無刷電機(jī)小車開發(fā)記錄-移植SimpleFOC流程

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前情提要

今天過來繼續(xù)擼我的（無刷電機(jī)）小車。驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)底層需要實(shí)現(xiàn)三大部分：功率驅(qū)動(dòng)，位置反饋以及（電流）反饋。前面我已經(jīng)適配了功率驅(qū)動(dòng)（6線互補(bǔ)PWM），和位置反饋（PWM（接口））的底層驅(qū)動(dòng)代碼。

而電流反饋我電路使用的是線內(nèi)探測方案，輸出（模擬）電壓值。驅(qū)動(dòng)程序可暫時(shí)使用RTT的（ADC）底層驅(qū)動(dòng)。

相關(guān)（硬件）電路

功率（驅(qū)動(dòng)電路）和位置反饋的磁編碼器（芯片），前面文章給出過簡介。這里我給出最后一塊電路檢測相關(guān)的電路：

這里我只（檢測）了A，B兩相的相電流，第三項(xiàng)電流可由電流和為零（基爾霍夫第一定律）計(jì)算得到。

其中R45和R49為線內(nèi)采樣（電阻），壓差經(jīng)過LT199G1運(yùn)放放大后輸出。LT199G1的放大倍數(shù)是50，由于后面（MCU）的（AD）C只能檢測0~3.3V的正電壓（信號(hào)），所以這里加了個(gè)1.5V偏置。

可檢測最大電流I=1.5V/50/0.01R=3A。對(duì)于我的這個(gè)小電機(jī)來說足夠了，甚至后面可能還需要根據(jù)測試結(jié)果適當(dāng)增大采樣電阻阻值。

移植（Sim）pleFOC

萬事俱備只欠東風(fēng)，到了驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)最關(guān)鍵的時(shí)刻了，就是移植FOC（算法）。目前（網(wǎng)絡(luò)）上可以看到的FOC算法很多，雖然我也沒有過多的接觸，但感覺核心算法基本一致，無非就是外圍做了一些優(yōu)化，變形。所以我這里選擇了比較簡單的SimpleFOC進(jìn)行移植。后面可以根據(jù)自己的測試自行優(yōu)化。

FOC的原理我這里暫時(shí)不提及，網(wǎng)絡(luò)上可以找到包括稚暉君在內(nèi)的很多大佬的（科普）文章，也肯定比我講解的好，可自行查閱。如果有需要，我這里后面再另外補(bǔ)充一篇算法講解篇。這里只簡單提及移植過程。

下面給出SimpleFOC的官網(wǎng)鏈接，更多詳情可參考官網(wǎng)（教程）。如果完全按照官網(wǎng)提供的電路搭建平臺(tái)，甚至可以不用管任何算法相關(guān)的內(nèi)容，直接驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)。如果完全以實(shí)現(xiàn)功能為目的，建議采用此途徑。

找到（Arduino）-FOC倉庫，克隆或者直接點(diǎn)擊“DownloadZIP”按鈕（下載）源代碼。

目錄結(jié)構(gòu)

解壓源代碼，可先簡單了解一下目錄結(jié)構(gòu)，根目錄下主要有兩個(gè)文件夾，一個(gè)examples，內(nèi)部是基于Arduino的例程。另外一個(gè)是最主要的src源代碼目錄。

例程文件后面用到的時(shí)候再說，這里先看src下的目錄文件：

沒錯(cuò)，這里可以看到，SimpleFOC是基于（C++）的?；贑++面向?qū)ο蟮奶匦裕梢园颜麄€(gè)結(jié)構(gòu)封裝的更好，也可以使用一些C++的高級(jí)語法。

其中“common”目錄下除了公用的（PI）D和低通濾波相關(guān)代碼外，還包括了驅(qū)動(dòng)，電流（傳感器），位置傳感器的抽象類，包含了各傳感器的公共屬性。而外面的”drivers”,”current_sense”,”sens（or）s”目錄下封裝了面向各實(shí)際方案的不同子類。

common目錄內(nèi)容：

common/base_classes目錄內(nèi)容：

比如src/drivers目錄下就包含了3線PWM的（BLDC）（電機(jī)）驅(qū)動(dòng)和6線PWM的BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及幾個(gè)（步進(jìn)電機(jī)）的驅(qū)動(dòng)類，他們都繼承與BLDCDriver類，然后各自實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)有的屬性功能。

而子類目錄下的hardware_specif（ic）文件夾內(nèi)，包含的是面向不同硬件平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)接口，也是直接適配新的MCU硬件平臺(tái)的時(shí)候需要適配的代碼。

為什么要說直接適配呢？是因?yàn)槿绻皇亲鲭姍C(jī)驅(qū)動(dòng)板，完全可以使用SimpleFOC的軟件框架，把MCU等其它的相關(guān)驅(qū)動(dòng)代碼通過接口封裝進(jìn)來。而我這里顯然不屬于這種直接適配。我這里是想把SimpleFOC移植到（RTThread）的框架下，后面還想借助RTThread做其它功能。

