SimpleFOC（九）—— 霍尔电机控制

 

霍尔相关的示例有好几个，本文只演示有代表性的两个：读取霍尔角度和速度闭环控制。

一、原理说明

1.1、霍尔电机

  霍尔电机就是带霍尔传感器的直流无刷电机。

• 通过霍尔传感器判断电机当前运动状态，控制器根据霍尔采集的信号控制三相输出，让电机持续正常的工作，
• 霍尔传感器的优点是便宜，而且几乎可以安装在任何无刷直流电机上，
• 缺点是，由于角度测量的量化相对较高，因此低速运行不够平滑，
• 使用霍尔传感器的另一个原因是，在无法接近电机轴，或者无法将传感器安装到电机轴上的情况下，霍尔传感器安装在电机转子周围，这使得它们非常非侵入性且易于集成，
• 最常见的应用就是电动自行车，
• 霍尔电机是直流无刷电机中应用最多最广泛的一个分类。
  

1.2、霍尔传感器

1.3、极对数

• 电机每转过一对磁极，霍尔输出6个状态，如果电机是2对极，则一圈有12个状态；如果电机是6对极，则一圈有36个状态。
• 一般来说，极对数多的电机，外观短粗，转速低扭矩大；极对数少的电机，外观细长，转速高扭矩小。
• 在SimpleFOC中，一圈的机械角为2Pi，如果一圈有12个状态，则每次角度变化为Pi/6；如果一圈有36个状态，则每次角度变化为Pi/18。

1.4、霍尔信号的连接

• 霍尔元件一般都是开漏输出，所以需要外接上拉电阻。V2.0.3的板子上有相应配置，需要短接背面的跳线，
  
• Arduino UNO的板子只有两个中断引脚，Hall的三根信号线不能全部接入，
  
• 为了兼容UNO的板子，创作者增加软件中断功能，需要头文件和，编译的时候提示没有这个文件，
  
• 出现这个问题后，我决定放弃Arduino UNO，直接使用STM32核心板。
• 如果使用STM32核心板，霍尔信号可以直接接在核心板上，需要配置IO为输入上拉模式。
   

二、读取霍尔角度

2.1、硬件介绍

2.1.1、原理图

注意：霍尔三根线不分顺序，接在这三个IO口上就行，原理图上标注只是为了方便描述。

2.1.2、SimpleMotor方案

2.1.2.1、准备清单

序号	名称	数量
1	SimpleMotor	1
2	霍尔电机	1
3	USB转串口	1
4	12V电源	1
5	杜邦线	若干

SimpleMotor 购买链接：某宝购买
2.1.2.2、接线

SimpleMotor	霍尔电机
PB6(SCL1)	Hall_U
PB7(SDA1)	Hall_V
PA12	Hall_W
3V3	VCC
GND	GND

2.1.3、STM32方案

2.1.3.1、准备清单

序号	名称	数量
1	STM32核心板	1
2	霍尔电机	1
3	USB转串口	1
4	5V电源	1
5	杜邦线	若干

2.1.3.2、接线

STM32核心板	霍尔电机
PB6	Hall_U
PB7	Hall_V
PA12	Hall_W
3V3	VCC
GND	GND

 

2.2、示例演示

2.2.1、打开示例

2.2.2、修改代码

2.2.3、编译上传

2.2.4、用手转动电机，看角度变化

  根据角度变化估算极对数。

 

三、速度闭环控制

3.1、硬件介绍

3.1.1、原理图

注意：霍尔三根线不分顺序，接在这三个IO口上就行，原理图上标注只是为了方便描述。

3.1.2、SimpleMotor方案

3.1.2.1、准备清单

序号	名称	数量
1	SimpleMotor	1
2	直流无刷减速电机	1
3	USB转串口	1
4	12V电源	1

SimpleMotor 购买链接：某宝购买
3.1.2.2、接线

SimpleMotor	霍尔电机
PB6(SCL1)	Hall_U
PB7(SDA1)	Hall_V
PA12	Hall_W
3V3	VCC
GND	GND

3.1.3、STM32方案

3.1.3.1、准备清单

序号	名称	数量
1	STM32核心板	1
2	SimpleFOCShield V2.0.3	1
3	霍尔电机	1
4	USB转串口	1
5	5V电源	1
6	12V电源	1
7	杜邦线	若干

