无刷直流电机配置

BLDCMotor 类可以实现所有直流无刷电机的控制。这个类可以实现：

直流无刷电机 FOC 算法
运动控制
监控

步骤1. 创建无刷直流电机的实例

要实例化无刷直流电机，我们需要创建 BLDCMotor 类的实例并为其提供电机的极对数 pole pairs 。

//  BLDCMotor(int pp, (optional R, KV))
//  - pp  - 极对数
//  - R   - 相电阻值 - 可选的
//  - KV  - 电机KV值 [rpm/V] - 可选的
BLDCMotor motor = BLDCMotor(11, 10.5, 120);

极对数
如果你不确定电机的极对数（ pole_paris number ）。library 库提供了一个实例 find_pole_pairs_number.ino 来计算你电机的极对数（ pole_paris number）。
经验法则：KV值
我们建议将提供给库的KV值设置为比数据表中给定或实验的数值高50-70%。根据电机的力学，在电机额定KV值的100%到200%之间都为适当值。
获取额定KV值
如果不知道你电机的KV值。通过在电压力矩控制中设定电压为1V，就可以轻易获取到KV值，即为当时电机转速-1V时电机转速。额定KV值的单位是 rpm/V, 而SimpleFOClibrary显示速度单位为rad/s。获取到1V时电机转速后，需乘以30/π≈10，将其转化为rpm。
KV = velocity_at_one_volt * 30/pi
你也可以用library库给定的例程 examples/utils/calibration/find_KV_rating.ino.
相电阻和KV值
提供相电阻和KV值能使用户能够不用测量就能控制电机电流。（不经常用于基于电流的力矩模式foc_current 和 dc_current）。在电压控制模式下，用户能够控制（和限制）电机的假定电流。更多信息，请查阅力矩控制文档。
在许多方面来说，基于电流运行会比电压更好。因为无刷直流电机的力矩与电流而不是与电压成比例，特别是相同的电压值在不同的电机上会产生不同的电流（由于相电阻不同）。一旦设置了相电阻后，用户就可以该无刷直流电机的电流限制，而不是电压限制。
值得一提的是，由于电压值和电流值属于不同的概念，如果你设置了相电阻的阻值，很可能需要重新调整速度控制或者位置控制参数。一般的经验是将所有的P，I和D的数值除以motor.phase_resistance 值，基于这个点开始调可能会比较好。
最后，如果想要在基于电压（电压模式）和基于电流（DC current或FOC current）的力矩控制之间实时切换的话，建议添加相电阻这个参数，因为上述的力矩控制会以电流值作为数目（目标值），因此用户无需改变运功控制参数（PID值）。
开环运动控制会用到KV值和相电阻值
KV值和相电阻值也会用在开环控制中，让用户限制电机电流，而非电压。详情请参阅开环运动控制文档.
步骤2. 连接传感器
定义好 motor 和初始化传感器后，执行以下代码来连接 motor 和 sensor ：
// 连接电机和传感器
motor.linkSensor(&sensor);
linkSensor 能够将电机连接到本库的任何传感器。 sensor 用于为FOC算法和速度或位置控制确定电机的电气位置。更多信息请参阅位置传感器文档。
当使用开环运动控制时，不需要进行连接。
步骤3. 连接驱动器
定义好 motor 和初始化 driver 之后，执行以下代码来连接 motor 和 driver ：
// 连接驱动器和电机
motor.linkDriver(&driver);
BLDCMotor 类期望接收到一个 Driver 类实例，默认使用 BLDCDriver3PWM 和 BLDCDriver6PWM 类来实现。 driver 主要处理所有有关MCU结构和驱动硬件相关的所有硬件操作。更多信息请参阅直流无刷电机驱动文档！
步骤4.连接电流传感器
如果你有电流传感器 current_sense ，你可以使用以下代码连接到电机：
// 连接电流传感器和电机
motor.linkCurrentSense(&current_sense);
只有本库支持的电流传感才需要此步骤。更多信息请参阅电流传感器文档！
步骤5. 配置参数
如果选择不自行设置其中一些参数，则会用defaults.h 文件中所定义的默认值，查看 library 库源代码来进行更深入的挖掘。
步骤5.1 PWM 调制方式
无刷直流电机一共有四种 FOC 调制方式：
Sinusoidal PWM 调制
Space Vector PWM 调制
Block commutation - 有利于电流控制应用
Trapesoidal 120
Trapesoidal 150
通过 motor.foc_modulation 配置：
// 选择FOC调制类型
// FOCModulationType::SinePWM; （默认）
