FOC开环控制代码解读
这段代码实现了一个开环速度控制系统，用于控制电机转速。它通过PWM控制器输出电压信号，来驱动电机转动。具体来说，它在指定目标速度下，持续通过电压信号进行控制。下面是对该代码详细流程的逐步解析：
1. 宏定义与变量初始化
#define _constrain(amt,low,high) ((amt)<(low)?(low):((amt)>(high)?(high):(amt)))
- 该宏定义用于限制一个值在一个指定的范围内。对于PWM占空比，它确保其值不会超过0到1的范围。
2. 全局变量
float voltage_power_supply=12.6;
float shaft_angle=0, open_loop_timestamp=0;
float zero_electric_angle=0, Ualpha, Ubeta=0, Ua=0, Ub=0, Uc=0, dc_a=0, dc_b=0, dc_c=0;
voltage_power_supply表示电源电压，设为12.6V。shaft_angle是电机的机械角度。open_loop_timestamp用来存储上次控制的时间戳。Ualpha,Ubeta,Ua,Ub,Uc是三相电压和控制信号。dc_a,dc_b,dc_c是各个PWM通道的占空比。
3. setup() 函数
void setup() {Serial.begin(115200);pinMode(pwmA, OUTPUT);pinMode(pwmB, OUTPUT);pinMode(pwmC, OUTPUT);ledcAttachPin(pwmA, 0);ledcAttachPin(pwmB, 1);ledcAttachPin(pwmC, 2);ledcSetup(0, 30000, 8);ledcSetup(1, 30000, 8);ledcSetup(2, 30000, 8);Serial.println("完成PWM初始化设置");delay(3000);
}
setup()函数是Arduino中的初始化函数。它初始化串口通信、PWM输出引脚以及PWM频率和精度。ledcAttachPin()用于绑定引脚和PWM通道，ledcSetup()设置了PWM的频率和精度。
4. _electricalAngle() 函数
float _electricalAngle(float shaft_angle, int pole_pairs) {return (shaft_angle * pole_pairs);
}
- 计算电机的电角度。电机的电角度与机械角度的关系是：
电角度 = 机械角度 * 极对数。这里假设极对数为7。
5. _normalizeAngle() 函数
float _normalizeAngle(float angle) {float a = fmod(angle, 2*PI); return a >= 0 ? a : (a + 2*PI);
}
- 该函数将角度归一化到
0到2π的范围。fmod()用于求余数，确保角度不超过2π。
6. setPwm() 函数
void setPwm(float Ua, float Ub, float Uc) {dc_a = _constrain(Ua / voltage_power_supply, 0.0f , 1.0f );dc_b = _constrain(Ub / voltage_power_supply, 0.0f , 1.0f );dc_c = _constrain(Uc / voltage_power_supply, 0.0f , 1.0f );ledcWrite(0, dc_a*255);ledcWrite(1, dc_b*255);ledcWrite(2, dc_c*255);
}
- 该函数将计算得到的电压值
Ua,Ub,Uc转化为PWM信号的占空比。 ledcWrite()将占空比输出到PWM通道。
7. setPhaseVoltage() 函数
void setPhaseVoltage(float Uq, float Ud, float angle_el) {angle_el = _normalizeAngle(angle_el + zero_electric_angle);Ualpha = -Uq*sin(angle_el); Ubeta = Uq*cos(angle_el);Ua = Ualpha + voltage_power_supply / 2;Ub = (sqrt(3) * Ubeta - Ualpha) / 2 + voltage_power_supply / 2;Uc = (-Ualpha - sqrt(3) * Ubeta) / 2 + voltage_power_supply / 2;setPwm(Ua, Ub, Uc);
}
- 该函数负责将
Uq和Ud（两相电压分量）转换为三相电压Ua,Ub,Uc。 - 通过帕克变换将
Uq转换为Ualpha和Ubeta。 - 再通过克拉克变换将这两个分量转换为三相电压输出，并调用
setPwm()输出PWM信号。
8. velocityOpenloop() 函数
float velocityOpenloop(float target_velocity) {unsigned long now_us = micros();float Ts = (now_us - open_loop_timestamp) * 1e-6f;if (Ts <= 0 || Ts > 0.5f) Ts = 1e-3f;shaft_angle = _normalizeAngle(shaft_angle + target_velocity * Ts);float Uq = voltage_power_supply / 3;setPhaseVoltage(Uq, 0, _electricalAngle(shaft_angle, 7));open_loop_timestamp = now_us;return Uq;
}
-
该函数是开环速度控制的核心部分。
- 获取当前时间（单位为微秒），计算出每次调用的时间间隔
Ts。 - 根据目标速度
target_velocity和时间间隔计算出新的轴角度shaft_angle。 - 使用固定的
Uq输出电压来驱动电机。 - 调用
setPhaseVoltage()计算三相电压并输出。
- 获取当前时间（单位为微秒），计算出每次调用的时间间隔
9. loop() 函数
void loop() {velocityOpenloop(5);
}
loop()函数是Arduino中的主循环。它持续调用velocityOpenloop()函数，设定目标速度为 5 rad/s，从而保持电机以该速度运行。
总结流程：
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初始化：
- 设置PWM引脚和通道。
- 初始化串口通信。
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电角度计算：通过机械角度和极对数计算电角度。
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角度归一化：将角度转换到
0到2π之间。 -
PWM控制：
- 计算电压值。
- 计算对应的PWM占空比，并输出PWM信号到电机。
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开环速度控制：
- 根据目标速度计算角度增量。
- 输出固定电压，驱动电机转动。
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主循环：每次循环更新电机转速，确保电机按目标速度运行。
优缺点分析：
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优点：
- 简单、易于理解，适用于无闭环反馈的开环控制系统。
- 不需要传感器反馈，适合简单应用。
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缺点：
- 没有速度和位置反馈，无法纠正外部扰动或负载变化带来的误差。
- 精度较低，适用于不需要高精度控制的场合。