AT32F421驱动BLDC 配合上位机控制与调参

news2024/9/25 1:14:24

AT32F421驱动BLDC 配合上位机控制与调参

  • 🔧AT32 电机控制与调参上位机软件：ArteryMotorMonitor：https://www.arterytek.com/cn/support/motor_control.jsp?index=0
  • 🌿测试电机参数：2204-12N14P，无感BLDC，极对数7
  • 📘测试工程：bldc_1shunt_sensorless（在上面页可以下载到AT32F421_MC_Library_Project_V2.1.2）
    在这里插入图片描述

👉 个人也是初始使用该调参上位机软件，在探索使用过程中，遇到不少问题，例如状态不正常，电机不转等问题。建议初次使用先仔细阅读相关文档和原理图，如果使用官方提供的驱动板可以略过，直接参照文档测试即可，对于采用自制驱动板的需要参考官方的原理图进行连接，软件工程也需要做相对应修改。

  • 🍁官方提供的驱动原理图部分参考：AT-MOTOR-EVB-V2.0_SCH.pdf（个人采用的EG2133，和官方使用的驱动芯片功能一样，下桥臂低电平开启）
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  • 🌿控制引脚：（参考AT-MOTOR-EVB-V2.0_SCH.pdf原理图）
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==== 3相PWM控制 ====
U  	上桥臂 PA8
V   上桥臂 PA9
W   上桥臂 PA10
----------------
U  	下桥臂 PB13
V   下桥臂 PB14
W   下桥臂 PB15
BRK  刹车 PB12  PB8
------------
==== HALL ====
PB4
PB5
PB0
==== 比较器反电动势检测 ====
PA5
PA6
PA7
=== VBUS电压 ====
PA4
--- 温度 ---
PB1

🛠工程参数设定

  • 🔖电机主要参数在设置文件motor_control_drive_param.h中配置：
  • 🌿驱动电机参数：
/* choose sensor */
//#define HALL_SENSORS  //带霍尔传感器检测
#define SENSORLESS    //无传感器控制的模式(通用)
#define BLDC_SENSORLESS_ADC		//六步方波无传感器控制以 ADC 检测反电势的模式
//#define BLDC_SENSORLESS_COMP		//六步方波无传感器控制以比较器检测反电势的模式

.......

/* Motor parameters  */
#define RS_LL                        (1.89)           /* Stator resistance, ohm 电机线间电阻值(unit: Ω)*/
#define LS_LL                        (0.002387)       /* Stator inductance, H 电机线间电感值(unit: H)*/
#define POLE_PAIRS                   (14/2)              //电机极对数
#define KE                           (1.0)            /* Back EMF constant(line-to-line, peak voltage), V/rpm 电机 KE 值(unit: V/rpm)*/
#define NOMINAL_CURRENT              (1.7)	//电机额定电流 (unit: ampere)
  • 🌿反电势检测模式：（决定调参控制上位机软件控制界面）
/* choose how to start up */
//#define INIT_ANGLE_STARTUP	//无传感器之初始角度检测启动(通用)
#define ALIGN_AND_GO_STARTUP  //无传感器之对齐启动(通用)
//#define OPENLOOP_STARTUP    //无传感器之开环启动(通用)

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📗启动步骤和条件

  • 以下内容和官方提供的AT32F421_MC_Library_Project中相关文档说明基本相同。
    在这里插入图片描述

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    1. 加载工程配置
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述
    1. 打开对应串口，连接目标板串口1引脚（PB6/Tx1，PB7/Rx1）
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    1. 按下播放键(4.)即可周期性更新 UI 接口的数据以及与目标板通过串口实时通信, 如发送启动/停止电机
      的命令、实时调速、调试电流 PID 参数以及监控参数绘制波形等。
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    1. 发波启动条件：ESC_STATE_SAFTY_READY：
      在这里插入图片描述
  • 🌟如果不是使用的官方的驱动板，像我采用自制的驱动板，硬件参数不一样，可以在对应的驱动程序中，对相关参数。进行修改或检测内容进行屏蔽。（屏蔽位置：滴答定时器回调中SysTick_Handler）
void SysTick_Handler(void)
{
  int16_t sp_value = 0;
  flag_status mode_switch1 = SET;

