【花雕学编程】Arduino FOC 之使用Arduino FOC控制多个机械臂关节

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Arduino是一个开放源码的电子原型平台，它可以让你用简单的硬件和软件来创建各种互动的项目。Arduino的核心是一个微控制器板，它可以通过一系列的引脚来连接各种传感器、执行器、显示器等外部设备。Arduino的编程是基于C/C++语言的，你可以使用Arduino IDE（集成开发环境）来编写、编译和上传代码到Arduino板上。Arduino还有一个丰富的库和社区，你可以利用它们来扩展Arduino的功能和学习Arduino的知识。

Arduino的特点是：
1、开放源码：Arduino的硬件和软件都是开放源码的，你可以自由地修改、复制和分享它们。
2、易用：Arduino的硬件和软件都是为初学者和非专业人士设计的，你可以轻松地上手和使用它们。
3、便宜：Arduino的硬件和软件都是非常经济的，你可以用很低的成本来实现你的想法。
4、多样：Arduino有多种型号和版本，你可以根据你的需要和喜好来选择合适的Arduino板。
5、创新：Arduino可以让你用电子的方式来表达你的创意和想象，你可以用Arduino来制作各种有趣和有用的项目，如机器人、智能家居、艺术装置等。

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Arduino FOC（Field Oriented Control，场向量控制）是一种先进的电机控制技术，它允许精确控制电机的转矩和速度。这种控制技术特别适用于无刷直流电机（BLDC）和步进电机。在Arduino平台上实现FOC可以提供平滑的运行和高度的扭矩、速度和位置控制，它通过精确控制电机的电流和电压来实现高效率、高精度和低噪声的操作。

主要特点:
1、高性能电机控制：FOC是一种高级的电机控制算法，可以精准控制PMSM(永磁同步电机)和BLDC(无刷直流)电机，实现平滑的转速和扭矩输出。
2、闭环控制架构：FOC采用闭环反馈控制，通过检测电机的位置和速度数据，实时调整输出电压和电流，确保电机动作符合预期。
3、模块化设计：Arduino FOC库采用模块化设计，包含电机建模、速度/位置/电流控制环、PWM生成等子模块，用户可根据需求灵活组合使用。
4、可移植性强：Arduino FOC可移植到多种硬件平台，如Arduino、ESP32、STM32与树莓派等，适用于功率从几十瓦到几千瓦的电机系统。
5、参数自动识别：FOC库具有自动识别电机参数的功能，可以大幅简化电机控制系统的调试过程。

应用场景:
1、工业自动化：在工厂的机器人、传送带、CNC加工设备等领域，Arduino FOC可提供高性能的电机控制解决方案。
2、电动车辆：电动自行车、电动汽车、电动叉车等车载电机驱动系统，可以采用Arduino FOC进行精准控制。
3、家用电器：在电风扇、洗衣机、空调等家用电器中，Arduino FOC可实现细腻的电机速度和扭矩控制。
4、航模和无人机：航模飞机、无人机等对电机控制性能要求很高的领域，Arduino FOC能够提供高精度的电机驱动。
5、机器人：工业机器人、服务机器人、仿生机器人等对电机控制性能有严格要求的领域，Arduino FOC是一个不错的选择。

需要注意的事项:
1、硬件要求：Arduino FOC对控制器的性能(如CPU频率、RAM/ROM容量等)有一定要求，需要选择合适的硬件平台。
2、调试复杂性：FOC算法涉及电机建模、坐标变换、PI调节器等诸多环节，调试和调优过程相对复杂，需要一定的专业知识。
3、噪声抑制：电机驱动电路容易产生噪声干扰，需要采取合理的屏蔽和滤波措施，确保信号质量。
4、安全防护：电机驱动系统可能会产生过电流、过压等故障,需要配备可靠的保护电路，确保人身和设备安全。
5、系统集成：将Arduino FOC集成到完整的电机驱动系统中时，需要考虑机械、电力、控制等各个方面的协调配合。

总的来说，Arduino FOC是一种功能强大、性能优秀的电机控制解决方案,适用于工业自动化、电动车辆、家用电器等众多领域。但在硬件选型、算法调试、噪声抑制和安全防护等方面都需要谨慎考虑，以确保系统稳定可靠地运行。

