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[LKS32 硬件] 03. 连接BLDC电机并驱动

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 楼主| 北方西门吹雪 发表于 2022-7-7 12:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
dc
本帖最后由 北方西门吹雪 于 2022-7-7 15:05 编辑

#申请原创# 1. 下载器的花式选择。最近PowerWriter搞活动，撸了一个PowerLink2，来支持下载。这个是采用了Dap-link,也就是CMSIS-DAP，下载丝滑。
Capture0.PNG

不过，使用lks Flash就只支持Ulink和Jlink，也可以
Capture.PNG

来来回回试了多种，LKS显然是基于公版ARM内核，所以都是工作很好，所以，就不用再下载器上纠结了，哪一个都阔以的。

2. 测试GPIO的功能，新板初温就要玩点灯。厂家提供了BSP中完整滴提供了各种GPIO的输入和输出控制，这个控制完全是采用了LKS自定义的工具，没有使用CMSIS的内核，但是硬件初始化和应用的过程是完全一致的，和ST的似曾相识。
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  1. void GPIO_init(void)
    

  2. {
    

  3.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    

  4.     GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct); //³õʼ»¯½á¹¹Ìå
    


  5. 

  6.     //ÅäÖð´¼ü start£ºP2.11
    

  7.     GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);        //³õʼ»¯½á¹¹Ìå
    

  8.     GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN; //GPIOÊäÈëģʽ
    

  9.     GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;
    

  10.     GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    

  11.     GPIO_Init(GPIO2, &GPIO_InitStruct);
    


  12. 

  13.     //ÅäÖð´¼ü stop£ºP2.12
    

  14.     GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);        //³õʼ»¯½á¹¹Ìå
    

  15.     GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN; //GPIOÊäÈëģʽ
    

  16.     GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
    

  17.     GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    

  18.     GPIO_Init(GPIO2, &GPIO_InitStruct);
    


  19. 

  20.     //ÅäÖÃLED1£ºP0.6
    

  21.     GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);         //³õʼ»¯½á¹¹Ìå
    

  22.     GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; //GPIOÊä³öģʽ
    

  23.     GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15;
    

  24.     GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    

  25.     GPIO_Init(GPIO0, &GPIO_InitStruct);
    


  26. 

  27.     //ÅäÖÃLED2£ºP0.7
    

  28.     GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);         //³õʼ»¯½á¹¹Ìå
    

  29.     GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; //GPIOÊä³öģʽ
    

  30.     GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
    

  31.     GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    

  32.     GPIO_Init(GPIO0, &GPIO_InitStruct);
    


  33. 

  34.     //ÅäÖÃLED3: P0.3
    

  35.     GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);         //³õʼ»¯½á¹¹Ìå
    

  36.     GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; //GPIOÊä³öģʽ
    

  37.     GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;
    

  38.     GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    

  39.     GPIO_Init(GPIO0, &GPIO_InitStruct);
    

  40. }
这个主程序是读取按键的状态，然后LED全亮或者全灭，
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  1. int main(void)
    

  2. {
    

  3.         u8 key = 0;
    

  4.         Hardware_init(); 
    

  5.         GPIO_LED(ALL_OFF); 
    

  6.         while (1)
    

  7.         {
    

  8.                 key = GPIO_KEY_Scan(0);
    

  9.                 GPIO_ResetBits(GPIO0, GPIO_Pin_15);
    

  10.                 switch (key)
    

  11.                 {
    

  12.                 case start_PRES:
    

  13.                         GPIO_LED(ALL_ON);
    

  14.                         break;
    

  15.                 case stop_PRES:
    

  16.                         LED1_OFF;
    

  17.                         break;
    

  18.                         
    

  19.                 }
    

  20.                 delay(0xFFFF);
    

