基于开源项目ESP32 SVPWM驱动无刷电机开环速度测试

基于开源项目ESP32 SVPWM驱动无刷电机开环速度测试

• ✨本篇硬件电路和代码来源于此开源项目：https://github.com/MengYang-x/STM3F401-FOC/tree/main
• 硬件电路和项目介绍，立创开源广场：https://oshwhub.com/shadow27/tai-yang-neng-wu-ren-chuan
• 相关篇《基于开源项目HAL STM32F4 +DSP库跑SVPWM开环速度测试》
• 代码基于Arduino平台。
• ESP32 SVPWM开环测试效果：
• ⚗无刷电机运行正常运作过程中，代码二的测试波形效果：
• 驱动电路参考：

  ⚡如果是通过6路信号来驱动无刷电机的不支持。如果需要测试6路信号驱动的可以参考我上面的相关内容，有关STM32 通过高级定时器3路互补输出来实现SVPWM驱动无刷电机。

  ⚗模拟仿真测试

  • ESP32在线SVPWM模拟仿真测试地址：https://wokwi.com/projects/396507548266030081
    • 仿真代码

      #include #include #define PI 3.14159265359#define PI_2 1.57079632679#define PI_3 1.0471975512#define _SQRT3 1.73205080757#define voltage_power_supply 12.0float normalizeAngle(float angle) {    float a = fmod(angle, 2 * PI);    return a >= 0 ? a : (a + 2 * PI);}void setPwm(float Ua, float Ub, float Uc) {    Serial.print(Ua);    Serial.print(",");    Serial.print(Ub);    Serial.print(",");    Serial.println(Uc);}void setTorque(float Uq, float angle_el) { if (Uq  
      驱动测试代码 一
         

      • ✨此代码直接驱动无刷电机转动没有问题，但是开启Vofa+波形就不正常了，打印函数太占用时间，驱动无刷电机对SVPWM要求实时连续性很高，因任务执行所消耗的时间，一个loop循环下来，运行时间大大超出了预期值。波形输出的直接变成了正弦波，而不是马鞍波，导致电机不能转动，
      • 不开启打印，一个loop循环下来。大概就是60us左右，也就是代码中 velocityOpenloop(2.5f);执行一遍的时间。
      • 开启打印，如果波特率设置比较低，打印3个浮点类型数据，消耗的时间会超过1ms。
        • 如果需要查看波形，串口通讯波特率尽可能的设置高一些，给定的预设的角度值大一些。
        • 在驱动无刷电机前，调试前期，可以直接通过查看3路波形，即可预测驱动电机的实际效果。一定要是SVPWM波形（马鞍波），才能正常转起来。

