/stm32-foc

Primary LanguageC

STM32-FOC 电机驱动板

简体中文 | English

这是本机器人项目的一个子模块，基于 STM32 芯片的无刷电机驱动板，目前有如下特性：

  • 芯片方案
    • 主控芯片：STM32F103C6T6
    • 驱动芯片：DRV8313
    • 磁编码器：AS5600
    • CAN驱动芯片：TJA1050T
  • 仅支持电压控制扭矩，硬件不支持电流闭环
  • 使用 CAN 通信控制（硬件留有串口但程序没有使用）
  • 可反馈转角和转速，反馈频率500Hz
  • 使用按钮设置电机ID或触发自动标定，产生的参数支持掉电保存
  • PCB 尺寸：直径30mm
  • 本项目中供电电压：12V
  • 物料成本：约￥25

注：经测试 STM32F103C8T6 可直接替换，软硬件都可直接兼容

该子模块已经在立创平台开源：https://oshwhub.com/skythinker/simplefoc103

硬件说明

电路设计

电路为双层板结构，使用立创EDA设计，其中的对侧打孔相距22mm，与2804电机孔位相同

注：程序使用单片机内部RC振荡器，因此外部晶振X1和负载电容C1/C2可以不焊接

文件说明

原理图和PCB文件均在hardware文件夹中：

  • STM32FOC_LCEDA_SCH.json：立创EDA原理图文件
  • STM32FOC_LCEDA_PCB.json：立创EDA PCB文件
  • STM32FOC_AD_SCH.schdoc：立创导出的 Altium Designer 原理图文件
  • STM32FOC_AD_PCB.pcbdoc：立创导出的 Altium Designer PCB文件
  • STM32FOC_SVG.svg：原理图矢量图文件

注：Altium Designer 文件未经过检查，可能存在错误

软件说明

程序开发环境为 Keil uVision 5，使用 STM32CubeMX v5.6.0 生成工程，使用 HAL 库编写

FOC核心算法参考了CSDN博主 loop222 所移植的C语言版 SimpleFOC，本程序将其移植到了HAL库中，并添加了CAN通信、Flash掉电存储、蜂鸣、按键、LED、滤波等功能

文件说明

software文件夹中为STM32代码工程，其中：

  • MDK-ARM/C6T6SimpleFoc.uvprojx：Keil uVision 5 工程文件
  • C6T6SimpleFoc.ioc：STM32CubeMX 工程文件
  • Src/main.c：主要程序代码
  • Src/stm32f1xx_it.c：各中断服务函数代码
  • USER目录下为其他工具代码：
    • BLDCMotor.c/h、FOCMotor.c/h、foc_utils.c：FOC算法相关代码
    • MagneticSensor.c/h：AS5600磁编码器驱动代码
    • FlashStorage.c/h：Flash掉电存储代码

使用说明

硬件设置

  1. 将驱动板与电机固定在一起，电机转子上的径向磁铁与磁编码器对正且相距2~3mm

  2. 驱动电路板使用2.54mm排针孔引出了电机三相线、CAN总线、电源、SWD调试接口和串口，用户可根据需要自行焊接

    注：电源建议选择12V左右，具体范围可以参考DRV8313芯片的电压范围和降压LDO芯片的最高耐压

驱动ID设置及自动标定

驱动ID：区分一条CAN总线上多个电机的标识，范围1-8，同一总线上的驱动ID不能重复

自动标定：驱动需要知道电机的极对数、零点偏移量、传感器方向信息，这些信息可以通过自动标定获得

  • 在正常运行状态下，LED的闪烁代表电机当前ID
  • 按下按钮不松手即可进入ID设置，此时LED会以500ms周期闪烁，闪烁第N次时松手即可设置ID为N
  • 闪烁次数超过8次仍不松手，LED会常亮2秒，此时松手即可进入自动标定
  • 若2秒后仍然不松手，LED会熄灭，此后松手不会触发任何操作
  • 自动标定时，电机会缓慢旋转，需确保电机处于空载状态，尽可能减少旋转阻力，标定成功后会播放开机音效

CAN通信协议

CAN通信使用标准帧，波特率为1Mbps

驱动反馈数据帧格式：

不同ID的驱动板会使用不同的CAN数据帧标识符(StdID)发送反馈数据：

驱动ID StdID 帧类型 DLC
N 0x100+N 标准帧 8
DATA[0-3] DATA[4-5] DATA[6-7]
累计转角*1000 当前转速*10 保留
单位rad 单位rad/s /
int32_t int16_t /

驱动板接收电压指令数据帧格式：

为节省总线带宽，不同ID的驱动板不会使用完全不同的数据帧接收数据，而是共用一个数据帧中的不同字节

共用接收数据帧 StdID = 0x100 的四个驱动ID为1-4：

DATA[0-1] DATA[2-3] DATA[4-5] DATA[6-7]
ID=1 输出电压 ID=2 输出电压 ID=3 输出电压 ID=4 输出电压
单位mV 单位mV 单位mV 单位mV
int16_t int16_t int16_t int16_t

共用接收数据帧 StdID = 0x200 的四个驱动ID为5-8：

DATA[0-1] DATA[2-3] DATA[4-5] DATA[6-7]
ID=5 输出电压 ID=6 输出电压 ID=7 输出电压 ID=8 输出电压
单位mV 单位mV 单位mV 单位mV
int16_t int16_t int16_t int16_t

也就是说，如果向总线发送StdID=0x100的数据帧，那么ID为1-4的驱动板会同时接收到指令；如果发送StdID=0x200的数据帧，则ID为5-8的驱动板会收到指令

改进方向

  • AS5600磁编码器数据不够稳定，采样频率也不够高(软件IIC实测最高约2KHz)，留给滤波算法的余地不大，可以考虑更换更好的编码器