在这里插入图片描述

前言

本科毕业于自动化。在此期间，我学习了各种电机运动控制原理和自动控制原理，但我只能参加考试，但没有被调查。我最近接触到了simplefoc这个基于arduino开源无刷电机驱动库，想借此机会将本科学到的内容运用到实践中，于是就有了这个小项目，基于无刷电机FOC的平衡小车。与普通汽车使用的刷电机相比，无刷电机在相同体积下具有更大的扭矩。无刷电机可以直接驱动汽车，而不是需要减速器来满足扭矩要求，响应速度更快。无刷电机可以使汽车更加紧凑和美观。无刷电机的驱动电路和算法应该更加复杂。当无刷电机低速工作时，磁场定向控制算法应用于算法层面FOC(Field-oriented control),它可以准确地控制电机的位置，速度甚至电流，即扭矩，从而产生许多有趣的东西。foc的无刷电机在机器人关节，相机云台电机控制等领域得到广泛应用。

主要功能

板载双路无刷电机驱动及电流环芯片，每路最大电流2.5A，可驱动两台云台无刷电机，可控电流
汽车可以通过手机自平衡app蓝牙连接控制进退，转向
搭载双排RGB，每排共24盏灯，可扩展到更多，实现多种照明特效，不影响车辆控制
通过外接传输接口ESP-CAM模块实现WIFI可在手机上查看图传(20220421 插图画不能反用。

开源数据链接

链接博客文档 https://blog.csdn.net/weixin_42487906/article/details/124898392

视频链接 https://www.bilibili.com/video/BV1Sv4y137FG/

github仓库，有代码，3D打印文件，pcb制板文件： https://github.com/FranHawk/simplefoc_balance_car

立创eda工程在线查看原理图和pcb：有三个板主板(包括电机控制和驱动部件)：https://oshwhub.com/FranHawk/balance_car_esp32_simplefoc 编码器板：https://oshwhub.com/FranHawk/as5600-16mm RGB灯带板：https://oshwhub.com/FranHawk/rgb_strip

材料采购链接

所有的电子元件材料都可以比较BOM在淘宝或立创上购买手表或工程原理图。以下是一些关键材料的链接

AS5600 L6234PD INA240A1：【淘宝】https://m.tb.cn/h.ft947n2?tk=gn3u2P8IocI「L6234PD L6234D L6234 HSOP 原装汽车IC 热卖进口芯片质量超好」点击链接直接打开电机芯片这家店买的货还算便宜其它电子元件优信电子等都可以找到，财力充足的可以直接创造，省事。 2210云台电机(至少两个)【淘宝】https://m.tb.cn/h.fslSDE8?tk=G8Pk2P8HluO「清仓HJ2210-75T无刷云台电机狗3云台专用航拍电机云台空心轴马」点击链接直接打开轮胎胎皮(至少两个) 【淘宝】https://m.tb.cn/h.ft9UFV4?tk=L8Ez2P8u1Ma「AXIAL 1比24车SCX24 90081小米吉姆尼用橡胶爬轮胎皮直径52mm」点击链接直接打开电机支架(至少两个) 【淘宝】https://m.tb.cn/h.fsl86Kp?tk=i9Oo2P8FvxY「390电机支架 385固定座 365安装底座 380马达固定架送螺丝螺母点击链接直接打开黑色亚克力板(至少两个) 【淘宝】https://m.tb.cn/h.fH9ybkd?tk=2OCV2P8vqAf「平衡小车DIY专用亚克力支架板扩展板」点击链接直接打开电池 900mah【淘宝】https://m.tb.cn/h.fGk2f0O?tk=33dF2PjbvTN「航模电池5200mAh 11.1V足容高C7.4V车模船模 RC攀爬车质量保证」点击链接直接打开

