电机控制开发

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前言

野火，基于STM32硬件（步进电机，（伺服电机）、直流有刷电机，直流无刷电机，永磁同步电机PMSM，舵机）PID闭环、步进加减速、直线圆弧插补

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0.各电机介绍

(1).直流有刷电机

其几个重要的参数：（在电机选型时我们需要考虑这些问题）
• 空载转速：正常工作电压下电机不带任何负载的转速（单位为 r/min（转/分））。空载转速由于没有反向力矩，所以输出功率和堵转情况不一样，该参数只是提供一个电机在规定电压下最大转速的参考。
• 空载电流：正常工作电压下电机不带任何负载的工作电流（单位 mA（毫安））。越好的电机，在空载时，该值越小。
• 负载转速：正常工作电压下电机带负载的转速。
• 负载力矩：正常工作电压下电机带负载的力矩（N·m（牛米））。
• 负载电流：负载电流是指电机拖动负载时实际检测到的定子电流数值。
• 堵转力矩：在电机受反向外力使其停止转动时的力矩。如果电机堵转现象经常出现，则会损坏电机，或烧坏驱动芯片。所以大家选电机时，这是除转速外要考虑的参数。堵转时间一长，电机温度上升的很快，这个值也会下降的很厉害。
• 堵转电流：在电机受反向外力使其停止转动时的电流，此时电流非常大，时间稍微就可能会烧毁电机，在实际使用时应尽量避免。
• 减速比：是指没有减速齿轮时转速与有减速齿轮时转速之比。
• 功率：般指的是它的额定功率（单位 W（瓦）），即在额定电压下能够长期正常运转的最大功率，也是指电动机在制造厂所规定的额定情况下运行时, 其输出端的机械功率。

控制电路原理设计：

L298n的H桥实现电路图：

pwm控制速度、方向
代码：主要包括pwm的初始化和占空比的改变

驱动板的电流电压采集
代码：

过载保护：
代码：

(2).舵机

按照舵机的控制电路可以分为：模拟舵机和数字舵机。模拟舵机和数字舵机的机械结构可以说是完全相同的，模拟舵机的控制电路为纯模拟电路，需要一直发送目标信号，才能转到指定的位置，响应速度较慢，无反应区较大；数字舵机内部控制电路则加上了微控制器，只需要发送一次目标信号，即可到达指定位置，速度比模拟舵机更快，无反应区也更小。
按照外部接口和舵机的控制方式，可分为：PWM 舵机和串行总线舵机。
工作原理（模拟舵机）：
模拟舵机内部的控制驱动电路板从外界接收控制信号，经过处理后变为一个直流偏置电压，在控制板内部有一个基准电压，这个基准电压由电位器产生并反馈到控制板。将外部获得的直流偏置电压与电位器的电压进行比较获得电压差，并输出到电机驱动芯片驱动电机，电压差的正负决定电机的正反转，大小决定旋转的角度，电压差为 0 时，电机停止转动。

（从图中可以看到，舵机内部是闭环控制的，所以这一类电机实际上是一种位置（角度）伺服的简化版伺服电机，将工业伺服电机的三闭环控制简化成了只有一个位置闭环。）
其控制原理如图，随着pwm的脉宽，角度改变：

代码：
由上图得出其输入信号脉冲宽度为20ms，那我们要将其脉冲配置为20ms，比如在使用f103的情况下，TIM4的时钟为72M，那么配置：

#define            GENERAL_TIM_Period            1000
#define            GENERAL_TIM_Prescaler         1440

可得定时器时钟频率f=72/1440=50k，那么一个时钟为T=1/f = 0.00002s，周期为1000*0.00002s = 20ms。
舵机的脉冲宽度：0.5~2.5ms，所以占空配置为：0.5/20* GENERAL_TIM_Period ~ 2.5/20* GENERAL_TIM_Period
设置角度的函数如下：

