<p><img src="//" alt="LOGO"></p> <p>你还在买十几块钱一个的直流有刷电机的驱动模块吗？你还在为有刷电机的高噪声、低响应速度和低寿命而烦恼吗？来看看这个项目吧，一个20块钱就能搞定的FOC无刷电机控制方案！<strong>miniFOC</strong>内置了力矩闭环控制器，为你提供一个通过3线串口就能控制的无刷电机控制器。本项目计划于2021年8月底完成基本功能的开发，软件及硬件设计完全遵循AGPL-3.0开源协议。</p> <p><br> <strong>由于立创网页对markdown文本解析不好，推荐在github中打开</strong>：<a href="https://github.com/ZhuYanzhen1/miniFOC" target="_blank">https://github.com/ZhuYanzhen1/miniFOC</a><br> <br> <br> <strong>如果github网页打开速度过慢，可以在gitee中打开镜像仓库</strong>：<a href="https://gitee.com/zhuyanzhen1/mini-foc" target="_blank">https://gitee.com/zhuyanzhen1/mini-foc</a><br> <br> <br> <img src="//" alt="Version"> <img src="//" alt="Build"> <img src="//" alt="License"></p> <h3>简介</h3> <p>本开源项目旨在实现一种在国内（中国）就可以以及低成本实现的FOC (Field Oriented Control) 方案，示例电路中选用的元件均为国产芯片。FOC在控制BLDC (Brushless Direct Current)电机上有诸多的好处，主要有如下几点优势：</p> <ol> <li>FOC则完全没有转速的限制，不论在什么转速下都可以实现精确的控制。</li> <li>FOC的换向性能极其优秀，最高转速下正反转切换可以非常顺畅。</li> <li>FOC还可以以能量回收的形式进行刹车控制。</li> <li>FOC可以实现力矩、速度、位置三个闭环控制。</li> <li>FOC驱动器的噪音会比电调小很多，效率也比电调高很多。</li> </ol> <p>但是由于FOC的计算量大、原理复杂，所以需要很高成本的控制器，这也使得FOC在很多场景下都没有得到推广和使用。在经过了半年的研究和迭代之后，本人将FOC涉及大量计算的代码进行了深度优化，也重新根据国内的供应链进行了选型，希望本开源项目能够帮助国内的广大开发者们用上有优秀性能的BLDC电机，为开源社区贡献一份力量。</p> <hr> <h3>开源方案对比</h3> <table> <tr> <th style="text-align: center;">开源方案</th> <th style="text-align: center;"><strong>miniFOC</strong></th> <th style="text-align: center;"><a href="%5Bhttps://github.com/simplefoc/Arduino-SimpleFOCShield%5D(https://github.com/simplefoc/Arduino-SimpleFOCShield)" target="_blank">simpleFOC</a></th> <th style="text-align: center;"><a href="%5Bhttps://github.com/odriverobotics/ODrive%5D(https://github.com/odriverobotics/ODrive)" target="_blank">ODrive</a></th> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">主控制器</td> <td style="text-align: center;">GD32F130G6U6</td> <td style="text-align: center;">ATmega328P</td> <td style="text-align: center;">STM32F405RGT6</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">驱动芯片</td> <td style="text-align: center;">EG2133</td> <td style="text-align: center;">L6234</td> <td style="text-align: center;">DRV8301</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">闭环频率</td> <td style="text-align: center;">10kHz</td> <td style="text-align: center;">830Hz</td> <td style="text-align: center;">8kHz</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">是否有电流环</td> <td style="text-align: center;">否</td> <td style="text-align: center;">否</td> <td style="text-align: center;">是</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">驱动功率</td> <td style="text-align: center;">90W</td> <td style="text-align: center;">120W</td> <td style="text-align: center;">960W</td> </tr> <tr> <td style="text-align: center;">成本价格（大约）</td> <td style="text-align: center;">20¥</td> <td style="text-align: center;">100¥</td> <td style="text-align: center;">300¥</td> </tr> </table> <p>从上表格中可以看出，<strong>miniFOC</strong>所采用的方案可以实现在低成本下达到较高的性能。同时由于重新根据国内的供应链进行了选型，所以在器件的选择上没有那么局限，有很多替代方案。在2021年芯片供应紧缺的情况下能将FOC的成本降至约20元，这也证明了本项目在成本上的优化程度和巨大潜力。</p> <hr> <h3>性能参数</h3> <ul> <li> <p>输入电压范围：5V~18V（你可以根据这里的教程修改电路以适应更高的电压）。</p> </li> <li> <p>最大驱动电流：5A（你可以根据这里的教程修改电路以实现更大的驱动电流）。</p> </li> <li> <p>FOC详细参数：无电流环控制，采用SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation)。