【花雕学编程】Arduino FOC 之速度闭环控制、位置闭环控制以及速度和位置双闭环控制_位置速度双闭环

Arduino是一个开放源码的电子原型平台，它可以让你用简单的硬件和软件来创建各种互动的项目。Arduino的核心是一个微控制器板，它可以通过一系列的引脚来连接各种传感器、执行器、显示器等外部设备。Arduino的编程是基于C/C++语言的，你可以使用Arduino IDE（集成开发环境）来编写、编译和上传代码到Arduino板上。Arduino还有一个丰富的库和社区，你可以利用它们来扩展Arduino的功能和学习Arduino的知识。

Arduino的特点是：
1、开放源码：Arduino的硬件和软件都是开放源码的，你可以自由地修改、复制和分享它们。
2、易用：Arduino的硬件和软件都是为初学者和非专业人士设计的，你可以轻松地上手和使用它们。
3、便宜：Arduino的硬件和软件都是非常经济的，你可以用很低的成本来实现你的想法。
4、多样：Arduino有多种型号和版本，你可以根据你的需要和喜好来选择合适的Arduino板。
5、创新：Arduino可以让你用电子的方式来表达你的创意和想象，你可以用Arduino来制作各种有趣和有用的项目，如机器人、智能家居、艺术装置等。

Arduino FOC（Field Oriented Control，场向量控制）是一种先进的电机控制技术，它允许精确控制电机的转矩和速度。这种控制技术特别适用于无刷直流电机（BLDC）和步进电机。在Arduino平台上实现FOC可以提供平滑的运行和高度的扭矩、速度和位置控制，它通过精确控制电机的电流和电压来实现高效率、高精度和低噪声的操作。

主要特点:
1、高性能电机控制：FOC是一种高级的电机控制算法，可以精准控制PMSM(永磁同步电机)和BLDC(无刷直流)电机，实现平滑的转速和扭矩输出。
2、闭环控制架构：FOC采用闭环反馈控制，通过检测电机的位置和速度数据，实时调整输出电压和电流，确保电机动作符合预期。
3、模块化设计：Arduino FOC库采用模块化设计，包含电机建模、速度/位置/电流控制环、PWM生成等子模块，用户可根据需求灵活组合使用。
4、可移植性强：Arduino FOC可移植到多种硬件平台，如Arduino、ESP32、STM32与树莓派等，适用于功率从几十瓦到几千瓦的电机系统。
5、参数自动识别：FOC库具有自动识别电机参数的功能，可以大幅简化电机控制系统的调试过程。

应用场景:
1、工业自动化：在工厂的机器人、传送带、CNC加工设备等领域，Arduino FOC可提供高性能的电机控制解决方案。
2、电动车辆：电动自行车、电动汽车、电动叉车等车载电机驱动系统，可以采用Arduino FOC进行精准控制。
3、家用电器：在电风扇、洗衣机、空调等家用电器中，Arduino FOC可实现细腻的电机速度和扭矩控制。
4、航模和无人机：航模飞机、无人机等对电机控制性能要求很高的领域，Arduino FOC能够提供高精度的电机驱动。
5、机器人：工业机器人、服务机器人、仿生机器人等对电机控制性能有严格要求的领域，Arduino FOC是一个不错的选择。

需要注意的事项:
1、硬件要求：Arduino FOC对控制器的性能(如CPU频率、RAM/ROM容量等)有一定要求，需要选择合适的硬件平台。
2、调试复杂性：FOC算法涉及电机建模、坐标变换、PI调节器等诸多环节，调试和调优过程相对复杂，需要一定的专业知识。
3、噪声抑制：电机驱动电路容易产生噪声干扰，需要采取合理的屏蔽和滤波措施，确保信号质量。
4、安全防护：电机驱动系统可能会产生过电流、过压等故障,需要配备可靠的保护电路，确保人身和设备安全。
5、系统集成：将Arduino FOC集成到完整的电机驱动系统中时，需要考虑机械、电力、控制等各个方面的协调配合。

总的来说，Arduino FOC是一种功能强大、性能优秀的电机控制解决方案,适用于工业自动化、电动车辆、家用电器等众多领域。但在硬件选型、算法调试、噪声抑制和安全防护等方面都需要谨慎考虑，以确保系统稳定可靠地运行。

