【花雕学编程】Arduino FOC 之速度闭环控制、位置闭环控制以及速度和位置双闭环控制
Arduino是一个开放源码的电子原型平台，它可以让你用简单的硬件和软件来创建各种互动的项目。Arduino的核心是一个微控制器板，它可以通过一系列的引脚来连接各种传感器、执行器、显示器等外部设备。Arduino的编程是基于C/C++语言的，你可以使用Arduino IDE（集成开发环境）来编写、编译和上传代码到Arduino板上。Arduino还有一个丰富的库和社区，你可以利用它们来扩展Arduino的功能和学习Arduino的知识。
Arduino的特点是：
1、开放源码：Arduino的硬件和软件都是开放源码的，你可以自由地修改、复制和分享它们。
2、易用：Arduino的硬件和软件都是为初学者和非专业人士设计的，你可以轻松地上手和使用它们。
3、便宜：Arduino的硬件和软件都是非常经济的，你可以用很低的成本来实现你的想法。
4、多样：Arduino有多种型号和版本，你可以根据你的需要和喜好来选择合适的Arduino板。
5、创新：Arduino可以让你用电子的方式来表达你的创意和想象，你可以用Arduino来制作各种有趣和有用的项目，如机器人、智能家居、艺术装置等。
Arduino FOC（Field Oriented Control，场向量控制）是一种先进的电机控制技术，它允许精确控制电机的转矩和速度。这种控制技术特别适用于无刷直流电机（BLDC）和步进电机。在Arduino平台上实现FOC可以提供平滑的运行和高度的扭矩、速度和位置控制，它通过精确控制电机的电流和电压来实现高效率、高精度和低噪声的操作。
主要特点:
1、高性能电机控制：FOC是一种高级的电机控制算法，可以精准控制PMSM(永磁同步电机)和BLDC(无刷直流)电机，实现平滑的转速和扭矩输出。
2、闭环控制架构：FOC采用闭环反馈控制，通过检测电机的位置和速度数据，实时调整输出电压和电流，确保电机动作符合预期。
3、模块化设计：Arduino FOC库采用模块化设计，包含电机建模、速度/位置/电流控制环、PWM生成等子模块，用户可根据需求灵活组合使用。
4、可移植性强：Arduino FOC可移植到多种硬件平台，如Arduino、ESP32、STM32与树莓派等，适用于功率从几十瓦到几千瓦的电机系统。
5、参数自动识别：FOC库具有自动识别电机参数的功能，可以大幅简化电机控制系统的调试过程。
应用场景:
1、工业自动化：在工厂的机器人、传送带、CNC加工设备等领域，Arduino FOC可提供高性能的电机控制解决方案。
2、电动车辆：电动自行车、电动汽车、电动叉车等车载电机驱动系统，可以采用Arduino FOC进行精准控制。
3、家用电器：在电风扇、洗衣机、空调等家用电器中，Arduino FOC可实现细腻的电机速度和扭矩控制。
4、航模和无人机：航模飞机、无人机等对电机控制性能要求很高的领域，Arduino FOC能够提供高精度的电机驱动。
5、机器人：工业机器人、服务机器人、仿生机器人等对电机控制性能有严格要求的领域，Arduino FOC是一个不错的选择。
需要注意的事项:
1、硬件要求：Arduino FOC对控制器的性能(如CPU频率、RAM/ROM容量等)有一定要求，需要选择合适的硬件平台。
2、调试复杂性：FOC算法涉及电机建模、坐标变换、PI调节器等诸多环节，调试和调优过程相对复杂，需要一定的专业知识。
3、噪声抑制：电机驱动电路容易产生噪声干扰，需要采取合理的屏蔽和滤波措施，确保信号质量。
4、安全防护：电机驱动系统可能会产生过电流、过压等故障,需要配备可靠的保护电路，确保人身和设备安全。
5、系统集成：将Arduino FOC集成到完整的电机驱动系统中时，需要考虑机械、电力、控制等各个方面的协调配合。
总的来说，Arduino FOC是一种功能强大、性能优秀的电机控制解决方案,适用于工业自动化、电动车辆、家用电器等众多领域。但在硬件选型、算法调试、噪声抑制和安全防护等方面都需要谨慎考虑，以确保系统稳定可靠地运行。
附录：系列目录
1、Arduino FOC的特点、场景和使用事项
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2、Arduino FOC 之简单FOC库 - 跨平台的无刷直流和步进电机FOC实现
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3、Arduino FOC 之无刷直流电机速度控制
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4、Arduino FOC 之步进电机位置控制
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5、Arduino FOC 之无刷直流电机电流控制
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6、Arduino FOC 之 SimpleFOC 库的主要函数
