【世說(shuō)芯品】1塊開(kāi)發(fā)板，24小時(shí)，完成伺服電機(jī)控制？

如何在24小時(shí)之內(nèi)完成伺服控制器設(shè)計(jì)？妮姐和豆豆就使用了一個(gè)“神器”，真的快速地完成了——

這個(gè)“神器”就是TMC4671，有多神，先賣個(gè)關(guān)子，大家繼續(xù)往下看。

電機(jī)控制最復(fù)雜的是算法

電機(jī)控制，用簡(jiǎn)單的硬件電路就可以，但是無(wú)法做到穩(wěn)定、高速、精確。如果在要求不高的場(chǎng)合，這些簡(jiǎn)單的硬件控制也是可行的，但到了工業(yè)控制、機(jī)器人以及其他更精細(xì)的場(chǎng)合中，顯然需要對(duì)電機(jī)的速度、電流、位置進(jìn)行高精度的閉環(huán)控制了。但問(wèn)題又來(lái)了，對(duì)電機(jī)的高精度控制，離不開(kāi)控制算法。

電機(jī)控制算法通過(guò)運(yùn)算向電機(jī)提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)，預(yù)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)載的位置，盡快地和盡平穩(wěn)地使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到指令速度，并維持這個(gè)速度。一旦電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到了指令速度，即使在各種不利因素的干擾下也應(yīng)該保持速度值不變。針對(duì)不同的電機(jī)、不同的應(yīng)用，需要選擇合適的控制算法。

稚暉君曾在知乎發(fā)布了一篇關(guān)于“【自制FOC驅(qū)動(dòng)器】深入淺出講解FOC算法與SVPWM技術(shù)”的文章，把他學(xué)習(xí)FOC算法過(guò)程中看到的一些有關(guān)無(wú)刷電機(jī)矢量控制的資料和個(gè)人理解整理分享出來(lái)。相信大多數(shù)做電機(jī)調(diào)試的小伙伴都看過(guò)，雖然稚暉君已經(jīng)深入簡(jiǎn)出的介紹了，但基本上要看上N遍才能看懂理解，甚至需要要花1,2個(gè)月的時(shí)間，才能弄出來(lái)一套能用的控制算法。

誰(shuí)要是能幫我們搞定算法，那就完美了！這個(gè)事，早在三年前，就實(shí)現(xiàn)了，就是用TMC4671！

TMC4671是什么神器？

TMC4671是一款ADI Trinamic于2020年發(fā)布的全球首個(gè)具有針對(duì)BLDC/PMSM和兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及直流電動(dòng)機(jī)和音圈的磁場(chǎng)定向控制的全集成伺服控制器IC、集成ADC、位置傳感器接口（增量式編碼器，HALL信號(hào)等）和位置插值器的完整組件。全集成就是它最大的特點(diǎn)：

?硬件上，集成了ADC、位置傳感器接口（增量式編碼器，HALL信號(hào)等）和位置插值器的完整組件。

?軟件上內(nèi)置了算法庫(kù)，包括位置和速度控制、FOC算法和控制、PWM驅(qū)動(dòng)引擎、電流環(huán)檢測(cè)，以及編碼器引擎等。

其中轉(zhuǎn)矩環(huán)核心的FOC算法，將FOC算法包含的Park，反Park變化等時(shí)間關(guān)鍵性的計(jì)算都集成在芯片中。因此開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)伺服控制器只需幾行代碼，就可以輕松驅(qū)動(dòng)像我們常見(jiàn)的無(wú)刷電機(jī)、永磁同步電機(jī)等。

一句話就是：TMC4671就是一個(gè)全能選手，電機(jī)控制的活基本全能搞定，不管是直流，步進(jìn)，還是BLDC。

24小時(shí)真的能完成嗎？

能。

不過(guò)，需要借助達(dá)爾聞朋友、技術(shù)型授權(quán)代理商世健提供的這套TCM4671方案，以及Trinamic的TMCL IDE。

只有TCM4671顯然不行的，因此在這塊開(kāi)發(fā)板上還有MCU、驅(qū)動(dòng)器、MOSFET、以及通信接口、電源管理等，具體信號(hào)鏈框架如下：

