SimpleFOC移植STM32（五）—— 电流采样及其变换

攻城狮Melo · 2022-11-08T04:28:10+00:00

一、原理说明7 h) x2 K1 c0 |* b6 p 1.1、电流采样 ' n- Q w' H; k7 x4 @: v$ G5 F3 W1.1.1、为什么要采样电流1 Z+ W ^5 k$ e: _- Q FOC（Field-Oriented Control），即磁场定向控制，磁场大小与绕组中的电流成正比，所以对磁场的控制在程序上就是对电流的控制。前几节的程序并没有使用电流环，而是直接使用电压值，确实可以达到还行的效果。但是这样做有两个问题： / [* \, L. M( k0 @" P& I& j * Y" Q' l* l7 }1、不能保证i_d为零，i_q等于目标值，因此电机并不能工作在效率最高的状态，力矩控制也是不准确的。/ K: L! b% `& i8 M: ]8 | / d: {( `. d7 T 2、相电压施加在电感上产生相电流，电压和电流有相位差且并不恒定，低速运行时相位差对电机的影响不明显，但是当速度快了或者速度变化率高了以后，相位差的影响就会非常明显。' Q# K8 S, c3 [2 U" M 3 T1 u" H) p2 k+ h$ o5 O% U8 ?5 q1.1.2、电流采样方式 + K( w3 N7 m; }: c. |( G7 n& y% M- `电流采样主要有三种方式：8 p& D/ P8 s' }& k! r! a. M 低侧电流采样7 g1 z2 C/ ~/ y* [ 高侧电流采样. q; m% J" y$ r( h8 { 内置电流采样$ T) J$ ^6 W# t G2 V# m- k& a T - Z% s) m* h# [2 p' W1.1.2.1、低侧电流采样 ) D' d/ q/ S$ y' P, S4 j 5 f# c, T0 v' O+ M& P# _5 w/ y1 F/ p) c5 P% K7 M 低侧电流检测可能是最常见的电流检测技术，主要是因为它既不需要高性能的PWM抑制运放（如内置），也不需要支持高压的运放（如高侧），采样电阻在低侧MOS和GND之间，确保了运放输入端的电压非常低。这种方法的缺点是，必须在下桥臂MOS打开时检测电流，PWM频率通常为20k～50khz，这意味着低侧MOS的开关频率为每秒20k～50k次，因此PWM设置与ADC采集之间的同步非常重要。 ' M* D$ Y5 o( o7 _ 2 v5 g/ d5 n; k+ @3 @1.1.2.2、高侧电流采样6 v. q: J0 L! K8 ]) | . i& c$ A q- }( @# @: N 高侧电流检测可能是最不常见的电流检测技术，因为它需要支持高压的运放，采样电阻在高侧MOS和直流电源电压之间，使放大器的输入端始终有高电压。这种方法的另一个缺点和低侧电流采样一样，需要同步PWM和ADC。 ' _- G# a8 B! O, {& i; Y# P4 w% Y. h* h/ h D- e, _. j # ]4 }( d9 g% V U J+ M , P$ z; H8 a4 Z+ o3 e 1.1.2.3、内置电流采样 ; o" U) s" @) Y% w* K( A* e+ o3 V6 ~7 c1 c% ^/ e6 @ # k$ b+ w% P3 F& F 3 Z. w8 J6 V \* D8 E 内置电流检测（InlineCurrentSense）是使用起来最简单但是最精准的技术。采样电阻串联在电机相线上，检测的电流始终都是电机相电流，因为电感中的电流不会突变，所以无论PWM占空比的状态如何，采样到的电流都是连续稳定的。2 |, Z) @7 H2 t5 u # p1 x+ R9 n) y0 U8 Q, _/ T9 x9 X 这种方法非常适合Arduino，采样程序变得简单了，这应该是考虑到了MEGA328P微弱的性能以及跨平台时程序的适配。内置电流检测的缺点主要在于芯片，需要比常规放大器更好的PWM抑制功能的高精度双向运放，简单的说就是硬件成本高。 