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子洲网站建设制作,网站如何做流媒体,php网站建设模板,wordpress网站主修改目录 1 项目概述 1.1 项目背景 1.2 系统功能介绍 1.3 系统使用的技术要点 2 系统硬件框架结构 2.1 电机PWM接口 2.2 电流采样接口 2.3 编码器接口 3 驱动程序实现 3.1 PWM 功能实现 3.1.1 PWM接口配置 3.1.2 验证PWM输出波形 3.2 AS5600的驱动 3.2.1 AS5600与MCU之…目录1 项目概述1.1 项目背景1.2 系统功能介绍1.3 系统使用的技术要点2 系统硬件框架结构2.1 电机PWM接口2.2 电流采样接口2.3 编码器接口3 驱动程序实现3.1 PWM 功能实现3.1.1 PWM接口配置3.1.2 验证PWM输出波形3.2 AS5600的驱动3.2.1 AS5600与MCU之间的电路结构3.2.2 驱动程序实现3.2.3 验证角度值3.3 读取电流值驱动3.3.1 MCU的ADC与驱动板接口3.3.2 电流数据验证3.4 RT-Thread Nano版本在GB32上的移植4 控制算法实现4.1 FOC控制算法4.1.1 FOC控制算法的模型4.1.2 Clarke和Park变换数学原理4.2 PID算法实现原理4.2.1 闭环控制系统模型4.2.2 PID算法模型5 功能验证5.1 开环控制(设置Vq)5.2 速度环实现和PID调参验证5.2.1 电机加速-PID算法验证5.2.2 电机减速-PID算法5.2.3 kd参数对速度环的影响测试视频【兆易创新 GD32F5】直流无刷电机控制FOC算法的实现和验证_哔哩哔哩_bilibili【兆易创新 GD32F5】直流无刷电机控制FOC算法的实现和验证-角度、svpwm波形_哔哩哔哩_bilibili【兆易创新 GD32F5】直流无刷电机控制FOC算法的实现和验证_哔哩哔哩_bilibili1 项目概述1.1 项目背景如果要问当下那个行业最火当属人形机器人行业。而机器人最核心的执行设备为关节控制关节的动力来源一般为电机而直流无刷电机控制需要专门的控制电路和软件控制算法以实现其精确的位置速度控制。本项目主要是基于 GD32F527I-EVAL开发板应用RT-Thread软件操作系统设计一套直流无刷电机的控制算法实现闭环速度、位置等功能的控制和参数验证。1.2 系统功能介绍基于GD32F527I-EVAL开发板实现如下功能1 移植RT-Thread Nano管理整个系统资源2 实现FOC控制算法并计算个输出PWM控制波至BLCD直流无刷电机驱动驱动模块。3BLCD通过转换电路将PWM4) 编码器模块-- 1 GD32F527I驱动AS5600芯片获取编码器的角度值-- 2 将机械角度转换为电角度在FOC算法中使用该角度计算SVPWM的值5 电机控制算法实现的主要功能--1 开环控制 该环主要验证FOC算法的是否能满足驱动电机的功能无需加上PID算法--2闭环控制速度环使用编码器测试电机的转动角度并根据该值计算速度值。基于该值使用PID算法形成闭环控制。--3闭环控制位置环使用编码器测试电机的转动角度并根据该值计算电机当前转过的线性值。基于该值使用PID算法形成闭环控制。1.3 系统使用的技术要点1主控模块基于RT-Thread 软件架构设计2使用的MCU: GD32F527I硬件开发板 GD32F527I-EVAL,开发软件和工具 RT-Studio Keil, Visual Code VOFA3开发语言 C语言6 控制算法 PID控制技术FOC控制算法SVPWM7编码器测试技术8 I2C总线挂载多个设备实时进行数据传输9控制PWM调速运动方向控制直流无刷电机控制原理10RT-Thread Nano版本在GD32F527I上的移植2 系统硬件框架结构2.1 电机PWM接口1 MCU上 IO接口位置 pwm波频率20 K hz , 对应的时间为 20 000 Hz 近似 5us2其对应摄像头上的插针接口位置3 原理图上位置2.2 电流采样接口1 MCU上 IO接口位置2 其对应摄像头上的插针接口位置3 原理图上位置2.3 编码器接口1 MCU上 IO接口位置2 其对应摄像头上的插针接口位置3 其对应摄像头上的插针接口位置3 驱动程序实现3.1 PWM 功能实现3.1.1 PWM接口配置1) 直流无刷电机的驱动板与MCU之间的通过PWM信号进行控制其接口电路框架结构如下3通过定时器配置PWM输出功能3.1.2 验证PWM输出波形配置PWM的的占空比使用逻辑分析仪观察波形的占空比其具体波形如下1 程序中配置占空比参数如下2 逻辑分析仪测试的波形PWM-U路波形PWM-V路波形PWM-W路波形3.2 AS5600的驱动3.2.1 AS5600与MCU之间的电路结构AS5600与MCU之间通过I2C接口连接其与磁环和电机一起集成在电机控制单元中。