Update 2023.3.9:
Firstly, there are some facts that need to be clarified, which I was not aware of when I initially started this project. Although the performance of these PCBs is normal at low speeds. After repeated verification, it was found that the project based on ESP32 can only reach a speed of 1000RPM when running a BLDC motor with an internal resistance of 1.5 ohms. When the speed continues to increase, the motor will exhibit symptoms such as jitter, increased current, reduced efficiency, and heat generation. This is due to several reasons working together.
1、The code of SimpleFOC platform itself has certain limitations. Because SimpleFOC is based on platforms such as Arduino, the core of the code, which is the SVPWM part, is placed in the main loop. This causes the waveform of the final output of the three phases to become stair-shaped when the speed is too high, and the processing frequency of the MCU cannot guarantee a sinusoidal waveform.
2、Do not use I2C communication for the AS5600 encoder as it is slow to trigger and has a delay, and the communication frequency has a great impact on the main loop of FOC.
3、Esp32 or Arduino itself does not have powerful features such as interrupts and DMA like stm32, and adding these functions to the underlying code of SimpleFOC is also difficult.
To address the issue of FOC being unable to run at high speeds, the following improvement solutions are recommended:
1、Change the encoder to AS5047 and use SPI or PWM, paying attention to signal integrity.
2、Use stm32 series as the main control MCU, utilize interrupts to process the SVPWM part, and trigger the interrupt every time the encoder's reading is obtained to process the direction and positioning of the magnetic field, which can greatly improve the robustness of motor control.
Feature——MAX_120W(24V*5A)——Faster(1KHZ for closed loop)
SimpleFOC——
| ——BLDCmotor(self made DIY motor)
| ——Documents
| ——STM32H7_FOC
|——circle(PCBs & libraries)
|——Shell(a PCB shell)
|——code(using Keil5 & STM32CubeMX)
|——Inc
|——Src
|——Drivers
|——MDK-ARM
|——datasheet(ICs datasheets)
|——image
|——readme
| ——pico(basic demo)
| ——pico-drv8313
| ——pico-drv8313 with foc
| ——readme
Most projects are based on Arduino, esp32-pico D4 and one project is based on stm32h743.
1、正弦波控制实现了电压矢量的控制，间接实现了电流大小的控制，但是无法控制电流的方向。FOC控制方式可以认为是正弦波控制的升级版本，实现了电流矢量的控制，也即实现了电机定子磁场的矢量控制。
2、由于控制了电机定子磁场的方向，所以可以使电机定子磁场与转子磁场时刻保持在90°，实现一定电流下的最大转矩输出。FOC控制方式的优点是：转矩波动小、效率高、噪声小、动态响应快。
3、低转速下控制
由于控制原理的区别，无刷电调只能控制电机工作在高转速下，低速下无法控制；而FOC控制器则完全没有这个限制，不论在什么转速下都可以实现精确控制。
4、电机换向
同上面的理由，由于电调无法反馈转子位置，因此很难实现电机正反转的换向（当然有感电调可以实现）；而FOC驱动器的换向性能极其优秀，最高转速下正反转切换可以非常顺畅；此外FOC还可以以能量回收的形式进行刹车控制。
5、力矩控制
普通电调都只能控制电机转速，而FOC可以进行电流（力矩）、速度、位置三个闭环控制。
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，也不需要支持高压的运放，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，所以这种方法对运放没有什么要求。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。
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。优点：可以检测区分负载是否短路，无地电平干扰。
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。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。
经考虑，选择INA240，INA240分为四个型号，主要区别在于集成运放的放大倍数（INA240A1-20V/V，INA240A2-50V/V，INA240A3-100V/V,INA240A4-200V/V），下图为电流采样原理图，其中为了使负半轴期的电流信号能被采样到，增加了REF1和REF2两个电阻，为集成运放的正脚提供一个偏置电压V，使其不直接接地，左边的MOS管阵列负责选相，在时序中按顺序读出电流，在程序中只读出了两相，第三项通过基尔霍夫定律iA+iB+iC = 0
下面附上选型INA240A2-50V/V原理图（SimpleFOCShield所用电流检测芯片）
其中VS对应上图的Supply，PH_B_CS对应B相的片选信号，C2_OUT即为放大后的电流采样结果
- 采样电阻0.01 Ω
- 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）
优点：功能强大，有1-PWM，2-PWM，3PWM，6PWM多种模式，芯片内部的保护做的比较出色。
缺点：需要通过SPI进行模式的配置，无论是走线还是简洁程度上都不够。
Peak current:
电流不够
Peak current : 5A
AS5600是一种易于编程的具有12位高分辨率模拟或PWM输出 的磁性旋转位置传感器。这个非接触式模块可以检测出磁铁 径向磁轴转动的绝对角度。AS5600是为非接触式电位计应用 而设计的，其稳健的设计消除了外部杂散磁场的影响.。 工业标准的I²C 接口支持用户对非易失性参数进行简单的编程 而不需要专门的程序员来进行。 默认情况下可以输出0到360度的变化范围. 它同样可以通过编 程设定0度（开始位置）和最大角度（终止位置）来定义一个 较小的输出范围。 AS5600配备了智能低功耗功能，以自动降低功耗 。 输入引脚 (DIR) 根据旋转方向选择输出极性。如果DIR 接地， 那么输出值将随顺时针旋转而增加. 如果DIR接至VDD, 那么输 出值将随着逆时针旋转而增加。
2021.11.10 开环FOC代码完成BLDCmotor()、FOCmotor()
2021.11.16 21：17 进行编码器代码调试
2021.11.17 20：31 修改工程文件重大bug，编译生成.o文件重定义问题
