SimpleFOC無刷電機平衡小車-創(chuàng)新互聯(lián)

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10余年的巴里坤哈薩克網(wǎng)站建設(shè)經(jīng)驗，針對設(shè)計、前端、開發(fā)、售后、文案、推廣等六對一服務(wù)，響應(yīng)快，48小時及時工作處理。全網(wǎng)營銷推廣的優(yōu)勢是能夠根據(jù)用戶設(shè)備顯示端的尺寸不同，自動調(diào)整巴里坤哈薩克建站的顯示方式，使網(wǎng)站能夠適用不同顯示終端，在瀏覽器中調(diào)整網(wǎng)站的寬度，無論在任何一種瀏覽器上瀏覽網(wǎng)站，都能展現(xiàn)優(yōu)雅布局與設(shè)計，從而大程度地提升瀏覽體驗。成都創(chuàng)新互聯(lián)公司從事“巴里坤哈薩克網(wǎng)站設(shè)計”,“巴里坤哈薩克網(wǎng)站推廣”以來，每個客戶項目都認真落實執(zhí)行。前言

本科畢業(yè)于自動化，期間學習了各種電機運動控制原理，自動控制原理，但是只會考試而未究其理。最近接觸到simplefoc這個基于arduino的開源無刷電機驅(qū)動庫，想正好借此機會將本科學到的內(nèi)容用于實際，于是就有了這個小項目，基于無刷電機FOC的平衡小車。
無刷電機相比于普通小車用的有刷電機，相同體積下扭矩更大，無刷電機驅(qū)動小車時可以直驅(qū)而不像有刷電機需要帶減速器才能滿足扭矩要求，且響應(yīng)速度更快。采用無刷電機可以把小車做的更緊湊美觀。
無刷電機的驅(qū)動電路和算法要更加復(fù)雜，無刷電機在低速工作時，算法層面上采用磁場定向控制算法FOC(Field-oriented control),可以精確控制電機的位置，速度乃至電流也就是轉(zhuǎn)矩，由此可以做出很多好玩的東西?；趂oc的無刷電機在機器人關(guān)節(jié)，相機云臺電機控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

主要功能

板載雙路無刷電機驅(qū)動及電流環(huán)芯片，每路大電流2.5A，可驅(qū)動兩個云臺無刷電機，可控制到電流
小車可自平衡，可通過手機app藍牙連接控制進退，轉(zhuǎn)向
搭載雙排RGB，每排共24個燈，可以擴展成更多，實現(xiàn)多種燈光特效且不影響車輛控制
圖傳接口，通過外接ESP-CAM模塊實現(xiàn)WIFI圖傳，可在手機上查看(20220421 插口畫反用不了。。)

開源資料鏈接

博客文檔鏈接
https://blog.csdn.net/weixin_42487906/article/details/124898392

視頻鏈接
https://www.bilibili.com/video/BV1Sv4y137FG/

github倉庫，內(nèi)有代碼，3D打印文件，pcb制板文件：
https://github.com/FranHawk/simplefoc_balance_car

立創(chuàng)eda工程可在線查看原理圖和pcb：
總共有三個板子
主板(包括電機控制和驅(qū)動部分)：https://oshwhub.com/FranHawk/balance_car_esp32_simplefoc
編碼器板：https://oshwhub.com/FranHawk/as5600-16mm
RGB燈帶板：https://oshwhub.com/FranHawk/rgb_strip

材料購買鏈接

所有的電子元件材料都可以對照BOM表或者工程里的原理圖買，在淘寶或者立創(chuàng)上買均可，下面列出一些關(guān)鍵材料的鏈接

AS5600 L6234PD INA240A1：【淘寶】https://m.tb.cn/h.ft947n2?tk=gn3u2P8IocI「L6234PD L6234D L6234 HSOP 原裝汽車IC 進口芯片熱賣質(zhì)量超好」點擊鏈接直接打開
電機部分的芯片這個店家買到的貨還算便宜
其他的電子元器件都可以在優(yōu)信電子之類的找到，財力充足的可以直接立創(chuàng)，省事。
2210云臺電機（至少兩個）【淘寶】https://m.tb.cn/h.fslSDE8?tk=G8Pk2P8HluO「清倉HJ2210-75T無刷云臺電機狗3云臺專用航拍電機云臺空心軸馬」點擊鏈接直接打開
輪胎胎皮（至少兩個）【淘寶】https://m.tb.cn/h.ft9UFV4?tk=L8Ez2P8u1Ma「AXIAL 1比24車SCX24 90081小米吉姆尼通用橡膠攀爬輪胎皮直徑52mm」點擊鏈接直接打開
電機支架（至少兩個）【淘寶】https://m.tb.cn/h.fsl86Kp?tk=i9Oo2P8FvxY「390電機支架 385固定座 365安裝底座 380馬達固定架送螺絲螺母點擊鏈接直接打開
黑色亞克力板（至少兩個）【淘寶】https://m.tb.cn/h.fH9ybkd?tk=2OCV2P8vqAf「平衡小車DIY專用亞克力支架板擴展板」點擊鏈接直接打開
電池 900mah【淘寶】https://m.tb.cn/h.fGk2f0O?tk=33dF2PjbvTN「航模電池5200mAh 11.1V足容高C7.4V車模船模 RC攀爬車質(zhì)量保證」點擊鏈接直接打開