1 u: [, f% t/ J! C Q; v' l! W6 }) w; \& \ 1.2、电流变换- J8 l" l, [/ {& B* c |7 Z 本节增加电流环，主要增加了以下功能，0 g d. j* y( e2 L7 ] 1、AD转换获取电流值Ia和Ib，, o+ l" E& Q" N$ l9 a 2、通过Clark变换得到Iα和Iβ ， & f. ?7 `3 @8 D5 U2 ~3、获取电机角度，通过Park变换得到Id和Iq， + S, f, v- Y9 g7 e+ o( `4、Id、Iq不能突变，同时为减少干扰，做平滑滤波，/ B+ C# q8 N. a5 R/ A 5、Id、Iq与设定值比较，通过PID运算得到Vd 和Vq,& n; g) Y. ?, O2 o' `% S: I , u3 J9 i, ^6 x7 G5 D& X 1.2.1、AD转换( K2 M( u2 F" X" ` 为了与官方代码保持一致，AD转换采用简单的单通道转换模式，主程序循环一次获取一次A/B相的电流。5 Y* f( w0 u/ Q2 y 8 T( R5 z v/ T7 y0 I ! 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O G9 m % r" `* s& E( I5 C; ^0 p 7 H9 e: z3 q" I! h3 V- c* i- F; O5 z8 Z2 w5 c/ V' j3 c 电机的电流是正弦波，对于采样的差分信号来说，负半周期为负值，为方便处理，需要叠加上偏置电压以保证全周期的输出为正值。 , f4 ^* a) I4 o" v' s% r/ Q# Y" F5 a' X" R ; r4 }. C4 p2 f2 k8 A) P" H7 j1 { " j2 T( V3 ^' Y8 x! V9 ~2.2、电流实际波形' o! }& e! b' J+ d 下图为电机静止时A/B相运放输出端波形，VCC=3.3V，所以此时电压=1.65V， & Q$ r. E6 }; Y, V( r# Q ' x* p7 s9 |, c y# k; |) M" ~$ x ) k% x- _! ^* X- i8 O7 t3 m下图为电机转动时运放输出端波形0 i3 Y2 f3 g- M, I( A' F, Z: B # y3 L( R- t- k4 T% B- c & ]) m) D( L1 b O/ }/ G ) z) @* z; S4 L2.3、SimpleFOC V2.0.3 的参数 4 i! A1 t2 K! p* [9 x X6 d6 I7 n! s. [ + {; X6 Y8 p( w0 p7 f# C- Z3 Q9 Y# w 采样电阻0.01 Ω 1 A) Y% I) z( `6 r, o( S: Q运放为INA240A2，放大倍数50 6 K" x5 z4 [$ o$ b/ s6 O背面需分别短接A0/A2至输出 " f7 H& q; x. u0 F# m# XC1_OUT=INA_VCC/2 + 0.01 * I * 50 7 X8 c8 A0 v* A2 ]; j$ B; ]如果INA_VCC=3.3V，C1_OUT=1.65 + 0.01 * I * 50，电流范围（-3.3A,3.3A） ; Q) {: n/ X& D0 r& _* C如果INA_VCC=5.0V，C1_OUT=2.50 + 0.01 * I * 50，电流范围（-5A,5A）9 d D$ l' r( k B相采样输入在PCB上为走线方便做了反向输入，所以放大倍数需乘以 -1（移植后的代码已经做了处理）。 9 f% z; |% i& U. [# b8 W. W! g6 W( R) ?