驅(qū)動(dòng)器TMC6100同樣也來(lái)自Trinamic，含有3個(gè)半橋，可以用于高壓BLDC，PMSM和伺服電機(jī)。此外，還有8 VDC至60 VDC的寬電壓范圍，以及0.5 A，1 A或1.5 A的可編程柵極電流，通過(guò)六個(gè)外部MOSFET控制電機(jī)，它可以驅(qū)動(dòng)功率從瓦到千瓦的各種電機(jī)。

這塊開(kāi)發(fā)板的通信方式有兩種，一種是板子上的32位MCU，通過(guò)RS485或者CAN總線與外部PC進(jìn)行通信后，控制TMC4671；一種是使用USB-SPI-RTMI工具，通USB轉(zhuǎn)SPI直接連接到TMC4671進(jìn)行調(diào)試。兩種方式使用的上位機(jī)軟件是不同的，前者使用的是由世健設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件，后者使用的是官網(wǎng)的TMCL-IDE。

世健的上位機(jī)軟件，經(jīng)過(guò)MCU的處理，用戶可以根據(jù)自己應(yīng)用場(chǎng)景，參考源碼進(jìn)行調(diào)試，比較適合二次開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目，而TMCL-IDE提供軟件工具可以用來(lái)調(diào)試不同控制環(huán)路，RTMI 是調(diào)試、監(jiān)控和系統(tǒng)配置的最簡(jiǎn)便的方式。

我們本次的目的是讓電機(jī)動(dòng)起來(lái)，不進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，所以選擇TMC-IDE進(jìn)行環(huán)路控制與調(diào)試。

首先，需要把固件代碼燒錄到MCU中。如果使用這個(gè)方案的話，世健提供了源碼，方便用戶二次開(kāi)發(fā)。

然后，連接好所有的硬件之后，就可以上電、打開(kāi)TMCL-IDE軟件了。

在IDE里，可以直觀地看到TMC4671的寄存器參數(shù)的值。只要仔細(xì)閱讀datasheet，就知道每個(gè)寄存器的意義。

接下來(lái)就是對(duì)調(diào)節(jié)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的PI調(diào)參。對(duì)于電流環(huán)，在IDE中使用Torque Flux / Tuning和Step response工具調(diào)整。Torque轉(zhuǎn)矩/Flux磁通工具在開(kāi)環(huán)模式下確定PI參數(shù)。確定PI參數(shù)后，一鍵更新到寄存器中就可以了。

當(dāng)電流環(huán)調(diào)節(jié)完成之后，就要對(duì)速度環(huán)調(diào)節(jié)了，使用的是 step response tool (closed loop) 閉環(huán)階躍響應(yīng)工具。對(duì)TMC4671的0x58寄存器：PID_VELOCITY_I、PID_VELOCITY_IP ，進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓實(shí)際速度達(dá)到目標(biāo)速度即可。

對(duì)于位置環(huán)的調(diào)試，需要前面的電流環(huán)和速度環(huán)配置好之后，使用階躍響應(yīng)工具來(lái)調(diào)試。同速度環(huán)一樣，也是直接進(jìn)行寄存器的操作，在PID_POSITION_I和PID_POSITION_P寄存器中，設(shè)置 PI 位置控制器的初始值，通過(guò)階躍響應(yīng)工具查看具體的效果即可。

對(duì)于開(kāi)發(fā)一套基于TMC4671的伺服控制系統(tǒng)，基本的流程就是：世健的開(kāi)源代碼（可二次開(kāi)發(fā)）—電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的參數(shù)調(diào)節(jié)——高精度的控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。所以，真的有可能在24小時(shí)完成哦。

對(duì)于這套電機(jī)控制方案，兩個(gè)最直觀的使用體驗(yàn)：

1）不需要死磕控制算法，使用世健的這套TMC4671的話，他們提供了源碼，并且可做二次開(kāi)發(fā)，這就相當(dāng)于站在巨人的肩膀，他們把最基礎(chǔ)的底層已經(jīng)搭建好了，我們只需要針對(duì)自己的應(yīng)用優(yōu)化就可以了。

2）TMC4671配合TMCL-IDE，真是簡(jiǎn)單又好用。IDE可以自動(dòng)識(shí)別電機(jī)參數(shù)，所有參數(shù)調(diào)試都是圖形化的。速度環(huán)、電流環(huán)、位置環(huán)獲得相應(yīng)的P和I的值，更新到TMC4671的寄存器中，或者直接對(duì)寄存器進(jìn)行操作就可以了。