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7、Arduino FOC 之 ArduinoFOC库的核心函数
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8、Arduino FOC 之传感器校准
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9、Arduino FOC 之SimpleFOCShield v2.0.4无刷电机驱动板
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10、Arduino FOC 之 AS5600角度读取
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11、Arduino FOC 之 FOC算法
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12、Arduino FOC 之 SimpleFOC库的适配电机方案
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1、速度闭环控制:
主要特点:
实现BLDC电机的精确速度调节,确保电机以期望的转速运转。
采用PI控制器实现速度环闭环控制,具有良好的动态响应和稳定性。
支持通过编码器或霍尔传感器获取电机转速反馈信号。
应用场景:
需要精确速度控制的应用,如电动工具、搅拌机等。
对转速波动敏感的场合,如织机、印刷机、缝纫机等。
需要实现转速自动调节的应用,如风机、泵类设备等。
注意事项:
正确设置PI控制器的参数,以实现最佳的动态特性。
编码器或霍尔传感器的安装位置和信号质量对控制精度有重要影响。
电机负载变化可能会引起速度偏差,需要采取相应补偿措施。
2、位置闭环控制:
主要特点:
实现BLDC电机的精确位置控制,确保电机能精准定位。
采用PID控制器实现位置环闭环控制,具有良好的静态和动态特性。
支持通过编码器获取电机位置反馈信号。
应用场景:
需要精确位置控制的应用,如机械手臂、CNC机床、3D打印机等。
对定位精度要求高的场合,如伺服驱动、工业机器人等。
需要实现自动定位的应用,如自动化仓储、装配线等。
注意事项:
正确设置PID控制器的参数,以实现最佳的位置控制性能。
编码器的分辨率、安装精度等对位置控制精度有直接影响。
电机负载变化可能会引起位置超调或振荡,需要采取相应补偿措施。
3、速度和位置双闭环控制:
主要特点:
同时实现BLDC电机的速度和位置双闭环控制,能更好地满足复杂应用需求。
外环为位置环,内环为速度环,能够协调速度和位置的动态特性。
支持通过编码器获取电机速度和位置反馈信号。
应用场景:
需要实现精确位置控制和良好动态特性的场合,如机械手臂、 CNC机床等。
对运动轨迹要求苛刻的应用,如3D打印机、工业机器人等。
需要实现高精度自动化控制的场合,如数控设备、自动化生产线等。
注意事项:
合理设置位置环和速度环的PID参数,确保两环协调配合。
编码器的分辨率、安装精度等对控制精度有重要影响。
负载波动可能会引起速度和位置偏差,需要采取相应补偿措施。
系统中可能出现耦合问题,需要采取合适的解耦措施。
总的来说,Arduino FOC提供了多种灵活的电机控制方式,能够满足不同应用场景的需求。在实际应用中,开发者需要根据具体情况选择合适的控制策略,并重点关注控制参数调优、传感器选型、负载匹配等关键技术点,确保电机控制系统的稳定可靠运行。
以下是几个实际运用程序参考代码案例，分别实现了Arduino FOC的速度闭环控制、位置闭环控制以及速度和位置双闭环控制：
1、速度闭环控制：
#include <SimpleFOC.h>
// 定义BLDC电机对象
BLDCMotor motor = BLDCMotor(7, 8, 9, 10, A0);
// 创建位置传感器对象
Encoder encoder = Encoder(18, 19, 4096);
// 创建速度环控制器对象
PIDController pid = PIDController(1.0, 0.1, 0.01);
void setup() {
// 初始化串口通信
Serial.begin(115200);
// 设置电机参数
motor.voltage_power_supply = 12;
// 设置位置传感器参数
encoder.init();
// 设置控制回调函数
motor.shaft_sensor = &encoder;
motor.useMonitoring(Serial);
// 设置速度环控制器参数
pid.target = 100.0;
}
void loop() {
// 读取位置传感器数据
encoder.handle();
// 速度环控制器计算控制量
float control_signal = pid.calculate(encoder.getVelocity());
// 设置电机控制量
