SimpleFOC移植STM32（一）—— 简介

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攻城狮Melo 发布时间：2022-11-8 11:24

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文章简介:	SimpleFOC移植STM32（一）—— 简介

一、代码移植说明
多年前第一次听说“开源”这个事儿的时候非常不理解，自己辛苦写的代码让别人随意下载研究多吃亏呀，后来见的多了，发现开源也有它自身的一套商业逻辑。但是无论如何开源促进了技术的进步，避免大家重复造轮子，所以这是一件好事！

网上很多文章讲FOC都是以无感电机为例，讲一堆诸如观测器，磁链方程，滑模观测器，FAST观测器，反正切等等深奥的理论，导致大家觉得FOC非常难。实际对于有感电机来说，通过编码器直接读取角度θ，所有跟位置相关的算法全都不用，甚至电机的电感电阻这些参数也可以不用。创作者从有感电机入手，避开了无感电机复杂的算法，我觉得这个项目是学习FOC的最佳切入点。

原版代码要兼容多平台，所以在结构上会有更多的抽象层，移植后的代码只针对STM32，所以一些不必要的中间层会被省略掉，这是结构上的优化，但在程序上尽可能的保留了原版风貌，只对严重影响性能和功能的部分代码做了优化，方便大家学习对比。本次只移植了磁编码器云台电机的对应代码，其它类型的电机（比如步进电机、hall电机和ABZ编码器）本次没有移植，请知悉！

二、控制原理
2.1、有感FOC控制原理
本次移植对应如下原理框图，其中核心函数的功能对应图中方框部分，输入的三个参数也在图中标记，setPhaseVoltage(float Uq, float Ud, float angle_el)。

2.2、有感FOC(不带电流采样)控制原理
去掉电流采样及变换公式，这样看起来是不是更加简单了。实际上这样做也可以控制电机，simpleFOC(一)——(八)系列就是对应下图原理，本系列的前几节也都围绕这个原理图来讲，请大家认真看图。

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2.3、FOC heart function
原版代码包含了FOC的四种模式：Trapezoid_120、Trapezoid_150、SPWM和SVPWM，本次只移植了大家最关心的SVPWM部分。掌握核心函数的应用意义重大（你可以不了解算法，只要知道大概原理，会用即可），可以帮你快速理解整个程序。（原版代码路径：此电脑\文档\Arduino\libraries\Simple_FOC\src\BLDCMotor.cpp）

下图为移植后的代码，

三、适配硬件
6 I" U5 ^1 {( s. ]$ x3.1、Bluepill
本次移植的代码支持Bluepill，单电机控制和双电机控制，按照教程接线，编译后下载运行。

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3.2、SimpleMotor
为了减少跳线，让大家能够更专注于代码学习，本人开发了SimpleMotor驱动板，STM32F103C8T6单片机，支持大功率双电机驱动，兼容《SimpleFOC（七）——STM32（Bluepill）的应用》演示的大部分代码，本次移植的所有代码都将在这个驱动器上运行。

四、程序架构
原版代码中几乎不用中断（必须赞叹下创作者高超的软件写作能力），我猜测是为了提高跨平台时的兼容性，本次移植只增加了一个中断，TIMER4的1ms中断（已有串口接收中断），通过中断累加计时，在主循环中控制LED指示灯或者打印需要的数据，主要为调试方便。

五、演示功能

六、2021.9.3更新
" Y& h7 D3 X6 \& l6.1、当前的问题
一个月前写的这篇文章，当时代码已经移植完并测试了大部分功能，只剩电流采样和电流环的测试，原计划很快就可以调试完然后开始写教程，中间却出了问题，硬件设计和电流PID调参的问题混在一起，找到问题重新设计PCB，再测试就到现在了。

硬件的问题主要是第一版PCB把电流运放芯片和模拟电路放到了一起，虽然电源是分开的但还是干扰明显，第二版中把运放和数字电路放到一起干扰问题解决了。（VESC就是把运放和模拟电路放到了一起，但是也很稳定，第一版PCB参考了它的设计但是却不行，我所说的这个问题只针对我这个PCB。）

电流环PID的问题调试了几天没有解决，暂时不调了。电流采样的AD值总会有波动，如果PI参数过大，就会放大这个波动，如果PI参数过小，运行时达不到设定值，这挺矛盾的。网上有个说法FOC不一定非得电流环，也可以把电流检测作为电流限制，这个说法我暂时接受，而且实际测试使用电压方式也还行。这个问题等我以后找到更好的方法后再来解决，或者代码开源后有热心网友能解决那就更好了。20211222升级了代码，所有问题已经解决，升级内容在《SimpleFOC移植STM32（五）—— 电流采样及其变换》中有说明。

电流环这个问题只针对SimpleMotor这样的大电流驱动，官方的V2.0.3最大电流只有5A，是不存在这个问题的，因为放大倍数小，AD值的微小波动转为电流值以后仍然很小，对系统稳定性几乎没有影响。

6.2、驱动器性能
有同学问到STM32F103C8T6控制两个电机并且还要跑浮点数，能跑的动吗？103C8跑浮点数确实很吃力。
实际测试只带一个电机，
I2C的编码器AS5600（硬件I2C，400KhZ），主循环，voltage模式1885Hz，foc_current模式1110Hz。
SPI的编码器TLE5012B（硬件SPI2，9MhZ），主循环，voltage模式3180Hz，dc_current模式1990Hz，foc_current模式1460Hz。
如果是双电机，估计还要一半。这和主流的10kHz的速度差太远了。
提升速度的方式有两种，一个是用带浮点运算的单片机，比如STM32F407，方法简单，但是由此会导致成本的上升，另一个办法是把浮点数转换为定点数来运算，效率也会成倍提升，但是归一化后的代码会非常难以理解，不利于代码的学习。所以这是一个取舍，创作者既然把它命名为SimpleFOC，还要让代码运行在MEGA328这样的芯片上，我觉得包含了把它定位为入门学习的这样一个目的。