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173fadadd2
- 修复类名拼写错误：FOC_Controlroller -> FOC_Controller - 移除不必要的角度归一化函数，直接使用fmod优化性能 - 添加完整的SVPWM算法实现，提高电机控制效率 - 重构PID参数配置，使用动态参数调整机制 - 增加电流反馈功能，实时监测电机运行状态 - 优化电压安全限制，提高系统稳定性 - 更新控制模式映射，支持更多控制策略 - 改进CAN通信协议，增加电流反馈传输
420 lines
11 KiB
C++
420 lines
11 KiB
C++
#include "FOC.h"
|
|
#include "Can.h"
|
|
#include "Filter.h"
|
|
#include "Timer.h"
|
|
#include "adc.h"
|
|
#include "ang_sensor.h"
|
|
#include "config.h"
|
|
#include "motor.h"
|
|
#include "pid.h"
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#include <arm_math.h>
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#include <cmath>
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#include <gd32c10x.h>
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FOC_Controller FOC; // FOC控制初始化
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extern sampler sampler;
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extern angle_sensor KTH7823;
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extern CAN_transmiter CAN0_transmiter;
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extern EncoderVelocityKalman Vel_kalman; // 速度滤波
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// 初始变量及函数定义
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#define _constrain(amt, low, high) \
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((amt) < (low) ? (low) : ((amt) > (high) ? (high) : (amt)))
|
|
#define constrain(value, min, max, target_min, target_max) \
|
|
((value - min) / (max - min) * (target_max - target_min))
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|
// 通过Ia,Ib,Ic计算Iq,Id(目前仅输出Iq)
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inline float FOC_Controller::cal_Iq_Id(float current_a, float current_b,
|
|
float current_c) {
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|
// 计算电气角度
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|
float angle_el = fmod(shaft_angle * PP, 360.0f);
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|
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|
float I_alpha, I_beta;
|
|
// Clarke变换 (使用三相电流)
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I_alpha = (2.0f / 3.0f) * current_a - (1.0f / 3.0f) * current_b -
|
|
(1.0f / 3.0f) * current_c;
|
|
I_beta = _1_SQRT3 * current_b - _1_SQRT3 * current_c;
|
|
|
|
// Park变换
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float sin_el, cos_el;
|
|
arm_sin_cos_f32(angle_el, &sin_el, &cos_el);
|
|
float I_q, I_d;
|
|
I_q = I_beta * cos_el - I_alpha * sin_el;
|
|
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return I_q * 1000.0f -
|
|
KE_FACTOR * rt_velocity; // 返回Iq值，乘以1000以转换为mA
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}
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/**
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|
* @brief 电机控制类初始化函数
|
|
*
|
|
* @return u8 0表示初始化成功，1表示初始化失败
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|
*/
|
|
u8 FOC_Controller::init() {
|
|
motor_init(); // 电机驱动初始化
|
|
vel_loop.set_PID(DEFAULT_vel_loop_p * 100 / voltage_power_supply, vel_loop_Ki,
|
|
vel_loop_Kd); // 设置电机速度控制参数
|
|
angle_loop.set_PID(DEFAULT_angle_loop_p * 100 / voltage_power_supply, 100.0f,