其它机械零件

sh1.0 mm的线，3P和4P的，接线前注意检查编码器板和主板的线顺序是否对应直接购买的线不能使用，需要焊接并更改顺序

m2.至少8个螺钉mm长，和m2.5用于固定编码器、电机和电机支架的垫圈
m3 6mm长的螺钉，m35 6mm的铜柱，m320 6mm铜柱，m3螺母若干
AB用于将径向磁铁固定在电机轴上
绑带和魔法贴纸用于固定主板和电池
3.81mm插头用于将电机线插入主板，XT用于连接主板电池、红黑电源线的30公头接口

制作步骤

1.电路部分

打开开源资料链接上的三个pcb项目在嘉立创投板生产，购买并焊接所有部件主板

主板按上图用红黑电源线焊接XT30 公头插头

编码器板编码器板没有组件，记得焊接上面的焊点，背面有一个as5600芯片要做两个 RGB灯板焊灯没什么好说的。总共有两个

sh1.0 3P和4P的线分别做两个连接RGB从板和编码器板到主板，接线前注意检查编码器板和主板的线顺序是否对应。如果我买了相反的，我需要自己改变顺序

机械部分

制作两个电机部件先将径向磁铁粘在电机轴上使用编码板、电机支架和电机m2.5螺钉按上图组装，中间加一些垫片，防止相互摩擦，如下图所示 3D打印轮毂，放在电机上，然后放在胎皮上，3D打印文件在github里

组装

3D用魔术贴和扎带打印固定板固定电池m3*5 3.铜柱和螺钉D印刷固定板和主板组装使用两个电机部件和主板部件m3螺钉组装，电机线通过3.8mm 插头连接到主板，顺序随意。编码器板使用sh1.0 mm 4P第一层亚克力板上有四条线连接m3 20mm铜柱，如下图所示 RGB灯板和第二层亚克力板粘在一起连接RGB线到主板，固定第一层和第二层亚克力板，完成组装

烧写程序

通过vscode platformio来烧写程序在第一次烧写程序之前，先找到它hw_bldc.cpp里的hw_bldc_init()函数里有这样几句

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

第一次烧写时，initFOC不需要有参数。simplefoc自检程序将在串口中运行，检测电机的旋转方向和电角出，通过串口得到参数后填入initFOC

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

如上，每个人的这两个参数都是不一样的，然后第二次烧写代码。之后每次启动就不会消耗时间自检了。

手机控制

手机安装点灯APP，https://diandeng.tech/dev 创建一个蓝牙设备，添加一个手柄控件，起名叫JoyKey 对于灯光效果的遥控可自行开发

硬件分析与概要设计

电路部分分为一个主板，两个编码器小板，两个RGB灯板

其中主板部分集成了无刷电机驱动，控制部分，MPU6050 传感器，供电，串口和各种接口
驱动器板搭载AS5600磁编码器，通过IIC与主板通信
主板为RGB提供5V电源与控制信号电机采用2210无刷云台电机，7对极

无刷电机驱动部分

驱动是小车的核心部分，是小车动起来的关键。无刷电机转动时需要分别控制电机的三相电压。采用FOC算法控制时，还需要位置传感器提供转子和定子的相对位置，如果要控制转矩，还需要电流传感器。初次学习FOC，我采用灯哥开源FOC驱动的方案，灯哥github仓库地址。电机驱动采用L6234P三相H桥集成驱动芯片电流检测采用INA240A2芯片，放大增益为50，这个芯片也比较贵，可以用INA240A1代替，放大增益为20，我焊的时候用的就是这个，一样能用。电机位置检测采用AS5600绝对值磁编码器芯片，IIC通讯，我为这个芯片画了个小板子附在电机轴处，与主板相连，同时还需要在电机轴线处固定一个径向磁铁。