  sp_value = adc_in_tab[ADC_POTENTIO_IDX] - SP_OFFSET;
  mode_switch1 = gpio_input_data_bit_read(MODE1_BUTTON_PORT, MODE1_BUTTON_PIN);

  switch(esc_state_old)
  {
  case ESC_STATE_IDLE:
    if(ctrl_source == CTRL_SOURCE_EXTERNAL)
    {
      if((sp_value <= 0) && (param_initial_rdy == SET) && (curr_offset_rdy == SET))
      {
        esc_state = ESC_STATE_SAFETY_READY;
      }
      else
      {
        esc_state = ESC_STATE_IDLE;
      }
    }
    else
    {
      if((param_initial_rdy == SET) && (curr_offset_rdy == SET))
      {
        esc_state = ESC_STATE_SAFETY_READY;
      }
      else
      {
        esc_state = ESC_STATE_IDLE;
      }
    }

    break;

  case ESC_STATE_SAFETY_READY:
    if(ctrl_mode == ID_MANUAL_TUNE || ctrl_mode == IQ_MANUAL_TUNE)
    {
      if(start_stop_btn_flag == SET)
      {
        esc_state = ESC_STATE_I_TUNE;
      }
    }
    else if(ctrl_mode == SPEED_CTRL)
    {
      if(ctrl_source == CTRL_SOURCE_EXTERNAL)
      {
        if(sp_value >= SP_RUN_POINT)
        {
          if (mode_switch1 == SET)  /* CCW*/
          {
            hall_ccw_ctrl_para();
            rotor_speed.dir = CCW;
            current.volt_sign = -1;
          }
          else  /* CW*/
          {
            hall_cw_ctrl_para();
            rotor_speed.dir = CW;
            current.volt_sign = 1;
          }
          esc_state = ESC_STATE_ANGLE_INIT;
        }
        else
        {
          esc_state = ESC_STATE_SAFETY_READY;
        }
      }
      else if(ctrl_source == CTRL_SOURCE_SOFTWARE)
      {
        if((speed_ramp.cmd_final != 0) && (start_stop_btn_flag == SET))
        {
          if(speed_ramp.cmd_final > 0)        /* CW*/
          {
            hall_cw_ctrl_para();
            rotor_speed.dir = CW;
            current.volt_sign = 1;
          }
          else if(speed_ramp.cmd_final < 0)   /* CCW*/
          {
            hall_ccw_ctrl_para();
            rotor_speed.dir = CCW;
            current.volt_sign = -1;
          }
          esc_state = ESC_STATE_ANGLE_INIT;
        }
        else
        {
          esc_state = ESC_STATE_SAFETY_READY;
        }
      }
    }
    else if(ctrl_mode == TORQUE_CTRL)
    {
      if(ctrl_source == CTRL_SOURCE_EXTERNAL)
      {
        if(sp_value >= SP_RUN_POINT)
        {
          if (mode_switch1 == SET)   /* CCW*/
          {
            hall_ccw_ctrl_para();
            rotor_speed.dir = CCW;
            current.volt_sign = -1;
          }
          else  /* CW*/
          {
            hall_cw_ctrl_para();
            rotor_speed.dir = CW;
            current.volt_sign = 1;
          }
          esc_state = ESC_STATE_ANGLE_INIT;
        }
        else
        {
          esc_state = ESC_STATE_SAFETY_READY;
        }
      }
      else if(ctrl_source == CTRL_SOURCE_SOFTWARE)
      {
        if((current.Ibus.Iref != 0) && (start_stop_btn_flag == SET))
        {
          if(current.Ibus.Iref > 0)        /* CW*/
          {
            hall_cw_ctrl_para();
            rotor_speed.dir = CW;
            current.volt_sign = 1;
          }
          else if(current.Ibus.Iref < 0)   /* CCW*/
          {
            hall_ccw_ctrl_para();
            rotor_speed.dir = CCW;
            current.volt_sign = -1;
          }
          esc_state = ESC_STATE_ANGLE_INIT;
        }
        else
        {
          esc_state = ESC_STATE_SAFETY_READY;
        }
      }
    }
    else if(ctrl_mode == OPEN_LOOP_CTRL)
    {
      if(ctrl_source == CTRL_SOURCE_EXTERNAL)
      {
        if(sp_value >= SP_RUN_POINT)
        {
          openloop.period_ref = openloop.olc_init_period;
          openloop.volt_ref = openloop.olc_init_volt;
          esc_state = ESC_STATE_STARTING;
        }
        else
        {
          esc_state = ESC_STATE_SAFETY_READY;
        }
      }
      else if(ctrl_source == CTRL_SOURCE_SOFTWARE)
      {
        if(start_stop_btn_flag == SET)
        {
          openloop.period_ref = openloop.olc_init_period;
          openloop.volt_ref = openloop.olc_init_volt;
          esc_state = ESC_STATE_STARTING;
        }
        else
        {
          esc_state = ESC_STATE_SAFETY_READY;
        }
      }
    }