SimpleFOC源碼加入RTT目錄

最后這個(gè)SimpleFOC想以一個(gè)功能包的形式嵌入到RTThread系統(tǒng)內(nèi)，可以像RTThread已有的功能包一樣，通過UI或者menuconfig進(jìn)行配置。所以，在./packages目錄下創(chuàng)建SimpleFOC目錄，然后把SimpleFOC源碼包內(nèi)的src文件夾拷貝進(jìn)來：

添加SConscript文件

上面的操作只是在文件系統(tǒng)內(nèi)加入了代碼包，要想讓RTT編譯加入的代碼，還需要添加并修改SConscript構(gòu)建文件。./packages/SimpleFOC目錄下的SConscript文件比較簡單，直接把./packages目錄下的拷貝一份即可：

拷貝到./packages/SimpleFOC目錄下的SConscript文件內(nèi)容如下，主要是起到承接作用，讓scons構(gòu)建工具去子目錄內(nèi)繼續(xù)查找SConscript文件。

importos

frombuildingimport*

objs=[]

cwd=GetCurrentDir()

list=os.listdir(cwd)

fori（te）minlist:

ifos.path.isfile(os.path.join(cwd,item,'SConscript')):

objs=objs+SConscript(os.path.join(item,'SConscript'))

Return('objs')

/packages/SimpleFOC/src目錄內(nèi)的SConscript文件稍復(fù)雜。我這里使用的這級(jí)SConscript文件管理整個(gè)源碼包的構(gòu)建。

最主要的是SOURCES的源碼添加和CPPPATH的頭文件目錄的定義。語法說明請(qǐng)參見（python）以及RTT官網(wǎng)相關(guān)教程文檔。

...

SOURCES=["BLDCMotor.c","common/foc_u（ti）ls.c","common/base_classes/FOCMotor.c"]

SOURCES+=["common/base_classes/CurrentSense.c"]

SOURCES+=["common/base_classes/Sensor.c"]

SOURCES+=["common/lowpass_filter.c"]

SOURCES+=["common/pid.c"]

SOURCES+=["common/time_utils.c"]

SOURCES+=["sensors/MagneticSensorPWM.c"]

ifGetDepend(['RT_USING_SIMPLEFOC_DRV_6PWM']):

SOURCES+=['drivers/BLDCDriver6PWM.c']

ifGetDepend(['RT_USING_SIMPLEFOC_CURRENT_SENSE_INLINE']):

SOURCES+=['current_sense/InlineCurrentSense.c']

...

...

CPPPATH=[CWD,os.path.join(GetCurrentDir(),'inc'),CWD+'/common',CWD+'/common/base_classes',CWD+'/sensors',CWD+'/drivers']

CPPPATH+=[CWD+'/current_sense']

...

修改Kconfig文件

功能包的添加在/board/Kconfig文件內(nèi)。如下是我在”BoardextendedmoduleDrivers”菜單下加入的SimpleFOC的相關(guān)配置：

menu"BoardextendedmoduleDrivers"

menuconfigPKG_USING_SIMPLEFOC

bool"EnableSIMPLE_FOCmodule"

defaultn

selectRT_USING_SIMPLEFOC

ifPKG_USING_SIMPLEFOC

configSIMPLE_FOC_VOLTAGE_POWER_SUPPLY

int"voltagepowersupply"

default12

choice

prompt"Selectdriverstype"

defaultRT_USING_SIMPLEFOC_DRV_6PWM

configRT_USING_SIMPLEFOC_DRV_6PWM

bool"USING6PWMMODEDRIVER"

configRT_USING_SIMPLEFOC_DRV_3PWM

bool"USING3PWMMODEDRIVER"

en（dc）hoice

choice

prompt"Selectcurrentsensestype"

defaultRT_USING_SIMPLEFOC_CURRENT_SENSE_INLINE

configRT_USING_SIMPLEFOC_CURRENT_SENSE_INLINE

bool"USINGINLINEMODECURRENTSENSE"

configRT_USING_SIMPLEFOC_CURRENT_SENSE_LOWSIDE

bool"USINGLOWSIDEMODECURRENTSENSE"

endchoice

endif

endmenu

把相關(guān)的.cpp文件修改為.c文件

這里只是先修改文件類型，讓構(gòu)建文件能找到相關(guān)文件，具體內(nèi)容后面在修改。比如./packages/SimpleFOC/src/common目錄內(nèi)的相關(guān)文件：

