步进电机

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步进电机

2023-09-04 23:44| 来源: 网络整理| 查看: 265

步进电机配置

用 StepperMotor 类可以实现步进电机的控制：

步进电机 FOC 算法

运动控制主循环

监控

步骤1. 为步进电机创建实例

要创建步进电机实例，你需要指定电机的极对数。 pole pairs 。

// StepperMotor( int pp, (optional R, KV)) // - pp - 极对数 // - R - 相电阻值 - 可选的 // - KV - 电机KV值 [rpm/V] - 可选的 StepperMotor motor = StepperMotor(50, 1.5, 20.6);

极对数

大多数步进电机每旋转一周是200步，所以电机极对数是50。实际上，你可以通过用每旋转一周的步数除以 4来得到 pole_paris 极对数。如果你不确定你电机的极对数 pole_paris number ，library 库提供了find_pole_pairs_number.ino实例来计算 pole_paris number 极对数。

经验法则：KV值

我们建议将提供给库的KV值设置为比数据表中给定或实验的数值高50-70%。根据电机的力学，在电机额定KV值的100%到200%之间都为适当值。

获取额定KV值

如果不知道你电机的KV值。通过在电压力矩控制中设定电压为1V，就可以轻易获取到KV值，即为当时电机转速-1V时电机转速。额定KV值的单位是 rpm/V, 而SimpleFOClibrary显示速度单位为rad/s。获取到1V时电机转速后，需乘以30/π≈10，将其转化为rpm。

KV = velocity_at_one_volt * 30/pi

你也可以用library库给定的例程 examples/utils/calibration/find_KV_rating.ino.

相电阻和KV值

提供相电阻和KV值能使用户能够不用测量就能控制电机电流。（不经常用于基于电流的力矩模式foc_current 和 dc_current）。在电压控制模式下，用户能够控制（和限制）电机的假定电流。更多信息，请查阅力矩控制文档。

在许多方面来说，基于电流运行会比电压更好。因为无刷直流电机的力矩与电流而不是与电压成比例，特别是相同的电压值在不同的电机上会产生不同的电流（由于相电阻不同）。一旦设置了相电阻后，用户就可以该无刷直流电机的电流限制，而不是电压限制。

值得一提的是，由于电压值和电流值属于不同的概念，如果你设置了相电阻的阻值，很可能需要重新调整速度控制或者位置控制参数。一般的经验是将所有的P，I和D的数值除以motor.phase_resistance 值，基于这个点开始调可能会比较好。

最后，如果想要在基于电压（电压模式）和基于电流（DC current或FOC current）的力矩控制之间实时切换的话，建议添加相电阻这个参数，因为上述的力矩控制会以电流值作为数目（目标值），因此用户无需改变运功控制参数（PID值）。

开环运动控制会用到KV值和相电阻值

KV值和相电阻值也会用在开环控制中，让用户限制电机电流，而非电压。详情请参阅开环运动控制文档. 步骤2. 连接传感器

定义好 motor 和初始化传感器后，执行以下代码来连接 motor 和 sensor ：

// 连接电机和传感器 motor.linkSensor(&sensor);

linkSensor 能够将电机连接到本库的任何传感器。 sensor 用于为FOC算法和速度或位置控制确定电机的电气位置。更多信息请参阅位置传感器文档。

当使用开环运动控制时，不需要进行连接。步骤3. 连接驱动器

定义好 motor 和初始化 driver 之后，执行以下代码来连接 motor 和 driver ：

// 连接驱动器和电机 motor.linkDriver(&driver);

StepperMotor 类期望接收到一个 StepperDriver 类实例，默认使用StepperDriver4PWM 类来实现。 driver 主要处理所有有关MCU结构和驱动硬件相关的所有硬件操作。更多信息请参阅直流无刷电机驱动文档！

步骤4. 配置

如果选择不自行设置其中一些参数，则会用defaults.h 文件中所定义的默认值，查看 library 库源代码来进行更深入的挖掘。

步骤4.1 PWM调制方式

通过改变 motor.foc_modulation 实现：

// 选择FOC调制类型 // FOCModulationType::SinePWM; motor.foc_modulation = FOCModulationType::SinePWM;

当前的版本 current version 的 StepperMotor 类只有正弦PWM调制。

有关这些方法的理论和源代码实现的更多信息，请查看 FOC实现文档或访问深入挖掘部分。

步骤4.2 传感器和电机校正参数

用于电机和传感器校正的电压设置motor.voltage_sensor_align`：

// 校正电压 [V] motor.voltage_sensor_align = 3; // 默认 3V

如果传感器为编码器或有索引引脚，可以通过设定变量motor.velocity_index_search来设置索引搜索速度值

// 增量编码器索引搜索速度 [rad/s] motor.velocity_index_search = 3; // 默认为 1 rad/s 步骤4.3 位置传感器偏移