motor.move(control_signal);
// 更新电机状态
motor.loopFOC();
// 打印电机速度和控制量
Serial.print("Motor velocity: ");
Serial.print(encoder.getVelocity());
Serial.print(" rad/s, control signal: ");
Serial.println(control_signal);
delay(10);
}要点解读：
上述代码实现了一个简单的速度闭环控制。通过调整PID控制器的参数，可以实现对电机速度的闭环控制。
创建了一个BLDCMotor对象和一个Encoder对象，分别代表电机和位置传感器。
在setup函数中初始化串口通信和设置电机参数。
在loop函数中，首先调用encoder的handle函数更新位置传感器的数据。
速度环控制器计算控制量，通过调用pid.calculate函数，使用位置传感器的速度信息作为反馈。
电机根据控制量进行控制，通过调用motor.move函数设置控制量。
更新电机状态，通过调用motor.loopFOC函数。
最后，通过串口打印电机的速度和控制量信息。
2、位置闭环控制：
#include <SimpleFOC.h>
// 定义BLDC电机对象
BLDCMotor motor = BLDCMotor(7, 8, 9, 10, A0);
// 创建位置传感器对象
Encoder encoder = Encoder(18, 19, 4096);
// 创建位置环控制器对象
PIDController pid = PIDController(1.0, 0.1, 0.01);
void setup() {
// 初始化串口通信
Serial.begin(115200);
// 设置电机参数
motor.voltage_power_supply = 12;
// 设置位置传感器参数
encoder.init();
// 设置控制回调函数
motor.shaft_sensor = &encoder;
motor.useMonitoring(Serial);
// 设置位置环控制器参数
pid.target = 180.0;
}
void loop() {
// 读取位置传感器数据
encoder.handle();
// 位置环控制器计算控制量
float control_signal = pid.calculate(encoder.getAngle());
// 设置电机控制量
motor.move(control_signal);
// 更新电机状态
motor.loopFOC();
// 打印电机角度和控制量
Serial.print("Motor angle: ");
Serial.print(encoder.getAngle());
Serial.print(" degrees, control signal: ");
Serial.println(control_signal);
delay(10);
}要点解读：
上述代码实现了一个简单的位置闭环控制。通过调整PID控制器的参数，可以实现对电机位置的闭环控制。
创建了一个BLDCMotor对象和一个Encoder对象，分别代表电机和位置传感器。
在setup函数中初始化串口通信和设置电机参数。
在loop函数中，首先调用encoder的handle函数更新位置传感器的数据。
位置环控制器计算控制量，通过调用pid.calculate函数，使用位置传感器的角度信息作为反馈。
电机根据控制量进行控制，通过调用motor.move函数设置控制量。
更新电机状态，通过调用motor.loopFOC函数。
最后，通过串口打印电机的角度和控制量信息。
3、速度和位置双闭环控制：
#include <SimpleFOC.h>
// 定义BLDC电机对象
BLDCMotor motor = BLDCMotor(7, 8, 9, 10, A0);
// 创建位置传感器对象
Encoder encoder = Encoder(18, 19, 4096);
// 创建速度环控制器对象
PIDController velocity_pid = PIDController(1.0, 0.1, 0.01);
// 创建位置环控制器对象
PIDController position_pid = PIDController(1.0, 0.1, 0.01);
void setup() {
// 初始化串口通信
Serial.begin(115200);
// 设置电机参数
motor.voltage_power_supply = 12;
// 设置位置传感器参数
encoder.init();
// 设置控制回调函数
motor.shaft_sensor = &encoder;
motor.useMonitoring(Serial);
// 设置速度环控制器参数
velocity_pid.target = 100.0;
// 设置位置环控制器参数
position_pid.target = 180.0;
}