    if(I_auto_tune.state_flag == PROCESSING)
    {
      current_auto_tuning(&I_auto_tune);
      set_current_pid_param(&I_auto_tune, &pid_is);
      I_auto_tune.state_flag = SUCCEED;
    }

    break;

  case ESC_STATE_ANGLE_INIT:
    /* Determine the initial position at the beginning(BLDC sensor-less) */
    angle_init_func();

    /* Stop motor */
    if((ctrl_source == CTRL_SOURCE_SOFTWARE && start_stop_btn_flag == RESET) ||
        (ctrl_source == CTRL_SOURCE_EXTERNAL && sp_value <= SP_STOP_POINT))
    {
      esc_state = ESC_STATE_FREE_RUN;
    }

    break;

  case ESC_STATE_STARTING:
    if(ctrl_mode == OPEN_LOOP_CTRL)
    {
      esc_state = ESC_STATE_RUNNING;
    }
    else
    {
      if (sense_hall_steps < SENSE_HALL_TIMES)
      {
        sys_counter++;
        if (sys_counter >= REBOOT_PERIOD_MS)
        {
          esc_state = ESC_STATE_SAFETY_READY;
        }
      }
      else
      {
        esc_state = ESC_STATE_RUNNING;
        start_state = START_STATE_STABLE_RUN;
        sys_counter = 0;
        /* Set parameter for switching to closed-loop control */
        rdy_to_close_loop_param();
      }
    }

    /* Stop motor */
    if((ctrl_source == CTRL_SOURCE_SOFTWARE && start_stop_btn_flag == RESET) ||
        (ctrl_source == CTRL_SOURCE_EXTERNAL && sp_value <= SP_STOP_POINT))
    {
      esc_state = ESC_STATE_FREE_RUN;
    }

    break;

  case ESC_STATE_RUNNING:
    if(ctrl_mode == SPEED_CTRL)
    {
      if(ctrl_source == CTRL_SOURCE_EXTERNAL)
      {
        if (sp_value <= SP_STOP_POINT)
        {
          speed_ramp.cmd_final = 0;

          if(rotor_speed.filtered <= MIN_CONTROL_SPEED)
          {
            esc_state = ESC_STATE_FREE_RUN;
          }
        }
        else
        {
          if (mode_switch1 == SET)  /* CCW*/
          {
            if (sp_value >= SP_RUN_POINT)
            {
              speed_ramp.cmd_final = -MIN_CONTROL_SPEED - (((sp_value << 1) * SP_TO_SPD_CMD) >> 15);
            }
            else
            {
              speed_ramp.cmd_final = -MIN_CONTROL_SPEED;
            }
          }
          else                     /* CW*/
          {
            if (sp_value >= SP_RUN_POINT)
            {
              speed_ramp.cmd_final = MIN_CONTROL_SPEED + (((sp_value << 1) * SP_TO_SPD_CMD) >> 15);
            }
            else
            {
              speed_ramp.cmd_final = MIN_CONTROL_SPEED;
            }
          }
        }
        command_ramp(&speed_ramp);
#if defined WITHOUT_CURRENT_CTRL
        volt_cmd = pid_controller(&pid_spd_volt, (speed_ramp.command - rotor_speed.filtered));
#else
        current.Ibus.Iref = pid_controller(&pid_spd, (speed_ramp.command - rotor_speed.filtered));
#endif
      }
      else if(ctrl_source == CTRL_SOURCE_SOFTWARE)
      {
        if (start_stop_btn_flag == RESET)
        {
          esc_state = ESC_STATE_FREE_RUN;
        }
        else
        {
          if(abs(speed_ramp.cmd_final) < MIN_CONTROL_SPEED)
          {
            if(rotor_speed.dir == CW)
              speed_ramp.cmd_final = MIN_CONTROL_SPEED;
            else
              speed_ramp.cmd_final = -MIN_CONTROL_SPEED;
          }

          command_ramp(&speed_ramp);

