SimpleFOC(場(chǎng)定向控制)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了一種先進(jìn)的算法，可確保平穩(wěn)運(yùn)行和高度的扭矩，速度和位置控制。無(wú)論您是剛剛開(kāi)始并尋找一種簡(jiǎn)單直觀的方法來(lái)控制您的BLDC和步進(jìn)電機(jī)，還是您是想要深入研究FOC算法的復(fù)雜性以優(yōu)化特定應(yīng)用程序和硬件的代碼的高級(jí)用戶，本指南都適合您。

通過(guò)利用IFX007T BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器屏蔽和TLE5012B磁角傳感器的功能，您將學(xué)習(xí)如何使用Arduino的SimpleFOClibrary來(lái)創(chuàng)建精確高效的電機(jī)控制系統(tǒng)。本指南將引導(dǎo)您完成設(shè)置和配置，確保您徹底了解如何實(shí)現(xiàn)最佳性能。

了解無(wú)刷直流電機(jī)和閉環(huán)控制

無(wú)刷直流電機(jī)缺乏物理電刷來(lái)?yè)Q向繞組。相反，它們依賴于電子換向，其中控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置在電機(jī)相位之間切換功率。

開(kāi)環(huán)控制(例如，基本PWM驅(qū)動(dòng))迫使電機(jī)遵循預(yù)定義的相位模式?jīng)]有反饋。雖然簡(jiǎn)單，但這種方法難以應(yīng)對(duì)不同的負(fù)載，缺乏扭矩精度，并且有失速的風(fēng)險(xiǎn)。

閉環(huán)控制通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子位置并相應(yīng)地調(diào)整相電流來(lái)解決這些問(wèn)題。這需要兩個(gè)關(guān)鍵組成部分：

角度傳感器：測(cè)量轉(zhuǎn)子位置(TLE5012B)?？刂扑惴ǎ簞?dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電流(FOC)。

為什么是場(chǎng)定向控制(FOC)?

傳統(tǒng)的控制方法如梯形換向?qū)﹄姍C(jī)相進(jìn)行獨(dú)立處理，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，效率低下。FOC采用了更聰明的方法：

數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換：FOC將三相電流轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的兩軸系統(tǒng)(d-q坐標(biāo))，將扭矩產(chǎn)生(q軸)與磁通(d軸)解耦。

精確控制：通過(guò)直接控制扭矩和磁通組件，F(xiàn)OC最大限度地減少損失，減少熱量，即使在低速下也能平穩(wěn)運(yùn)行。

硬件

1. IFX007T屏蔽疊加

IFX007T電機(jī)驅(qū)動(dòng)屏蔽與英飛凌的XMC4700 Relax Kit或任何其他arduino兼容板集成。只需將IFX007T屏蔽板堆疊在XMC板的頂部。這提供了:

3x PWM輸出電機(jī)相位

過(guò)電流/熱保護(hù)

高達(dá)40V電機(jī)電源兼容性

注意：對(duì)于非xmc板(例如Arduino Uno)，請(qǐng)手動(dòng)連接IFX007T的PWM引腳(U/V/W)并啟用引腳(EN_U/EN_V/EN_W)。

2. 連接TLE5012B角度傳感器

TLE5012B的3線SPI接口簡(jiǎn)化了集成：

CS (Chip Select)：連接到GPIO引腳。SCK/MISO/MOSI：連接到電路板的專用SPI引腳(見(jiàn)原理圖)。

關(guān)鍵步驟：安裝傳感器的磁鐵同心電機(jī)軸。即使是1毫米的偏差也會(huì)降低精度。

軟件安裝

1. 開(kāi)始使用Arduino IDE和XMC板

要開(kāi)始使用XMC板編程，您需要設(shè)置Arduino IDE。按照我們的分步指南開(kāi)始使用XMC for Arduino文檔。

開(kāi)始吧!

準(zhǔn)備好一切后，我們準(zhǔn)備將第一個(gè)代碼示例閃爍到微控制器。為了做到這一點(diǎn)，你必須在Arduino IDE中執(zhí)行以下步驟：

1.選擇合適的棋盤

一旦安裝了XMC板系列，您可以從菜單中選擇支持的板之一：Tools > board >英飛凌的XMC微控制器。在我們的情況下，我們必須選擇XMC4700放松套件，以便選擇正確的板。

SFOC和TLE5012B(磁角傳感器)

TLE5012是一種通過(guò)SPI通信的磁性角度傳感器。它提供了精確的角度測(cè)量，這是必不可少的電機(jī)控制應(yīng)用。要將其與SimpleFOC一起使用，我們需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)自定義傳感器類，該類擴(kuò)展SimpleFOC提供的sensor基類。

我們創(chuàng)建了一個(gè)自定義類stle5012sensor，它擴(kuò)展了Sensor類。這個(gè)類將處理從TLE5012傳感器的初始化和角度讀取。

