• Source: https://blog.csdn.net/sinat_22081411/article/details/125870536
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• FOC作為直流無刷馬達控制最常用的演算法，已廣泛應用。在開源社群最常用的FOC專案有：simpleFOC，ODrive，VESC等。其中simpleFOC因為簡單易用，支援多種硬體平台，很適合新手入門。我用simpleFOC的過程中踩了不少坑，在此記錄學習調試過程中的一些心得。
• 硬體平台：開始最好直接購買套件，熟悉後再自己搭配，我這裡直接買的燈哥開源的套件
  • 馬達：2204
  • 驅動器：L6234
  • 磁編碼器：AS5600
  • 電流檢測：INA240
  • 主控MCU：ESP32
• 軟體平台：Arduino，simpleFOC庫，simpleFOC studio圖形化調試工具
  • IDE工具：PlatforIO，也可以使用Arduino IDE（編譯、下載速度很慢，所以我才找到了替代工具platforIO）

• 開環控制：只需要馬達、驅動器，不需要編碼器、電流偵測。演算法簡單，但是控制效果差，驅動效率差。驅動器、馬達很容易過熱燒壞，我就燒過一個驅動器，好幾個馬達。
• 閉環控制：需編碼器、電流偵測，演算法複雜，控制效果好，驅動效率高。初學者一定要用閉環控制，等熟悉了之後再玩開環控制。

這裡主要總結閉環控制的幾種控制方式：力矩控制，速度控制，角度控制。這裡只總結了我自己調試的各種參數及圖形化意義。具體程序和方法參考simpleFOC官方文檔，裡面有詳細介紹。由於篇幅較長，分為兩篇來寫，本篇只總結力矩控制，下篇總結速度控制、位置控制。

• voltage control
• 此控制方式類似直流有刷馬達的控制，透過設定目標電壓Uq，同時讀取馬達角度angle（a），經過FOC演算法得到相電壓Ua、Ub、Uc，FOC演算法保障線圈產生的磁場方向與永磁鐵磁場方向垂直90°，從而保障扭力最大。相電壓透過驅動器BLDC Driver驅動馬達轉動。
• 電壓控制只用到了磁編碼器偵測到的角度，馬達參數（相電阻、KV值等），沒有PID參數設置，所以各個PID都是用預設參數，不會對控制效果產生影響。

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• 因為馬達線圈產生的電流與扭力成正比，而電流又與電壓成正比，所以有：
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• 其中Uq：設定電壓值，I：相電流，k：比例係數，T：扭力。因為沒有電流回饋，只能根據角度回授來預估實際電壓U，所以實際電壓會不穩定。
• 注意：這個公式只適用於低速情況，在高速情況下，I = （Uq - EMF） /R，馬達線圈中的反向電動勢會產生顯著的影響，等式不再成立。
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• 如果設定了電機相電阻參數，那麼:
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• 這種控制方式比pure voltage控制更精準一些。因為知道了相電阻，可以很容易的計算出驅動電流。對應的電壓波動也要小很多。同樣只在低速情況下有效，高速時仍受反向電動勢影響。
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• 在simpleFOC最新版（V2.2.2）中增加了一個馬達參數，KV值。在相電阻的基礎上，又增加了反向電動勢的回授。透過角度感測器偵測角度，角度微分後得到速度velocity（v），在經過低通濾波後除以KV值，可以預估出反向電動勢（BEMF），Ubemf = v/KV，可用作近似計算，二者不完全相等。
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• 增加了KV值後，當輸入目標值0.2時，電壓會把BEMF一起計算進去。
• 當輸入目標值設為0時，給予一個啟動速度，馬達就會轉動（因為有BEMF產生）。加一個負載很容易停止（強制BEMF為0）。
• 由於電壓控制沒有用到PID調節器，修改所有PID參數都不會對結果產生影響。