|
|
0.2f); // 设置电机角度控制参数
|
|
current_loop.set_PID(DEFAULT_current_loop_p * 100 / voltage_power_supply, 5e-7f,
|
|
7e-8); // 设置电机电流控制参数
|
|
|
|
vel_inVelAngloop.set_PID(DEFAULT_vel_angloop_p * 100, vel_angloop_Ki,
|
|
vel_angloop_Kd); // 设置电机速度控制参数
|
|
ang_inVelAngloop.set_PID(DEFAULT_ang_angloop_p * 100 / voltage_power_supply,
|
|
ang_angloop_Ki,
|
|
ang_angloop_Kd); // 设置电机角度控制参数
|
|
|
|
CAN0_transmiter.testfloat_union.f = DEFAULT_ang_angloop_p * 100 / voltage_power_supply;
|
|
return 0;
|
|
}
|
|
|
|
/**
|
|
* @brief 电机控制类构造函数
|
|
*
|
|
*/
|
|
FOC_Controller::FOC_Controller() { ; }
|
|
|
|
/**
|
|
* @brief 设置电机输出
|
|
*
|
|
* @param Uq: q轴电压
|
|
* @param Ud: d轴电压
|
|
* @param angle_el: 电机轴角度
|
|
*/
|
|
inline void FOC_Controller::setPhaseVoltage(float Uq, float Ud) {
|
|
// 计算电气角度
|
|
float angle_el = fmod(shaft_angle * PP, 360.0f);
|
|
|
|
// 帕克逆变换 (直接计算，避免函数调用开销)
|
|
float sin_el, cos_el;
|
|
arm_sin_cos_f32(angle_el, &sin_el, &cos_el);
|
|
float Ualpha = Ud * cos_el - Uq * sin_el;
|
|
float Ubeta = Ud * sin_el + Uq * cos_el;
|
|
|
|
// 克拉克逆变换 (使用预计算常量优化)
|
|
Ua = Ualpha + v_half;
|
|
Ub = SQRT3DV2 * Ubeta - 0.5f * Ualpha + v_half;
|
|
Uc = -0.5f * Ualpha - SQRT3DV2 * Ubeta + v_half;
|
|
|
|
if (Ua > v_safe)
|
|
Ua = v_safe;
|
|
else if (Ua < -v_safe)
|
|
Ua = -v_safe;
|
|
if (Ub > v_safe)
|
|
Ub = v_safe;
|
|
else if (Ub < -v_safe)
|
|
Ub = -v_safe;
|
|
if (Uc > v_safe)
|
|
Uc = v_safe;
|
|
else if (Uc < -v_safe)
|
|
Uc = -v_safe;
|
|
|
|
// 设置PWM输出
|
|
float voltage_exchange = limit_voltage / v_safe;
|
|
duty_a = Ua / voltage_power_supply * voltage_exchange;
|
|
duty_b = Ub / voltage_power_supply * voltage_exchange;
|
|
duty_c = Uc / voltage_power_supply * voltage_exchange;
|
|
|
|
Set_3Pwm(duty_a, duty_b, duty_c);
|
|
}
|
|
|
|
/**
|
|
* @brief 使用SVPWM算法设置电机输出（优化版）
|
|
*
|
|
* @param Uq: q轴电压
|
|
* @param Ud: d轴电压
|
|
*/
|
|
inline void FOC_Controller::setSVPWM_PhaseVoltage(float Uq, float Ud) {
|
|
// 计算电气角度（保持原有角度单位和范围）
|
|
float angle_el = fmod(shaft_angle * PP, 360.0f);
|
|
|
|
// 帕克逆变换
|
|
float sin_el, cos_el;
|
|
arm_sin_cos_f32(angle_el, &sin_el, &cos_el);
|
|
float Ualpha = Ud * cos_el - Uq * sin_el;
|
|
float Ubeta = Ud * sin_el + Uq * cos_el;
|
|
|
|
// 计算角度并归一化到 [0, 2π)
|
|
float angle = atan2f(Ubeta, Ualpha);
|
|
if (angle < 0)
|
|
angle += 2.0f * PI;
|
|
|
|
// 扇区与局部角度
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|
int sector = (int)(angle * INV_PI_3) + 1;
|
|
if (sector < 1)
|
|
sector = 1;
|
|
else if (sector > 6)
|
|
sector = 6;
|
|
float local_angle = angle - (sector - 1) * PI_3;
|
|
|
|
// 模长计算
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|
float magnitude = sqrtf(Ualpha * Ualpha + Ubeta * Ubeta);
|
|
|
|
// 计算电压调制比，同时限制最大输出电压
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|
float modulation_index =
|
|
(magnitude / voltage_power_supply); // 90%作为安全裕量
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|
|
|
// 电压限制
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|
if (limit_voltage > voltage_power_supply) {
|
|
limit_voltage = voltage_power_supply;
|
|
}
|
|
float limit_percent = limit_voltage / v_safe;
|
|
if (modulation_index > limit_percent) {
|
|
// 限制电压
|
|
modulation_index = limit_percent;
|
|
