SimpleFOC移植STM32（八）—— 霍尔电机

 
SimpleFOC、ODrive和VESC 教程链接汇总：请点击
 
 

说明

SimpleFOC（九）—— 霍尔电机控制
SimpleFOC之ESP32（七）—— 霍尔电机

之前写过这两篇教程，测试中都表现出了极大的不稳定性，所以霍尔电机部分的代码我一直没有移植，
本次移植后的代码测试稳定性还可以，迄今没有发现问题。

而之前表现的各种不稳定，我总结了下有两种可能：
1、引脚中断需要避开相同中断源，比如STM32的PA11和PB11，都是同一个中断源EXTI_Line11，在霍尔信号的中断代码中是无法区分的。这个问题在移植keil的时候很容易就能发现，但是在官方的SimpleFOC代码中，稍不注意就出错了。
2、arduino环境下的中断不太好用，特别是跨平台的兼容性可能还不够好。

ODrive的操作演示——控制AS5047P、霍尔电机和轮毂电机
当然simpleFOC主打的就是simple，所以电机实际效果和ODrive 的驱动效果相比有一定差距，仅仅适合入门。

需要说明：霍尔电机主要用于做轮子，不适合做高精度控制，虽然FOC可以实现任意角度的控制，但是霍尔信号的分辨率太低，盲区太大。
 

一、霍尔电机

霍尔电机就是带有霍尔传感器的直流无刷电机。

1.1、电机的种类

因为霍尔传感器的成本低，体积小可以安装在电机内部，所以应用非常广泛，种类非常丰富。

 

1.2、霍尔传感器

 

 

• 常见的霍尔信号是120度和60度安装方式，SimpleFOC只处理120度的霍尔信号。（60度的只需把其中一相的信号取反，就可以得到和120度一样的状态值，这是我花了几百块钱在峰岹科技的代码中看到的处理方式）。据说还有45度的电机，我没有遇到过，本节不做讨论。 120度和60度的更多说明请看这篇文章： 电动机的霍尔信号
• 霍尔传感器的电源一般标注为5V，实际3.3V也可以，大概是现在的霍尔芯片电压兼容性更好了。
• 理论上霍尔信号输出为开漏，所以信号的电压是由上拉电阻决定的，即使霍尔信号电源接5V，输出信号也是3.3V。
• 但实际的情况是有的电机用5V电源，信号的电压为3.7V，说明信号输出不是简单的开漏，有一定的驱动能力，所以最好接3.3V电源。
• 有些电机必须用5V电源，3.3V的电源没有信号输出，都是看起来比较老旧的电机，大概早期的霍尔元件电压兼容性不够。
• 本次移植本人测试了以下电机
  

 

1.3、SimpleFOC的霍尔电机控制原理

• 驱动板103和驱动板405 都使用中断方式处理霍尔信号。霍尔信号发生边沿跳变时进入中断，在中断中读取霍尔状态，判断当前角度。

• 下面用一个图片说明simpleFOC的驱动原理。
  
  假如霍尔电机是2对极，那么cpr=12，示意图刚好相当于一个钟表，假如当前电机的电角度在12点，q轴如上图，电机的转矩将一直保持这个状态，直到触发到下一个霍尔跳变，代码检测到新的角度，产生新的矢量q1并持续到下一个状态，所以simpleFOC对霍尔电机的控制效果等同于六步换相法。而在ODrive中使用了角度插值的方法，所以q轴会跟随电机的转动而变化，电机更加平稳。

• 当然SimpleFOC提供了一个最简单的控制方法，保证电机能够转起来，你不要一看它的控制效果不好扭头就走，你知道了原理下一步就可以把ODrive的角度插值法移植过来，电机就可以实现ODrive的效果，是不是很简单。

• 本次移植没有再像之前那样，把所有编码器放到一起通过 myprojcet.h 设置来选择。而是把霍尔电机的代码单列出来，这样代码看起来更简洁一点。

 

二、电机驱动板103

霍尔信号为开漏输出，所以需要上拉电阻，代码中对应的引脚已经配置为打开内部上拉，外部如果有上拉电阻也尽量使用，驱动板103默认接10K上拉电阻。
 

 

2.1、读取霍尔角度

读取霍尔角度目的是为了确认电机的极对数，以便在稍后代码中可以准确的控制电机。如果你已经知道了电机的极对数，也可以跳过本小节。

2.1.1、接线
只需接霍尔信号线，SCL1(PB6)、SDA1(PB7)、PA12和3.3V电源，三个信号随便接，不用区分顺序。下图：

电机驱动板103 购买链接：某宝购买
 
2.1.2、修改代码

修改极对数，如果极对数正确，那么电机转动一圈，角度变化刚好是6.28；如果不正确，比如电机实际极对数为4，代码中写的是2，那么电机转动一圈，角度变化为12.57。同理，如果是3对极，角度变化为9.42，如果是5对极，角度变化为15.71。