// FOCModulationType::SpaceVectorPWM;
// FOCModulationType::Trapezoid_120;
// FOCModulationType::Trapezoid_150;
motor.foc_modulation = FOCModulationType::SpaceVectorPWM;
Sinusoidal PWM和 Space vector commutation模式会产生正弦电流和平稳运行，但Block commutation执行速度更快，因此更适合于较高转速的情况。建议用霍尔传感器来实现Trapesoidal 120。其他的模式也可以，但这个性能最好。
FOC 电流力矩控制要求
FOC 力矩控制需要正弦电流，因此请使用Sinusoidal PWM 或Space Vector PWM
有关这些方法的理论和源代码实现的更多信息，请查看 FOC实现文档或访问深入挖掘部分。
步骤5.2 传感器和电机校正
用于电机和传感器校正通过 motor.voltage_sensor_align 来设置：
// 调整电压 [V]
motor.voltage_sensor_align = 3; // 默认 3V
如果传感器是编码器，如果它有index引脚，你可以通过设置motor.velocity_index_search来设置index搜索速度：
// 增加编码器索引的搜索速度 [rad/s]
motor.velocity_index_search = 3; // 默认 1 rad/s
步骤5.3 位置传感器偏置
在某些应用中，可以方便地指定传感器的绝对零偏移量，你可以通过改变motor.sensor_offset参数来实现:
// 传感器偏置 [rad]
motor.sensor_offset = 0; // 默认 0 rad
这个参数可实时修改。
步骤5.4 电机相电阻和KV值
电机相电阻和KV值是一个可选参数，对于基于电流的力矩模式来说不是很重要，这两个变量用于电压力矩模式和开环运动模式中预估电机电流。如果设定了相电阻 motor.phase_resistance和电机KV值 motor.KV_rating（可以在构造函数或者setup()中设置），library库会使用当前电流来实现控制，它会自动计算所需的电压。在setup函数中，你可以设置以下值来改变这个参数：
// 电机相电阻 [Ohms]
motor.phase_resistance = 2.54; // Ohms - 没有设置默认值
// 电机KV值 [rpm/V]
motor.KV_rating = 100; // rpm/volt - 没有设置默认值
详情请参阅力矩控制文档.
步骤 5.5 力矩控制模式
在 Arduino SimpleFOClibrary 中有3种不同的力矩控制模式：
voltage模式
DC current模式
FOC current模式
DC current 和 FOC current 需要电流检测和控制电流，并限制电机的实际电流。而 voltage模式只是近似于电机电流，不使用任何电流检测。更多信息请查阅力矩控制文档。
力矩模式可以通过改变电机属性 torque_controller 来设置。
// 设置要使用的扭矩模式
// 转矩控制类型::电压    （默认）
// 转矩控制类型::直流电流
// 转矩控制类型::磁场定向控制电流
motor.torque_controller = TorqueControlType::foc_current;
步骤5.6 电机控制参数
在 Arduino SimpleFOClibrary 中有3种不同的闭环控制策略：
力矩控制
速度运动控制
位置/角度运动控制
另外 SimpleFOClibrary 也有两种开环控制策略：
速度开环控制
位置开环控制
通过改变 motor.controller 变量来设置：
// 设置要使用的运动控制回路
// 运动控制类型::扭矩	-扭矩控制
// 运动控制类型::速度	-速度运动控制
// 运动控制类型::角度	-位置/角度运动控制
// 运动控制类型::速度开环	-速度开环控制
// 运动控制类型::角度开环	-位置开环控制
motor.controller = MotionControlType::angle;
注意！
该参数没有默认值，实时执行之前必须要设置这个值。
每种运动控制策略都有自己的参数，更多信息请参阅运动控制文档。
// 设置要使用的控制回路类型
motor.controller = MotionControlType::angle;

// 根据控制类型配置控制器
motor.PID_velocity.P = 0.2;
motor.PID_velocity.I = 20;
motor.PID_velocity.D = 0.001;

// 速度低通滤波时间常数
motor.LPF_velocity.Tf = 0.01;