对于某些应用实例，指定传感器为绝对零偏移是十分方便的，你可以通过改变参数 motor.sensor_offset定义它：

// 传感器偏移[rad] motor.sensor_offset = 0; // 默认为 0 rad 步骤4.4 电机相电阻和KV值

电机相电阻和KV值是一个可选参数，对于基于电流的力矩模式来说不是很重要，这两个变量用于电压力矩模式和开环运动模式中预估电机电流。如果设定了相电阻 motor.phase_resistance和电机KV值 motor.KV_rating（可以在构造函数或者setup()中设置），library库会使用当前电流来实现控制，它会自动计算所需的电压。在setup函数中，你可以设置以下值来改变这个参数：

// 电机相电阻 [Ohms] motor.phase_resistance = 2.54; // Ohms - 没有设置默认值 // 电机KV值 [rpm/V] motor.KV_rating = 100; // rpm/volt - 没有设置默认值

详情请参阅力矩控制文档.

步骤4.5 运动控制参数

Arduino SimpleFOClibrary 中有3种不同的闭环控制：

torque control loop using voltage（用电压控制力矩）position/angle motion control（位置/角度运动控制）velocity motion control（速度运动控制）

另外 SimpleFOClibrary 也有两种开环控制策略：

position open-loop control（位置开环控制）velocity open-loop control（速度开环控制）

通过改变 motor.controller 变量来设置它：

// 设置FOC控制环 // MotionControlType::torque - 基于电压的力矩控制环 // MotionControlType::velocity - 速度运动控制环 // MotionControlType::angle - 位置/角度运动控制环 // MotionControlType::velocity_openloop - 开环速度控制 // MotionControlType::angle_openloop - 开环位置控制 motor.controller = MotionControlType::angle;

注意！

该参数没有默认值，实时执行之前必须要设置这个值。

每种运动控制策略都有自己的参数，更多信息请参阅运动控制文档。

// 设置控制环类型 motor.controller = MotionControlType::angle; // 基于控制类型配置控制器 motor.PID_velocity.P = 0.2; motor.PID_velocity.I = 20; motor.PID_velocity.D = 0.001; // 速度低通滤波时间常数 motor.LPF_velocity.Tf = 0.01; // 角度环控制器 motor.P_angle.P = 20; // 运动控制限制 // 角度环速度极限 motor.velocity_limit = 50; // 或者电压限制 motor.voltage_limit = 12; // Volts - 默认为驱动器电压限制 // 或者电流限制 - 如果设定了相电阻 motor.current_limit = 1; // Amps - 默认为2安培步骤4.7 完成配置

最后，通过运行 init() 函数完成初始化配置，该函数使用所配置的值初始化所有的硬件和软件电机组件。

// 初始化电机 motor.init(); 步骤5. 校准电机和所有传感器 - FOC 初始化

在位置传感器、驱动器以及电机配置好后，开始运动控制前，为了初始化 FOC 算法，我们需要校准所有零部件。这都可以用函数 motor.initFOC()来完成。

// 校正传感器，启动FOC motor.initFOC();

开环控制时可以跳过！

在不需要使用传感器时该函数起不到任何作用，但如有必要或者你觉得更方便的话，也可以继续调用该函数。

该函数能实现以下功能：

根据电机方向，检查或纠正位置传感器方向。如有必要，搜索编码器索引。根据位置传感器检测电机电气偏移。

这个函数会进行最终检查，当正在使用电机时，它会禁用你的电机，向你传递可能存在的错误信息。如果一切都配置完好，在调用这个函数后，FOC已经准备好，我们的设置也已经完成！

校准程序会不可避免的运转几次电机，这并不可取。因此，对于大多数位置传感器（除了编码器）和电流检测，这个校准程序可以用步骤5.1的方法跳过。

步骤5.1 跳过校准 - 位置传感器

如果你使用的是绝对式传感器，比如磁传感器或霍尔传感器，一旦完成校准过程并获取了电机零电气偏移方向，你就不再需要跑完整个校准程序。你可以在motor.initFOC() 中提供传感器偏移量 zero_electric_offset 和传感器方向 sensor_direction 来跳过校正程序：

// 校正传感器，启动FOC //motor.initFOC(zero_electric_offset, sensor_direction); motor.initFOC(2.15, Direction::CW);

用电机参数也同样可以完成：

// 校准传感器，启用FOC motor.zero_electric_offset = 2.15; // rad motor.sensor_direction = Direction::CW; // CW or CCW motor.initFOC();