其他機械小零件

sh1.0 mm的線，3P和4P的，注意接線前一定要檢查編碼器板和主板的線順序是不是對應(yīng)的直接買來的線是不能用的，需要自己焊一下改下順序
m2.5的螺釘，至少8mm長，和m2.5的墊圈若干，用于固定編碼器，電機與電機支架
m3 6mm長的螺釘，m35 6mm的銅柱，m320 6mm銅柱，m3螺母若干
AB膠或者同等強度的膠，用于將徑向磁鐵固定在電機軸線處
綁帶和魔術(shù)貼，用于固定主板和電池
3.81mm插頭，用于把電機線插到主板上，XT30公頭接口，用于把主板連接電池，紅黑電源線

制作步驟 1.電路部分

打開開源資料鏈接上的三個pcb工程，在嘉立創(chuàng)投板生產(chǎn)，把元器件都買到并焊上去
主板

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按照上圖用紅黑電源線焊接主板和XT30 公頭插頭

編碼器板
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編碼器板沒什么元器件，記得上面這個焊點要焊上，背面還有一個as5600芯片，總共要做兩個
RGB燈板

把燈焊上去，沒什么好說的，總共要做兩個

sh1.0 3P和4P的線
分別做兩條，用作連接RGB板和編碼器板到主板，注意接線前一定要檢查編碼器板和主板的線順序是不是對應(yīng)的，我買到的反的，需要自己調(diào)換順序

機械部分

制作兩個電機部分
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先把徑向磁鐵粘在電機軸心

把編碼器板，電機支架和電機用m2.5螺釘按上圖組裝，中間加些墊片，防止相互間摩擦，如下圖

3D打印輪轂，套在電機上，再套上胎皮，3D打印文件在github里

組裝

3D打印固定板，用魔術(shù)貼和扎帶固定電池，用m3*5 銅柱和螺釘將3D打印固定板和主板組裝
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將兩個電機部分和主板部分用m3螺釘組裝，電機線通過3.8mm 插頭連接到主板，順序隨意。編碼器板用sh1.0 mm 4P線連接，第一層亞克力板上裝四個m3 20mm的銅柱，如下圖

RGB燈板和第二層亞克力板粘在一起
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連接RGB的線到主板，固定第一層和第二層亞克力板，完成組裝

燒寫程序

通過vscode+platformio來燒寫程序
第一次燒寫程序前，先找到hw_bldc.cpp里的hw_bldc_init()函數(shù)里
有這樣幾句

motor_0.init();
    motor_1.init();
    
    motor_0.initFOC();
    motor_1.initFOC();

第一次燒寫時，initFOC里不需要有參數(shù)，上電后simplefoc會運行自檢程序，檢測電機旋轉(zhuǎn)方向和電角度，會在串口中輸出，通過串口得到參數(shù)后填入initFOC

motor_0.init();
    motor_1.init();
    
    motor_0.initFOC(4.53, Direction::CW);
    motor_1.initFOC(0.64, Direction::CCW);

如上，每個人的這兩個參數(shù)都是不一樣的，然后第二次燒寫代碼。之后每次啟動就不會消耗時間自檢了。

手機控制

手機安裝點燈APP，https://diandeng.tech/dev
創(chuàng)建一個藍牙設(shè)備，添加一個手柄控件，起名叫JoyKey
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對于燈光效果的遙控可自行開發(fā)

硬件分析與概要設(shè)計

電路部分分為一個主板，兩個編碼器小板，兩個RGB燈板

其中主板部分集成了無刷電機驅(qū)動，控制部分，MPU6050傳感器，供電，串口和各種接口
驅(qū)動器板搭載AS5600磁編碼器，通過IIC與主板通信
主板為RGB提供5V電源與控制信號
電機采用2210無刷云臺電機，7對極

