在“AI電堂”微信公眾號回復(fù)“SPI”，獲得示例代碼下載鏈接

當(dāng)前MC SDK5.x中支持的關(guān)于編碼器（Encoder）為增量編碼器，即有A，B，Z信號的編碼器，主要為光編碼器；在市場中有些應(yīng)用（比如無人機云臺，伺服，醫(yī)療）已經(jīng)在廣泛使用磁編碼器，輸出的是絕對位置，而想取得位置信息，或者通過取樣絕對位置傳感的PWM脈寬，或者需要通過通訊方式進(jìn)行獲取，比如SPI，I2C，UART等等；當(dāng)前MC SDK5.x還未對這個部分直接支持，需要通過修改程序?qū)崿F(xiàn)絕對位置編碼器的應(yīng)用，本文使用STM32F303RE-Nucleo控制說明。

絕對位置編碼器使用簡介

當(dāng)導(dǎo)體通電后放入磁場中，由于磁場的作用導(dǎo)體上流動的電荷就會因為受到由磁場感應(yīng)產(chǎn)生的洛倫茲力而發(fā)生流通路徑的偏移，這樣在垂直于電流方向上如果去測量的Y1，Y2點電壓，將產(chǎn)生電勢差，這個就是所說的霍爾效應(yīng)；如果使用ADC對Y1，Y2點進(jìn)行測量標(biāo)定即可以反推磁場變化；

打開有絕對位置編碼器的電機可以看到轉(zhuǎn)子上有一個同步旋轉(zhuǎn)的磁石，同時有檢測芯片用于絕對角度輸出，絕對位置編碼器芯片輸出PWM波或者內(nèi)部做通訊輸出，單片機可以讀取相關(guān)信息得到到當(dāng)前轉(zhuǎn)子的角度。

1. 準(zhǔn)備工作

為了方便調(diào)試，首先使用無傳感控制（Sensor-less）將電機閉環(huán)運行起來，如果電機合適，并且使用的是ST的電機Demo板，可以使用ST的Motor Profiler（30KHzPWM）進(jìn)行無傳感電機參數(shù)以及轉(zhuǎn)動參數(shù)識別，可以很快將電機無傳感轉(zhuǎn)動起來；

如果使用客戶自制板子，則按照ST的操作說明，使用MCWorkbench將電機閉環(huán)無傳感轉(zhuǎn)動起來，電機閉環(huán)轉(zhuǎn)動過程可以確保硬件軟件的完備性；注意這邊生成的CubeMx工程文件*.ioc文件，后面我們添加程序會使用到；

為了便于調(diào)試可增加兩路DAC，比如使用STM32F303則直接使用兩路輸出的DAC，如果該芯片上沒有DAC模塊，可以使用TIMER+RC濾波電路模擬輸出DAC；下圖為使用DAC配置，需要配置為Userdefined DAC1/2。

絕對編碼器芯片角度信息讀取

絕對編碼器的輸出可以為PWM波形輸出，也可以為通訊端口輸出，比如UART，SPI，I2C等等，本文以SPI輸出以及PWM輸出為例做說明

2. 角度以及速度標(biāo)定

2.1 電角度標(biāo)定

因為我們讀取的角度為機械角度，在控制過程中我們用到的是電角度，因此還要做一下變換，將機械角度數(shù)據(jù)變?yōu)殡娊嵌葦?shù) 據(jù)；使用公式為：

在程序中需要量化為Q16格式后得到電角度范圍[?180°~180°]；即[-32768~32767]

2.2 速度計算

3. 編碼器SPI輸出模式

3.1 CubeMx配置

打開MCWorkbench生成的*.ioc文件，配置SPI模塊，這邊我們使用SPI3接收，配置參數(shù)需要參考編碼器芯片的說明，這 邊以AS5048A為例，如下配置，配置PB10作為片選信號CS輸出

3.2 重新生成代碼

3.3 編寫SPI讀取代碼

根據(jù)編碼器芯片的數(shù)據(jù)手冊編寫SPI讀取代碼，調(diào)試代碼以便讀取到角度信息，因為是外設(shè)配置，本文對此部分不做具體說明；可以參考spi_pwm_encoder.c文件，得到角度信息后進(jìn)行機械角度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娊嵌鹊挠嬎悖?/p>

#define ENCODER_SPI_MAX 16384?

#define POLES 11?

/*?

* Calculate electrical angle based on motor, data in Q16 format?

* 16384 stand for 360degree(65536)*motor poles?

*/?

