SimpleFOC调参1-力矩控制_foc力矩控制

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，本篇只总结力矩控制，下篇总结速度控制、位置控制。

1 电压控制 voltage control

这种控制方式类似于直流有刷电机的控制，通过设置目标电压Uq，同时读取电机角度angle（a），经过FOC算法得到相电压Ua、Ub、Uc，FOC算法保障线圈产生的磁场方向与永磁铁磁场方向垂直90°，从而保障扭矩最大。相电压通过驱动器BLDC Driver驱动电机转动。

电压控制只用到了磁编码器检测到的角度，电机参数（相电阻、KV值等），没有PID参数设置，所以各个PID都是用默认参数，不会对控制效果产生影响。

1.1 pure voltage：不需电机参数

因为电机线圈产生的电流与扭矩成正比，而电流又与电压成正比，所以有：

其中Uq：设定电压值，I：相电流，k：比例系数，T：扭矩。因为没有电流反馈，只能根据角度反馈来预估实际电压U，所以实际电压会不稳定。
注意：这个公式只适用于低速情况，在高速情况下，I = （Uq - EMF） /R，电机线圈中的反向电动势会产生显著的影响，等式不再成立。

1.2 voltage + current estimation：需要相电阻

如果设置了电机相电阻参数，那么:

这种控制方式比pure voltage控制更精准一些。因为知道了相电阻，可以很容易的计算出驱动电流。对应的电压波动也要小很多。同样只在低速情况下有效，高速时仍然受反向电动势影响。

1.3 voltage + current estimation + back-EMF compensation：需要相电阻+KV值

在simpleFOC最新版（V2.2.2）中增加了一个电机参数，KV值。在相电阻的基础上，又增加了反向电动势的反馈。通过角度传感器检测角度，角度微分后得到速度velocity（v），在经过低通滤波后除以KV值，可以预估出反向电动势（BEMF），Ubemf = v/KV，可以用作近似计算，二者不完全相等。


增加了KV值后，当输入目标值0.2时，电压会把BEMF一起计算进去。
当输入目标值设为0时，给一个启动速度，电机就会转动（因为有BEMF产生）。加一个负载很容易停止（强制BEMF为0）。

由于电压控制没有用到PID调节器，所以修改所有PID参数都不会对结果产生影响。

2 电流控制 DC current control

电流控制除了需要检测角度之外，还需要同时检测相电流，从而能够直接控制电流大小，控制效果比电压控制好很多，算法要复杂一些，需要用到1个低通滤波（low pass filter），1个current q PID调节器。
假设电机产生的扭矩与驱动电流成正比，可以通过控制电流来控制扭矩。这个假设的前提是在低速情况下iDC=iq，id分量可以忽略不计，在高速情况下，id分量无法忽略，iDC=iq不再成立，此时就需要用到下一节总结的FOC电流控制了。

如下图所示，simpleFOC studio通过串口把所有参数都显示出来。左上方区域显示传感器参数：

• angle：磁编码器检测到的角度，单位：弧度
• velocity：根据angle计算出来的角速度，单位：rad/s
• current：电流检测电路检测到的电流，单位：A
• target：用户设定的目标值

