 50，电流范围（-5A,5A）
- 采样电阻0.001 Ω
- 运放为INA240A2，放大倍数50
- C1_OUT=1.65 + 0.001 * I * 50，电流范围（-33A,33A）
- 采样电阻0.001 Ω
- 运放为INA240A1，放大倍数20
- C1_OUT=1.65 + 0.001 * I * 20，电流范围（-82.5A,82.5A）
下图为电机静止时A/B相运放输出端波形，VCC=3.3V，所以此时电压=1.65V，
下图为电机转动时运放输出端波形
SimpleFOC中有三种扭矩模式：
- Voltage mode - the simplest one
- DC current mode - 1xPID controller + 1xLPF
- FOC current mode - 2xPID controller + 2xLPF filters
- 电压模式是之前示例中一直使用的模式，
- 因为不用采样电流，所以硬件简洁，程序简单，执行速度快，
- 适合低速电机控制
- 检测电流大小，实现电流环控制
- 只控制Iq，设置Vd=0，
- 像控制直流电机一样控制无刷直流电机的电流
- 控制Iq和Id，使转子中的磁力与永磁场精确偏移90度，从而确保最大转矩，
- 唯一真正的转矩控制方法，
- 保证电机始终工作在高效状态
| 序号 | 名称 | 数量 |
|---|---|---|
| 1 | SimpleMotor | 1 |
| 2 | 带编码器云台电机 | 1 |
| 3 | USB转串口 | 1 |
| 4 | 12V或24V电源 | 1 |
带编码器云台电机可以是AS5600，也可以是TLE5012B。
24V电源去掉跳线帽
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只展示M1的接线，M2的接线根据原理图自行连接。
| 序号 | 名称 | 数量 |
|---|---|---|
| 1 | STM32核心板 | 1 |
| 2 | SimpleFOCShield V2.0.3 | 1 |
| 3 | 带编码器的云台电机 | 1 |
| 4 | USB转串口 | 1 |
| 5 | 5V电源 | 1 |
| 6 | 12V电源 | 1 |
| 7 | 杜邦线 | 若干 |
带编码器云台电机可以是AS5600，也可以是TLE5012B。
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Shield V2.0.3的背面按照上图短接
对照 Shield V2.0.3 的原理图：
| STM32核心板 | V2.0.3 |
|---|---|
| PA0 | 5 |
| PA1 | 9 |
| PA2 | 6 |
| PB9 | 8 |
| PA3 | A0 |
| PA4 | A2 |
| 3V3 | 3V3 |
| GND | GND |
如果是AS5600编码器，如下
| STM32核心板 | AS5600电机 |
|---|---|
| PB6 | SCL |
| PB7 | SDA |
| 3V3 | VCC |
| GND | GND |
如果是TLE5012B编码器，如下
| STM32核心板 | TLE5012电机 |
|---|---|
| PB15 | MOSI |
| PB14 | MISO |
| PB13 | SCK |
| PB8 | CSQ |
| GND | GND |
| 3V3 | VCC |
只展示M1的接线，M2的接线根据原理图自行连接。
注意：
1、如果改变采样通道，ADC_Init_()函数中也要修改IO口，
2、voltage_limit最大只能设置为供电电压的 1/√3（12V限制为6.9，24V限制为13.8）。
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
(待续)
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！
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SimpleFOC移植STM32（二）—— 开环控制
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SimpleFOC移植STM32（四）—— 闭环控制
