闭环步进电机驱动

1年0个月前修改于 1年0个月前 IP:上海

操作

半开环算法测试:

算法采用开环驱动 (细分设置为16 比较符合当前输入速率和电机最大速度) 但是失步时候会记录下来并尽量追上此外还有一些小的优化比如当误差较大时驱动带有一定的提前量电流也会根据负载造成的误差而变化并对时间有所平滑当负载轻下来并且不需要驱动时候锁定电流为1/6满电流

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想了一天这个延迟的1ms 其实这个对整个系统影响还是颇大的也是动态跟踪误差最大的原因

整个系统有许多延迟因素

算出下一步到实际执行时间我这里主频48MHz PWM是10位这里有21.3us (但是两次才处理一步所以上图X坐标单位是42.6us)
MT6701有5us延迟加上读取它的指令一共大概需要10us
PWM模拟DAC的2阶低通滤波带来的延时, 分别是1kOhm 47nF, 2.2kOhm 22nF
A4950驱动的延迟其死区时间25us
电机电感带来的电流延迟实测所用42电机相电阻13.5欧电感20mH (这个电机太老了相电阻和电感都偏大啊)
电机转动惯量带来的延迟其转子称量133g 直径26mm 推算转动惯量约11u kg·m^2 根据长度查表额定电流应该是1.2A 推测最大静扭矩应该是0.3N·m

这么多因素颇难计算只能仿真尤其是3,5,6项

PWM低通传递函数公式蛮烦应该是 $\frac{1} {1+sR_2C_2+sR_1C_2+sR_1C_1+s^2R_1R_2C_1C_2} = \frac{1} {1+117*10^{-6}s+2274.8*10^{-12}s^2} $
电机电气部分传递函数忽略初始项为 $\frac 1 {sL+R} = \frac 1 {0.02s+13.5} $
电机机械部分忽略磁链夹角影响和初始项为 $ \frac {T_m} {I_mJs^2} = \frac 1 {0.000044s^2} $

仿真结果如下

实际上我的驱动算法在上上图中 55*42.6us前是全力加速的而仿真没有包括其收敛定位过程因此只对前2.34ms进行仿真仿真表明此时角度变化到0.033弧度对应步数是0.033/6.28*3200=17步与上上图数据基本吻合

此外也可以到结论 PWM低通影响较小电机电感影响较大但是惯性滞回的影响是最大的

不过仅此也无法完全解释前期有28*42.6us=1.2ms的平台一般的滞后传感器就算按12位算精度也有0.0015弧度由仿真看在1.2ms处应该也有0.003弧度(约1.5步)了

考虑到电机和PWM低通都是无感的设备 A4900的原理也简单我怀疑传感器实则有数百微秒的延迟即使MT6701在相位域上甚至可以设置为超前但是时域上仍然可能有延迟的 .... 但我没有证据也没有个光编进行同步对比

如果是传感器的延迟假如有500us延迟按RS485 250kbps 步进脉冲等于25kHz 500us就有12步的偏差与测试结果符合了这时候开环其实是紧咬住没有偏差的只是我的测量有所延迟

但是这对PID算法是糟糕的我实际上已经有所初步测试因为PID完全依赖传感器定位初步测试结果是咬合很好偏差在0上下轻微波动如果传感器是延后的这意味着实际上咬合是超前的

正好还是超前这是个问题也影响算法优化的方向 .....

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吃完饭继续研究我做了个测试以1/8满电流先开始驱动电机等待一段时间稳定后进行步进采集位置信息 ... 结果比我想的还要糟糕只能说MT6701的动态响应真不值得

由数据可以看出 MT6701真有较大的延迟

首先逻辑上先从MT6701的曲线可以判断步进确实存在虽然物理上的波形是否与驱动一致无法证明但是其幅度是存在的其变化转折点也是存在的至少物理上不会落后与磁滞为0的传感器的转折点

从图(上)可以看出当以23kHz左右步进方向进行改变时候即使磁滞设为0 MT6701也完全来不及响应而这种改变其实并不算激烈每次只是常规的16细分的1个微步

从图(下)可以看出当以2.3kHz左右步进 MT6701勉强能够进行跟踪磁滞为0时候延迟有1ms左右磁滞为4(我在用的这个设置下没有超前的相位补偿) 的时候延迟达到了3ms 而且波形与驱动相差太远静态的精度掩盖不了动态的变形

前面测试时候遇到的延迟是500us-1ms左右比这次测试要小可能的原因是前面测试启动阶段是以阶跃式最大出力驱动电机而这次测试虽然变换频繁但是出力不大电机速度其实是要小很多的

AS5600的手册有详细的响应时间比如采样周期150us 建立时间从0.29ms到2.2ms可调但是MT6701只有一个匀速时候延迟5us 其他避而不谈但是从这次测试结果看我感觉它的建立时间也应该有2-3ms 看来它也并没有特殊的黑科

但是如果采用AS5600的话需要将处理周期从20kHz降到几kHz 而且I2C本身也比较慢 ... 但是换句话说 MT6701的SSI虽然快但是我也怀疑它的采样周期并不高我得到的只是其数字滤波器上的余响动态上基本上都没法得到高的精度远不如开环稳定准确

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换个波形再测试一次这回发现 HYST为0LSB时候 DC响应居然有这么大偏差的证据了我虽然想用但是 DC响应真的很难校正啊而且有时候波形还不是这个样子的说实在真的很不喜欢厂家自作主张使用一些奇怪的不可控的严重非线性的算法呢如果真是裸数据我想我都不会那么头疼

因为算法采用了延时补偿机制使用了测量的延时参数而不是厂家给的所谓5us 哪怕使用300us延时性能也大幅度提升了最高转速达到28.5圈每秒

VID_20231123_210611.mp4 点击下载 ‎

对于50极电机而言等于1.4kHz 而我采样处理频率才23kHz 虽然目前感觉控制干净利落没有问题但是按一般至少20倍处理频率的准则 (实际测试降采样频率降到16kHz后出现不稳定问题)

我决定对性能重新规划既然传感器延迟那么大采用太高处理频率不合称于是处理频率降到16kHz 以容纳更多算法处理的余地 (实际上我里面会同时放几种算法以供选择是各有所长的) 其次是加上限速算法限制在每秒16圈左右

重新测量其性能