控制部分

由主要功能可知，需要MCU具有蓝牙和WIFI功能，还需要足够的性能用于FOC算法，同时控制RGB。最近看到的esp32可以说正合适，esp32有320K RAM，4M ROM，两个core，一个核专门用来跑foc算法，另外一个核用来跑其他程序包括RGB控制，simplefoc官网上说esp32单次foc运算能有1ms，引脚也足够多，满足平衡控制的需求。

传感部分

平衡控制需要通过传感器检测到小车自身的姿态，我采用最常见的MPU6050 6轴加速度计陀螺仪芯片 WIFI图传由主板通过2.54排母插接ESP-CAM模块实现

电源部分

电池选用3S 900mah航模电池，提供12V电压给电机

TPS5430 开关芯片将12V转5V，供给到RGB和ESP-CAM模块
AMS1117将5V降到3.3V

RGB部分

RGB采用WS1802B LED灯，MCU一个IO口就可以驱动一串RGB

其他

其他一些接口和转串口芯片什么就不多介绍了，可以看我开源的电路工程了解

理论基础

无刷电机平衡小车的理论部分需要了解

1.无刷电机磁场定向控制FOC算法 2.平衡车建模和控制算法

理论部分网上有很多资料，讲解也非常清楚易懂，珠玉在前，我引出一些比较好的文章，供想要深究的读者查看

磁场定向控制FOC算法

FOC算法的内容比较多，初学者可以看下稚晖君这篇文章，比较通俗易懂

深入浅出讲解FOC算法与SVPWM技术

simplefoc官方文档的介绍也比较详细，还有源码讲解，代码中也用到了simplefoc的库，所以最好去官网文档了解一些simplefoc的使用方法 https://simplefoc.com/

其他比较好的文章

BLDC电机控制算法——FOC简述
foc学习笔记1——准备工作

平衡车建模和控制算法

平衡车建模部分首推清华卓晴的平衡车参考方案对平衡车的数学模型的建立有非常清晰的介绍，需要熟悉平衡车模型的可以多看几遍
平衡车平衡环和速度环pid的整定可以看这篇文章平衡小车PID，就该这么调！！！

软件部分

ESP32这款MCU有两个核心，我采用freertos来对两个核进行调度，整体软件框架基于arduino+freertos

用到的库

Adafruit_NeoPixel 用于驱动RGB灯带 blinker-library点灯科技的蓝牙库，可以通过手机app和平衡车蓝牙通讯 MPU6050_lightMPU6050驱动库 Arduino-FOCsimplefoc的arduino支持库

0 core： task 0：simplefoc的电流环的运算、俯仰角数据读取的和电机电压的输出 1 core： task 1：平衡环和速度环pid运算 task 2：RGB闪烁和通过蓝牙接收手机的控制命令

TASK 0

这个任务的代码比较简单，loopFOC和move负责simplefoc电流环的运算和电压输出 mpu.update()读出MPU6050数据并返回俯仰角，俯仰角通过互补滤波结算得到就可以了 shaftVelocity返回电机速度，用于task 1速度环pid的运算

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

该任务主要是平衡环和速度环pid运算，用状态机的思维将平衡车状态分为STOP，RUNNING，PICKUP三个状态，这样做主要是为了避免平衡车被拿起时电机疯转。开机时状态为STOP，把车扶正到平衡位置附近则进入RUNNING状态，当拿起倾斜角后过大，则进入PICKUP状态，逆时针旋转车体后进入STOP状态。 RUNNING状态运行平衡环，速度环和角度环。平衡环采用pd，速度环用pi，角度环仅用单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;//清空积分系数
                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效果显示，和接收手机blinker app通过蓝牙发送的数据。一般的RGB等效都有一个延时函数，普通的延时函数都是在原地死等，这样大大降低CPU效率，影响其他程序运行，这里我编写了一系列非阻塞式RGB灯效：在显示完灯效后不再原地延时，而是直接进行调度，切换到其他task。详细可看我代码。

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)
    { 
        
        // 效果切换
        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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SimpleFOC无刷电机平衡小车

前言