// 同时相应地调整magnitude，保持电压矢量方向不变，根据调整后的调制比反推magnitude
|
|
magnitude = voltage_power_supply * limit_percent;
|
|
}
|
|
|
|
// 使用arm_sin_cos_f32计算local_angle的sin和cos
|
|
float sin_l, cos_l;
|
|
arm_sin_cos_f32(local_angle, &sin_l, &cos_l);
|
|
float T1 = modulation_index * (SQRT3DV2 * cos_l - COS_PI_3 * sin_l);
|
|
float T2 = modulation_index * sin_l;
|
|
float T0 = 1.0f - T1 - T2;
|
|
|
|
// 计算占空比（按规范化时间映射）
|
|
switch (sector) {
|
|
case 1:
|
|
duty_a = 0.5f * T0 + T1 + T2;
|
|
duty_b = 0.5f * T0 + T2;
|
|
duty_c = 0.5f * T0;
|
|
break;
|
|
case 2:
|
|
duty_a = 0.5f * T0 + T1;
|
|
duty_b = 0.5f * T0 + T1 + T2;
|
|
duty_c = 0.5f * T0;
|
|
break;
|
|
case 3:
|
|
duty_a = 0.5f * T0;
|
|
duty_b = 0.5f * T0 + T1 + T2;
|
|
duty_c = 0.5f * T0 + T2;
|
|
break;
|
|
case 4:
|
|
duty_a = 0.5f * T0;
|
|
duty_b = 0.5f * T0 + T1;
|
|
duty_c = 0.5f * T0 + T1 + T2;
|
|
break;
|
|
case 5:
|
|
duty_a = 0.5f * T0 + T2;
|
|
duty_b = 0.5f * T0;
|
|
duty_c = 0.5f * T0 + T1 + T2;
|
|
break;
|
|
case 6:
|
|
duty_a = 0.5f * T0 + T1 + T2;
|
|
duty_b = 0.5f * T0;
|
|
duty_c = 0.5f * T0 + T1;
|
|
break;
|
|
default:
|
|
duty_a = 0.0f;
|
|
duty_b = 0.0f;
|
|
duty_c = 0.0f;
|
|
break;
|
|
}
|
|
|
|
// 设置PWM输出
|
|
Set_3Pwm(duty_a, duty_b, duty_c);
|
|
}
|
|
|
|
/**
|
|
* @brief 电机关机
|
|
*
|
|
*/
|
|
void FOC_Controller::shut_down() {
|
|
is_shut_down = 1;
|
|
motor_sleep();
|
|
}
|
|
/**
|
|
* @brief 占空比置0
|
|
*
|
|
*/
|
|
void FOC_Controller::drv_stop() { Set_3Pwm(0.0f, 0.0f, 0.0f); }
|
|
/**
|
|
* @brief 电机锁止
|
|
*/
|
|
float FOC_Controller::drv_hold() {
|
|
float hold_pwm_duty = HOLD_PWM_DUTY;
|
|
if (HOLD_PWM_DUTY > 0.95f) {
|
|
hold_pwm_duty = 0.95f;
|
|
} else if (HOLD_PWM_DUTY < 0.0f) {
|
|
hold_pwm_duty = 0.0f;
|
|
}
|
|
Set_3Pwm(hold_pwm_duty, hold_pwm_duty, hold_pwm_duty);
|
|
return hold_pwm_duty;
|
|
}
|
|
/**
|
|
* @brief 电机恢复
|
|
*
|
|
*/
|
|
void FOC_Controller::resume() {
|
|
over_current = false;
|
|
voltage_error = false;
|
|
is_shut_down = false;
|
|
motor_resume();
|
|
}
|
|
/**
|
|
* @brief 更新电源电压
|
|
*
|
|
*/
|
|
void FOC_Controller::update_power(float voltage) {
|
|
if (voltage < 36.0f and voltage > 8.0f) {
|
|
voltage_error = false;
|
|
voltage_power_supply = voltage;
|
|
v_half = voltage * 0.5f;
|
|
v_safe = voltage * 1.05f;
|
|
} else {
|
|
voltage_error = true;
|
|
}
|
|
}
|
|
|
|
/**
|
|
* @brief 速度开环控制
|
|
*
|
|
* @param target_velocity: 目标速度
|
|
* @return float: q轴电压
|
|
*/
|
|
float FOC_Controller::velocity_open_loop() {
|
|
// 通过时间间隔和目标速度计算需要转动的机械角度，存储在shaft_angle中，在此之前，还需要对轴角度归一化
|
|
shaft_angle = fmod(shaft_angle + target_velocity * REDUCTION_RATIO * 1.0 /
|
|
TIMER2_FREQUENCY,
|
|
360.0f);
|
|
|
|
// 因为在开环控制中，Ud始终为0，只控制Uq
|
|
const float Uq = voltage_power_supply / 2.0f;
|
|
|
|
setSVPWM_PhaseVoltage(Uq, 0.0f);
|
|
// CAN0_transmiter.testfloat_union.f = Uq;
|
|
// cal_Iq_Id(sampler.get_current('U'), sampler.get_current('V'),
|
|
// sampler.get_current('W'));
|
|
|
|
return limit_voltage;
|
|
}
|
|
|
|
/**
|
|
* @brief 角度闭环控制
|
|
*
|
|
* @param target_angle: 目标角度
|
|
* @return float: 当前角度
|
|
*/
|
|
float FOC_Controller::angle_control() {
|
|
// PID 控制计算
|
|
float Uq = angle_loop(target_angle - rt_angle);
|
|
|
|
// 获取电机轴角度
|
|
shaft_angle = KTH7823.getcurrent_sensorangle();