你可以运行 find_sensor_offset_and_direction.ino 实例来找到这些值。

一般来说，如果你知道这两个值中的任何一个，请确保在程序中给定该值，iniFOC会跳过这部分校准。例如，对编码器传感器来说，零电气偏移量总在变化，但传感器方向保持不变，所以你可以给定该值，跳过校准序列的大部分内容。

步骤6. 实时运动控制

Arduino SimpleFOClibrary的实时运动控制通过以下两个函数实现：

motor.loopFOC() - 低层次力矩控制motor.move(float target) - 高层次运动控制

函数 loopFOC()实现力矩控制环。当步进电机支持使用电压模式的力矩控制时，该函数就会从传感器中读取电流、电机角度，将其转变为电气角度，并转换成q轴Uq电压命令 motor.voltage_q到适当的相电压ua， ub和uc，然后设置给电机。如果给定步进电机相电阻和KV值，该函数会进一步计算假定电流，用户能直接控制这个假定电流值 Iq。

// 函数可运行低层次的力矩控制环 // 计算可得电机角度，从而设定恰当的电压值给相位PWM信号 // 运行速度越快越好 Arduino UNO ~1ms, Bluepill ~ 100us motor.loopFOC();

开环控制时可以跳过！

电机在开环控制运行时该函数没有任何效果！

这个函数的执行时间至关重要，因此 motor.loopFOC() 函数越快执行越好。

运行这个函数的速度越快越好！

最后，一旦我们有办法给电机设定力矩命令（电流 Iq 或电压 Iq）使用FOC算法，就可以进行运动控制。这是通过 motor.move() 函数完成的。

// 函数执行的运动控制环由电机控制器参数配置 // - 函数无需在每个循环执行时运行 - 取决于用例 // // 设置电机控制器的电压、角度或速度目标值 // 如果没有设置，电机将使用变量motor.target中的目标值 motor.move(target);

move() 方法执行算法的运动控制环。如果是由变量 motor.controller 控制的。它可以执行纯电压回路、速度回路或角度回路。

它接收一个参数 float target ，该参数是当前用户定义的目标值。

如果用户运行速度环或速度开环， move 函数把 target 作为目标速度 vd 来解释。如果用户运行角度环 or 角度开环, move 函数把 target 作为目标角度 ad 来解释。如果用户运行力矩环，move 函数把 target 作为目标电压 ud 或目标电流iq来解释。（如果相电阻给定）

target 参数是可选的，如果未设置，则由公用的电机变量 motor.target 设置目标值，代码是：

motor.target = 2; motor.move(); 步骤 6.1 运动控制降采样

对于许多运动控制应用实例来说，它能理清每个运动控制环所运行的多个力矩控制环。这会使得运转更加顺畅，高速运转下性能表现更佳。因此，library库对使用参数motor.motion_downsample设定的 move() 函数启用了非常简单的降采样策略。

// 降采样值 motor.motion_downsample = 5; // - 时间 (默认为 0 - 禁用)

降采样策略工作原理十分简单，尽管 motor.move() 在每个 arduino loop 都会被调用，它仅会在每个 motor.motion_downsample 调用中运行。这个参数是可选的并能够实时配置。

注意：运动控制影响

不同的降采样值可能需要略微调整运动参数。

这就是它，你有了完整运动控制的 FOC 无刷直流电机。

用户接口

SimpleFOClibrary 有2种实时用户接口：

Monitoring functionality（监控功能）Motor commands（用户指令）深入挖掘

更多 FOC 算法和运动控制方法的理论解释和源代码实现，查看深入挖掘的部分。

实例代码

基于 FOC 算法的简单的用电压控制步进电机力矩的实例。

/** * 基于电压的力矩控制环实例 */ #include // 步进电机实例 StepperMotor motor = StepperMotor( 50 ); // 步进电机驱动器实例 StepperDriver4PWM driver = StepperDriver4PWM(9, 10, 5, 6, 7, 8); // 传感器实例 MagneticSensorI2C sensor = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C); void setup() { // 初始化编码传感器硬件 sensor.init(); // 连接电机和传感器 motor.linkSensor(&sensor); // 驱动器配置 // 电源电压 [V] driver.voltage_power_supply = 12; driver.init(); // 连接驱动器 motor.linkDriver(&driver); // 设置运动控制环 motor.controller = MotionControlType::torque; // 初始化运动 motor.init(); // 校正传感器，启动FOC motor.initFOC(); // 设置目标电压 motor.target = 2; _delay(1000); } void loop() { // FOC算法主函数 motor.loopFOC(); // 运动控制函数 motor.move(); }

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