          /* * 日期：2023.7.22 * 开环速度控制代码 * 使用vofa+ 进行串口调试，波特率需要设置为57600 * 电机参数 A2212/15T的极对数：7 * */#include #include const int poles = 7;  // 电机的极对数// PWM输出引脚定义// 定义LEDC通道、GPIO引脚和分辨率#define LEDC_CHANNEL1    0#define LEDC_CHANNEL2    1#define LEDC_CHANNEL3    2#define LEDC_GPIO1 5#define LEDC_GPIO2 18#define LEDC_GPIO3 19#define LEDC_RESOLUTION 10 // 设置分辨率为10位#define PWM_FREQ 15000 // 设置PWM频率为15000Hz// const char pwmA = 5;// const char pwmB = 18;// const char pwmC = 19;const float voltagePowerSupply = 12.0;float open_loop_timestamp = 0;float shaft_angle = 0; // 机械角度float zero_electric_angle = 0;float Ualpha, Ubeta = 0;float Ua = 0, Ub = 0, Uc = 0;float dc_a = 0, dc_b = 0, dc_c = 0;void setup(){    Serial.begin(57600);    // PWM设置    pinMode(LEDC_GPIO1, OUTPUT);    pinMode(LEDC_GPIO2, OUTPUT);    pinMode(LEDC_GPIO3, OUTPUT);    ledcSetup(LEDC_CHANNEL1, PWM_FREQ, LEDC_RESOLUTION); // pwm通道(1-16), 频率, 精度(0-14)    ledcAttachPin(LEDC_GPIO1, 0); // 将GPIO引脚与LEDC通道关联,这样才能让LEDC信号输出到这个引脚    ledcSetup(LEDC_CHANNEL2, PWM_FREQ, LEDC_RESOLUTION); // pwm通道, 频率, 精度    ledcAttachPin(LEDC_GPIO2, 1); // 将GPIO引脚与LEDC通道关联    ledcSetup(LEDC_CHANNEL3, PWM_FREQ, LEDC_RESOLUTION); // pwm通道, 频率, 精度    ledcAttachPin(LEDC_GPIO3, 2); // 将GPIO引脚与LEDC通道关联    Serial.println("完成PWM初始化设置");    delay(3000);}/**  电角度 = 机械角度 * 极对数 * @brief 电角度计算函数 * @param shaft_angle 机械角度 * @param pole_pairs 电机的极对数*/float _electricalAngle(float shaft_angle, int pole_pairs){    return (shaft_angle * pole_pairs);}/**角度归一化到[0, 2pi]，把输入的角度限制在[0, 2pi] * @brief 角度归一化函数 * @param angle 输入的角度 * @return 归一化后的角度 * 例如：_normalizeAngle(3.1415926) 返回 0*/float _normalizeAngle(float angle){    float a = fmod(angle, 2 * PI); // 取余，结果可能为负值    return a >= 0 ? a : (a + 2 * PI);}/**设置PWM输出 * @brief 设置PWM输出 * @param Ua 电机A的占空比 * @param Ub 电机B的占空比 * @param Uc 电机C的占空比*/void setPwm(float Ua, float Ub, float Uc){    // 计算占空比，并使用constrain()函数限制相电压的范围0到1    dc_a = constrain(Ua / voltagePowerSupply, 0.0f, 1.0f);    dc_b = constrain(Ub / voltagePowerSupply, 0.0f, 1.0f);    dc_c = constrain(Uc / voltagePowerSupply, 0.0f, 1.0f);    // 写入PWM到PWM 0 1 2 通道    