|
|
rt_current = cal_Iq_Id(sampler.get_current('U'), sampler.get_current('V'),
|
|
sampler.get_current('W'));
|
|
// 设置相电压
|
|
setSVPWM_PhaseVoltage(Uq, 0.0f);
|
|
return shaft_angle;
|
|
}
|
|
|
|
/**
|
|
* @brief 带速度限制的角度闭环控制
|
|
*
|
|
* @param target_angle: 目标角度
|
|
* @param max_velocity: 最大速度限制 (单位: rad/s)
|
|
* @return float: 当前角度
|
|
*/
|
|
float FOC_Controller::angle_control_with_velocity_limit() {
|
|
// 计算角度误差
|
|
float angle_error = target_angle - rt_angle;
|
|
|
|
// 使用角度PID控制器计算目标速度
|
|
float target_velocity = ang_inVelAngloop(angle_error);
|
|
|
|
// 使用速度PID控制器计算最终输出电压
|
|
// 根据目标速度大小，选择不同的PID参数
|
|
if (target_velocity < -120.0f) {
|
|
vel_inVelAngloop.set_P(vel_angloop_p * 2.0f);
|
|
} else if (target_velocity < -30.0f) {
|
|
vel_inVelAngloop.set_P(vel_angloop_p * 1.5f);
|
|
} else {
|
|
vel_inVelAngloop.set_P(vel_angloop_p);
|
|
}
|
|
float Uq = vel_inVelAngloop(rt_velocity - target_velocity);
|
|
|
|
rt_current = cal_Iq_Id(sampler.get_current('U'), sampler.get_current('V'),
|
|
sampler.get_current('W'));
|
|
// 获取电机轴角度
|
|
shaft_angle = KTH7823.getcurrent_sensorangle();
|
|
|
|
// 设置相电压
|
|
setSVPWM_PhaseVoltage(Uq, 0.0f);
|
|
|
|
return shaft_angle;
|
|
}
|
|
|
|
/**
|
|
* @brief 带速度限制的角度闭环控制
|
|
*
|
|
* @param target_angle: 目标角度
|
|
* @param max_velocity: 最大速度限制 (单位: rad/s)
|
|
* @return float: 当前角度
|
|
*/
|
|
float FOC_Controller::MIT_Mode() {
|
|
// 第一层：角度环（外环）
|
|
// 根据目标角度和实际角度的差值，通过角度环PID控制器计算目标速度
|
|
float angle_error = rt_angle - target_angle;
|
|
float target_velocity =
|
|
ang_inVelAngloop(angle_error); // 使用angle_loop作为角度到速度的映射
|
|
|
|
// 第二层：速度环（中环）
|
|
// 根据目标速度和实际速度的差值，通过速度环PID控制器计算目标电流
|
|
float velocity_error = target_velocity - rt_velocity;
|
|
float target_current =
|
|
vel_inVelAngloop(velocity_error); // 使用vel_loop作为速度到电流的映射
|
|
|
|
CAN0_transmiter.testfloat_union.f = target_current;
|
|
// 第三层：电流环（内环）
|
|
// 计算当前实际电流
|
|
rt_current = cal_Iq_Id(sampler.get_current('U'), sampler.get_current('V'),
|
|
sampler.get_current('W'));
|
|
|
|
// 通过电流环PID控制器计算输出电压
|
|
float current_error = target_current - rt_current;
|
|
float Uq = current_loop(current_error);
|
|
|
|
// 获取电机轴角度
|
|
shaft_angle = KTH7823.getcurrent_sensorangle();
|
|
|
|
// 设置相电压
|
|
setSVPWM_PhaseVoltage(Uq, 0.0f);
|
|
|
|
return shaft_angle;
|
|
}
|
|
|
|
/**
|
|
* @brief 速度闭环控制
|
|
*
|
|
* @param target_velocity: 目标速度
|
|
* @return float: 当前速度
|
|
*/
|
|
float FOC_Controller::velocity_control() {
|
|
// PID 控制计算
|
|
float Uq = vel_loop((rt_velocity - target_velocity) * 25);
|
|
|
|
// 获取电机轴角度
|
|
shaft_angle = KTH7823.getcurrent_sensorangle();
|
|
// 设置相电压
|
|
setSVPWM_PhaseVoltage(Uq, 0.0f);
|
|
rt_current = cal_Iq_Id(sampler.get_current('U'), sampler.get_current('V'),
|
|
sampler.get_current('W'));
|
|
|
|
return rt_velocity;
|
|
}
|
|
|
|
float FOC_Controller::current_control() {
|
|
// PID 控制计算
|
|
float Iq = rt_current =
|
|
cal_Iq_Id(sampler.get_current('U'), sampler.get_current('V'),
|
|
sampler.get_current('W'));
|
|
float Uq = current_loop(target_current - Iq);
|
|
CAN0_transmiter.testfloat_union.f = Iq;
|
|
// 获取电机轴角度
|
|
shaft_angle = KTH7823.getcurrent_sensorangle();
|
|
// 设置相电压
|
|
setSVPWM_PhaseVoltage(Uq, 0.0f);
|
|
return 1;
|
|
} |