無刷電機驅(qū)動部分

驅(qū)動是小車的核心部分，是小車動起來的關(guān)鍵。無刷電機轉(zhuǎn)動時需要分別控制電機的三相電壓。采用FOC算法控制時，還需要位置傳感器提供轉(zhuǎn)子和定子的相對位置，如果要控制轉(zhuǎn)矩，還需要電流傳感器。初次學習FOC，我采用燈哥開源FOC驅(qū)動的方案，燈哥github倉庫地址。
電機驅(qū)動采用L6234P三相H橋集成驅(qū)動芯片
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電流檢測采用INA240A2芯片，放大增益為50，這個芯片也比較貴，可以用INA240A1代替，放大增益為20，我焊的時候用的就是這個，一樣能用。

電機位置檢測采用AS5600絕對值磁編碼器芯片，IIC通訊，我為這個芯片畫了個小板子附在電機軸處，與主板相連，同時還需要在電機軸線處固定一個徑向磁鐵。
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控制部分

由主要功能可知，需要MCU具有藍牙和WIFI功能，還需要足夠的性能用于FOC算法，同時控制RGB。最近看到的esp32可以說正合適，esp32有320K RAM，4M ROM，兩個core，一個核專門用來跑foc算法，另外一個核用來跑其他程序包括RGB控制，simplefoc官網(wǎng)上說esp32單次foc運算能有1ms，引腳也足夠多，滿足平衡控制的需求。
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傳感部分

平衡控制需要通過傳感器檢測到小車自身的姿態(tài)，我采用最常見的MPU6050 6軸加速度計陀螺儀芯片
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WIFI圖傳由主板通過2.54排母插接ESP-CAM模塊實現(xiàn)

電源部分

電池選用3S 900mah航模電池，提供12V電壓給電機
TPS5430開關(guān)芯片將12V轉(zhuǎn)5V，供給到RGB和ESP-CAM模塊
AMS1117將5V降到3.3V

RGB部分

RGB采用WS1802B LED燈，MCU一個IO口就可以驅(qū)動一串RGB
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其他

其他一些接口和轉(zhuǎn)串口芯片什么就不多介紹了，可以看我開源的電路工程了解

理論基礎(chǔ)

無刷電機平衡小車的理論部分需要了解

1.無刷電機磁場定向控制FOC算法
2.平衡車建模和控制算法

理論部分網(wǎng)上有很多資料，講解也非常清楚易懂，珠玉在前，我引出一些比較好的文章，供想要深究的讀者查看

磁場定向控制FOC算法

FOC算法的內(nèi)容比較多，初學者可以看下稚暉君這篇文章，比較通俗易懂

深入淺出講解FOC算法與SVPWM技術(shù)

simplefoc官方文檔的介紹也比較詳細，還有源碼講解，代碼中也用到了simplefoc的庫，所以最好去官網(wǎng)文檔了解一些simplefoc的使用方法
https://simplefoc.com/

其他比較好的文章

BLDC電機控制算法——FOC簡述
foc學習筆記1——準備工作

平衡車建模和控制算法

平衡車建模部分首推清華卓晴的平衡車參考方案對平衡車的數(shù)學模型的建立有非常清晰的介紹，需要熟悉平衡車模型的可以多看幾遍
平衡車平衡環(huán)和速度環(huán)pid的整定可以看這篇文章
平衡小車PID，就該這么調(diào)?。?！

軟件部分

ESP32這款MCU有兩個核心，我采用freertos來對兩個核進行調(diào)度，整體軟件框架基于arduino+freertos

用到的庫

Adafruit_NeoPixel 用于驅(qū)動RGB燈帶
blinker-library點燈科技的藍牙庫，可以通過手機app和平衡車藍牙通訊
MPU6050_lightMPU6050驅(qū)動庫
Arduino-FOCsimplefoc的arduino支持庫

0 core：
task 0：simplefoc的電流環(huán)的運算、俯仰角數(shù)據(jù)讀取的和電機電壓的輸出
1 core：
task 1：平衡環(huán)和速度環(huán)pid運算
task 2：RGB閃爍和通過藍牙接收手機的控制命令

TASK 0

這個任務(wù)的代碼比較簡單，loopFOC和move負責simplefoc電流環(huán)的運算和電壓輸出
mpu.update()讀出MPU6050數(shù)據(jù)并返回俯仰角，俯仰角通過互補濾波結(jié)算得到就可以了
shaftVelocity返回電機速度，用于task 1速度環(huán)pid的運算

void task_motor_move(void *pvParameters)
{while (1)
    {// iterative setting FOC phase voltage
        motor_1.loopFOC();
        motor_0.loopFOC();
        // Serial.printf("d:%f,%f\n",motor_1.shaftVelocity(),motor_0.shaftVelocity());
        motor_1.move(motor_output_left);
        motor_0.move(motor_output_right);

        // // iterative function setting the outter loop target
        mpu.update();

        speed_right = motor_0.shaftVelocity();
        speed_left = motor_1.shaftVelocity();
    }
}