ledcWrite(0, static_cast(dc_a * 1023));  //使用10位分辨率计算占空比值    ledcWrite(1, static_cast(dc_b * 1023));    ledcWrite(2, static_cast(dc_c * 1023));}/** * @brief 设置相位电压 * @param Uq 电流值 * @param Ud 电压值 * @param angle_el 电机的电角度，单位 rad * 电角度 = 机械角度 * 极对数 * 机械角度 = 电角度 / 极对数*/void setPhaseVoltage(float Uq, float Ud, float angle_el){    angle_el = _normalizeAngle(angle_el + zero_electric_angle); // 电角度    // 帕克逆变换    Ualpha = -Uq * sin(angle_el);    Ubeta = Uq * cos(angle_el);    // 克拉克逆变换    Ua = Ualpha + voltagePowerSupply / 2;    Ub = (sqrt(3) * Ubeta - Ualpha) / 2 + voltagePowerSupply / 2;    Uc = (-Ualpha - sqrt(3) * Ubeta) / 2 + voltagePowerSupply / 2;    setPwm(Ua, Ub, Uc);}/** 开环速度函数，Uq和电角度生成器 * @brief 开环速度控制函数 * @param target_velocity 目标速度，单位 rad/s * @return 返回Uq值，用于控制电机转速 */float velocityOpenloop(float target_velocity){  //  unsigned long now_us = micros(); // 获取从开启芯片以来的微秒数，它的精度是 4 微秒。 micros() 返回的是一个无符号长整型（unsigned long）的值    static float deltaT = 6.5e-5f;     // 给定一个固定的开环运行时间间隔    // 计算当前每个Loop的运行时间间隔  //  float Ts = (now_us - open_loop_timestamp) * 1e-6f;    // 由于 micros() 函数返回的时间戳会在大约 70 分钟之后重新开始计数，在由70分钟跳变到0时，TS会出现异常，因此需要进行修正。如果时间间隔小于等于零或大于 0.5 秒，则将其设置为一个较小的默认值，即 1e-3f //   if (Ts  0.5f) //       Ts = 6.5e-5f;    // 通过乘以时间间隔和目标速度来计算需要转动的机械角度，存储在 shaft_angle 变量中。在此之前，还需要对轴角度进行归一化，以确保其值在 0 到 2π 之间。  //  shaft_angle = _normalizeAngle(shaft_angle + target_velocity * Ts);   shaft_angle = _normalizeAngle(shaft_angle + target_velocity * deltaT);    // 以目标速度为 10 rad/s 为例，如果时间间隔是 1 秒，则在每个循环中需要增加 10 * 1 = 10 弧度的角度变化量，才能使电机转动到目标速度。    // 如果时间间隔是 0.1 秒，那么在每个循环中需要增加的角度变化量就是 10 * 0.1 = 1 弧度，才能实现相同的目标速度。因此，电机轴的转动角度取决于目标速度和时间间隔的乘积。    // 设置的voltage_power_supply的1/3作为Uq值，这个值会直接影响输出力矩    // 最大只能设置为Uq = voltage_power_supply/2，否则ua,ub,uc会超出供电电压限幅    float Uq = voltagePowerSupply / 24;    setPhaseVoltage(Uq, 0, _electricalAngle(shaft_angle, poles)); // 极对数可以设置为常量  //  open_loop_timestamp = now_us; // 用于计算下一个时间间隔    return Uq;}/** * @brief 调试函数，用于输出PWM占空比 * @return 无 */void debug(){    Serial.printf("%f,%f,%f\n", dc_a, dc_b, dc_c);}void loop(){    velocityOpenloop(2.5f);    // debug();}

