SimpleFOC调参2-速度、位置控制

背景介绍

FOC作为直流无刷电机控制最常用的算法，得到广泛应用。在开源社区最常用的FOC项目有：simpleFOC，ODrive，VESC等。其中simpleFOC因其简单易用，支持多种硬件平台，很适合新手入门。我在用simpleFOC的过程中踩了不少坑，在此记录学习调试过程中的一些心得。

硬件平台：开始最好直接购买套件，熟悉后再自己搭配，我这里直接买的灯哥开源的套件
电机：2204
驱动器：L6234
磁编码器：AS5600
电流检测：INA240
主控MCU：ESP32

软件平台：Arduino，simpleFOC库，simpleFOC studio图形化调试工具

IDE工具：PlatforIO，也可以使用Arduino IDE（编译、下载速度很慢，所以我才找到了替代工具platforIO）

FOC控制方式有两种：

• 开环控制：只需要电机、驱动器，不需要编码器、电流检测。算法简单，但是控制效果差，驱动效率差。驱动器、电机很容易过热烧坏，我就烧过一个驱动器，好几个电机。
• 闭环控制：需要编码器、电流检测，算法复杂，控制效果好，驱动效率高。初学者一定要用闭环控制，等熟悉了之后再玩开环控制。

这里主要总结闭环控制的几种控制方式：力矩控制，速度控制，角度控制。这里只总结了我自己调试的各种参数及图形化含义。具体程序和方法参考simpleFOC官方文档，里面有详细介绍。由于篇幅较长，分为两篇来写，本篇只总结速度控制、位置控制。上一篇总结了SimpleFOC调参1-力矩控制。

1. 速度控制 velocity control

速度控制是在力矩控制环的基础上，增加了一个速度控制环，所以在设置速度环之前需要先把力矩控制环的相关参数设置好。再设置速度环相关的PID控制器，LPF滤波器参数。
力矩控制环采用电压控制时，速度控制框图如下：磁编码器采集到的角度值，计算得到速度，经过低通滤波器后得到Vf；用户输入目标速度Vd（desired velocity）。Vd，Vf输入到速度环PID控制器，得到控制电压Uq，再经过力矩控制环驱动电机转动。

力矩控制环采用电流控制时（DC or FOC current），速度控制框图如下：编码器采集到的角度值，计算得到速度，经过低通滤波器后得到Vf；用户输入目标速度Vd（desired velocity）。Vd，Vf输入到速度环PID控制器，得到控制电流iq/id，再经过力矩控制环驱动电机转动。力矩控制环torque control loop就是上一篇SimpleFOC调参1-力矩控制总结的所有部分。速度控制是在力矩控制环的外围再增加了一个速度控制环。

velocity PID各项参数含义：

• P：比例增益，P值越大，响应速度越快。但是P值过大容易引起震荡
• I：积分增益，I值越大，积分（累积误差）响应越快。但是I值过大也会引起震荡
• D：微分增益，最难调的量。通常是先把D设为零，调节好P、I，如果还会超调，再增加一点D微调
• output_ramp:输出斜率，用于减小输入到力矩控制环的最大变化量。output_ramp越大，PID引起Uq变化的速度更快；output_ramp越小，PID引起Uq变化的速度更慢。单位： V/s。通常控制环1ms循环一次，假设output_ramp=10，则每次循环，PID控制器能引起Uq变化10[V/s] * 0.001s = 0.01V。
• Tf：低通滤波器时间常数。值越小滤波效果越差。如果Tf=0，则没有滤波效果，Vf=V。 Tf参考范围：0~0.5s。具体原理参考：低通滤波器原理

1.1 速度环PID整定

设置目标速度=10rad/s，P=0，I=0，D=0，output ramp=0， low pass filter = 0.01。
逐渐增大P值，当P=0.08时出现明显震荡，取P=0.080.8=0.064。

逐渐增大I值，当I=1.6时出现震荡，取I=1.60.8=1.28

1.2 整定过程注意事项

每次调整完PID参数后，需要改变一下电机的转速。这里需要加适当的负载，比如用手轻轻压住一点，让电机速度降下来就可以了。如果按压力量太大，直接导致电机停止，则PID会将电流调节到最大值，当松开手后，PID又将电流回调到负值，最终在角速度=400rad/s，电流-0.8附件达到平衡，系统已经失控。

2. 位置控制 position control

位置控制环是在上一节速度控制环的基础上增加了一个位置控制环。增加了一个位置环PID控制器，一个位置环低通滤波器LPF（可选项，按需要增加）。用户输入需要的角度ad（desired angle），整个控制环路从磁编码器采集到的角度a（angle），角度经过低通滤波器后得到af（angle filtered），ad、af输入到位置环PID控制，得到Vd（desired velocity），之后的过程就是上一节总结的速度环控制的过程了。

调节角度PID时，需要先把速度PID、力矩PID（current q PID、current d PID）调试好。一般角度PID只需要P就够了，I、D都设置为零。下图可以看出P参数对于调试结果的影响。