void loop() {
// 读取位置传感器数据
encoder.handle();
// 速度环控制器计算速度控制量
float velocity_control = velocity_pid.calculate(encoder.getVelocity());
// 位置环控制器计算位置控制量
float position_control = position_pid.calculate(encoder.getAngle());
// 设置电机控制量为速度控制量和位置控制量之和
float control_signal = velocity_control + position_control;
// 设置电机控制量
motor.move(control_signal);
// 更新电机状态
motor.loopFOC();
// 打印电机速度、角度和控制量
Serial.print("Motor velocity: ");
Serial.print(encoder.getVelocity());
Serial.print(" rad/s, angle: ");
Serial.print(encoder.getAngle());
Serial.print(" degrees, control signal: ");
Serial.println(control_signal);
delay(10);
}要点解读：
上述代码实现了一个速度和位置双闭环控制。通过调整PID控制器的参数，可以实现对电机速度和位置的闭环控制。
创建了一个BLDCMotor对象和一个Encoder对象，分别代表电机和位置传感器。
在setup函数中初始化串口通信和设置电机参数。
在loop函数中，首先调用encoder的handle函数更新位置传感器的数据。
速度环控制器计算速度控制量，通过调用velocity_pid.calculate函数，使用位置传感器的速度信息作为反馈。
位置环控制器计算位置控制量，通过调用position_pid.calculate函数，使用位置传感器的角度信息作为反馈。
电机控制量为速度控制量和位置控制量之和。
电机根据控制量进行控制，通过调用motor.move函数设置控制量。
更新电机状态，通过调用motor.loopFOC函数。
最后，通过串口打印电机的速度、角度和控制量信息。
这些代码示例展示了如何使用Arduino和SimpleFOC库来实现速度闭环控制、位置闭环控制以及速度和位置双闭环控制。通过调整PID控制器的参数，可以根据实际需求对电机进行精确的控制。这些示例代码提供了一个基础框架，可以根据具体的应用需求进行扩展和定制。
4、速度闭环控制:
#include <ArduinoFOC.h>
// 电机相关参数
MagneticSensorSPI sensor = MagneticSensorSPI(10, 12, 14);
BLDCMotor motor = BLDCMotor(11);
// 速度控制器参数
SPIDController velocity_controller = SPIDController(0.1, 0.01, 0.001);
void setup() {
// 初始化电机和传感器
sensor.init();
motor.linkSensor(&sensor);
motor.init();
// 设置速度控制器参数
motor.useVoltageMode();
motor.voltage_limit = 12; // 电压限制
motor.controller = &velocity_controller;
}
void loop() {
// 读取电机速度
float mechanical_speed = motor.shaft_velocity;
// 设置目标速度
float target_speed = 1000; // 目标速度 (RPM)
// 进行速度闭环控制
float voltage = motor.voltage_limit * velocity_controller.compute(target_speed, mechanical_speed);
motor.voltage = voltage;
motor.loopFOC();
}要点解读:
使用 MagneticSensorSPI 作为编码器传感器,与电机相连接。
初始化电机和传感器,并设置电机的电压模式和电压限制。
创建并配置 SPIDController 作为速度控制器。
在 loop() 中,读取电机当前速度,并根据目标速度和实际速度计算出所需电压,然后通过 motor.voltage 设置电机输出电压。
最后调用 motor.loopFOC() 执行FOC算法,驱动电机。
5、位置闭环控制:
#include <ArduinoFOC.h>
// 电机相关参数
MagneticSensorSPI sensor = MagneticSensorSPI(10, 12, 14);
BLDCMotor motor = BLDCMotor(11);
// 位置控制器参数