/**
  * @brief  设置舵机占空比
  * @param  angle: 占空比，（0.5/20.0*PWM_PERIOD_COUNT 到 2.5/20.0*PWM_PERIOD_COUNT）
  * @retval 无
  */
void set_steering_gear_dutyfactor(uint16_t dutyfactor)
{
  #if 1
  {
    /* 对超过范围的占空比进行边界处理 */
    dutyfactor = 0.5/20.0*GENERAL_TIM_Period > dutyfactor ? 0.5/20.0*GENERAL_TIM_Period : dutyfactor;
    dutyfactor = 2.5/20.0*GENERAL_TIM_Period < dutyfactor ? 2.5/20.0*GENERAL_TIM_Period : dutyfactor;
  }
  #endif
  TIM_SetCompare3(TIM4, dutyfactor);
}

/**
  * @brief  设置舵机角度
  * @param  angle: 角度，（0 到 180（舵机为0°-180°））
  * @retval 无
  */
void set_steering_gear_angle(uint16_t angle_temp)
{
  angle_temp = (0.5 + angle_temp / 180.0 * (2.5 - 0.5)) / 20.0 * GENERAL_TIM_Period;    // 计算角度对应的占空比
  set_steering_gear_dutyfactor(angle_temp);    // 设置占空比
}

(3).步进电机

输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
分类：
按相数：单相、二相、三相、四相、五相步进电机
按励磁方式：磁阻式、永磁式、混磁式
永磁式：PM，步距角3.5度居多
磁阻式：（反应式）采用软磁材料，一般是硅钢片，步距角可以达到1.2度，效率低
混合式：为以上两种的混合体，其步距角：二相一般1.8，三相1.2，五相0.72

举例：五线四相步进电机：也被称为单极性步进电机：电流方向固定，从其他地方汇集到公共端。

四线双极性：没有公共端，电流方向可以改变

工作原理：
单极性步进电机（分为共阴极、共阳极）：
可以单相整步驱动（就是同一时间内只有一组线圈导通，只需要稍微分析一下就可以得出其运动方向（右手螺旋定则））：

也可以两项整步驱动（也叫四相四拍驱动方式）：

我们可以将以上两种结合在一起，四相八拍驱动：（一个缺点：1，3，5，7拍的扭矩小于2，4，6，8拍）

技术指标：
技术指标
静态参数
•相数
• 拍数
• 步距角
• 定位转矩：电机在不通电状态下
• 静转矩
动态参数
• 步距角精度
• 失步：一般都是因负载 太大或者是频率过快。
• 失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误 差，采用细分驱动是不能解决的。
• 最大空载起动频率：在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
• 最大空载的运行频率：电机不带负载的最高转速频率。
• 运行转矩特性：电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流 越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。

主要特点
1.步进电机的精度大概为步距角的 3-5%，且不会积累
2.步进电机的外表允许的最高温度：一般步进电机会因外表温度过高而产生磁性减小，从而 会导致力矩较小，一般来说磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。
3.步进电机的转矩与速度成反比，速度越快力矩越小。
4.低速时步进电机可以正常启动，高速时不会启动，并伴有啸叫声。步进电机的空载启动频 率是固定的，如果高于这个频率电机不能被启动并且会产生丢步或者堵转。

步进电机的驱动：
需要驱动器

代码：pwm配置

(4).无刷直流电机

缺点：转矩小
无刷直流电机（BLDC，反电动势为梯形波）、永磁同步电机（PMSM，反电动势为正弦波）

参数：
额定电压：由工作环境决定

KV 值 ：实际转速 =KV 值*工作电压

转矩与转速：最大电流和最大功率

槽极结构（N：槽数，P：极数）
铁芯极数（槽数)定子硅钢片的槽数量
磁钢极数（极数)转子上磁钢的数量
模型常见的内转子无刷电机结构有: 3N2P(有感电机常用)、12N4P(大部分内转子电机) 模型常见的外转子无刷电机结构有:9N6P、9N12P、12N8P、12N10P、12N14P、18N16P、24N20P。 模型用内转子无刷电机极数不高的原因: 目前内转子电机多用于减速使用，所以要求的转速都比 较高。电子转速 = 实际转速 * 电机极对数，电子控制器支持的最高电子转速往往都是一个定数，所以如果电机极对数太高的话，支持的最高电机转速就会下降，所以目前的内转子电机极数都是 4以内。