2021.11.17 21：34 增加了currentsense()子函数，完成电流采样，增加PID(float error)，对误差进行调节
2021.11.21 15：00 keil5的32代码全部完成，但只调试过开环
2021.11.22 23：00 小圆片选型完成
2021.11.23 22：48 小圆片原理图画完且无bug
2021.12.01 15：00第一版小圆片Over
time 5 初始值200，period:2000，作为定时器读取time1-4的编码器计数值
time1-4 编码器(Encoder mode，占用TIM1-4全部)
差分走线(A-, A；B-, B)
AS5600 I2C编程时序图
方案1：
time 口用GPIO模拟I2C
以time1 CH1、CH2为例
###########I2C.c文件#############
//AS5500的角度信息地址
#define RAW_Angle_Hi 0x0C
#define RAW_Angle_Lo 0x0D
//从机地址
#define AS5600_Address 0x36
//清零并设置PE9的GPIO为INPUT
#define SDA_IN() {GPIOE->CRH&=0xFFFF0FFF;GPIOE->CRH|=0x00008000;}
//清零并设置PE11的GPIO为OUTPUT
#define SDA_OUT() {GPIOE->CRH&=0xFFFF0FFF;GPIOE->CRH|=0x00003000;}
//读取PE11即SDA引脚的点平状态
#define READ_SDA (GPIOE->IDR&(1<<11))
//设置GPIO引脚的开关
#define IIC_SCL_1 GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_9)
#define IIC_SCL_0 GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_9)
#define IIC_SDA_1 GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_11)
#define IIC_SDA_0 GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_11)
/***************************************************************************/
void delay_s(u32 i);
/***************************************************************************/
void IIC_Start(void)
{
IIC_SDA_1;
IIC_SCL_1;
delay_s(20);
IIC_SDA_0;
delay_s(20);
IIC_SCL_0;
}
/***************************************************************************/
void IIC_Stop(void)
{
IIC_SCL_0;
IIC_SDA_0;
delay_s(20);
IIC_SCL_1;
IIC_SDA_1;
delay_s(20);
}
/***************************************************************************/
//1-fail,0-success
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
u8 ucErrTime=0;
SDA_IN();
IIC_SDA_1;
IIC_SCL_1;
delay_s(10);
while(READ_SDA!=0)
{
if(++ucErrTime>250)
{
SDA_OUT();
IIC_Stop();
return 1;
}
}
SDA_OUT();
IIC_SCL_0;
return 0;
}
/***************************************************************************/
void IIC_Ack(void)
{
IIC_SCL_0;
IIC_SDA_0;
delay_s(20);
IIC_SCL_1;
delay_s(20);
IIC_SCL_0;
}
/***************************************************************************/
void IIC_NAck(void)
{
IIC_SCL_0;
IIC_SDA_1;
delay_s(20);
IIC_SCL_1;
delay_s(20);
IIC_SCL_0;
}
/***************************************************************************/
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{
u32 i;
IIC_SCL_0;
for(i=0;i<8;i++)
{
if((txd&0x80)!=0)IIC_SDA_1;
else
IIC_SDA_0;
txd<<=1;
delay_s(20);
IIC_SCL_1;
delay_s(20);
IIC_SCL_0;
delay_s(20);
}
}
/***************************************************************************/
u8 IIC_Read_Byte(u8 ack)
{
u8 i,rcv=0;
SDA_IN();
for(i=0;i<8;i++)
{
IIC_SCL_0;
delay_s(20);
IIC_SCL_1;
rcv<<=1;
if(READ_SDA!=0)rcv++;
delay_s(10);
}
SDA_OUT();
if(!ack)IIC_NAck();
else
IIC_Ack();
return rcv;
}
/***************************************************************************/
u8 AS5600_ReadOneByte(u8 addr)
{
u8 temp;
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(AS5600_Address<<1);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(addr);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Start();
IIC_Send_Byte((AS5600_Address<<1)+1);
IIC_Wait_Ack();
temp=IIC_Read_Byte(0);
IIC_Stop();
return temp;
}
/***************************************************************************/
u16 AS5600_ReadRawAngleTwo(void)
{
u8 dh,dl;
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(AS5600_Address<<1);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(RAW_Angle_Hi);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Start();
IIC_Send_Byte((AS5600_Address<<1)+1);
IIC_Wait_Ack();
dh=IIC_Read_Byte(1); //1-ack for next byte
dl=IIC_Read_Byte(0); //0-end trans
IIC_Stop();
return ((dh<<8)+dl);
}
#########main.c中断执行函数######
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == htim5.Instance)
{
#ifdef ENCODER_4096_MAGA
Encode_count_Motor1 = AS5600_ReadRawAngleTwo()*0.08789
Encode_count_Motor2 = AS5600_ReadRawAngleTwo()*0.08789
Encode_count_Motor3 = AS5600_ReadRawAngleTwo()*0.08789
Encode_count_Motor4 = AS5600_ReadRawAngleTwo()*0.08789
#endif
}
}
React
Typescript
Django
Laravel
Facebook
Microsoft
Google
Alibaba
D3
Tencent