附录：系列目录
1、Arduino FOC的特点、场景和使用事项
http://t.csdnimg.cn/WZhYL
2、Arduino FOC 之简单FOC库 - 跨平台的无刷直流和步进电机FOC实现
http://t.csdnimg.cn/p9ADE
3、Arduino FOC 之无刷直流电机速度控制
http://t.csdnimg.cn/gZ7CY
4、Arduino FOC 之步进电机位置控制
http://t.csdnimg.cn/VYbIb
5、Arduino FOC 之无刷直流电机电流控制
http://t.csdnimg.cn/wWGVu
6、Arduino FOC 之 SimpleFOC 库的主要函数
http://t.csdnimg.cn/S26MC
7、Arduino FOC 之 ArduinoFOC库的核心函数
http://t.csdnimg.cn/3VLzF
8、Arduino FOC 之传感器校准
http://t.csdnimg.cn/NS3TR
9、Arduino FOC 之SimpleFOCShield v2.0.4无刷电机驱动板
http://t.csdnimg.cn/g9mP7
10、Arduino FOC 之 AS5600角度读取
http://t.csdnimg.cn/dmI6F
11、Arduino FOC 之 FOC算法
http://t.csdnimg.cn/ENxc0
12、Arduino FOC 之 SimpleFOC库的适配电机方案
http://t.csdnimg.cn/QdH6k

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使用模拟输入信号控制目标速度的速度环FOC算法:

1、特点:

在基本的FOC算法基础上,增加了速度环控制
可以通过模拟输入信号(如电压、电流)设置目标速度
利用PI调节器实现对实际速度的闭环控制
整体算法实现简单,适合在资源受限的平台(如Arduino)上运行

2、工作原理:

通过位置传感器检测电机转子位置,计算出实时的转子角度和转速
根据目标速度信号,利用PI调节器计算出目标转矩
将目标转矩作为FOC算法的输入,生成三相PWM波控制电机
同时采集电机电流信号,进行闭环控制以达到目标转速

3、应用场景:

电动工具、电动自行车、电动轮椅等电动设备
机械臂、机器人关节的速度控制
工业设备的转速调节

4、注意事项:

需要对电机参数(电压常数、电阻等)进行测量和标定
合理选择位置传感器,避免噪声和量程问题
PI调节器的参数需要根据具体应用进行调试和优化
电流环路和信号线需要做好屏蔽和抗干扰处理

5、算法实现(以Arduino FOC为例):

#include <Arduino.h>
#include <SimpleFOC.h>

BLDCMotor motor = BLDCMotor(11, 10, 9); // 三相输出引脚
AS5600 encoder;                        // 位置传感器

// 速度环PI调节器
PI_Controller speed_pid = PI_Controller(0.1, 0.01, 10000);

void setup() {
   
  motor.linkSensor(&encoder);
  motor.linkCommandToMotor(speed_pid.getValue);
  motor.init();
  motor.initFOC();
}

void loop() {
   
  // 读取位置传感器角度
  float theta = encoder.getAngle();
  
  // 计算实际转速
  float omega = motor.shaft_velocity;
  
  // 从模拟输入获取目标速度信号
  float target_speed = analogRead(A0) / 1023.0 * 3000; // 示例目标速度为0-3000 RPM
  
  // 速度环PI控制
  float torque_cmd = speed_pid.run(target_speed, omega);
  
  // 执行FOC算法,输出PWM控制
  motor.loopFOC();
  motor.move(torque_cmd);
  
  delay(1);
}

总的来说,使用模拟输入信号控制目标速度的速度环FOC算法具有实现简单、适用于资源受限平台等特点,适用于对速度控制有要求的电动设备和工业应用场景。开发者在应用时需要注意对电机参数进行标定,合理选择位置传感器,并对PI调节器参数进行调试和优化。同时也需要注意电路布线和信号处理方面的优化,以确保控制性能。

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以下是几个使用Arduino FOC控制多个机械臂关节的实际运用程序参考代码案例，并给出要点解读：

1、使用Arduino FOC控制两个机械臂关节

#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include <SimpleFOC.h>

// 创建两个电机对象
BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(9, 8, 7, 2, 3, 4, 5, 6);
BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(10, 11, 12, 13, A0, A1, A2, A3);

void setup() {
   
  // 初始化串口通信
  Serial.begin(115200);

  // 配置电机参数
  motor1.voltage_power_supply = 12;
  motor1.init();

  motor2.voltage_power_supply = 12;
  motor2.init();

  // 启动电机
  motor1.enable();
  motor2.enable();
}

void loop() {
   
  // 设置电机1的目标角度
  motor1.target = 45.0;

  // 设置电机2的目标角度
  motor2.target = -30.0;

  // 运行FOC算法
  motor1.loopFOC();
  motor2.loopFOC();

  // 输出电机1和电机2的角度
  Serial.print("Motor 1 Angle: ");
  Serial.print(motor1.shaft_angle);
  Serial.print("    Motor 2 Angle: ");
  Serial.println(motor2.shaft_angle);

  delay(100);

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