          驱动测试代码二

          ✨代码中换算采用的是上面仿真中的算法，在开启VOFA+串口波形查看时，务必将波特率尽可能设置高一些，以减少打印信息执行的时间。

          • 波形效果：
          • 说明：

          • 力矩大小影响因素： setTorque(0.3f, _electricalAngle(shaft_angle, poles));//Uq影响振幅，力矩大小

          • 转速影响因素： velocityOpenloop(6.0f);//数值越大和变量deltaT

            /* * 日期：2023.7.22 * 开环速度控制代码 *  进行串口调试，波特率需要设置为576000 * 电机参数 A2212/15T的极对数：7 * */#include #include #define VOFA_SERIAL     // 使用vofa+串口调试器查看马鞍波波形const int poles = 7;  // 电机的极对数// PWM输出引脚定义// 定义LEDC通道、GPIO引脚和分辨率#define LEDC_CHANNEL1    0#define LEDC_CHANNEL2    1#define LEDC_CHANNEL3    2#define LEDC_GPIO1 5#define LEDC_GPIO2 18#define LEDC_GPIO3 19#define LEDC_RESOLUTION 10 // 设置分辨率为10位#define PWM_FREQ 15000 // 设置PWM频率为10000Hz// const char pwmA = 5;// const char pwmB = 18;// const char pwmC = 19;const float voltagePowerSupply = 12.0;float open_loop_timestamp = 0;float shaft_angle = 0; // 机械角度float zero_electric_angle = 0;float Ualpha, Ubeta = 0;float Ua = 0, Ub = 0, Uc = 0;float dc_a = 0, dc_b = 0, dc_c = 0;//#define PI 3.14159265359#define PI_2 1.57079632679#define PI_3 1.0471975512#define _SQRT3 1.73205080757/**  电角度 = 机械角度 * 极对数 * @brief 电角度计算函数 * @param shaft_angle 机械角度 * @param pole_pairs 电机的极对数*/float _electricalAngle(float shaft_angle, int pole_pairs){    return (shaft_angle * pole_pairs);}/**角度归一化到[0, 2pi]，把输入的角度限制在[0, 2pi] * @brief 角度归一化函数 * @param angle 输入的角度 * @return 归一化后的角度 * 例如：_normalizeAngle(3.1415926) 返回 0*/float _normalizeAngle(float angle){    float a = fmod(angle, 2 * PI); // 取余，结果可能为负值    return a >= 0 ? a : (a + 2 * PI);}/**设置PWM输出 * @brief 设置PWM输出 * @param Ua 电机A的占空比 * @param Ub 电机B的占空比 * @param Uc 电机C的占空比*/void setPwm(float Ua, float Ub, float Uc){    // 计算占空比，并使用constrain()函数限制相电压的范围0到1    dc_a = constrain(Ua / voltagePowerSupply, 0.0f, 1.0f);    dc_b = constrain(Ub / voltagePowerSupply, 0.0f, 1.0f);    dc_c = constrain(Uc / voltagePowerSupply, 0.0f, 1.0f);    // 写入PWM到PWM 0 1 2 通道    ledcWrite(0, static_cast(dc_a * 1023));  //使用10位分辨率计算占空比值    ledcWrite(1, static_cast(dc_b * 1023));    ledcWrite(2, static_cast(dc_c * 1023));}/** * @brief 设置相位电压 * @param Uq 电流值 * @param Ud 电压值 * @param angle_el 电机的电角度，单位 rad * 电角度 = 机械角度 * 极对数 * 机械角度 = 电角度 / 极对数*/void setPhaseVoltage(float Uq, float Ud, float angle_el){    angle_el = _normalizeAngle(angle_el + zero_electric_angle); // 电角度    // 帕克逆变换    Ualpha = -Uq * sin(angle_el);    Ubeta = Uq * cos(angle_el);    // 克拉克逆变换    Ua = Ualpha + voltagePowerSupply / 2;    Ub = (sqrt(3) * Ubeta - Ualpha) / 2 + voltagePowerSupply / 2;    Uc = (-Ualpha - sqrt(3) * Ubeta) / 2 + voltagePowerSupply / 2;    setPwm(Ua, Ub, Uc);}void setTorque(float Uq, float angle_el) { if (Uq  
            ⛳解决上面程序中的痛点问题，引入双核心多线程任务运行方案
               
            ✨在Arduino平台，esp32程序默认运行在核心1上的，引入双核心多线程任务运行，将串口打印和SVPWM计算分别运行在核心0和核心1上，来保证任务执行的实时性。由于不同线程间的任务执行，任务的执行时间差异，需要及时给rtc看门狗，进行喂狗操作，否则，每执行一段时间，esp32就会产生看门狗复位的动作。
              