具体连接结构图如下3.2.2 驱动程序实现3.2.3 验证角度值电机模块与开发板的连接结构图如下用手拨动电机旋转使用VOFA接收编码器的数据并显示波形数据使用定时器单次读取AS5600的角度值数据所需要的时间为3.3 读取电流值驱动3.3.1 MCU的ADC与驱动板接口使用GB32的PA4和PA6接口采样电流值电机驱动板上的电流输入接口位置如下图3.3.2 电流数据验证电路连接方式如下驱动电机转动并使用VOFA显示数据的波形具体波形如下数据log如下3.4 RT-Thread Nano版本在GB32上的移植笔者使用GB32板卡作为电机的控制模块为了更好的利用GB32的资源这里选用RT-Thread Nano版本作为该MCU的操作系统。在使用该系统之前需要移植该系统其具体步骤如下Step -1:在Keil IDE上选择RTOS笔者已经安装了RT-Thread packetStep-2: 配置相关的代码1在board.c文件中添加MCU的时钟初始化函数2在rtconfig.h文件中使能RT_USING_CONSOLE3) 实现console的相关接口4控制台命令接口5 SysTick_Handler函数调用rt_os_tick_callback函数step-3: 测试RT-Thread运行情况当系统打印如下log信息说明RT-Thread在板卡上已经移植成功。4 控制算法实现4.1 FOC控制算法4.1.1 FOC控制算法的模型模型介绍测量通过电流传感器测量电机的两相或三相电流通过编码器测量转子角度 (θ)。Clarke变换将三相电流转换为两相静止坐标系下的 。Park变换利用转子角度 θ将转换为旋转坐标系下的直流分量。PI控制将测量到的与给定的目标值 进行比较通过PI控制器计算出需要施加的电压。Park逆变换将控制器的输出利用角度 θ 反变换回静止坐标系下的SVPWM利用 () 生成驱动三相逆变器的PWM信号最终产生所需的三相电压施加到电机上。4.1.2 Clarke和Park变换数学原理矢量控制FOC中的完整流程 如下1) Clarke变换数学原理Clarke变换是将坐标系从三相静止坐标系a, b, c变换到两相静止坐标系α, β。假设三相电流是平衡的即。等幅值变换变换前后矢量幅值不变为了计算方便通常假设:, 所以, 上式可以简化为等功率变换变换前后功率不变矩阵系数会有所不同但在FOC中常用等幅值变换。2) Park变换数学原理Park变换是将坐标系从两相静止坐标系α, β变换到两相旋转坐标系d, q。 Park变换需要一个关键参数转子当前的电角度 θ。这个角度通常通过编码器等位置传感器获得。其逆变换Park反变换为4.2 PID算法实现原理4.2.1 闭环控制系统模型闭环Closed Loop控制器输出值给被控对象同时获取被控对象的反馈控制器知道被控对象的执行状态可以根据反馈修改输出值以优化控制。其控制模型如下4.2.2 PID算法模型核心思想根据系统的“当前误差”P、“过去累积的误差”I和“未来误差的变化趋势”D这三个因素通过线性组合的方式计算出控制量从而让被控对象电机转速快速、准确、稳定地达到并维持在目标值Setpoint。PID算法是一种常用的反馈控制算法全称为Proportional-Integral-Derivative。它根据测量值与设定值的差距经过比例、积分和微分的处理得到控制器的输出。 其定义如下具体控制模型如下图离散化的PID控制算法位置式公式如下5 功能验证5.1 开环控制(设置Vq)根据FOC 控制算法的原理设置Vq的值驱动电机转动观察角度值的变化同时逆变器输出的电压波形图本测试不将加入PID相关的自动控制算法。系统电源的工作最大电压为 12V电机Uq的取值范围为-6 6单位为: V1 设置Uq 1v时电压运行的状态参数意义2设置Uq 4v时电压运行速度明显加快其波形如下3) 验证算法的运行时间使用示波器验证foc算法的运行时间 通过波形可得该算法消耗时间为 256.688 ns5.2 速度环实现和PID调参验证5.2.1 电机加速-PID算法验证目标速度值为 20 rad/s运行的波形图5.2.2 电机减速-PID算法目标速度值为 12 rad/s运行的波形图当前运行速度 20 rad/s目标速度值为 1 rad/s运行的波形图5.2.3 kd参数对速度环的影响更改PID参数如下当前运行速度20 rad/s目标速度值为1 rad/s运行的波形图如下其和4.2.2中的运行波形相比调节速度明显快很多。当前运行速度 1 rad/s目标速度值为 20 rad/s