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。

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：

1. 初始化：

   • 设置PWM引脚和通道。
   • 初始化串口通信。

2. 电角度计算：通过机械角度和极对数计算电角度。

3. 角度归一化 ：将角度转换到 0 到 2π 之间。

4. 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。

5. 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。

6. 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：

• 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。

• 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。