右上方区域实时绘制监测变量：target,Vq,Vd,Cq,Cd,Vel,Angle
右下方区域是串口命令行

左下方列出了simpleFOC可以调整的参数：

• motion config：运动方式配置
  • motion control type:torque,velocity, angle,velocity openloop, angle openloop
  • torque control type: voltage, DC current, FOC current
  • motion downsample:1000, 采样率/1000，频繁采用会对FOC控制造成影响，所以要downsample
• velocity PID：速度环PID控制，在下一篇SimpleFOC调参2-速度控制中介绍
• angle PID：位置环PID控制，在另一篇SimpleFOC调参3-位置控制中介绍
• current q PID：本节详细介绍各参数含义及对应图形显示
• current d PID：下节详细介绍各参数含义及对应图形显示
• limits：电机极限参数限制
  • velocity limi: 速度限制
  • voltage limit：电压限制
  • current limit：电流限制
• States：电机状态参数
  • target：目标值
  • voltage q：电压q分量
  • voltage d：电压d分量
  • current q：电流q分量
  • current d：电流d分量
  • velocity：速度
  • angle：角度
• sensor config：传感配置
  • zero angle offset:零角度偏移量，单位：弧度
  • electrical zero offset:电零角度偏移量，单位：弧度
• general settings:通用配置
  • phase resistance:电机相电阻
  • motor status:电机状态 enabled，disabled
  • PWM modulation: PWM调制方式 sine PWM, space vector PWM, trapezoidal 120, trapezoidal 150
  • modulation center: 调制中心对齐 enabled， disabled
    
    motion control type 是torque力矩控制时，选择torque control type为DCcurrent时，只用到了current q PID调节器。设置target为0.2，目标是把驱动电路控制在0.2A，各参数含义及对应波形图如下：
• proportional gain: 比例增益，影响PID控制的响应速度，P值越大响应速度越快
• Integral gain：积分增益，累积误差的响应速度，I值为0时，current出现很大偏差，不会纠偏。I=300、500时响应见下图
• Derivative gain：微分增益，未使用
• output ramp：输出斜率？含义不清楚
• output limit：输出限制，限制电压
• low pass filter: 低通滤波器 Tf 滤波时间常数。影响滤波效果。
  
  
  

3 FOC电流控制 FOC current

这种控制方式是真正的完全版FOC控制。需要用到磁编码器，电流检测。将同时同时电流的q分量和d分量。目标是使desired current Id与q分量相等，d分量等于零。这样无论在低速、高速的情况下都会有比较好的控制效果，不会受d分量影响。这里用到2个PID控制器，2个low pass filter滤波器。

FOC电流控制与DC电流控制最大的区别是增加了current d控制，同样设置target=0.2，同样空载情况下，角速度可以达到175作用，而DC电流控制角速度只有80左右。用手去挡电机，让电机停止后，明显感觉力变大了。这也说明：torque扭矩控制，控制的是驱动电流大小，而不是真实的电机扭矩。

Current d PID个参数含义与Current q PID相同，只是作用对象不同了。current q = target value, current d = 0

• proportional gain: 比例增益，影响PID控制的响应速度，P值越大响应速度越快
• Integral gain：积分增益，累积误差的响应速度，I值为0时，current出现很大偏差，不会纠偏。
• Derivative gain：微分增益，未使用
• output ramp：输出斜率？含义不清楚
• output limit：输出限制，限制电压
• low pass filter: 低通滤波器 Tf 滤波时间常数。影响滤波效果。
  

4. 三种不同控制方式对比

4.1 voltage

下图中可以看到voltage控制时电流只是估计值，空载和负载时电流变化很大。

4.2 DC current

下图可以看出DC current直接控制电流，控制效果比voltage好很多，但是还是有一部分能量浪费在了current d上

4.3 FOC current

FOC控制做到了高低速情况下都使current q=target value, current d=0,能量利用率最高，转速也最快

5. 调试过程中问题

5.1 问题1：驱动电流单次变化太大时，电机会出现震荡，

参数设置：

• motion control type：Torque
• torque control type：FOC current
• Current q PID： P=5， I=1000， D=0
• Current d PID： P=5， I=1000， D=0

现象：设置目标值由低到高时一切正常，比如M0—M0.5，M0.5–M1.0。但是设置目标值由高到底时，单次变化过大会出现过冲，电流current q直接到-2A左右，系统在此处达到平衡并震荡。

过冲值与比例因子P相关，设置current q、d的比例因子为10，结果如下图

设置current q的比例因子为20，current d的比例因子为10，结果如下图

最终如下图，可以得到比较好的结果。但是当M1.5—M0时优惠出现震荡。要想获得稳定的加减速过程，需要逐步加速、减速，不能让力矩控制环中的电流current q、d发生巨变，如果发生巨变很可能引起电机震荡，甚至损坏电机、驱动电路。