  21.         }
    

  22. }
测试一下，运行顺利，只是再GPIO的定义中LED1有一个地方是P0.15初始化的，查表应该是P0.6，修改后LED1也没亮，只是LED2，LED3亮了，应该是没有改通畅。不过，这个环节是测试芯片，应该没有问题。
3. 分析范例程序，实现电机旋转自由
3.1 围绕电机控制，属于电机学的核心课程，总体原理是比较复杂的，电机学课程在多数大学课程是可以列入四大杀手的行列的。凌欧比较贴心的给了一个科普包，刺激一下大家的小心脏，重温痛苦不堪的备考过程，还是太暖心了。这里不大展开，总体来说，多数工业或者商业都采用BLDC的三相直流电机驱动，而不是简单采用两相DC电机，就是因为成本低，控制简单。控制原理虽然复杂，但是多年积累，这些IP都已经固化了，凌欧直接给一个已经编译好的lib文件，就是告诉大家不要卷，直接来用就好了。
Capture.PNG
这样非常适合快速商业开发，节省了太多的时间，这个开发套件其实提供了一个服务包，可以快速实现电机控制，投入快速实用。
3.2 其中先测试FOC无传感器的范例代码，直接就被xxx了，显然这个是其中的NVR定义升级版本了，但是没有及时更新，选择了CMSIS Core也没有解决，这个最好还是等代码更新后再用，应该不是大问题，选择合适的引用库就可以的。耐心一点点就好。
Capture.PNG

3.3 FOC开环Hall传感器控制运行很顺利，核心的控制逻辑代码都是公开的，
Capture.PNG
这个逻辑是很多研究结果的总结，所以读代码就能看到老师一遍遍重复的原理，极对数，反电动势，死区等等，

1927571837.jpg
然后连接电机，上电后顺利启动运行成功。

4. 源代码分析和使用配置
4.1 无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor, BLDC)是取消了换向电刷，使用一个外部施加的旋转磁场，拖动通常是磁体的转子旋转，带动风扇等旋转设备，用于吸尘器，空气压缩机等旋转设备，是一种运用最广泛的电机。
    FOC（field-oriented control）为磁场导向控制，又称为矢量控制（vector control），利用旋转磁场的频率，占空比，电压等来实现转速控制，选装方向控制。这个旋转的磁场可以是各种波形，最简单的就是脉冲方波，简单调整方波的占空比，就能调整能量，但是这样调整不平顺，而且波形不好，文波过高，转换效率不高。模拟正弦波最理想，但是要求控制精准。FOC精确地控制磁场大小与方向，使得电机转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。由于FOC的优势明显，目前已在很多应用上逐步替代传统的控制方式，在运动控制行业中备受瞩目。
    FOC按照电机有无传感器来区分，可以分为有感FOC和无感FOC。对于有感FOC，由于电机的传感器能反馈电机转子的位置信息，因此在控制中可以不使用位置估算算法，控制起来相对无感FOC简单，但是对带传感器的电机应用来说，往往对控制性能要求较高。传感器可以使用编码器，这样的精度不高，更多是采用Hall传感器，可以精确快速捕捉UWV三极磁体的相对位置，便于计算出精确的旋转磁场矢量，并可以感应出，过流，过压，超速，堵转等各种复杂的运行状态。
Capture.PNG
对于无感FOC，控制中需要通过采集电机相电流，计算反向电动势，使用位置估算算法来计算转子位置，无感FOC的控制难度较大，但是它可以避免传感器故障的风险，并且省去了传感器的成本，同时简化了电机与驱动板间的布线。
4.2 控制的过程和逻辑参见某乎，电机（三）——永磁同步电机矢量控制（FOC)
   采集和控制的电磁矢量都是三相，分别用UWV标识，作为三相电源用ABC相标识有相似之处，但是完全不同，因为UWV三相电机中任意两相接反就会使磁场旋转方向改变，所以，原则上，任意一相都可以作为A相出现。其中在输出控制是用PWM模拟出正弦波的波形，称为SVPWM，那么需要的输出控制回路是三相全控桥回路，类似下图，这也是LKS功率板核心的功率电路的原理，
Capture.PNG
   中间比较难于理解的是三相到两相的交直轴变换，就是把三相矢量变为2相正交的矢量，这是一个等效可逆的数学变换，
Capture.PNG
数学变换形如
Capture.PNG
这个过程中有大量的三角函数变换，非常消耗MCU的计算能力，所以，这部分是用了一个简化的快速计算，使用查表法计算的，实现算出对应的三角函数值，存在下属文件中，在损失一定精度的情况下，获得快速的计算。
Capture.PNG


获得了d-q平面的交轴电流和直轴电流，最主要的目的是实现PID控制，沃特，无处没有PID，像平衡两轮车，四旋翼无人机的姿态保持，就是典型的PID控制，这个又是一个大大的理论大坑，就跳过，但是，变换为为d-q平面的两维数据，就是为了大大减少PID计算的难度，否则，不会把三相克拉克变换一下成两相，再反过来变回去。

废话这么多，主要是讲，凌欧的MCU必须要保证强大的计算能力，和优化的计算方法，才能完成这个高强度的实时计算能力。
这个也是非常具有难度的事情。对于最终开发者来说，只需要在下面的function_config.h，
复制
  1. #ifndef __FUNCTION_CFG_PARAM_H
    

  2. #define __FUNCTION_CFG_PARAM_H
    


  3. 

