FOC驱动器

ODrive是一个基于STM32的高性能FOC伺服驱动器,其可以同时驱动两个无刷电机,早期被大量使用与3D打印机或自制CNC车床电气系统的设计中,知名极客James Bruton使用其作为大部分自己制作...

无刷电机

• 直接驱动
  • 通过MOS管控制无刷电机三个集性按照正弦波旋转
  • 航模电调ESC
• FOC驱动器
  • 控制原理
    • 通过电流检测的方式实现速度和角度等电机参数的闭环控制
      • 矢量控制
        • 既有大小又有方向的量。一般来说，在物理学中称作矢量，在数学中称作向量。在计算机中，矢量图可以无限放大永不变形。
      • Park变换
        • 派克变换（也译作帕克变换，英语：Park's Transformation），是分析同步电动机运行最常用的一种坐标变换，由美国工程师派克（R.H.Park）在1929年提出。派克变换将定子的a,b,c三相电流投影到随着转子旋转的直轴（d轴），交轴（q轴）与垂直于dq平面的零轴（0轴）上去，从而实现了对定子电感矩阵的对角化，对同步电动机的运行分析起到了简化作用。即abc坐标系变换到dq坐标系
          • 保留原来的向量，将新的坐标系基于原来的向量做变换，形成新的坐标向量
      • SVPWM
        • SVPWM算法原理及详解
          • 子主题
        • SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制）
      • SPWM
        • SPWM基本原理详解
          • 频率相同，改变脉宽，使用自然采样法将单位脉宽对应到正弦波的宽度对应的长度上，形成PWM正弦波
            • 占空比越大，电压越大；占空比越小，电压越小。让占空比呈正弦变化，电压值自然也就呈正弦变化了。
      • Id是励磁电流，Iq是转矩电流，都是直流分量，都是相对于转子的。
        • 子主题
    • 如何获得转子角度
      • 0.编码器
      • 1.通过安装编码器来计算出当前角度。
        • 霍尔传感器
      • 2.通过安装霍尔元件计算当前角度。
        • 磁传感器
      • 3.通过检测电流来计算当前角度
  • 控制方式
    • 力矩控制模式
      • 电机在运行过程的电流，始终等于给定的值。
        • 比如使用电机来拉伸弹簧，设定电流值越大，弹簧被拉伸的长度越长。设定电流越小，弹簧被拉伸的长度越短。设定电流为零，弹簧不被拉伸。
        • 在SimpleFOC项目中，受限于Arduino UNO的运行速度，大部分例程没有使用电流采样，所以设定电压值代替设定电流值。
    • 速度控制模式
      • 让电机始终按照设定的速度运转，不因负载的变化而变化。
        • 速度控制一般会采用内环电流环，外环速度环的方式，所以可以限制转动过程中的电流不超过设定值。
        • 比如传送带传送物品，给定的速度不会因为传送带上是空载或者带载发生变化，但是当负载过大，电流超过设定值的时候会报警或自动停止。
    • 位置控制模式
      • 精确控制电机转动到指定角度
        • 位置控制一般会采用内环电流环，外环速度环，最外环位置环的方式，所以可以限制转动过程中的最大速度，和最大电流。
        • 比如机械臂从A点运动到B点，并限制挥舞过程中的最大速度和最大力矩。
  • 开源方案
    • Simple foc
      • 老外搞的一个开源无刷电机FOC控制项目，旨在用最简单的方式和较低的成本实现无刷电机的FOC控制。
      • 国内官方文档：http://simplefoc.cn/#/
      • simplefoc代码，若是没有电流环，只是通过svpwm+加上磁编码器的theta，以及需要设定的Ud、Uq、电压、定时器周期这些信息是可以完成正弦驱动的。当然速度环输出可以换成Ud，这样也是闭环。缺少电流环，少了信息解耦，不太完整。力矩模式通过设定固定的Uq应该是能达到的，当然电压和元器件性能在没有变化的前提下。作者：任天欺链接：https://www.zhihu.com/question/429826103/answer/2387616325来源：知乎著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。
      • 控制原理
        • 三种力矩控制闭环
          • 力矩控制环是所有其他运动控制环的基础。
          • 电压——力矩控制模式 - voltage
            • voltage control mode是最简单的接近电机力矩控制的方法。它基本在任何电机+驱动器+mcu的组合中运行
            • 基于电压 - 最简单。
          • 直流电流——力矩控制模式 - dc_current
            • DC current mode 是voltage control mode的更进一步，它比voltage control mode更精确，但需要电流传感和更强大的mcu
            • 基于直流电流 - PID控制器x1 + 低通滤波器x1
          • FOC电流——力矩控制模式 - foc_current
            • FOC current mode 是真正的电机力矩控制方法，不同于前两者的“近似”，因此也需要电流传感器，也比DC current mode对MCU的处理能力有更高的要求。
            • 基于FOC电流 - PID控制器x2 + 低通滤波器x2
        • 速度闭环控制
          • 速度控制环闭环于力矩控制环外围，无论该力矩控制是哪一种。如果力矩控制是电压模式且没有设置相电阻，那么速度控制会利用Uq来设定力矩命令。
        • 位置闭环控制
    • ODrive
      • 志辉君同款
    • VESC
      • 志辉君同款
      • 早期的电动滑板的方案
    • ST FOC
• 驱动电路
  • 使用串口查看波形图
    • Visual Scope
  • 大功率MOS
• ODriveodrive和simplefoc二者差不多。ODrive是一个基于STM32的高性能FOC伺服驱动器,其可以同时驱动两个无刷电机,早期被大量使用与3D打印机或自制CNC车床电气系统的设计中,知名极客JamesBruton使用其作为大部分自己制作机器人伺服驱动的核心单元。simplefoc是一个开源的低成本无刷直流（BLDC）电机驱动板，主要用于低功耗的FOC应用，电流高达5A。该板与ArduinoUNO和所有带有标准Arduino头的板完全兼容。SimpleFOCShield结合SimpleFOClibrary提供了一种用户友好的方法来控制无刷直流电机的硬件和软件。
• 电机
  • 步进电机
  • 伺服电机
    • 以直流有刷电机为核心加上驱动和反馈电路
    • 以直流无刷电机为核心加上驱动和反馈电路
  • 舵机
    • 以直流无刷电机为核心加上驱动和反馈电路
    • 以直流有刷电机为核心加上驱动和反馈电路