// 角度环控制器
motor.P_angle.P = 20;

// 运动控制限制
// 角度环速度极限
motor.velocity_limit = 50;
// 或者电压限制
motor.voltage_limit = 12; // 电压-默认为驱动器电压限制
// 或电流限制-如果相位电阻设置
motor.current_limit = 1; // 安培 -  默认为2安培
步骤5.7 完成配置
最后，通过运行 init() 函数完成初始化配置，该函数使用所配置的值初始化所有的硬件和软件电机组件。
// 初始化电机
motor.init();
步骤6. 校正电机和所有传感器
在配置好位置传感器、电流传感器、驱动器和电机之后，在控制运动之前，我们需要对所有硬件部件进行校正，以便初始化 FOC 算法。这是在函数 motor.initFOC() 内完成的。
// 校正传感器，启动FOC
motor.initFOC();
开环控制时可以跳过！
如果没有附加传感器，这个功能实际上不会做任何事情，不过如果有必要的话你仍然可以调用它。
这个函数可以会做：
根据电机的方向检查/修改位置传感器的方向
如有必要，搜索编码器的索引
查找相对于位置传感器的电机位移
检查/修改电流传感的引脚和增益信号，如果存在的话确保它与驱动器校正
这个函数是最后的检查函数，它将禁用你的电机，并显示错误信息（使用监控时）。如果一切都配置好了，在调用这个函数之后，FOC就准备就绪，我们的设置也就完成了！
校正程序将必须转几次电机，可能是你不想的，因此，对于大多数位置传感器（编码除外）和电流传感器，可以通过遵循步骤 6.1 和 6.2 跳过这个校正过程。
步骤6.1 跳过校正 - 位置传感器
如果你使用绝对传感器，如磁传感器或霍尔传感器，一旦你完成校正程序和确定了电机的零电位移传感器方向，就不再需要完整的校正。因此，对于 motor.initFOC() ，你可以提供传感器偏移 zero_electric_offset 和传感器方向 sensor_direction ，来跳过校正程序：
// 校正传感器并启动FOC
//motor.initFOC(zero_electric_offset, sensor_direction);
motor.initFOC(2.15, Direction::CW);
同样地，可以通过设置电机参数来实现：
// 校正传感器并启动FOC
motor.zero_electric_offset  = 2.15; // rad
motor.sensor_direction = Direction::CW; // CW or CCW
motor.initFOC();
可以运行 find_sensor_offset_and_direction.ino 实例来找到这些值。
一般地说，如果你知道这两个值中的任何一个，请务必设置。 iniFOC 会跳过这部分校正。例如，对于编码器，零电偏移一直在变化，但传感器方向会保持不变，因此你可以设置它，并跳过大部分校正程序。
步骤6.2 跳过校正 - 电流检测
对于电流传感器，也可以通过设定电流检测标志 skip_align 来跳过的校正过程：
current_sense.skip_align  = true; // 默认 false
但要确保设置好所有增益，所有 ADC 引脚都正确。更多信息请参阅电流检测文档。
步骤7. 实时运动控制
用两个功能来完成 Arduino SimpleFOClibrary 的实时运动控制：
motor.loopFOC() - 低力矩控制
motor.move(float target) - 高力矩控制
函数 loopFOC() 的行为直接取决于力矩控制模式。如果是使用电压模式，它从传感器中获取当前的电机角度，转变为电角度并将q轴的U_q电压指令 motor.voltage_q 转换为适当的相位电压 u_a, u_b 和 u_c ，把它们输出到电机上。而如果它用于DC或FOC current模式，它还会读取电流传感器并运行闭环电流控制。
// 函数运行低电平转矩控制回路
// 它计算得到电机角度和设置适当的电压
// 到相位PWM信号
// -运行速度越快越好 Arduino UNO ~1ms, Bluepill ~ 100us
motor.loopFOC();
开环控制时可以跳过！
如果电机是开环控制的，此功能将不起作用！
在电压模式和电流控制模式下，执行时间都是很关键的。因此，尽可能快地执行 motor.loopFOC() 函数是非常重要的。
经验法则：执行时间
运行这个函数时，越快越好，这里是使用不同力矩模式的近似循环执行时间。
MCU Voltage mode（电压模式） DC current（直流电流） FOC current（FOC 电流）
Arduino UNO ~ 700 us ~ 1.2 ms ~ 1.5 ms
Esp32 ~ 100 us ~ 200 us ~ 300 us
Bluepill ~ 200 us ~ 500 ms ~ 700 us
Nucleo ~ 100 us ~ 150 us ~ 200 us
最后，当我们使用FOC算法设置了电机的力矩命令（电流 i_q 或电压 u_q）之后，我们就可以进行运动控制了。这是通过 motor.move() 函数完成的。
// 函数执行由电机配置的运动控制循环。控制器参数的电机。
// -这个函数不需要在每个循环执行时运行-取决于用例
//
// 基于电机控制器的转矩、角度或速度
//         如果没有设置，电机将使用其可变电机。target中的目标设置
motor.move(target);
move() 方法执行算法的运动控制。如果是由 motor.controller 控制的，它会执行纯力矩控制、速度控制或角度控制。
它接收当前用户定义的目标值参数 float target 。
如果用户运行速度环或速度开环， move 函数把 target 作为目标速度来解释。
如果用户运行角度环 or 角度开环, move 函数把 target 作为目标角度来解释。
如果用户运行力矩环, move 函数把 target 作为电压 u_q 或电流 i_q （如果提供了相位电阻）。
target 参数是可选的，如果未设置，则由公用的电机变量 motor.target 设置目标值，代码是：
motor.target = 2;
motor.move();
步骤7.1 降采样运动控制
对于许多运动控制应用来说，为每个运动控制都运行多个力矩控制都是有意义。这可以提供更好的高速性能，对平滑度有很大的影响。因此， library 库提供简单的使用 motor.motion_downsample 参数设置 move() 函数进行下采样：
// 将采样值
motor.motion_downsample = 5; // - 次 (default 0 - 禁用)
这个下采样很简单，也就是在每一个 loop() 都会调用 motor.move() ，而这个move()只会计数到 motor.motion_downsample 时才会执行。该参数可选，也可以实时配置。
注意：运动控制的影响
下采样的不同值可能需要对运动参数进行一些调整。
至此，你有了完整运动控制的 FOC 无刷直流电机。
用户界面
SimpleFOClibrary 有2种实时用户接口：
Monitoring functionality（监控功能）
Motor commands（用户指令）
深入挖掘
更多 FOC 算法和运动控制方法的理论解释和源代码实现，查看挖掘更深的部分。
实例代码
基于 FOC 算法的简单的用电压控制无刷直流电机力矩的实例。
/**
 * 基于电压的力矩控制环实例
 */
#include <SimpleFOC.h>