  4. #define ROTOR_SPEED_FACTOR_1US                                 (s32)(1048576) 
    

  5. #define ROTOR_SPEED_FACTOR                                     (s32)(ROTOR_SPEED_FACTOR_1US*(1000000/PWM_FREQ))
    


  6. 

  7. #define ROTOR_SPEED_FACTOR_PER_UNIT                            (s16)(MCU_MCLK/PWM_FREQ) 
    

  8. #define ROTOR_FACTOR_REDUCE_PER_UNIT                           (s16)(ROTOR_SPEED_FACTOR_PER_UNIT)
    


  9. 

  10. #define MAX_SPEED_DPP                                          (ROTOR_SPEED_FACTOR/4000) 
    


  11. 


  12. 

  13. #define HALL_LEARN_ADDR                                        0x7800 
    


  14. 

  15. #define HALL0                                                         2
    

  16. #define HALL1                                                         6
    

  17. #define HALL2                                                         4
    

  18. #define HALL3                                                         5
    

  19. #define HALL4                                                         1
    

  20. #define HALL5                                                         3 
    


  21. 

  22. #define MOTORTYPE0                                                     1 
    


  23. 

  24. #define HALLTYPE                                                      120 
    

  25. #define VERSION0                                                      0
    

  26. #define VERSION1                                                      3
    

  27. #define VERSION2                                                      0
    

  28. #define VERSION3                                                      1
    

  29. #define BEMFCOE                                                       0
    

  30. #define HALL_OFFSET                                                   1600
    

  31. #if (SPEED_CLOSED_LOOP == 1)
    

  32. #define NUL1                                                          1
    

  33. #else
    

  34. #define NUL1                                                          0 
    

  35. #endif
    

  36. #define NUL11                                                              0
    


  37. 

  38. #define HAND_BASE                                                 (20.0/(20+10.0))                                                                         /* ת°Ñ·Öѹ±È */
    


  39. 

  40. #define HBSPD_BASE                                                            (u16)(32767 / 3.6 * 1.1 * HAND_BASE)                                /* ת°ÑÆô¶¯µçѹ·§Öµ */        
    

  41. #define HBSPD_MAX_EFFECTIVE                                            (u16)(32767 / 3.6 * 3.25 * HAND_BASE)                                /* ת°Ñ×î´óÓÐЧµçѹ */        
    


  42. 

  43. #define HBSPD_EFFECTIVE_AMPLITUDE                            (HBSPD_MAX_EFFECTIVE - HBSPD_BASE)                                        /* ת°ÑÓÐЧADC·ùÖµ */        
    


  44. 

  45.                 /* µµÎ»×î´óËÙ¶ÈÕ¼¿Õ±È 32760Ϊµç»úµÄ¶î¶¨×ªËÙ ´óÓÚ32760ºó½øÈëÈõ´ÅÌáËÙ ×î´óµ½34660 */
    

  46. #define FIRST_GEAR                                                 (32000 * 128 / HBSPD_EFFECTIVE_AMPLITUDE + 1)                 /* Ò»µµËÙ¶È ×î´ó34660 */
    

  47. #define SECOND_GEAR                                         (32000 * 128 / HBSPD_EFFECTIVE_AMPLITUDE + 1)                 /* ¶þµµËÙ¶È ×î´ó34660 */
    

  48. #define THIRD_GEAR                                                 (32000 * 128 / HBSPD_EFFECTIVE_AMPLITUDE + 1)                 /* ÈýµµËÙ¶È ×î´ó34660 */
    

  49. #define BACK_UP_GEAR                                         (3200 * 128 / HBSPD_EFFECTIVE_AMPLITUDE + 1)                 /* µ¹³µµµËÙ¶È ×î´ó34660 */
    


  50. 

  51. #define HBSPD_LOW                                                            (u16)(32767 / 3.6 * 0.3 * HAND_BASE) 
    

  52. #define HBSPD_OVERHIGH                                                     (u16)(32767 / 3.6 * 3.95 * HAND_BASE) 
    


  53. 