PIDController position_controller = PIDController(0.1, 0.01, 0.001);
void setup() {
// 初始化电机和传感器
sensor.init();
motor.linkSensor(&sensor);
motor.init();
// 设置位置控制器参数
motor.usePositionMode();
motor.voltage_limit = 12; // 电压限制
motor.controller = &position_controller;
}
void loop() {
// 读取电机当前位置
float mechanical_position = motor.shaft_angle;
// 设置目标位置
float target_position = 90; // 目标位置 (度)
// 进行位置闭环控制
float voltage = motor.voltage_limit * position_controller.compute(target_position, mechanical_position);
motor.voltage = voltage;
motor.loopFOC();
}要点解读:
与上一个速度闭环示例相似,但这里使用的是 PIDController 作为位置控制器。
在 setup() 中,设置电机的位置模式,并配置位置控制器参数。
在 loop() 中,读取电机当前位置,并根据目标位置和实际位置计算出所需电压,然后通过 motor.voltage 设置电机输出电压。
最后调用 motor.loopFOC() 执行FOC算法,驱动电机。
6、速度和位置双闭环控制:
#include <ArduinoFOC.h>
// 电机相关参数
MagneticSensorSPI sensor = MagneticSensorSPI(10, 12, 14);
BLDCMotor motor = BLDCMotor(11);
// 速度控制器参数
SPIDController velocity_controller = SPIDController(0.1, 0.01, 0.001);
// 位置控制器参数
PIDController position_controller = PIDController(0.1, 0.01, 0.001);
void setup() {
// 初始化电机和传感器
sensor.init();
motor.linkSensor(&sensor);
motor.init();
// 设置速度和位置控制器参数
motor.useSpeedPositionMode();
motor.voltage_limit = 12; // 电压限制
motor.speed_limit = 1000; // 速度限制 (RPM)
motor.speed_controller = &velocity_controller;
motor.position_controller = &position_controller;
}
void loop() {
// 读取电机当前位置和速度
float mechanical_position = motor.shaft_angle;
float mechanical_speed = motor.shaft_velocity;
// 设置目标位置和速度
float target_position = 180; // 目标位置 (度)
float target_speed = 500; // 目标速度 (RPM)
// 进行速度和位置双闭环控制
float voltage = motor.voltage_limit * position_controller.compute(target_position, mechanical_position);
voltage = motor.speed_limit * velocity_controller.compute(target_speed, mechanical_speed);
motor.voltage = voltage;
motor.loopFOC();
}要点解读:
这个示例同时使用了 SPIDController 作为速度控制器,PIDController 作为位置控制器。
在 setup() 中,设置电机的速度位置模式,并配置速度和位置控制器参数。
在 loop() 中,读取电机当前位置和速度,并根据目标位置和目标速度分别计算出所需电压,然后取两者的最小值作为最终输出电压。
最后调用 motor.loopFOC() 执行FOC算法,驱动电机。
注意，以上案例只是为了拓展思路，仅供参考。它们可能有错误、不适用或者无法编译。您的硬件平台、使用场景和Arduino版本可能影响使用方法的选择。实际编程时，您要根据自己的硬件配置、使用场景和具体需求进行调整，并多次实际测试。您还要正确连接硬件，了解所用传感器和设备的规范和特性。涉及硬件操作的代码，您要在使用前确认引脚和电平等参数的正确性和安全性。