( K 2.4、PowerShield V0.2 的参数" M! H5 T4 v& X& O( N7 b 2 P% B+ X7 d* {, k& W, ~ + R& {: M! ~4 r) `; G) o$ P% [ b( i+ E8 z& ^5 H6 ^ 采样电阻0.001 Ω 8 l% G( Z- J3 u运放为INA240A2，放大倍数50' P U" R8 y# C# L9 D C1_OUT=1.65 + 0.001 * I * 50，电流范围（-33A,33A）. V7 L6 o/ n$ T* G \1 j! W! G 7 n4 P/ j; K O2 i3 V 2.5、SimpleMotor 的参数( Q5 _( x1 Y6 J ; V9 k9 r; q( O5 t; l , p% _6 |6 t- _: {- X. `* L/ B5 r, a3 B 采样电阻0.001 Ω9 V: p4 m U1 M+ H# e 运放为INA240A1，放大倍数207 Z% z [4 c* b' o/ P$ k3 e C1_OUT=1.65 + 0.001 * I * 20，电流范围（-82.5A,82.5A） 1 T A& G% Z3 v5 e4 G6 O ' B; w$ ]# C5 ^. P* e/ L0 v6 a' Z三、扭矩模式 6 v: X- ?! @5 z% B4 c SimpleFOC中有三种扭矩模式：" I- c; S+ j' j W9 U7 K Voltage mode - the simplest one - ], O% @ `7 z! W8 B1 yDC current mode - 1xPID controller + 1xLPF7 w8 o* M) E7 o. ?* u FOC current mode - 2xPID controller + 2xLPF filters2 _6 y! d; A- }0 M M+ h7 L 9 R( f" q9 I) ~2 Z! F" |3.2.1、电压模式(Voltage mode) 5 A2 p& t; ]8 [2 z电压模式是之前示例中一直使用的模式， 7 }# ]. h: p0 K( Y* t因为不用采样电流，所以硬件简洁，程序简单，执行速度快， 9 ?2 ~* f6 f5 f! 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K7 \ 3 v! g/ k% u' R5 z% b, F6 Q, U# h+ K ; \ |# d0 A r/ c% ^, D! [, q 0 j% n, b3 B4 C) l" S- a! ~带编码器云台电机可以是AS5600，也可以是TLE5012B。9 T8 l6 Z* T: G 7 D8 l5 m4 ^4 X, M b" J4.2.2、接线% l9 g' Y7 L. t/ R& `4 j + w+ x9 |9 ^) \, \% v5 Y r) g& M' S 7 A% X$ r3 M) ?5 U# M9 e+ N, C" u ! `% ^/ @' H" j, ]4 r 只展示M1的接线，M2的接线根据原理图自行连接。6 L; D( _$ [4 @- J/ } 0 ] Y1 N# i: @, I( D$ a- k2 F6 @4.3、STM32方案 / d3 z; K/ K9 T6 A; W$ S" |4.3.1、准备清单" S' q+ @+ p+ X ; C K2 Z- q5 w( _- C , v' _" ~1 f( E0 e# r& A5 A" I: k' [8 D3 h' t5 O3 C ! h9 ]6 g( z- q) |# l/ M& { " A. v/ b" K0 q( \! r# | * m6 e& u$ c, H% q! h/ a带编码器云台电机可以是AS5600，也可以是TLE5012B。 & X1 }# L; w9 ^. B5 \9 b+ a4 F! o8 n' O 4.3.2、接线 % J z7 F5 P' P7 A z% u/ m$ ]( T% y6 Q. n8 i / Z! E Y3 ]( { 3 {7 H5 t0 z/ u1 tShield V2.0.3的背面按照上图短接 0 c5 D1 j0 P: [: g0 b ! T5 A- }1 l8 ` " j V3 T5 i/ T9 I& } - Q2 k% b8 s9 M& B: Q2 K' Z 对照 Shield V2.0.3 的原理图： % W# |& P3 M2 ~6 N% o" r 6 k- \% O% e. }2 \ 8 H7 v0 x$ z7 _, y 6 F! V3 R" U( `1 ~5 x0 ]" ?( H1 @" K2 l) X! 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T+ P* Z5 Z$ y4 c* [ 5 q0 R1 _" J0 ] R& h: B3 {六、代码升级说明 ; E9 a" l: @" ?7 A9 U! x" _( l, Z 9 c; V- v* k* i( k3 P1、优化PID子程序。之前代码把位置PID、速度PID和电流PID_q_d 各自做为独立的函数调用，本次升级只写一个函数，把PID相关参数定义为结构体，与官方代码保持一致。 & e x, p6 \- `: y/ v8 M; w5 y9 r; c: s5 ^% _; J 2、优化LPF子程序。与PID的做法相同，只写一个函数，把相关参数定义为结构体，与官方代码保持一致。 . ^0 p& \6 ^8 Q: Z: O7 t9 V. J : u. p$ \* ?, O' i* F" }3、增加了对AS5047P、MA730编码器的支持（目前共支持AS5600、TLE5012B、AS5047P、MA730四种磁编），使用代码时只需在 MyProject.h 中把使用的型号设置为1即可。 5 a1 @) v, F1 g$ l: ^7 H; A; a% i1 `7 k# c; ` 4、官方最新的SimpleFOC库V2.2.0（2021年12月14日）版本新增加了sensor->update()函数，并因此对角度处理做了大改。 ( ^ j% a% L' }5 b之前调试代码的时候，就发现官方代码中角度读取处理的不太好，特别是速度模式上电的时候电机会突然转一下然后停止，当时按照我的理解改进了这部分代码，最新版本中官方修补了这个问题，我本来是打算把这个部分升级到官方一致，但是修改了一天后发现官方的代码仍然很混乱（相信这部分代码官方以后还会再升级），所以此次放弃了这部分的升级，仍保持之前的设计思路，只做简单优化。7 V) [ E) e' F5 M& Z. P( H 6 y: C% B- u$ t5、升级零点检测，在已知电机参数的情况下，通过设置零点偏移角度和方向，可以跳过检测。与官方代码保持一致。 1 x% L# @0 ]5 @; u4 B) ^5 m: @" U; m0 C0 T 6、优化了while主循环中的计时方式，由原来的timer4中断累加修改为systick查询。当前代码中只有一个串口接收中断。与官方代码保持一致。 3 G( n2 Y+ [( w& S5 ~( u1 k$ S" q1 X3 K9 g/ F6 i; ] 7、电流采样修改为三相采样。之前只写了两相采样，觉得两相就可以三相似乎浪费，调试ESP32drive的时候仔细看了下代码，发现三相多了一个平均处理，应该会比两相更可靠一点点，所以这次升级为第三相可选择，与官方代码保持一致。 2 X) o6 s0 k) D& n' \8 T: A. Y: Z6 T8 M4 N 8、升级后的代码可以很好的实现电流闭环，解决了之前发现的所有问题，所有功能都经过了本人的实际测试，当前代码在本人看来已无懈可击，虽为开源但也要认真负责。 d f' k3 x P: `' H 6 o9 f( }3 A, z/ d$ d ————————————————$ s+ o: M( ]* i2 i' p& C4 y 版权声明：loop2229 Q- _5 v* Y6 S. Y. \) Y + J1 c) r7 S i1 W, L( ]( U- [ 0 r* M( z9 O9 c: Z1 {" o r- ^