SPI_EIAngle = (int16_t)((65536*SPI_Angle_Digital*POLES)/ENCODER_SPI_MAX)%65536;

SPI_Angle_Digital為通過SPI讀取的電角度數(shù)字量，ENCODER_SPI_MAX為最大數(shù)字量輸出，比如14-bit精度的輸出，這個數(shù)據(jù)為16384。

3.4 創(chuàng)建絕對值編碼器的結(jié)構(gòu)體

創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體，包含SpeednPosFdbk_Handle_t的通用組件，并且定義私有成員變量，用于絕對位置編碼器的控制以及參量計算，在abs_encoder_pos_fdbk.c中進(jìn)行初始化動作。

/** ?

?* @brief Abs encoder component parameters definition ?

?*/ ?

?typedef struct

{ ? ? ??

? ? ? SpeednPosFdbk_Handle_t _Super; ? ? ?

? ? ? int16_t Encoder_EIAngle; /* Encoder final electrical angle */? ? ? ? ? ? ? int16_t Encoder_MecAngle; /* Encoder final mechanical angle */? ? ? ? ? ? ? int16_t Encoder_AngleD_Pre; /* Encoder previous digital angle */? ? ? ? ? ? int16_t Encoder_AngleD_Now; /* Encoder present/now digital angle */? ? ? ? ? int16_t Encoder_Speed_RPM; /* Speed uint in RPM */ ? ? ??

? ? ? int16_t Encoder_Average_Speed_RPM; /* Average speed unit in RPM*/ ? ? ? ? ? bool SensorIsReliable; ? ? ?

? ? ? uint8_t mode; ? ? ? ? ? ??

? ? ? int32_t Circle_Counter; /* Count the circle for motro run */? ? ? ? ? ? ? bool Middle_Flag; /* Middle flag, 1--arrived pass middle*/ ? ? ??

} Abs_Encoder_Handle_t;

3.5 絕對值編碼器函數(shù)編寫

參照encoder_speed_pos_fdbk.c文件編寫對應(yīng)的絕對值編碼器的代碼，接口函數(shù)對應(yīng)起來，這樣可以有效的集成擴展, 分別定義：

1) 初始化函數(shù)Abs_Encoder_Init

2) 清除函數(shù)Abs_Encoder_Clear

3) 絕對值編碼器讀取電角度函數(shù)Abs_Encoder_GetElAngle

4) 讀取機械角度函數(shù)Abs_Encoder_GetMecAngle

5) 得到電機平均機械速度函數(shù) Abs_Encoder_GetAvrgMecSpeed01Hz

6) 計算電機平均機械速度函數(shù) Abs_Encoder_CalcAvrgMecSpeed01Hz

3.6 添加絕對位置編碼器代碼

3.6.1 絕對位置編碼器速度計算

參照2.2公式進(jìn)行速度計算

/* Speed_RPM = Deta(angle)*60*f/65536 */?

pHandle->Encoder_Speed_RPM = (int16_t)((int32_t)(pHandle->Encoder_AngleD_Now - pHandle- >Encoder_AngleD_Pre * 60 * SPEED_LOOP_FREQUENCY_HZ/65536);

3.6.2 添加編碼器初始化代碼

在mc_task.c文件的MCboot()函數(shù)中增加初始化代碼

Abs_Encoder_Init(&Abs_Encoder_M1); // Initial absolute encoder sensor Abs_Encoder_M1.mode = SENSOR_SPI;

3.6.3 角度以及速度的代碼添加

中頻任務(wù)TSK_MediumFrequencyTaskM1中加入絕對編碼器的角度以及速度計算函數(shù)

Abs_Encoder_CalcAvrgMecSpeed01Hz(&Abs_Encoder_M1, &wAux );

3.7 判斷絕對位置編碼器角度準(zhǔn)確性

使用DAC對角度進(jìn)行判讀，在mc_task.c中TSK_HighFrequencyTask()函數(shù)中增加UserDAC數(shù)據(jù)更新，一個DAC輸出無 傳感觀測器輸出的電角度，另外一路輸出絕對值編碼器計算出的電角度。

/* DAC output*/?

extern UI_Handle_t * pDAC;?

static int16_t temp1;?

static int16_t temp2;?

temp1 = FOCVars[M1].hElAngle;?

temp2 = Abs_Encoder_M1.Encoder_EIAngle;?

DAC_SetUserChannelValue(pDAC, DAC_USER1, temp1);?