  54. #define POWER_UP_STEP_STRONG                                   12 
    


  55. 

  56. #define TIME_1S6_BASE                                                          ((u16)160) 
    

  57. #define KEYIN_FILTER_TIME                                     60
    

  58. #define KEYIN_FILTER_TIME1                                    -60 
    


  59. 


  60. 

  61. #define PHASE_OFFSET_MAX                                        2000
    

  62. #define PHASE_OFFSET_MIN                                        -2000
    

  63. #define ADC_GET_OFFSET_CNT                                      512
    

  64. #define TIME_5S_BASE_20MS                                       250u
    


  65. 

  66. #endif /* __CONTROL_PARAM_H */
正确选择参数，并和电机参数相匹配就能够完成这一系列复杂的过程。在Kernal_code目录下，就是上述计算核心的实现方法。然后再APP Function目录下，自定义业务循环，并增加控制按钮，传感器数据采集等任务。
凌欧的开发环境，其实是一个经过验证的，完整，开源的SDK，这个是和LKS芯片同样重要，甚至是更重要的服务和产品。
4.3 代码实现上述功能
首先是入口程序，简单实现初始化，整个过程没有使用RTOS，是用中断和来实现的，对于验证后的工具，应该比RTOS的时间效率更高，
Capture.PNG
任务的实现是采用了自定义状态机结合中断组合，实现
Capture.PNG
中断任务，
Capture.PNG

在handlebarControl.c文件中实现了各种调速，控制函数，
Capture.PNG
5 小结
本次评测，收获颇丰，看似简单的电机控制评估板，技术含量十足，更可贵的是凌欧提供的代码，逻辑清晰，而且主要逻辑开放，提供了丰富的二次开发能力，非常适合快速开发。

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评论

鸥芯电驱港港
首先感谢您的测评分享，其次感谢您对于我们的基础工程软件框架，程序下载软件（LKSFLASH）的介绍，然后对我们开源有感FOC方案进行介绍和实操；最后讲解无刷直流电机和FOC原理。总结内容精简充实，给您点个赞。  发表于 2022-7-11 20:14
鸥芯电驱港港
@鸥芯电驱港港 ：请参考这个帖子：https://bbs.21ic.com/icview-3238060-1-1.html  发表于 2022-7-11 20:01
鸥芯电驱港港
3.2 其中先测试FOC无传感器的范例代码，直接就被xxx了，显然这个是其中的NVR定义升级版本了，但是没w问题：有及时更新，选择了CMSIS Core也没有解决，这个最好还是等代码更新后再用，应该不是大问题，选择合适的引用库就可以的。耐心一点点就好？ 答：这个是器件库升级的原因，现在使用CMSIS内核的CORE。之前的老工程需要根据说明进行更改，后期LKS提供的工程就不会报错。  发表于 2022-7-11 19:46

相关帖子
ufbycd 发表于 2022-7-7 15:55 | 显示全部楼层
楼主所说的“两相DC电机”是步进电机吗？这个用得不少吧，起码我所处的行业，无论是自动化的设备还是智能仪器都是用的步进电机。
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daichaodai 发表于 2022-7-7 20:46 来自手机 | 显示全部楼层
就是9.9元包邮那个吗？
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 楼主| 北方西门吹雪 发表于 2022-7-8 15:18 | 显示全部楼层
ufbycd 发表于 2022-7-7 15:55
楼主所说的“两相DC电机”是步进电机吗？这个用得不少吧，起码我所处的行业，无论是自动化的设备还是智能仪 ...

步进电机是另一种电机，这个驱动玩不了
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ufbycd 发表于 2022-7-8 17:57 | 显示全部楼层
北方西门吹雪 发表于 2022-7-8 15:18
步进电机是另一种电机，这个驱动玩不了

步进电机做FOC所需的步骤比三相电机的要少，比如，做逆Park变换得到的两个电压直接就是步进电机两个相的电压，不需要SVPWM。
只不过步进电机的电极对数多好多，同转速下的闭环调整频率大不少，然而步进电机通常的转速都不高，也就没什么问题。

只要凌欧能出带8个预驱输出的芯片，就也能直接玩步进电机。目前情况下只能用片外预驱来跑步进电机了。
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 楼主| 北方西门吹雪 发表于 2022-7-11 09:36 | 显示全部楼层
ufbycd 发表于 2022-7-8 17:57
步进电机做FOC所需的步骤比三相电机的要少，比如，做逆Park变换得到的两个电压直接就是步进电机两个相的 ...