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攻城狮Melo 发布时间：2022-11-8 12:28

技术帖
文章封面:
文章简介:	SimpleFOC移植STM32（五）—— 电流采样及其变换

一、原理说明7 h) x2 K1 c0 |* b6 p
1.1、电流采样
1.1.1、为什么要采样电流
FOC（Field-Oriented Control），即磁场定向控制，磁场大小与绕组中的电流成正比，所以对磁场的控制在程序上就是对电流的控制。前几节的程序并没有使用电流环，而是直接使用电压值，确实可以达到还行的效果。但是这样做有两个问题：

1、不能保证i_d为零，i_q等于目标值，因此电机并不能工作在效率最高的状态，力矩控制也是不准确的。

2、相电压施加在电感上产生相电流，电压和电流有相位差且并不恒定，低速运行时相位差对电机的影响不明显，但是当速度快了或者速度变化率高了以后，相位差的影响就会非常明显。

1.1.2、电流采样方式
电流采样主要有三种方式：
低侧电流采样
高侧电流采样
内置电流采样

1.1.2.1、低侧电流采样

低侧电流检测可能是最常见的电流检测技术，主要是因为它既不需要高性能的PWM抑制运放（如内置），也不需要支持高压的运放（如高侧），采样电阻在低侧MOS和GND之间，确保了运放输入端的电压非常低。这种方法的缺点是，必须在下桥臂MOS打开时检测电流，PWM频率通常为20k～50khz，这意味着低侧MOS的开关频率为每秒20k～50k次，因此PWM设置与ADC采集之间的同步非常重要。

1.1.2.2、高侧电流采样

高侧电流检测可能是最不常见的电流检测技术，因为它需要支持高压的运放，采样电阻在高侧MOS和直流电源电压之间，使放大器的输入端始终有高电压。这种方法的另一个缺点和低侧电流采样一样，需要同步PWM和ADC。

1.1.2.3、内置电流采样

内置电流检测（InlineCurrentSense）是使用起来最简单但是最精准的技术。采样电阻串联在电机相线上，检测的电流始终都是电机相电流，因为电感中的电流不会突变，所以无论PWM占空比的状态如何，采样到的电流都是连续稳定的。

这种方法非常适合Arduino，采样程序变得简单了，这应该是考虑到了MEGA328P微弱的性能以及跨平台时程序的适配。内置电流检测的缺点主要在于芯片，需要比常规放大器更好的PWM抑制功能的高精度双向运放，简单的说就是硬件成本高。

1.2、电流变换
本节增加电流环，主要增加了以下功能，
1、AD转换获取电流值Ia和Ib，
2、通过Clark变换得到Iα和Iβ ，
3、获取电机角度，通过Park变换得到Id和Iq，
4、Id、Iq不能突变，同时为减少干扰，做平滑滤波，
5、Id、Iq与设定值比较，通过PID运算得到Vd 和Vq,

1.2.1、AD转换
为了与官方代码保持一致，AD转换采用简单的单通道转换模式，主程序循环一次获取一次A/B相的电流。

1.2.2、clark变换

1.2.3、Park变换

Park变换中的“θ”是电角度，由读出的编码器角度转变而来

1.2.4、LPF运算
dc_current模式只有 Iq 的LPF运算
foc_current模式有 Iq 和 Id 的LPF运算

1.2.5、PID运算
dc_current模式只有q轴电流的PID运算
foc_current模式有q轴电流和d轴电流两个变量的PID运算
电流环使用 P、I 两个参数。

二、电流采样参数设置
3 v1 R9 U) L+ G- V$ V- y2.1、INA240介绍
INA240有四个型号，INA240A1是20倍放大倍数，INA240A2是50倍放大倍数。

电机的电流是正弦波，对于采样的差分信号来说，负半周期为负值，为方便处理，需要叠加上偏置电压以保证全周期的输出为正值。

2.2、电流实际波形
下图为电机静止时A/B相运放输出端波形，VCC=3.3V，所以此时电压=1.65V，

下图为电机转动时运放输出端波形

2.3、SimpleFOC V2.0.3 的参数

采样电阻0.01 Ω
运放为INA240A2，放大倍数50
背面需分别短接A0/A2至输出
C1_OUT=INA_VCC/2 + 0.01 * I * 50
如果INA_VCC=3.3V，C1_OUT=1.65 + 0.01 * I * 50，电流范围（-3.3A,3.3A）
如果INA_VCC=5.0V，C1_OUT=2.50 + 0.01 * I * 50，电流范围（-5A,5A）
B相采样输入在PCB上为走线方便做了反向输入，所以放大倍数需乘以 -1（移植后的代码已经做了处理）。

2.4、PowerShield V0.2 的参数

采样电阻0.001 Ω
运放为INA240A2，放大倍数50
C1_OUT=1.65 + 0.001 * I * 50，电流范围（-33A,33A）

2.5、SimpleMotor 的参数

采样电阻0.001 Ω
运放为INA240A1，放大倍数20
C1_OUT=1.65 + 0.001 * I * 20，电流范围（-82.5A,82.5A）

三、扭矩模式
SimpleFOC中有三种扭矩模式：
Voltage mode - the simplest one
DC current mode - 1xPID controller + 1xLPF
FOC current mode - 2xPID controller + 2xLPF filters