DAC_SetUserChannelValue(pDAC, DAC_USER2, temp2);

程序修改完成后編譯下載，讓電機工作在無傳感閉環(huán)模式，示波器連接DAC兩路輸出。

如果出現(xiàn)下面波形，則需要交換其中任意兩條電機線，或者在程序中加入負(fù)號即可；

下面的圖為正確的DAC輸出波形，可以看到黃色為無傳感器觀測器輸出電角度，藍(lán)色為計算得到的絕對位置編碼器輸出計算結(jié)果，兩者基本重合，如果出現(xiàn)吻合度非常差，波形錯開很多情況下，有兩種措施，要么和電機廠商溝通做準(zhǔn)確的零點校準(zhǔn)， 要么自行增加角度補償。

3.8 絕對位置角度閉環(huán)程序修改

3.8.1 修改電角度賦值

修改mc_task.c中TSK_MediumFrequencyTaskM1（）函數(shù)，由無傳感方式獲得電角度改為絕對位置編碼器的轉(zhuǎn)換完成的電角度，并且返回對應(yīng)的速度值；

#if defined(ABS_ENCODER_MODE)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Abs_Encoder_CalcAvrgMecSpeed01Hz(&Abs_Encoder_M1, &wAux ); ? ? ?IsSpeedReliable = 1;

#else ? ? ?

?Abs_Encoder_CalcAvrgMecSpeed01Hz(&Abs_Encoder_M1, &wAux ); ? ? ?IsSpeedReliable = STO_PLL_CalcAvrgMecSpeedUnit( &STO_PLL_M1, &wAux );?

#endif

3.8.2 屏蔽無傳感電角度計算

修改 mc_task.c 中 TSK_HighFrequencyTask() 函數(shù)，只保留MC_FOC_DURATION這個判斷，其他都可以屏蔽掉。

hFOCreturn = FOC_CurrController(M1);?

if(hFOCreturn == MC_FOC_DURATION)?

{ ??

? ?STM_FaultProcessing(&STM[M1], MC_FOC_DURATION, 0);?

}

3.8.3 修改速度傳感器為絕對編碼傳感器

修改 mc_task.c 中 TSK_MediumFrequencyTaskM1（）函數(shù)，傳感器設(shè)定修改為絕對編碼器。

case CLEAR: ?

? FOCVars[M1].bDriveInput = INTERNAL; ?

? STC_SetSpeedSensor( pSTC[M1], &Abs_Encoder_M1._Super ); ?

? if ( STM_NextState( &STM[M1], START ) == true ) ?

? { ? ?

? ?FOC_Clear( M1 ); ? ?

? ?R3_2_SwitchOnPWM( pwmcHandle[M1] ); ??

? ?} ?

? ?break;

3.8.4 修改狀態(tài)跳轉(zhuǎn)

因為開始就直接是閉環(huán)運行，因此需要修改mc_task.c中TSK_MediumFrequencyTaskM1()函數(shù)，狀態(tài)START下，只需要一條跳轉(zhuǎn)語句，其他刪除或者屏蔽掉。

case START: ? ??

? ?STM_NextState( &STM[M1], START_RUN );

break ;

同樣在狀態(tài)START_RUN下，也只需要一條跳轉(zhuǎn)語句。

case START_RUN: ? ?

? ?STM_NextState( &STM[M1], RUN );?

break ;

3.9 絕對編碼器力

以上修改完成后，重新編譯下載后就可以直接運行電機了，電機需要工作在力矩模式，如果使用GUI進(jìn)行控制，則切換到Torque模式，同時設(shè)定Iqref數(shù)據(jù)，500這個數(shù)據(jù)計算來自于電機最大支持電流數(shù)字量（比如5000）的10%，可以逐漸增加這個數(shù)據(jù)，直到電機能夠運轉(zhuǎn)起來。

如果程序控制電機運行則可以寫為下面代碼

MC_ProgramTorqueRampMotor1(500,1000);?

MC_StartMotor1();

3.10 絕對編碼器速度閉環(huán)運行電機

速度輸出已經(jīng)在上面的中頻任務(wù)中計算得到，可以在無傳感模式下對編碼器速度輸出做調(diào)試，看輸出速度是否和無傳感匹配，如果匹配后可以轉(zhuǎn)入絕對編碼器的速度閉環(huán)控制

如果程序控制電機運行則可以寫為下面代碼：

MC_ProgramSpeedRampMotor1 (600/6,1000); // 600RPM?