TLE5012傳感器類有：

?用SPI引腳初始化傳感器的構(gòu)造函數(shù)。

?初始化傳感器硬件的init()方法。

?一個(gè)以弧度為單位讀取角度的getSensorAngle()方法。

在setup()函數(shù)中，我們通過(guò)調(diào)用TLE5012Sensor類的init()方法來(lái)初始化TLE5012傳感器。這將設(shè)置SPI通信并確保傳感器準(zhǔn)備好提供數(shù)據(jù)。

在loop()函數(shù)中，我們使用sensor類提供的update()、getAngle()和getVelocity()方法連續(xù)讀取傳感器角度和速度。這些值被打印到Arduino的串行監(jiān)視器上進(jìn)行調(diào)試。

TLE5012傳感器提供以度為單位的角度。我們將其轉(zhuǎn)換為弧度，因?yàn)镾impleFOC使用弧度進(jìn)行角度計(jì)算。換算公式為：

在初始化過(guò)程中，我們檢查錯(cuò)誤并將它們打印到串行監(jiān)視器(如果有的話)。這有助于調(diào)試硬件或通信問(wèn)題。

將代碼上傳到XMC4700并打開(kāi)串行監(jiān)視器(設(shè)置為115200波特)。您應(yīng)該看到每100毫秒打印一次角度和速度值。這確認(rèn)傳感器工作正常。

通過(guò)遵循這些步驟并使用提供的代碼，您可以成功地將TLE5012傳感器與SimpleFOC庫(kù)集成!

SFOC和IFX007T(開(kāi)環(huán)控制)

?這將創(chuàng)建一個(gè)BLDCMotor類的實(shí)例。

構(gòu)造函數(shù)參數(shù)為：

極對(duì)：電機(jī)中的極對(duì)數(shù)(這里為4)。

R：電機(jī)的相電阻，以歐姆為單位(這里為0.73歐姆)。

?這些線定義了用于電機(jī)相位(U， V， W)和使能引腳(EN_U, EN_V, EN_W)的引腳。

?創(chuàng)建了一個(gè)BLDCDriver3PWM實(shí)例，它使用三個(gè)PWM信號(hào)控制電機(jī)。

?Target_position是一個(gè)浮點(diǎn)變量，以弧度為單位保存電機(jī)的目標(biāo)位置。Commander用于串行通信，允許通過(guò)串行命令設(shè)置目標(biāo)位置，電壓限制和速度限制等參數(shù)。

?設(shè)置函數(shù)初始化引腳、串行通信和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

?設(shè)置電源電壓(driver.voltage_power_supply)為12V，限制驅(qū)動(dòng)電壓為6V。

?電機(jī)的電壓限制設(shè)置為3V，速度限制為5 rad/s。

?運(yùn)動(dòng)控制類型設(shè)置為angle_openloop，這意味著電機(jī)將在開(kāi)環(huán)控制中運(yùn)行，其中角度控制無(wú)反饋。

?Commander配置為允許串行命令設(shè)置目標(biāo)角度，電壓限制和速度限制。

?回路功能使用開(kāi)環(huán)控制將電機(jī)連續(xù)移動(dòng)到target_position。

?command.run()允許通過(guò)串行命令實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)參數(shù)。

SFOC和IFX007T(閉環(huán)控制)

TLE5012傳感器向電機(jī)控制器提供實(shí)時(shí)角度反饋。閉環(huán)控制：電機(jī)利用傳感器反饋精確達(dá)到目標(biāo)角度。串行命令：您可以使用串行監(jiān)視器通過(guò)發(fā)送T命令，然后以弧度為單位發(fā)送所需的角度來(lái)設(shè)置目標(biāo)角度。

這些引腳用于與TLE5012傳感器進(jìn)行SPI通信。

TLE5012Sensor對(duì)象用SPI引腳初始化。

BLDCMotor對(duì)象表示電機(jī)，BLDCDriver3PWM對(duì)象使用PWM信號(hào)控制電機(jī)。

target_angle變量存儲(chǔ)所需的電機(jī)位置。Commander類允許通過(guò)串行監(jiān)視器設(shè)置目標(biāo)角度

setup()函數(shù)初始化電機(jī)、傳感器和驅(qū)動(dòng)器，并配置控制參數(shù)。

loop()函數(shù)持續(xù)運(yùn)行FOC算法，并根據(jù)目標(biāo)角度更新電機(jī)位置。

總結(jié)

通過(guò)結(jié)合XMC4700， IFX007T的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)和TLE5012B的精密傳感，您創(chuàng)建了一個(gè)非常強(qiáng)大的電機(jī)控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的FOC抽象了復(fù)雜的數(shù)學(xué)，讓您專注于應(yīng)用程序邏輯，無(wú)論您是構(gòu)建CNC機(jī)器，機(jī)械臂還是自主無(wú)人機(jī)。

本文編譯自hackster.io