// 无刷直流电机的实例
BLDCMotor motor = BLDCMotor(11);
// 驱动程序实例
BLDCDriver3PWM driver = BLDCDriver3PWM(9, 5, 6, 8);
// 传感器实例
MagneticSensorI2C sensor = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C);

void setup() { 
  
  // 初始化编码传感器硬件
  sensor.init();
  // 将电机连接到传感器上
  motor.linkSensor(&sensor);

  // 驱动器配置
  // 电源电压V
  driver.voltage_power_supply = 12;
  driver.init();
  // 连接驱动器
  motor.linkDriver(&driver);

  // 调整电压
  motor.voltage_sensor_align = 3;
  
  // 选择FOC调制
  motor.foc_modulation = FOCModulationType::SpaceVectorPWM;

  // 设置转矩模式
  motor.torque_controller = TorqueControlType::voltage;
  // 设置要使用的运动控制回路
  motor.controller = MotionControlType::torque;

  // 初始化运动
  motor.init();
  // 校正传感器并启动FOC
  motor.initFOC();

  _delay(1000);
}

// 设置目标电压
float target_voltage = 2;

void loop() {

  // 主要FOC算法函数
  motor.loopFOC();

  // 运动控制函数
  motor.move(target_voltage);
}

MCU	Voltage mode（电压模式）	DC current（直流电流）	FOC current（FOC 电流）
Arduino UNO	~ 700 us	~ 1.2 ms	~ 1.5 ms
Esp32	~ 100 us	~ 200 us	~ 300 us
Bluepill	~ 200 us	~ 500 ms	~ 700 us
Nucleo	~ 100 us	~ 150 us	~ 200 us