#if defined WITHOUT_CURRENT_CTRL
          volt_cmd = pid_controller(&pid_spd_volt, (speed_ramp.command - rotor_speed.filtered));
#else
          current.Ibus.Iref = pid_controller(&pid_spd, (speed_ramp.command - rotor_speed.filtered));
#endif
        }
      }
    }
    else if(ctrl_mode == TORQUE_CTRL)
    {
      if(ctrl_source == CTRL_SOURCE_EXTERNAL)
      {
        if (sp_value <= SP_STOP_POINT)
        {
          current.Ibus.Iref = 0;

          if(rotor_speed.filtered <= MIN_CONTROL_SPEED)
          {
            esc_state = ESC_STATE_FREE_RUN;
          }
        }
        else if (sp_value >= SP_RUN_POINT)
        {
          if (mode_switch1 == SET)    /* CCW*/
          {
            current.Ibus.Iref = -(sp_value * SP_TO_I_CMD) >> 15;
          }
          else                        /* CW*/
          {
            current.Ibus.Iref = (sp_value * SP_TO_I_CMD) >> 15;
          }
        }
      }
      else if(ctrl_source == CTRL_SOURCE_SOFTWARE)
      {
        if (start_stop_btn_flag == RESET)
        {
          esc_state = ESC_STATE_FREE_RUN;
        }
        else
        {
          esc_state = ESC_STATE_RUNNING;
        }
      }
    }
    else if(ctrl_mode == OPEN_LOOP_CTRL)
    {
      if(ctrl_source == CTRL_SOURCE_EXTERNAL)
      {
        if(sp_value <= SP_STOP_POINT)
        {
          esc_state = ESC_STATE_FREE_RUN;
        }
        else
        {
          closeloop_rdy = RESET;

          /* 5 ms inc openloop volt & spd */
          open_loop_cmd_ramp(&openloop);
        }
      }
      else if(ctrl_source == CTRL_SOURCE_SOFTWARE)
      {
        if (start_stop_btn_flag == RESET)
        {
          esc_state = ESC_STATE_FREE_RUN;
        }
        else
        {
          closeloop_rdy = RESET;

          /* 5 ms inc openloop volt & spd */
          open_loop_cmd_ramp(&openloop);
        }
      }
    }

    break;

  case ESC_STATE_FREE_RUN:
    if (rotor_speed.filtered == 0)
    {
      esc_state = ESC_STATE_SAFETY_READY;
    }
    else
    {
      esc_state = ESC_STATE_FREE_RUN;
    }

    break;

  case ESC_STATE_BRAKING:
    break;

  case ESC_STATE_ERROR:
    if(error_code == MC_NO_ERROR)
    {
      esc_state = ESC_STATE_IDLE;
    }

    break;

  case ESC_STATE_ENC_ALIGN:
    break;

  case ESC_STATE_I_TUNE:
    if (start_stop_btn_flag == SET)
    {
      I_tune_manual();
    }
    else
    {
      current.Ibus.Iref = 0;
      esc_state = ESC_STATE_FREE_RUN;
    }

    break;

  case ESC_STATE_AUTO_LEARN:
    break;
#ifdef MOTOR_PARAM_IDENTIFY
  case ESC_STATE_WINDING_PARAM_ID:
    if (motor_param_ident.state_flag == PROCESSING)
    {
      param_id_process(&motor_param_ident);
    }
    else
    {
      if (motor_param_ident.Ls.f <= 0 || motor_param_ident.Rs.f <= 0)
      {
        motor_param_ident.state_flag = FAILED;
        error_code |= error_code_mask & MC_PARAM_IDENT_ERROR;
        motor_param_ident.Rs.f = motor_param_ident.Rs_Old.f;
        motor_param_ident.Ls.f = motor_param_ident.Ls_Old.f;
      }
      else
      {
        motor_param_ident.state_flag = SUCCEED;
        motor_param_ident.Rs_Old.f = motor_param_ident.Rs.f;
        motor_param_ident.Ls_Old.f = motor_param_ident.Ls.f;
      }
      tmr_output_enable(PWM_ADVANCE_TIMER, FALSE);
      disable_pwm_timer();
      tmr_pwm_init();
      adc_preempt_config();
      PWM_ADVANCE_TIMER->cval = 0;
      enable_pwm_timer();
      esc_state = ESC_STATE_FREE_RUN;
    }
    break;
#endif