 
2.1.3、串口查看角度变化

下载完代码后，用手拧动电机转动，刚开始的几个角度值不准确，我估计是没有赋初值，不想再折腾代码了，大家将就着用吧。所以需要先来回转动半圈，然后转动电机让角度归零，观察电机转一圈角度的变化。转动的结果应该是3.1415926的整倍数，如果不是说明手动转的有误差，不是刚好一圈，请自行估算就近极对数。

 

2.2、驱动霍尔电机M1

2.2.1、接线

 
2.2.2、修改代码

• 极对数按照实际写入，
• voltage_sensor_align是电机零点校准时的电压值，需要根据电机功率设置，100W以内的电机基本属于小功率，可以设置的大一点，200W以上的属于大功率，设置的小一点。
• 如果不清楚电机功率，可以多试几个值，电源有电流显示的话观察下零点校准时的电流，只要在0.2A — 0.8A这个范围内就行，电流太小电机无力，校准可能不准确，电流太大电机会发热，容易损坏电机。
• 初次调试请选择 Type_voltage 模式，因为可以跳过电流环，电流环的PI参数非常难设置。
• 速度环的PI请自行设置，不清楚可以先把速度I参数设置为0，只用速度P参数，先让电机转起来再说。不同电机的PI参数不相同，具体请百度。

 

2.2.3、下载代码，观察电机运行

 

发送指令T6.28，电机以每秒一圈的速度转动，霍尔信号的分辨率低，对于一些电机来说齿槽效应更明显，可以调高速度试试。
 

2.3、驱动霍尔电机M2

• SCL2(PB10)、SDA2(PB11)和SWD(PA13)接hall信号，三个信号随便接，不用区分。
• 其实最初的设计是打算接PA11引脚的，但是调试代码的时候发现PB11和PA11是同一个中断源EXTI_Line11，并且在中断代码中无法区分，所以用SWD(PA13)来代替。
• SWD(PA13)并没有设计外部上拉电阻，反复测试后确定只要代码中打开了内部上拉也可以的。
• 只是占用SWD后不能再用ST-link下载代码了，请大家使用串口下载。
• 串口下载的方法在 SimpleFOC移植STM32（二）—— 开环控制 的第3.2小节有说明，不清楚的可以去查看。

本小节的其它操作与M1的操作一样，请参考上面的2.2小节。

 

2.4、驱动双霍尔电机

电机驱动板103 购买链接：某宝购买

请结合上面的2.2和2.3小节操作。
需要注意的是，控制M1的电机发送指令以 A开头，比如 A6.28；控制M2的电机发送指令以 B开头，比如 B6.28。

 

三、电机驱动板405

霍尔信号为开漏输出，所以需要上拉电阻，代码中对应的引脚已经配置为打开内部上拉，同时驱动板405 的ABZ引脚接有3.3K上拉电阻。霍尔信号和下一篇的ABZ信号都接在ABZ引脚上。

 

3.1、读取霍尔角度

读取霍尔角度目的是为了确认电机的极对数，以便在稍后代码中可以准确的控制电机。如果你已经知道了电机的极对数，也可以跳过本小节。

3.1.1、接线
只需接霍尔信号线，M0的ABZ三个引脚和3.3V电源，三个信号随便接，不用区分顺序。下图：

电机驱动板405 购买链接：某宝购买

 
下载代码，手拧电机，观察串口打印的角度变化，具体看上面2.1小节吧，不想重复写了。

 

3.2、驱动霍尔电机M0

3.2.1、接线

 
3.2.2、修改代码

• 极对数按照实际写入，
• voltage_sensor_align是电机零点校准时的电压值，需要根据电机功率设置，100W以内的电机基本属于小功率，可以设置的大一点，200W以上的属于大功率，设置的小一点。
• 如果不清楚电机功率，可以多试几个值，电源有电流显示的话观察下零点校准时的电流，只要在0.2A — 0.8A这个范围内就行，电流太小电机无力，校准可能不准确，电流太大电机会发热，容易损坏电机。
• 初次调试请选择 Type_voltage 模式，因为可以跳过电流环，电流环的PI参数非常难设置。
• 速度环的PI请自行设置，不清楚可以先把速度I参数设置为0，只用速度P参数，先让电机转起来再说。不同电机的PI参数不相同，具体请百度。

 

3.2.3、下载代码，观察电机运行

 
发送指令T6.28，电机以每秒1圈的速度转动，发送指令T31.4，电机以每秒5圈的速度转动。
串口通信使用USART2的DMA方式接收，空闲中断，所以指令后面可以不用“回车”，当然你输入了也没有错。

 

3.3、驱动霍尔电机M1

霍尔信号接在M1对应的ABZ排针上，其它操作与上面的M0相同。

 

3.4、驱动双霍尔电机

请结合上面的3.2和3.3小节操作。
需要注意的是，控制M0的电机发送指令以 A开头，比如 A31.4；控制M1的电机发送指令以 B开头，比如 B31.4。

 

四、总结

电机驱动板405 购买链接：某宝购买

 
驱动小电机时感觉还算平稳，大电机振动就比较明显了，再把代码烧写为ODrive，效果立马提升。

 
SimpleFOC解决了有无问题，但想要更好的性能表现，还得从ODrive中找方法。
 
 
（完）