3.2.1、电压模式(Voltage mode)
电压模式是之前示例中一直使用的模式，
因为不用采样电流，所以硬件简洁，程序简单，执行速度快，
适合低速电机控制

3.2.2、直流模式(DC current mode)
检测电流大小，实现电流环控制
只控制Iq，设置Vd=0，
像控制直流电机一样控制无刷直流电机的电流

3.2.3、FOC模式(FOC current mode)
控制Iq和Id，使转子中的磁力与永磁场精确偏移90度，从而确保最大转矩，
唯一真正的转矩控制方法，
保证电机始终工作在高效状态

3.2.4、三种模式对比

四、硬件介绍 g9 O+ p2 g0 M9 E* t
4.1、原理图
$ j: V& ^+ H0 y( R' [4 O2 Z' Y5 C& V6 N( y* ?, o

+ T R" N9 F5 V0 p3 `! ]4 @9 H" j n4 z
4.2、SimpleMotor方案
4.2.1、准备清单

7VO7W9Q7EBDWLSMKZ9X]9SS.png

带编码器云台电机可以是AS5600，也可以是TLE5012B。

4.2.2、接线

只展示M1的接线，M2的接线根据原理图自行连接。

4.3、STM32方案
4.3.1、准备清单

VLLZ8{J{6J8$(YL0@$(D$N5.png

带编码器云台电机可以是AS5600，也可以是TLE5012B。

4.3.2、接线

Shield V2.0.3的背面按照上图短接

对照 Shield V2.0.3 的原理图：

D[~S_1WL][5}(KC(G]6~G]I.png

如果是AS5600编码器，如下

}[[{@AU}X)]0@L]H9G4T{EV.png

如果是TLE5012B编码器，如下

只展示M1的接线，M2的接线根据原理图自行连接。

五、程序演示

注意：
1、voltage_limit最大只能设置为供电电压的 1/√3（12V限制为6.9，24V限制为13.8），
2、如果检测到的极对数与实际不符，停止继续操作，否则电机会堵转。

六、代码升级说明

1、优化PID子程序。之前代码把位置PID、速度PID和电流PID_q_d 各自做为独立的函数调用，本次升级只写一个函数，把PID相关参数定义为结构体，与官方代码保持一致。

2、优化LPF子程序。与PID的做法相同，只写一个函数，把相关参数定义为结构体，与官方代码保持一致。

3、增加了对AS5047P、MA730编码器的支持（目前共支持AS5600、TLE5012B、AS5047P、MA730四种磁编），使用代码时只需在 MyProject.h 中把使用的型号设置为1即可。

4、官方最新的SimpleFOC库V2.2.0（2021年12月14日）版本新增加了sensor->update()函数，并因此对角度处理做了大改。
之前调试代码的时候，就发现官方代码中角度读取处理的不太好，特别是速度模式上电的时候电机会突然转一下然后停止，当时按照我的理解改进了这部分代码，最新版本中官方修补了这个问题，我本来是打算把这个部分升级到官方一致，但是修改了一天后发现官方的代码仍然很混乱（相信这部分代码官方以后还会再升级），所以此次放弃了这部分的升级，仍保持之前的设计思路，只做简单优化。

5、升级零点检测，在已知电机参数的情况下，通过设置零点偏移角度和方向，可以跳过检测。与官方代码保持一致。

6、优化了while主循环中的计时方式，由原来的timer4中断累加修改为systick查询。当前代码中只有一个串口接收中断。与官方代码保持一致。

7、电流采样修改为三相采样。之前只写了两相采样，觉得两相就可以三相似乎浪费，调试ESP32drive的时候仔细看了下代码，发现三相多了一个平均处理，应该会比两相更可靠一点点，所以这次升级为第三相可选择，与官方代码保持一致。

8、升级后的代码可以很好的实现电流闭环，解决了之前发现的所有问题，所有功能都经过了本人的实际测试，当前代码在本人看来已无懈可击，虽为开源但也要认真负责。

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