            /* * 日期：2024.5.31更新 * 开环速度控制代码 *  进行串口调试，波特率需要设置为576000 * 电机参数 2204-1400KV-12N14P 的极对数：7 * */#include #include #include "soc/rtc_wdt.h" //设置看门狗用#include "freertos/FreeRTOS.h"#include "freertos/task.h"#include "freertos/queue.h"#include "driver/ledc.h"#include "esp_log.h"#include "esp_system.h"#include "esp_timer.h"#include "esp_attr.h"#include "esp_intr_alloc.h"#include "esp_err.h"#include "esp_task_wdt.h"#define VOFA_SERIAL     // 使用vofa+串口调试器查看马鞍波波形const int poles = 7;  // 电机的极对数// PWM输出引脚定义// 定义LEDC通道、GPIO引脚和分辨率#define LEDC_CHANNEL1    0#define LEDC_CHANNEL2    1#define LEDC_CHANNEL3    2#define LEDC_GPIO1 5#define LEDC_GPIO2 18#define LEDC_GPIO3 19#define LEDC_RESOLUTION 10 // 设置分辨率为10位#define PWM_FREQ 15000 // 设置PWM频率为10000Hzconst float voltagePowerSupply = 12.0;float open_loop_timestamp = 0;float shaft_angle = 0; // 机械角度float zero_electric_angle = 0;float Ualpha, Ubeta = 0;float Ua = 0, Ub = 0, Uc = 0;float dc_a = 0, dc_b = 0, dc_c = 0;//#define PI 3.14159265359#define PI_2 1.57079632679#define PI_3 1.0471975512#define _SQRT3 1.73205080757TaskHandle_t th_p[2];// 任务句柄，对xTaskCreate的调用返回。可用作参数到vTaskDelete以删除任务。/**  电角度 = 机械角度 * 极对数 * @brief 电角度计算函数 * @param shaft_angle 机械角度 * @param pole_pairs 电机的极对数*/float _electricalAngle(float shaft_angle, int pole_pairs){    return (shaft_angle * pole_pairs);}/**角度归一化到[0, 2pi]，把输入的角度限制在[0, 2pi] * @brief 角度归一化函数 * @param angle 输入的角度 * @return 归一化后的角度 * 例如：_normalizeAngle(3.1415926) 返回 0*/float _normalizeAngle(float angle){    float a = fmod(angle, 2 * PI); // 取余，结果可能为负值    return a >= 0 ? a : (a + 2 * PI);}/**设置PWM输出 * @brief 设置PWM输出 * @param Ua 电机A的占空比 * @param Ub 电机B的占空比 * @param Uc 电机C的占空比*/void setPwm(float Ua, float Ub, float Uc){    // 计算占空比，并使用constrain()函数限制相电压的范围0到1    dc_a = constrain(Ua / voltagePowerSupply, 0.0f, 1.0f);    dc_b = constrain(Ub / voltagePowerSupply, 0.0f, 1.0f);    dc_c = constrain(Uc / voltagePowerSupply, 0.0f, 1.0f);    // 写入PWM到PWM 0 1 2 通道    ledcWrite(0, static_cast(dc_a * 1023));  //使用10位分辨率计算占空比值    ledcWrite(1, static_cast(dc_b * 1023));    ledcWrite(2, static_cast(dc_c * 1023));}/** * @brief 设置相位电压 * @param Uq 电流值 * @param Ud 电压值 * @param angle_el 电机的电角度，单位 rad * 电角度 = 机械角度 * 极对数 * 机械角度 = 电角度 / 极对数*/void setPhaseVoltage(float Uq, float Ud, float angle_el){    angle_el = _normalizeAngle(angle_el + zero_electric_angle); // 电角度    // 帕克逆变换    Ualpha = -Uq * sin(angle_el);    Ubeta = Uq * cos(angle_el);    // 克拉克逆变换    Ua = Ualpha + voltagePowerSupply / 2;    Ub = (sqrt(3) * Ubeta - Ualpha) / 2 + voltagePowerSupply / 2;    Uc = (-Ualpha - sqrt(3) * Ubeta) / 2 + voltagePowerSupply / 2;    setPwm(Ua, Ub, Uc);}void setTorque(float Uq, float angle_el) { if (Uq  
            调参测试过程，记录分析参考
             

            • 3.2过度到6.0f波形变化

              velocityOpenloop(6.0f);//3.2过度到6.0ffloat deltaT = 3.4e-3f; 

              • 修改deltaT ：3.4e-3f;到 3.4e-4f波形变化。

                velocityOpenloop(6.0f);float deltaT = 3.4e-4f; 

                • 修改形参6.0f 到12.0f变化：

                   velocityOpenloop(12.0f); float deltaT = 3.4e-4f;

                  • 修改deltaT ，3.4e-4f到6.5e-4f变化：

                     velocityOpenloop(12.0f); float deltaT = 6.5e-4f;