附录：系列目录
1、Arduino FOC的特点、场景和使用事项
http://t.csdnimg.cn/WZhYL
2、Arduino FOC 之简单FOC库 - 跨平台的无刷直流和步进电机FOC实现
http://t.csdnimg.cn/p9ADE
3、Arduino FOC 之无刷直流电机速度控制
http://t.csdnimg.cn/gZ7CY
4、Arduino FOC 之步进电机位置控制
http://t.csdnimg.cn/VYbIb
5、Arduino FOC 之无刷直流电机电流控制
http://t.csdnimg.cn/wWGVu
6、Arduino FOC 之 SimpleFOC 库的主要函数
http://t.csdnimg.cn/S26MC
7、Arduino FOC 之 ArduinoFOC库的核心函数
http://t.csdnimg.cn/3VLzF
8、Arduino FOC 之传感器校准
http://t.csdnimg.cn/NS3TR
9、Arduino FOC 之SimpleFOCShield v2.0.4无刷电机驱动板
http://t.csdnimg.cn/g9mP7
10、Arduino FOC 之 AS5600角度读取
http://t.csdnimg.cn/dmI6F
11、Arduino FOC 之 FOC算法
http://t.csdnimg.cn/ENxc0
12、Arduino FOC 之 SimpleFOC库的适配电机方案
http://t.csdnimg.cn/QdH6k

1、速度闭环控制:
主要特点:
实现BLDC电机的精确速度调节,确保电机以期望的转速运转。
采用PI控制器实现速度环闭环控制,具有良好的动态响应和稳定性。
支持通过编码器或霍尔传感器获取电机转速反馈信号。
应用场景:
需要精确速度控制的应用,如电动工具、搅拌机等。
对转速波动敏感的场合,如织机、印刷机、缝纫机等。
需要实现转速自动调节的应用,如风机、泵类设备等。
注意事项:
正确设置PI控制器的参数,以实现最佳的动态特性。
编码器或霍尔传感器的安装位置和信号质量对控制精度有重要影响。
电机负载变化可能会引起速度偏差,需要采取相应补偿措施。

2、位置闭环控制:
主要特点:
实现BLDC电机的精确位置控制,确保电机能精准定位。
采用PID控制器实现位置环闭环控制,具有良好的静态和动态特性。
支持通过编码器获取电机位置反馈信号。
应用场景:
需要精确位置控制的应用,如机械手臂、CNC机床、3D打印机等。
对定位精度要求高的场合,如伺服驱动、工业机器人等。
需要实现自动定位的应用,如自动化仓储、装配线等。
注意事项:
正确设置PID控制器的参数,以实现最佳的位置控制性能。
编码器的分辨率、安装精度等对位置控制精度有直接影响。
电机负载变化可能会引起位置超调或振荡,需要采取相应补偿措施。

3、速度和位置双闭环控制:
主要特点:
同时实现BLDC电机的速度和位置双闭环控制,能更好地满足复杂应用需求。
外环为位置环,内环为速度环,能够协调速度和位置的动态特性。
支持通过编码器获取电机速度和位置反馈信号。
应用场景:
需要实现精确位置控制和良好动态特性的场合,如机械手臂、 CNC机床等。
对运动轨迹要求苛刻的应用,如3D打印机、工业机器人等。
需要实现高精度自动化控制的场合,如数控设备、自动化生产线等。
注意事项:
合理设置位置环和速度环的PID参数,确保两环协调配合。
编码器的分辨率、安装精度等对控制精度有重要影响。
负载波动可能会引起速度和位置偏差,需要采取相应补偿措施。
系统中可能出现耦合问题,需要采取合适的解耦措施。

总的来说,Arduino FOC提供了多种灵活的电机控制方式,能够满足不同应用场景的需求。在实际应用中,开发者需要根据具体情况选择合适的控制策略,并重点关注控制参数调优、传感器选型、负载匹配等关键技术点,确保电机控制系统的稳定可靠运行。

以下是几个实际运用程序参考代码案例，分别实现了Arduino FOC的速度闭环控制、位置闭环控制以及速度和位置双闭环控制：

1、速度闭环控制：

#include <SimpleFOC.h>

// 定义BLDC电机对象
BLDCMotor motor = BLDCMotor(7, 8, 9, 10, A0);

// 创建位置传感器对象
Encoder encoder = Encoder(18, 19, 4096);

// 创建速度环控制器对象
PIDController pid = PIDController(1.0, 0.1, 0.01);

void setup() {
   
  // 初始化串口通信
  Serial.begin(115200);

  // 设置电机参数
  motor.voltage_power_supply = 12;

  // 设置位置传感器参数
  encoder.init();

  // 设置控制回调函数
  motor.shaft_sensor = &encoder;
  motor.useMonitoring(Serial);

  // 设置速度环控制器参数
  pid.target = 100.0;
}

void loop()</
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30