SimpleFOCShield V2.0.3购买链接：某宝购买
3.1.3.2、接线

STM32核心板	霍尔电机
PB6	Hall_U
PB7	Hall_V
PA12	Hall_W
3V3	VCC
GND	GND

STM32核心板	V2.0.3
PA0	5
PA1	9
PA2	6
PB9	8
GND	GND

 

3.2、示例演示

3.2.1、修改底层代码

• 官方代码编译运行后，PWM的频率只有550Hz（72M/2/65536），需要直接修改底层代码，提高PWM频率为25KHz。
• 不修改也可以，只是电机有啸叫声且工作电流偏大，不熟练的同学可以先跳过这一段。
• 在“generic_mcu.cpp”修改这两个地方，路径：我的电脑\文档\Arduino\libraries\Simple_FOC\src\drivers\hardware_specific
  

  pinMode(PA0, PWM);
  pinMode(PA1, PWM);
  pinMode(PA2, PWM);
  Timer2.pause();
  Timer2.setPrescaleFactor(8); // 72/8=9MHz
  Timer2.setCompare(TIMER_CH1, 0);
  Timer2.setCompare(TIMER_CH2, 0);
  Timer2.setCompare(TIMER_CH3, 0);
  Timer2.setOverflow(359);  //9M/360=25kHz
  Timer2.refresh();
  Timer2.resume();

  pwmWrite(pinA, 360.0*dc_a);
  pwmWrite(pinB, 360.0*dc_b);
  pwmWrite(pinC, 360.0*dc_c);

3.2.2、打开示例

  打开的是位置控制，在这个基础上修改为速度控制，

3.2.3、修改代码

• 修改angle就是位置模式，记得顺便修改位置环PID，
• 我觉得霍尔电机不适合做位置控制，只测试了一下就没再继续，
• FOCModulationType底层代码中默认是SPWM，实际测试SPWM和SVPWM效果差别不明显，

3.2.4、编译上传

3.2.5、串口发送指令

  观察电机转动


 

四、方波控制

方波控制修改两个地方：

4.1、更改IO

• 需要三个PWM信号和三个Enable信号，
• SimpleFOCShield V2.0.3的三个Enable连在了一起，所以不能用于方波控制，
• PowerShield V0.2的三个使能引脚独立引出，可以用于方波控制。
  
   

4.2、更改PWM调制模式

• FOCModulationType设置为Trapezoid_120或者Trapezoid_150，
  

• Trapezoid_120是六步换相法，

  • a—>b,
  • a—>c,
  • b—>c,
  • b—>a,
  • c—>a,
  • c—>b,

• Trapezoid_150是12步换相法，换相时多了一个中间状态，

  • a—>b,
  • a—>b/c,
  • a—>c,
  • a/b—>c,
  • b—>c,
  • …

4.3、方波的控制效果

• 上电零点校准是“咔咔”的跳着走，与SVPWM的不同，
• 电机转动特别是速度快了以后，比如T20，与SVPWM的效果并没有不同，
• 理论上用方波单片机的计算量减少，电机在最大转速范围内能达到的转速更高，但实际测试与SVPWM并没太大差别。

写后感

• 6月份的时候调试过霍尔电机，没有转起来，以为是simpleFOC不支持，并且还在Q群里放过话。后来网友陆续调试出来了，赶紧再回去看看，确实可以控制，难度并不大，大概是经过这三个月对底层代码的学习，对SimpleFOC有了更深的认识和思考。
• 但就这么点活还是干了一周，意兴阑珊，hall的官方示例有好几个，有兴趣的同学自己研究吧！
   
  (完)
   

 
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