原则上都可以驱动。
但是步进电机的用途完全不同，是按照逐相控制形成单步，多步控制，控制的是行程。
这款芯片是速度和功率控制，可以控制非常大的电机，这个原理用在几百千瓦的电机经过适配也是可以的。
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ufbycd 发表于 2022-7-11 22:34 | 显示全部楼层
本帖最后由 ufbycd 于 2022-7-11 22:40 编辑
北方西门吹雪 发表于 2022-7-11 09:36
原则上都可以驱动。
但是步进电机的用途完全不同，是按照逐相控制形成单步，多步控制，控制的是行程。
这 ...

我目前在做驱控一体化的步进电机驱动板，想找些尺寸小点集成度高点的芯片方案，但发现国内的电机专用芯片都只针对电动工具这种市场，凌欧、灵动、旋智这些都是这样。如果能加多两路预驱形成8路预驱就能支持自动化控制领域的市场了。因为小型自动化控制产品用的大多是步进电机，步进电机要两个H桥即8个MOS管。
实在想不明白，为何不把市场做大一点。还是说自动化控制应用是个小市场，不值得推广？
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yangxiaor520 发表于 2022-7-12 08:08 来自手机 | 显示全部楼层
学习了，楼主这网名牛X啊！
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 楼主| 北方西门吹雪 发表于 2022-7-12 15:33 | 显示全部楼层
ufbycd 发表于 2022-7-11 22:34
我目前在做驱控一体化的步进电机驱动板，想找些尺寸小点集成度高点的芯片方案，但发现国内的电机专用芯片 ...

怎么讲呢。
现有国产芯片，需要先理解和消化ST在电机控制驱动上的市场逻辑。然后，才有可能创新满足新的市场，跟跑还是比较轻松的。
你所说的这个市场不是小市场，而是一个高端市场，面向机器人的伺服控制非常高端，价格也非常高。猜测你的项目式单个伺服电机。高端机器人的伺服是有高速通讯总线的，可以实现多轴多点联动，多采用FPGA这样的方案，简单一些的也要使用CAN总线。
原则上，不会复杂的，物理原理是简单而又统一，但是需要耐心去磨，需要实践调试，以后必定是个海量市场，因为，机器人进万家也就是一眨眼的事情，都用日本伺服那谁受得了，以中国人的励精图治，无论他们怎么设置障碍，他们的这个饭碗也很快就会被端了。
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上下而求索 发表于 2022-7-12 16:48 | 显示全部楼层
北方西门吹雪 发表于 2022-7-12 15:33
怎么讲呢。
现有国产芯片，需要先理解和消化ST在电机控制驱动上的市场逻辑。然后，才有可能创新满足新的 ...

楼主讲的真好，公司以前在伺服有布局，后续可以多多交流。
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ufbycd 发表于 2022-7-12 19:47 | 显示全部楼层
本帖最后由 ufbycd 于 2022-7-12 19:58 编辑
北方西门吹雪 发表于 2022-7-12 15:33
怎么讲呢。
现有国产芯片，需要先理解和消化ST在电机控制驱动上的市场逻辑。然后，才有可能创新满足新的 ...

我现在做的产品并没有很高大尚，就是一个半自动化的小仪器，用到多个42跟35电机。电机多了自然就要用总线控制。
因为产品是仪器，对可靠性要求高，最好要用闭环控制方式。既要总线又要闭环，那就要做驱控一体化的驱动板了。42、35电机这么小做一体化就不能选用体积太多的芯片，所以在找高集成度的芯片方案。无奈这种芯片方案是个行业空白。

机器人在自动控制市场只是很少的一个领域，还有非常多的小型的仪器或设备。支持自动化所需的技术并不比电动工具高多少，可能就是从6个预驱变到8个而已。

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 楼主| 北方西门吹雪 发表于 2022-7-14 10:53 | 显示全部楼层
如果没有人提供现成的驱动，就只能自己编写驱动了，选择带CAN的芯片，就可以难度降低很多。
这方面做的最好的是西门子的英飞凌，是XMC系列，还有集成控制和驱动的IDM系列芯片，傻贵傻贵的。
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机机机 发表于 2023-10-21 01:08 | 显示全部楼层
BLDC这个观测器能用吗？
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