其他设计驱动需要的参数
定子电感：电动机静止时的定子绕组两端的电感。 定子电阻：在 20℃下电动机每相绕组的直流电阻。 反电动势系数：在规定条件下，电动机绕组开路时，单位转速在电枢绕组中所产生的线感应电动势值。

工作原理
无刷电机是带反馈电路的，每时每刻都需要获取转子的位置：

三相六臂全桥驱动电路驱动无刷电机：

在上图中导通 Q1 和 Q4，其他都不导通，那么电流将从 Q1 流经 U 相绕组，再从 V 相绕组流到 Q4。这样也就完成了上一节中的第一步，同理，依次导通 Q5Q4、Q5Q2、Q3Q2、Q3Q6 和 Q1Q6， 这也就完成了 6 拍工作方式。但是，单片机的引脚直接驱动 MOS 管还是不行的，所以这里需要 使用专用的 IC 来驱动 MOS 管。 我们再来思考一个问题，在想让一对 MOS 管导通时，是需要知道上一步导通的是哪两个 MOS 管，而且第一步中 MOS 管导通时转子的位置是我们自己规定，在实际使用中启动时转子的位置 却是未知的，因此，我们并不知道第一步应该导通哪两个 MOS 管，所以这里我们需要知道转子 的位置信息。但并不需要连续的位置信息，只需要知道换相点的位置即可。
获取转子位置一般有两种方法，一种是使用传感器（霍尔传感器：成本低，光栅编码器：精度高，旋转变压器：可靠性高），一种是不使用传感器（直接使用反电势来估计转子的位置）。

这里以霍尔传感器举例子。
（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。

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。

控制
1.
速度公式：

V=(Ua-IaRa)/CEϕ

影响电机转速的三个参量分别是电枢回路的总电阻 Ra, 调整电枢绕组的供电电压 Ua 或者调整励磁磁通 ϕ。也就是说，想要改变电机的转速，必须对以上三个参量进行调整。

• Ua——电机定子绕组的实际电压大小
• Ia——电机绕组内通过的实际电流大小
• Ra——电路系统中包含电机的回路电阻大小
• CE——电势系数
• ϕ——励磁磁通

一般通过改变电压来调速，可通过pwm来调电压，以上讲了三相六臂桥，我们只需要对摩斯管输出pwm波即可改变速度，其中硬件连线如下：

6个摩斯管作为输出，HU、HV、HW是霍尔传感器检测到的数据，作为输入。
改变速度有以下几种方法：

使用TIM5来触发TIM8：

#define TIM_COM_TS_ITRx                   TIM_TS_ITR3    // 内部触发配置(TIM1->ITR3->TIM4)

直流无刷驱动板温度电流电压采集

使用ADC来采集

1.PID算法及其参数整定

在文章PID控制理论中有详细说明。

2.编码器介绍及使用

分类
按检测原理分：

按编码类型分：
增量式：
绝对式：能输出电机的绝对位置
混合式

旋转式光电编码器例子：

增量式编码器的倍频技术
增量式编码器输出的脉冲波形信号形式常见的有两种：
1.占空比 50% 的方波，通道 A 和 B 相位差为 90°；
2. 正弦波这类模拟信号，通道 A 和 B 相位差同样为 90°。
对于方波信号，如果把两个通道组合起来看的话，可以发现 A 和 B 各自的上升沿和下降沿都能计数，至少在 1/2 个原始方波周期内就可以计数一次，最多 1/4 个原始方波周期。这样计数频率就是原始方波信号的 2 倍或 4 倍。

常用测速方法

3.直流电机PID控制

(1).速度环控制实现

(2).电流环控制实现

(3).位置环控制实现

(4).多环控制实现

4.步进电机PID控制

(1).速度环控制实现

(2).位置环控制实现

(3).位置速度双环控制实现

(4).梯形加减速实现

(5).S形加减速实现

(6).直线插补实现

(7).圆弧插补实现

5.无刷电机速度环控制

6.ST FOC MC SDK5.x电机控制软件框架

7.X-CUBE-MCSDK安装使用