  case ESC_STATE_NONE:
    break;
  }

  fMosTemperature = (((adc_in_tab[ADC_MOS_TEMP_IDX] * ADC_REFERENCE_VOLT / ADC_DIGITAL_SCALE_12BITS) - V0_V) / dV_dT) + T0_C;
  ui_wave_param.iMosTemperature_meas = (int16_t)(fMosTemperature * 100);
  ui_wave_param.iBusVoltage_meas = (int16_t)(adc_in_tab[ADC_BUS_VOLT_IDX]);
  ui_wave_param.speed_meas_filter_pu = (int16_t)(rotor_speed.filtered * RPM_TO_SPEED_PU >> 15);
  ui_wave_param.speed_reference_pu = (int16_t)(speed_ramp.command * RPM_TO_SPEED_PU >> 15);
  adc_sample.emf.emf_half_vdc_val = (int16_t)(adc_in_tab[ADC_BUS_VOLT_IDX] * EMF_HALF_VDC_GAIN);
  zcp_highspd_fall = (adc_sample.emf.emf_half_vdc_val) + (adc_sample.emf.emf_high_spd_offset_falling);
  zcp_highspd_rise = (adc_sample.emf.emf_half_vdc_val) + (adc_sample.emf.emf_high_spd_offset_rising);
#if 1
  /* Over/under voltage protection 屏蔽过电压*/
//  if (adc_in_tab[ADC_BUS_VOLT_IDX] < UNDERVOLTAGE_THRESHOLD_d)
//  {
//    error_code |= error_code_mask & MC_UNDER_VOLT_ERROR;
//  }
//  else if (adc_in_tab[ADC_BUS_VOLT_IDX] > OVERVOLTAGE_THRESHOLD_d)
//  {
//    error_code |= error_code_mask & MC_OVER_VOLT_ERROR;
//  }

  /* MOS Temperature protection 屏蔽温度*/
//  if (adc_in_tab[ADC_MOS_TEMP_IDX] > TEMPERATURE_THRESHOLD_d)
//  {
//    error_code |= error_code_mask & MC_OVER_TEMP_ERROR;
//  }
#endif
  /* Enter error state handler */
  if (error_code != MC_NO_ERROR)
  {
    esc_state = ESC_STATE_ERROR;
  }

}
  • 🌿AT32官方驱动板提供的母线电压采集电路：
    在这里插入图片描述
  • 🌿AT32官方MOS管温度采集电路：
    在这里插入图片描述

🛠调参步骤

在这里插入图片描述

开环控制模式下调参：（✨推荐配合可调电源，能直观的看到电机在运转时，电流大小。）

调参原则：先小，然后逐渐递增。

  • 🌿在电机能转动情况下，从初始速度开始调。
  • 🌿电机能平稳启动后，调节最终的速度 ，最快速度时，电机运转不卡顿为止。
  • 🌿调节循环周期，电机转动流畅，电流最小。
  • 📐将最终整定后的参数,修改到工程中：
    在这里插入图片描述
  • 👉需要注意，部分参数不是直接照抄，有偏置补偿的。（修改后，重新烧录程序，再连接上位机软件，可以查看到修改后的参数以及运行效果）
    在这里插入图片描述
  • 🌿其他运行模式，进行调参方式，类似操作即可。
📒其他相关控制电路
  • 官方提供的外部定位器调试电路：
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
AT32官方提供的例程并不适合新手移植，不管是从AT32提供的开源驱动硬件还是软件实现代码，都是比较复杂的。成本比较高。
  • 🌿驱动硬件，从驱动板原理图可以看出，设计的物料比较多和控制方法相对比较复杂。虽然可以针对不同mcu和驱动电机进行优化，但是按照现成的软件驱动实现的方案，成本还是高。
  • 🌿软件实现，不方便移植。如果想将这套代码移植到其他品牌单片机上，几乎是行不通的。

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