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• 電流控制除了需要偵測角度之外，還需要同時偵測相電流，以便能夠直接控制電流大小，控制效果比電壓控制好很多，演算法要複雜一些，需要用到1個低通濾波（low pass filter）， 1個current q PID調節器。
• 假設馬達產生的扭矩與驅動電流成正比，可以透過控制電流來控制扭矩。這個假設的前提是在低速情況下iDC=iq，id分量可以忽略不計，在高速情況下，id分量無法忽略，iDC=iq不再成立，此時就需要用到下一節總結的FOC電流控制了。
• 如下圖所示，simpleFOC studio透過串口把所有參數都顯示出來。左上方區域顯示感測器參數：
  • angle：磁編碼器偵測到的角度，單位：弧度
  • velocity：根據angle計算出來的角速度，單位：rad/s
  • current：電流偵測電路偵測到的電流，單位：A
  • target：使用者設定的目標值
  • 右上方區域即時繪製監測變數：target,Vq,Vd,Cq,Cd,Vel,Angle
  • 右下方區域是串口命令列
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• 左下方列出了simpleFOC可以調整的參數：
  • motion config：運動方式配置
    • motion control type: torque ,velocity, angle,velocity openloop, angle openloop
    • torque control type: voltage, DC current , FOC current
    • motion downsample:1000, 取樣率/1000，頻繁採用會對FOC控製造成影響，所以要downsample
  • velocity PID：速度環PID控制，在下一篇SimpleFOC調參2-速度控制中介紹
  • angle PID：位置環PID控制，在另一篇SimpleFOC調參3-位置控制中介紹
  • current q PID：本節詳細介紹各參數意義及對應圖形顯示
  • current d PID：下節詳細介紹各參數意義及對應圖形顯示
  • limits：馬達極限參數限制
    • velocity limi: 速度限制
    • voltage limit：電壓限制
    • current limit：電流限制
  • States：電機狀態參數
    • target：目標值
    • voltage q：電壓q分量
    • voltage d：電壓d分量
    • current q：電流q分量
    • current d：電流d分量
    • velocity：速度
    • angle：角度
  • sensor config：感測配置
    • zero angle offset:零角度偏移量，單位：弧度
    • electrical zero offset:電零角度偏移量，單位：弧度
  • general settings:通用配置
    • phase resistance:馬達相電阻
    • motor status:馬達狀態enabled，disabled
    • PWM modulation: PWM調變方式sine PWM, space vector PWM, trapezoidal 120, trapezoidal 150
    • modulation center: 調變中心對齊enabled， disabled
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      • motion control type 是torque力矩控制時，選擇torque control type為DCcurrent時，只用到了current q PID調節器。設定target為0.2，目標是把驅動電路控制在0.2A，各參數意義及對應波形圖如下：
  • proportional gain: 比例增益，影響PID控制的反應速度，P值越大反應越快
  • Integral gain：積分增益，累積誤差的反應速度，I值為0時，current出現很大偏差，不會糾偏。 I=300、500時響應見下圖
  • Derivative gain：微分增益，未使用
  • output ramp：輸出斜率？意義不清楚
  • output limit：輸出限制，限制電壓
  • low pass filter: 低通濾波器Tf 濾波時間常數。影響濾波效果。
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FOC Current

• 這種控制方式是真正的完全版FOC控制。需要用到磁編碼器，電流檢測。將同時同時電流的q分量和d分量。目標是使desired current Id與q分量相等，d分量等於零。這樣無論在低速、高速的情況下都會有較好的控制效果，不會受d分量影響。這裡用到2個PID控制器，2個low pass filter濾波器。
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• FOC電流控制與DC電流控制最大的差別是增加了current d控制，同樣設定target=0.2，同樣空載情況下，角速度可以達到175作用，而DC電流控制角速度只有80左右。用手去擋電機，讓電機停止後，明顯感覺力道變大了。這也說明：torque扭力控制，控制的是驅動電流大小，而不是真實的馬達扭力。
• Current d PID個參數意義與Current q PID相同，但作用對像不同了。 current q = target value, current d = 0
  • proportional gain: 比例增益，影響PID控制的反應速度，P值越大反應越快
  • Integral gain：積分增益，累積誤差的反應速度，I值為0時，current出現很大偏差，不會糾偏。
  • Derivative gain：微分增益，未使用
  • output ramp：輸出斜率？意義不清楚
  • output limit：輸出限制，限制電壓
  • low pass filter: 低通濾波器Tf 濾波時間常數。影響濾波效果。
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• 下圖可以看到voltage控制時電流只是估計值，空載和負載時電流變化很大。
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• 下圖可以看出DC current直接控制電流，控制效果比voltage好很多，但還是有一部分能量浪費在了current d上
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• FOC控製做到了高低速情況下都使current q=target value, current d=0,能量利用率最高，轉速也最快
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• 參數設定：
  • motion control type：Torque
  • torque control type：FOC current
  • Current q PID： P=5， I=1000， D=0
  • Current d PID： P=5， I=1000， D=0
• 現象：設定目標值由低到高時一切正常，例如M0—M0.5，M0.5–M1.0。但是設定目標值由高到底時，單次變化過大會出現過衝，電流current q直接到-2A左右，系統在此達到平衡並震盪。
  
• 過衝值與比例因子P相關，設定current q、d的比例因子為10，結果如下圖
  
• 設定current q的比例因子為20，current d的比例因子為10，結果如下圖
  
• 最終如下圖，可比較好的結果。但當M1.5—M0時優惠出現震盪。要獲得穩定的加減速過程，需要逐步加速、減速，不能讓力矩控制環中的電流current q、d發生巨變，如果發生巨變很可能會造成馬達震盪，甚至損壞馬達、驅動電路。
  

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