MC_StartMotor1();

3.11 使用絕對編碼器做位置環(huán)

3.11.1 框架說明

以表貼電機為例，一般的FOC電機控制是兩環(huán)控制，速度環(huán)+電流環(huán)的控制方式，速度環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，Idref = 0（d軸電流參考為0）的控制為常見控制；參考速度環(huán)輸出參考轉(zhuǎn)矩后供后端電流環(huán)路；

如果增加位置環(huán)最簡單和直接的方式即為將速度環(huán)換為位置環(huán)，即變?yōu)槲恢铆h(huán)+電流環(huán)的方式：

3.11.2 計算說明

為了方便控制，以及考慮精度問題，角度單位為rad*10000，比如電機轉(zhuǎn)動10圈，也就是10圈后的位置，則該位置的設(shè)定角度為：

? ? ? ? ? ?θset=10?2???10000≈628320

位置環(huán)采用的是線性系數(shù)乘以系數(shù)直接輸出到速度的參考:

? ? ? ? ? ??re??=?????(?????????)

? ? ? ? ? ??????位置環(huán)系數(shù)

? ? ? ? ? ????? ?設(shè)定的位置

? ? ? ? ? ??????當(dāng)前的位置

當(dāng)前位置的角度數(shù)字量計算如下：

? ? ? ? ? ????=???????2??????10000+????

? ? ? ? ??????? –絕對值編碼器轉(zhuǎn)過的整圈數(shù)

? ? ? ? ??????當(dāng)前的機械角度的數(shù)字量

? ? ? ? ????? ?取值3.1416

3.11.3 位置控制改進(jìn)

在三環(huán)控制中，不可避免的會涉及到加速度的計算，正?？刂七^程為：加速、勻速、減速、定位過程。

那么會涉及到加速度以及定位階段的控制，這邊我們可以按照加速度與速度差成反比，而定位階段可以直接設(shè)定速度為0，但是實際使用過程中我們會發(fā)現(xiàn)直接直接的速度模式在定位階段力量有限。

方法一：PID 需要特別設(shè)定，更能夠定位到給定位置；

方法二：拋開速度環(huán)，直接力矩控制；

3.11.4 增加以下變量或函數(shù)用于位置環(huán)控制

1) 位置環(huán)PID 結(jié)構(gòu)體PID_Handle_t PIDAngleHandle_M1

2) 位置控制的結(jié)構(gòu)體Position_Handle_t

3) 位置角度誤差Position_GetErrorAngle

4) 位置環(huán)速度參考輸出計算Position_CalcSpeedReferrence

5) 位置環(huán)力矩參考輸出計算Position_CalcTorqueReferrence

3.11.5 增加位置控制程序

在mc_task.c的中頻任務(wù)函數(shù)TSK_MediumFrequencyTaskM1中增加位置環(huán)差值數(shù)據(jù)計算，根據(jù)差值計算，當(dāng)差值在閾值之上的話進(jìn)行速度控制，在RUN下調(diào)用下面函數(shù)：

/* Get error position/Angle, unit in rad*10000 */ Position_GetErrorAngle(&Abs_Encoder_M1,Target_Angle);?

……?

Position_CalcSpeedReferrence()

如果差值縮小到一定范圍內(nèi)，則進(jìn)行力矩控制，在函數(shù)FOC_CalcCurrRef中進(jìn)行調(diào)用。

__weak void FOC_CalcCurrRef(uint8_t bMotor)?

{ ? ? ??

? ? ? if(FOCVars[bMotor].bDriveInput == INTERNAL) ? ? ??

? ? ? { ? ? ??

? ? ? #if defined(POSITION_CONTROL) ? ? ? ? ? ??

? ? ? ? ?/* If in position torque mode, Iqref come from Angle PID*/? ? ? ? ? ? ? ? if(Position_M1.Mode_Flag == P_TORQUE_MODE) ? ? ? ? ? ??

? ? ? ? ?{ ? ? ? ? ? ? ? ? ??

? ? ? ? ? ? ?FOCVars[bMotor].hTeref = Position_CalcTorqueReferrence(); ? ? ? ? ? ? ? ?FOCVars[bMotor].Iqdref.q = FOCVars[bMotor].hTeref;? ? ? ? ? ? ? ? ? } ? ? ? ? ? ??

? ? ? ? ?else ? ? ??

? ? ? #endif ? ? ? ? ? ??

? ? ? ? ?{ ? ? ? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ? ? FOCVars[bMotor].hTeref=STC_CalcTorqueReference(pSTC[bMotor]);? ? ? ? ? ? ? FOCVars[bMotor].Iqdref.q = FOCVars[bMotor].hTeref;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? } ? ? ? ?

? ? ? ?}?