TASK 1

該任務(wù)主要是平衡環(huán)和速度環(huán)pid運算，用狀態(tài)機的思維將平衡車狀態(tài)分為STOP，RUNNING，PICKUP三個狀態(tài)，這樣做主要是為了避免平衡車被拿起時電機瘋轉(zhuǎn)。
開機時狀態(tài)為STOP，把車扶正到平衡位置附近則進入RUNNING狀態(tài)，當拿起傾斜角后過大，則進入PICKUP狀態(tài)，逆時針旋轉(zhuǎn)車體后進入STOP狀態(tài)。
RUNNING狀態(tài)運行平衡環(huán)，速度環(huán)和角度環(huán)。平衡環(huán)采用pd，速度環(huán)用pi，角度環(huán)僅用單p。

void task_control(void *pvParameters)
{while (1)
    {angle_pitch = mpu.getAngleY();
        // Serial.printf("d:%f\n",angle_pitch);
        acc_Z = mpu.getAccZ();
        if (running_state == STATE_STOP)
        {if (abs(angle_pitch - angle_pitch_offset)< 0.5)
            {running_state = STATE_RUNNING;
            }
        }
        else if (running_state == STATE_RUNNING)
        {speed_average = (speed_right + speed_left) / 2;
            if (abs(angle_pitch - angle_pitch_offset) >50 )
            {speed_I_sum=0;//清空積分系數(shù)
                running_state = STATE_PICKUP;
            }
            else
            {speed_target = translate_speed;

                speed_error = speed_target - speed_average;

                speed_I_sum+=(speed_error*speed_I);
                if(speed_I_sum>15){speed_I_sum = 15;
                }
                if(speed_I_sum<-15){speed_I_sum = -15;
                }
                angle_target_pitch = speed_P * speed_error + speed_I_sum;
  
                motor_output_left = angle_P * ((angle_pitch - angle_pitch_offset) - angle_target_pitch) + angle_D * mpu.getGyroY()+rotate_speed; //+ angle_D * mpu.getGyroY()
                motor_output_right = angle_P * ((angle_pitch - angle_pitch_offset) - angle_target_pitch) + angle_D * mpu.getGyroY()-rotate_speed;
                angle_last_pitch = angle_pitch;
            }
        }
        else if (running_state == STATE_PICKUP)
        {motor_output_left = 0;
            motor_output_right = 0;
            if (speed_right >3.14 && speed_left< -3.14)
            {running_state = STATE_STOP;
            }
        }
        vTaskDelay(1);
    }
}

TASK 2

task 2用于RGB效果顯示，和接收手機blinker app通過藍牙發(fā)送的數(shù)據(jù)。一般的RGB等效都有一個延時函數(shù)，普通的延時函數(shù)都是在原地死等，這樣大大降低CPU效率，影響其他程序運行，這里我編寫了一系列非阻塞式RGB燈效：在顯示完燈效后不再原地延時，而是直接進行調(diào)度，切換到其他task。詳細可看我代碼。

void task_neopixel(void *pvParameters)
{uint32_t neopixel_pattern_previous = 0;
    uint32_t neopixel_pattern_interval = 500;
    uint32_t neopixel_pattern_number = 0;
    while (1)
    {// 效果切換
        if((neopixel_count-neopixel_pattern_previous)>neopixel_pattern_interval){neopixel_pattern_previous = neopixel_count;
            neopixel_pattern_number++;
            neopixel_state_clear(strip_1_handler);
            neopixel_state_clear(strip_2_handler);
            if(neopixel_pattern_number>4){neopixel_pattern_number = 0;
            }
        }

        switch(neopixel_pattern_number){case 0:
                neopixel_police_style_2(strip_2_handler,10,5);
                neopixel_police_style_2(strip_1_handler,10,5);
                break;
            case 1:
                neopixel_police_style_1(strip_2_handler,10,5);
                neopixel_police_style_1(strip_1_handler,10,5);
                break;
            case 2:
                neopixel_loop(strip_2_handler, 255, 255, 255, 4, 4);
                neopixel_rainbow(strip_1_handler);
                break;
            case 3:
                neopixel_bounce(strip_1_handler, 0, 255, 0, 2, 3, 0);
                neopixel_fade_in_out(strip_2_handler, 255, 0, 255, 2, 1,25);
                break;
            case 4:
                neopixel_spread_out(strip_2_handler, strip_2_handler.strip.Color(0,255,0), strip_2_handler.strip.Color(0,0,255), 4, 10);
                neopixel_spread_out(strip_1_handler, strip_1_handler.strip.Color(255,0,0), strip_1_handler.strip.Color(255,255,0), 4, 10);
                break;
            default:
                break;
        }
        neopixel_count++;

#ifdef USE_BLINKER
        Blinker.run();
#endif

        vTaskDelay(10);
    }
}

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