使用UI工具配置RTT

完成了以上修改既可以配置RTThread系統(tǒng)，把需要的代碼真正添加進(jìn)來了。

我這里添加進(jìn)來的所有文件列表如下：

用C代碼實(shí)現(xiàn)原有C++代碼的功能

這里是比較耗費(fèi)時(shí)間的，要用（C語言）的語法，實(shí)現(xiàn)類似C++的繼承以及函數(shù)重載的功能。大體思路就是繼承使用結(jié)構(gòu)體包含的方式實(shí)現(xiàn)，函數(shù)重載就是用函數(shù)指針的方式鏈接子類（只是類的概念）的實(shí)現(xiàn)函數(shù)到父類內(nèi)。具體的可參加我開源的源代碼。

功能測試

開環(huán)控制

源碼包的/examples/motion_control目錄下有一些控制例程，我這里暫時(shí)測試了開環(huán)控制和速度閉環(huán)控制，開環(huán)控制不用關(guān)聯(lián)位置傳感器和電流傳感器，只實(shí)現(xiàn)（驅(qū)動(dòng)器）相關(guān)的代碼即可：

測試代碼如下，如果上面的流程沒有出錯(cuò)，這里即可看到電機(jī)可以正常轉(zhuǎn)起來了，只不過是開環(huán)的旋轉(zhuǎn)效果不是很好，盡量不要測試太久，當(dāng)心電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。

BLDCMotorMotor_left;

BLDCDriver6PWMMotor_left_driver;

floattarget_velocity=6.28;

voidmotor_test_timeout(void*pa（ram）eter)

{

Motor_left.foc_motor.ops.move(

}

intmain(void)

{

rt_timer_tmotor_tm;

...

BLDCMotor_set_default(

BLDCDriver6PWM_set_default(

Motor_left_driver.bldc_driver.voltage_power_supply=8;

Motor_left_driver.bldc_driver.voltage_limit=8;

Motor_left_driver.bldc_driver.ops.init(

Motor_left.linkDriver(

Motor_left.foc_motor.voltage_limit=4;

Motor_left.foc_motor.velocity_limit=50;

Motor_left.foc_motor.controller=velocity_openloop;

Motor_left.foc_motor.ops.init(

motor_tm=rt_timer_create("motor_test_tm",motor_test_timeout,

if(motor_tm!=RT_NULL)

rt_timer_start(motor_tm);

...

}

閉環(huán)控制

上面的開環(huán)測試可以正常旋轉(zhuǎn)就說明電路沒有問題，就可以測試閉環(huán)控制效果了，代碼如下：

BLDCMotorMotor_left;

BLDCDriver6PWMMotor_left_driver;

MagneticSensorPWMsensor_pwm;

InlineCurrentSensecurrent_sense;

floattarget_position=0;

floattarget_velocity=6.28;

voidMagneticSensorPWM_callb（ac）k()

{

Motor_left.foc_motor.ops.loopFOC(

Motor_left.foc_motor.ops.move(

}

intmain(void)

{

...

BLDCMotor_set_default(

BLDCDriver6PWM_set_default(

MagneticSensorPWM_set_default(

InlineCurrentSense_set_default_by_g（ai）n(¤t_sense,0.01f,50,"adc0",10,11,NOT_SET);

current_sense.current_sense.ops.init(

sensor_pwm.sensor.ops.init(

FOCMotor_linkSensor(

FOCMotor_linkCurrentSense(

Motor_left_driver.bldc_driver.voltage_power_supply=8;

Motor_left_driver.bldc_driver.voltage_limit=8;

Motor_left_driver.bldc_driver.ops.init(

Motor_left.linkDriver(

CurrentSense_linkDriver(

Motor_left.foc_motor.voltage_limit=4;

Motor_left.foc_motor.controller=velocity;

Motor_left.foc_motor.PID_velocity.output_ramp=1000;

Motor_left.foc_motor.PID_velocity.P=0.04;

Motor_left.foc_motor.PID_velocity.I=0.4;

Motor_left.foc_motor.PID_velocity.D=0;

Motor_left.foc_motor.LPF_velocity.（Tf）=0.01f;

Motor_left.foc_motor.ops.init(

Motor_left.foc_motor.ops.initFOC(

MagneticSensorPWM_enableInterrupt(

...

}

staticintmotorL_V_PI(intargc,char**argv)

{

rt_err_tresult=RT_EOK;

floatp,i;

charbuf[64];

if(argc>=3)

{

p=atof(argv[1]);

i=atof(argv[2]);

Motor_left.foc_motor.PID_velocity.P=p;

Motor_left.foc_motor.PID_velocity.I=i;

sprintf(buf,"setP:%.3f,I%.3fn",p,i);

rt_kprintf(buf);

}

else{

rt_kprintf("Usage:n");

rt_kprintf("motorL_V_PI-settheleftmotorvelocityPIvaluen");

rt_kprintf("eg:motorL_V_PI0.25issetleftmotorvelocityPto0.2,Ito5n");

result=-RT_ERROR;

}

returnRT_EOK;

}

MSH_CMD_EXPORT(motorL_V_PI,motorL_V_PI