</p> </li> <li> <p>通信参数：UART串口通信波特率115200，采用<a href="https://github.com/ZhuYanzhen1/CDTP/blob/master/Mid%20Capacity/README_CN.md(https://github.com/ZhuYanzhen1/CDTP/blob/master/Mid%20Capacity/README_CN.md)" target="_blank">中容量数传协议</a>进行数据传输。</p> </li> <li> <p>微控制器参数：Cortex-M3内核，48MHz主频，32KB Flash，4KB SRAM。</p> </li> <li> <ul> <li>-</li> </ul> </li> </ul> <h3>开发环境</h3> <ul> <li> <p>EDA工具：<a href="https://lceda.cn/(https://lceda.cn/)" target="_blank">立创EDA</a>（采用标准版免费许可证，无LICENSE纠纷）。</p> </li> <li> <p>编译工具链：gcc-arm-none-eabi 9-2020-q2-update</p> </li> <li> <p>烧录工具：OpenOCD 0.10.0</p> </li> <li> <p>集成开发工具：CLion 2021.2 #212.4746.93</p> </li> <li> <p>操作系统及工具链：</p> <ul> <li>Win10 + MinGW + CLion + gcc-arm-none-eabi + OpenOCD</li> <li>Ubuntu20.04 + make + cmake + gcc-arm-none-eabi + OpenOCD</li> </ul> </li> <li> <ul> <li>-</li> </ul> </li> </ul> <h3>BUG报告 & 功能需求</h3> <p>请使用<a href="https://github.com/ZhuYanzhen1/miniFOC/issues(https://github.com/ZhuYanzhen1/miniFOC/issues)" target="_blank">Issue Tracker</a>报告错误和需求功能，并遵循以下要求：</p> <p>1.在不同选项卡上突出显示选项卡。 2.如果窗口未聚焦，不要让更新消失。</p> <hr> <h3>许可证</h3> <p>源代码根据<a href="https://github.com/ZhuYanzhen1/miniFOC/blob/main/LICENSE(https://github.com/ZhuYanzhen1/miniFOC/blob/main/LICENSE)" target="_blank">AGPL-3.0许可证</a>发布。</p> <p><strong>组织：AcmeTech</strong></p> <p><strong>作者：朱彦臻</strong></p> <p><strong>维护人：朱彦臻, 2208213223@qq.com</strong></p> <p><br>     该产品已经在Windows 10、Ubuntu 18.04和20.04下进行了测试。这是一个研究代码，希望它经常更改，并且不承认任何特定用途的适用性。</p> <hr> <h4>硬件部分</h4> <p>下图展示了<strong>miniFOC</strong>示范电路的原理图，接下来对电路原理图进行下一步的讲解。</p> <p><img src="//" alt="miniFOC_schematic"></p> <p><strong>miniFOC</strong>的示范电路的主控采用了<a href="http://www.gd32mcu.com/" target="_blank">兆易创新</a>的GD32F130G6U6芯片。GD32F130G6U6采用了ARM Cortex-M3内核，具有32KB的Flash空间及4KB的SRAM空间，工作在72MHz主频下。通过GD32的TIMER1通道0、1、2（位于PA0、1、2）产生PWM信号，用于驱动电路。另外，我们还引出了UART0、SWD调试引脚用于程序下载和调试。磁编码器采用了<a href="https://semiment.com.cn/" target="_blank">赛卓</a>的SC60228芯片，主控通过SPI0接口与之进行通信。     三相驱动选择的是<a href="https://www.egmicro.com/" target="_blank">屹晶微</a>的EG2133芯片。EG2133是一款专用三相独立半桥驱动芯片，有4.5—20V宽电压输入、300V高侧自举电源耐压等优点。可以满足大部分电路驱动需求，即更换MOS管时无需更换驱动IC和修改程序。示范电路的MOS管采用了<a href="http://www.all-power.net/" target="_blank">铨力</a>公司的AP2300，漏源电压20V，漏极电流可达5.2A，可以满足一般无刷电机的应用需求。     由于示范电路输入电压最大为18V，故选用两级降压方案为主控、栅极驱动及其它外设电源。我们选用<a href="https://www.fitipower.com/NewsDetail.asp?lv=-1&amp;id=4" target="_blank">天钰</a>的FR8204芯片作为第一级降压，将输入电压降至5V。FR8204是一款集成MOS的同步Buck芯片，输入电压范围为4.5—18V，输出电流2A，开关频率500kHz，为电路小型化提供了基础。选用<a href="http://www.hjxai.com/" target="_blank">恒佳兴</a>的HX9193-33GB芯片作为第二级降压，为单片机提供3.3V供电。HX9193是一款LDO芯片，输出电流可达600mA。     本设计使用的三相半桥驱动为屹晶微的EG2133，可支持的最高PWM频率为500kHz，内置了硬件死区控制，所以控制部分可以不考虑死区的设置，减少微控制器的计算资源消耗，开关节点的耐压高达275V，应用于重载场景中，也能保证半桥驱动不受损坏。三相半桥驱动上共有6个输入，可分别对六根MOS管进行单独操作，也可以将某一相的两个输入直接接到微控制器的同一个PWM输出端口上，使得半桥保持上下管互补开关，这就有使用微控制器上6个和3个PWM输出端口的区别，分别称为6PWM模式和3PWM模式。     PWM通过GD32F130G6U6主控中的通用定时器TIM1外设产生，为了减少微控制器的引脚数量，我们采用3PWM模式进行控制，下管的控制信号由三相驱动器自己产生互补PWM驱动。图中R1、C4组成的RC电路可以在重新上电时给单片机RST引脚提供上电复位信号。C5、C6是单片机的去耦电容，用于减少单片机供电电压波动，保障单片机稳定工作。R5电阻为LED的限流电阻，使LED1工作在正常电流下而不会过流烧坏。</p> <h4>软件部分</h4> <p>详情请见代码</p> <p><br></p> <h4>BOM清单</h4> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/lO195v1q5fXL3SPYroR5pEPLE0bgK0fqTbPX3jBx.png" alt="BOM.png"></p> <p><br></p> <h4>大赛LOGO验证</h4> <p><img src="//image.lceda.cn/pullimage/FU12YSxihfnpku4HRCE8dHOk8Oh2nHlZBnzD3YFM.jpeg" alt="微信图片_20210907133251.jpg"></p>