}

3.11.6 實際運行效果

位置偏差較大時，電機加速到最大速度，偏差小時將進(jìn)入力矩控制模式，直到目標(biāo)位置，在目標(biāo)位置直接力矩鎖定。

設(shè)定位置角度值在0<- ->15708000（電機轉(zhuǎn)動250圈） 實際速度與參考速度曲線。

3.12 測試說明

spi_pwm_encoder.h中提供了測試宏定義

A，無傳感運行，用于測試絕對值編碼器，如下宏定義

//#define ABS_ENCODER_MODE?

//#define POSITION_CONTROL?

#define ENCODER_SPI_MODE?

//#define ENCODER_PWM_MODE

B，絕對值編碼器，SPI輸出模式的閉環(huán)運行

#define ABS_ENCODER_MODE?

//#define POSITION_CONTROL?

#define ENCODER_SPI_MODE?

//#define ENCODER_PWM_MODE

C，加入位置環(huán)后的三環(huán)運行

#define ABS_ENCODER_MODE?

#define POSITION_CONTROL?

?#define ENCODER_SPI_MODE?

//#define ENCODER_PWM_MODE

4. 編碼器PWM輸出模式

一般編碼器的PWM都是以固定頻率輸出，占空比代表角度，Duty的范圍為0—T，也就是0—360度（機械角度）；

4.1 CubeMx配置

編碼器的PWM輸出可以直接使用ST芯片的TIMER PWM捕獲功能獲取PWM波的頻率（用于計算電角度）和占空比（機械角度信息）；這邊我們使用TIM2；打開MC workbench生成的*.ioc文件，修改TIM2為PWM捕獲輸入：

將TIM2捕獲輸入通道1配置為Rising Edge，通道2為間接捕獲輸入（實際是TIM2_CH1的內(nèi)部輸出），配置為Falling Edge，同時我們看到PA15（TIM2_CH1）已經(jīng)被配置；通道1為頻率捕獲，通道2為占空比捕獲；

使能TIM2中斷

編輯中斷優(yōu)先級

因為TIM2中斷不能妨礙電機運行，因此需要修改中斷優(yōu)先級為搶占等級為3

4.2 重新生成代碼

在生成代碼的main.c中增加通道使能代碼，TIM2（32-bit）工作在72MHz，如果默認(rèn)編碼器1K PWM，CCR1計數(shù)數(shù)值為 72MHz/1KHz = 72000

/* In PWM mode, use Tim2 PWM capture mode to get frequency and duty cycle,?

* CCR1 value is the frequency of PWM, can be used as calibration value.?

* CCR2 value is for digital angle?

* In this demo, TIM2 work under 72MHz?

*/?

HAL_TIM_Base_Start(&htim2);

HAL_TIM_IC_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_1);?

HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2,TIM_CHANNEL_2);

4.3 編寫電角度轉(zhuǎn)換讀取代碼

void PWM_Encoder_EIangle(uint32_t data)?

{ ? ? ?

? ? ?PWM_Angle_Digital = data; ? ? ?

? ? ?if(PWM_Angle_Digital > ENCODER_PWM_MAX)? ? ? ? ? ??

? ? ? ? ? PWM_Angle_Digital = ENCODER_PWM_MAX; ? ? ?

? ?PWM_EIAngle= (int16_t((65536*PWM_Angle_Digital*POLES)/ENCODER_PWM_MAX)%65536; }

在TIM2的中斷服務(wù)中讀取CCR2寄存器內(nèi)容，為防止誤動作，這邊CCR1數(shù)據(jù)標(biāo)定為ENCODER_PWM_MAX，可以仿真條件下讀取這個數(shù)據(jù)，如果編碼器準(zhǔn)確1KHz PWM輸出這個數(shù)據(jù)為72000，如果為其他數(shù)據(jù)可以進(jìn)行對應(yīng)修改；

#define ENCODER_PWM_MAX 67039 //72000?

void TIM2_IRQHandler(void)?

{ ? ?

? ? PWM_Encoder_EIangle(TIM2->CCR2); ? ?

? ? Encoder_EIAngle = PWM_EIAngle; ? ?

? ? Encoder_MecAngle = (int16_t)(PWM_Angle_Digital*65536/ENCODER_PWM_MAX);?

}

4.4 判斷絕對位置編碼器角度準(zhǔn)確性

同3.7所描述

4.5 絕對位置角度閉環(huán)程序修改

同3.8，3.9，3.10的描述

4.6使用絕對編碼器做位置環(huán)

參照 3.11 中的具體操作